Antenna MIMO composita a doppia banda ad alto guadagno per applicazioni 5G NR che impiega un’unità radio per small cell condivisibile

Perché la connessione wireless interna più veloce è importante

Dai flussi video 4K ai visori per realtà virtuale e ai dispositivi smart in ogni stanza, la maggior parte del traffico Internet odierno proviene effettivamente dall’interno degli edifici. Per mantenere connessi tutti questi dispositivi, le reti stanno aggiungendo molte stazioni base piccole e a basso consumo—chiamate small cell—disposte a breve distanza in uffici, centri commerciali, stadi e strade cittadine. Questo articolo presenta un nuovo progetto di antenna compatta che aiuta una singola small cell 5G a servire più operatori e a funzionare in modo efficiente su entrambe le principali gamme di frequenza 5G, incrementando velocità e copertura dove le persone usano i dati più intensamente.

Due corsie chiave del 5G in un unico progetto compatto

I sistemi 5G moderni si basano su due porzioni dello spettro molto diverse. Una si trova sotto i 6 GHz e trasporta segnali in modo affidabile attraverso i muri su distanze moderate; l’altra opera nella gamma delle onde millimetriche intorno a 26 GHz e oltre, dove i tassi di dati sono molto elevati ma i segnali sono più facilmente bloccati. Un’unità radio che può essere condivisa tra diversi operatori mobili deve funzionare su entrambe queste “corsie” contemporaneamente. Le antenne dual‑band esistenti possono farlo, ma spesso soffrono di banda utilizzabile stretta, strutture 3D ingombranti difficili da produrre o guadagno limitato, che riduce la copertura. Gli autori affrontano questa sfida creando un singolo modulo antenna che è sia compatto sia in grado di prestazioni elevate in bande di frequenza ampiamente separate.

Come è costruita la nuova antenna

Il nucleo del lavoro è un’antenna MIMO a quattro elementi (multiple‑input multiple‑output), cioè quattro piccole antenne che lavorano insieme per migliorare la velocità di trasmissione dei dati e l’affidabilità. Ogni elemento combina un profilo metallico piatto e un blocco accuratamente sagomato di materiale dielettrico. Sulla scheda a circuito stampato, una traccia metallica a forma di U funge da radiatore principale nella banda 5G più bassa, e una piccola patch metallica a forma di fiocco posizionata tra le sue braccia aumenta la dimensione effettiva e il guadagno. Posizionato direttamente sopra c’è un blocco dielettrico a «barile perturbato»—un pezzo di materiale che guida le onde radio senza condurre elettricità. La sua forma è ricavata da un cilindro e poi tagliata e modificata in modo da supportare una modalità di ordine superiore utile alle frequenze delle onde millimetriche.

Una struttura, due ruoli

Un aspetto intelligente del progetto è che le stesse parti fisiche si comportano diversamente a basse e alte frequenze. Nella banda sub‑6 GHz, il blocco dielettrico agisce principalmente come una copertura passiva che sposta leggermente e amplia la risposta dell’antenna metallica a U, mentre la patch a fiocco migliora il guadagno. Alle frequenze millimetriche, i ruoli si invertono: il pattern metallico alimenta principalmente energia nel blocco dielettrico, che diventa il radiatore principale. Grazie alla sua forma e al materiale studiati, il blocco supporta una modalità ibrida che naturalmente dirige la potenza in direzione end‑fire—cioè lungo la superficie della small cell, ideale per collegamenti indoor in linea di vista e hotspot urbani densi. Una scelta attenta della permittività del materiale bilancia radiazione intensa e banda sufficientemente ampia.

Prestazioni misurate in bande 5G realistiche

Il team ha realizzato l’antenna usando incisione del circuito standard e taglio a getto d’acqua per i pezzi dielettrici, quindi ne ha misurato le prestazioni in laboratorio e in un testbed 5G indoor reale. Nella banda inferiore, l’antenna copre approssimativamente da 2,8 a 4,9 GHz con un’elevata larghezza di banda frazionaria di circa il 53%, coprendo comodamente le diffuse bande 5G n77 e n78. Qui offre un guadagno di picco intorno a 8,2 dB con radiazione broadside adatta alla copertura a livello di stanza. Nella banda delle onde millimetriche, opera da 24 a 29,3 GHz, coprendo bande popolari come n257 fino a n261, con circa il 20% di larghezza di banda frazionaria e un guadagno di picco attorno a 13,1 dB in direzione end‑fire. L’assetto a quattro elementi mostra un accoppiamento molto basso tra gli elementi e metriche di diversità favorevoli, importanti per prestazioni MIMO robuste.

Cosa significa per la connettività di tutti i giorni

In termini più semplici, gli autori hanno progettato un singolo modulo antenna compatto in grado di gestire in modo efficiente sia la banda di «copertura» sia la banda di «velocità» del 5G contemporaneamente, restando compatibile con architetture radio aperte e condivisibili come Open RAN. La sua ampia larghezza di banda, l’elevato guadagno e la capacità di supportare più antenne in un ingombro ridotto lo rendono adatto alle small cell che più operatori mobili possono condividere in ambienti interni affollati o aree urbane dense. Con l’aumento della densificazione delle reti, progetti come questo offrono un blocco costruttivo pratico per servizi wireless più rapidi e flessibili dove le persone li usano davvero: all’interno di case, uffici, arene e strade cittadine.

Citazione: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

Parole chiave: Small cell 5G, Antenna MIMO, Onde millimetriche, Progetto a doppia banda, Open RAN