共有可能な小型セル無線装置を用いる5G NR用途向け二重帯域コンポジット高利得MIMOアンテナ

屋内ワイヤレスの高速化が重要な理由

4Kビデオストリームやバーチャルリアリティヘッドセット、各部屋にあるスマートデバイスなど、現在のインターネットトラフィックの多くは建物内部から発生しています。これらの機器をつなぎ続けるために、ネットワークはオフィス、商業施設、スタジアム、街路などで小型で低消費電力の基地局（スモールセル）を密に配置しています。本稿は、単一の5Gスモールセルが複数の事業者にサービスを提供でき、かつ人々が最もデータを使う場所で速度とカバレッジを向上させるために、両方の主要な5G周波数帯域で効率的に動作する新しいコンパクトなアンテナ設計を示します。

2つの主要な5Gレーンを一つのコンパクト設計に

現代の5Gは空間の非常に異なる二つの帯域に依存しています。ひとつは6GHz以下に位置し、壁を透過して中距離で信頼性の高い通信を担います。もうひとつは約26GHz以上のミリ波領域で、高速だが遮蔽に弱い特性を持ちます。異なる移動通信事業者で共有される無線装置は、これら両方の“レーン”で同時に動作する必要があります。既存の二重帯域アンテナもこれを実現できますが、しばしば使用可能帯域が狭い、製造の難しいかさばる3次元構造、あるいは利得が限られるといった課題があります。著者らは、これらの周波数帯域が大きく離れていてもコンパクトで高性能を発揮できる単一アンテナモジュールを作ることでこの課題に対処しています。

新しいアンテナの構成

本研究の要は四素子のMIMO（マルチプルインプット・マルチプルアウトプット）アンテナで、四つの小さな素子が協調してスループットと信頼性を高めます。各素子は平坦な金属パターンと精巧に成形された誘電体ブロックを組み合わせています。プリント基板上ではU字状の金属トレースが下位の5G帯域の主放射器として働き、その腕の間に配置した小さな蝶ネクタイ型の金属パッチが有効寸法と利得を高めます。その直上には「摺動（perturbed barrel）」状の誘電体ブロックが置かれており、これは電気を通さない材料で電磁波を導く役割をします。円筒を切削・加工して得た形状により、ミリ波周波数で有用な高次モードを支持するように設計されています。

一つの構造で二つの役割

設計の巧妙な点は、同じ物理部品が低周波と高周波で異なる振る舞いをすることです。サブ6GHz帯では誘電体ブロックは主にU字金属アンテナの応答をわずかにシフトし広帯域化する受動的なカバーとして働き、蝶ネクタイパッチが利得を強化します。ミリ波帯では役割が逆転し、金属パターンが主に誘電体ブロックにエネルギーを供給し、ブロックが主放射体になります。形状と材料を調整したブロックはハイブリッドモードを支持し、端指向（end‑fire）方向、つまりスモールセルの面に沿って放射する特性を自然に持ちます。これは屋内の視線伝送や都市部の高密度ホットスポットに理想的です。材料の比誘電率を慎重に選ぶことで、強い放射と十分な帯域幅のバランスを取っています。

実際的な5G帯域での測定性能

チームは標準的な回路エッチングと誘電体部材のウォータージェット切断でアンテナを製作し、実験室と実際の屋内5Gテストベッドで性能を測定しました。下位帯域では約2.8〜4.9GHzをカバーし、約53%という高い分数帯域幅を示しており、広く使われるn77およびn78の5G帯域を余裕をもって包含します。この帯域ではブロードサイド放射でピーク利得は約8.2dBを達成し、室内全体をカバーするのに適しています。ミリ波帯では24〜29.3GHzで動作し、n257〜n261などの人気帯域を含み、約20%の分数帯域幅と端指向で約13.1dBのピーク利得を示します。四素子配置は素子間結合が非常に低く、良好なダイバーシティ特性を示しており、堅牢なMIMO性能に重要です。

日常の接続性に与える意味

簡単に言えば、著者らは“到達”帯域と“速度”帯域の両方を単一のコンパクトなアンテナモジュールで効率よく扱えるように設計しました。さらにOpen RANのようなオープンで共有可能な無線アーキテクチャとも互換性があります。広い帯域幅、高い利得、小さな占有面積で複数素子をサポートする能力は、屋内や高密度都市環境で複数の移動体通信事業者が共有するスモールセルに非常に適しています。ネットワークの高密度化が進むなかで、このような設計は人々が実際にデータを使う場所、つまり家庭、オフィス、アリーナ、街路におけるより速く柔軟なワイヤレスサービスの実現に向けた実用的な構成要素を提供します。

引用: 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

キーワード: 5Gスモールセル, MIMOアンテナ, ミリ波, 二重帯域設計, Open RAN