Array patch a forma di Y ad alto guadagno con configurazione MIMO a 8 porte per diversità di diagramma in applicazioni a onde millimetriche

Perché segnali più veloci richiedono antenne più intelligenti

Lo streaming di video ultra‑alta definizione, le applicazioni di realtà virtuale o la guida di veicoli autonomi dipendono tutti da segnali wireless che trasferiscono grandi quantità di dati, istantaneamente e in modo affidabile. Le reti di quinta generazione (5G) cercano di soddisfare questa domanda utilizzando bande a frequenza molto elevata, le cosiddette «onde millimetriche», in particolare attorno a 28 GHz. Queste frequenze offrono ampio spettro disponibile ma sono facilmente ostacolate da pareti, edifici e persino dalla pioggia. Per renderle praticabili, gli ingegneri hanno bisogno di antenne compatte in grado sia di aumentare la potenza del segnale sia di dirigerla intorno al dispositivo. Questo articolo presenta un nuovo progetto di antenna che affronta contemporaneamente entrambe le sfide.

Trasformare onde deboli in collegamenti robusti

I segnali millimetrici si comportano in modo diverso rispetto alle onde radio utilizzate nelle reti mobili precedenti. Perdono rapidamente potenza con la distanza, non penetrano bene gli ostacoli e sono sensibili al meteo e alla vegetazione. Per mantenere stabili le connessioni, stazioni base e dispositivi devono concentrare l’energia in fasci stretti e poter puntare quei fasci verso gli utenti. Le semplici antenne a patch sono economiche e piatte ma normalmente hanno guadagno modesto e gamme operative ristrette. Progetti precedenti hanno cercato di migliorarne le prestazioni con strati aggiuntivi, interruttori elettronici o superfici complesse, ma spesso risultavano ingombranti, energivori o difficili da scalare a frequenze molto alte.

Un blocco a forma di Y per fasci più potenti

Gli autori partono da una singola piccola patch metallica stampata su un sottile circuito Rogers 5880, supportata da un piano di massa metallico continuo. Questo elemento di base è eccitato dal basso tramite un connettore coassiale, che riduce le onde superficiali indesiderate e migliora l’efficienza. Da sola, la patch funziona bene intorno a 28 GHz, fornendo un guadagno moderato di circa 7 dBi con un fascio relativamente ampio rivolto in avanti e radiazione limitata dietro il piano. Per aumentare il guadagno senza ingrandire l’ingombro, il gruppo dispone tre patch attorno a un’alimentazione centrale usando uno splitter a forma di Y, in modo che l’energia sia condivisa e sfasata tra di esse in modo controllato.

Da un solo fascio a una copertura a cerchio completo

Questa array a tre elementi a forma di Y concentra l’energia radio in un fascio principale più stretto, portando il guadagno a circa 12–13 dBi pur coprendo circa 800 MHz di larghezza di banda intorno a 28 GHz. La teoria mostra che tale elevato guadagno deriva dall’interferenza costruttiva quando le tre patch radianti sono in fase; lo stesso effetto rende il progetto più sensibile agli spostamenti di frequenza, spiegando il compromesso sulla banda. Per trasformare questo fascio focalizzato in una copertura omnidirezionale, i ricercatori duplicano e specchiano l’array a Y per formare prima una configurazione a due porte, poi a quattro porte e infine a otto porte disposte in un layout tridimensionale a forma di croce. Ogni «porta» alimenta una Y che punta in una direzione diversa, così che i loro fasci insieme coprano i 360° attorno al dispositivo.

Otto «orecchie» che ascoltano in ogni direzione

Il sistema finale a otto porte si comporta come un anello di «orecchie» altamente direttive, ciascuna con forte guadagno e con scarsa interferenza reciproca. Simulazioni e misure sul prototipo fabbricato mostrano che l’antenna mantiene la banda obiettivo 27.6–28.4 GHz, conserva un’isolamento migliore di 20 dB tra le porte (cioè i canali restano puliti) e fornisce un guadagno misurato superiore a 13 dBi per tutti e otto i fasci. Metriche di diversità aggiuntive indicano che i diagrammi di radiazione delle porte sono sufficientemente differenti da permettere l’invio e la ricezione simultanea di più flussi di dati, incrementando affidabilità e throughput—vantaggi chiave della tecnologia multi‑input multi‑output (MIMO).

Cosa significa questo per i futuri dispositivi 5G

Per un non specialista, il risultato principale è che gli autori sono riusciti a inserire otto fasci ad alto guadagno, opportunamente separati, in un’antenna più piccola di una scatola di fiammiferi, progettata per una banda millimetrica chiave del 5G. Invece di affidarsi a parti mobili o a reti di commutazione complesse, il progetto utilizza una geometria intelligente—uno splitter a Y e un’organizzazione tridimensionale studiata—to combinare fasci stretti e potenti con copertura completa a 360°. Questo approccio compatto ed efficiente potrebbe aiutare future stazioni base, access point e persino dispositivi utente avanzati a mantenere collegamenti veloci e affidabili nelle città affollate, nei reparti di una fabbrica o nei veicoli connessi, rendendo la promessa del 5G ad onde millimetriche più pratica nel mondo reale.

Citazione: Abaas, A., Awan, W.A., Choi, D. et al. A high-gain Y-shaped patch array with an 8-port MIMO configuration for pattern diversity in mm-wave applications. Sci Rep 16, 8993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35545-y

Parole chiave: antenne 5G, onde millimetriche, MIMO, beam steering, comunicazione wireless