Een Y‑vormige patcharray met hoge versterking en een 8‑poort MIMO‑configuratie voor patroondiversiteit in mm‑golftoepassingen

Waarom snellere signalen slimere antennes nodig hebben

Het streamen van ultra‑high‑definition video, het draaien van virtual reality of het sturen van autonome auto’s hangt allemaal af van draadloze signalen die grote hoeveelheden data onmiddellijk en betrouwbaar verplaatsen. Netwerken van de vijfde generatie (5G) proberen aan die vraag te voldoen door gebruik te maken van zeer hoge frequenties — de zogenaamde ‘millimetergolf’-banden, met name rond 28 GHz. Deze frequenties bieden veel nieuw spectrum maar worden gemakkelijk geblokkeerd door muren, gebouwen en zelfs regen. Om ze praktisch te maken, hebben ingenieurs compacte antennes nodig die zowel het signaal kunnen versterken als het rondom een toestel kunnen richten. Dit artikel presenteert een nieuw antenneontwerp dat beide uitdagingen tegelijk aanpakt.

Zwakke golven omzetten in sterke verbindingen

Millimetergolf‑signalen gedragen zich anders dan de radiogolven die in eerdere mobiele netwerken werden gebruikt. Ze verliezen snel sterkte met afstand, dringen niet goed door obstakels heen en zijn gevoelig voor weer en begroeiing. Om verbindingen stabiel te houden, moeten basisstations en apparaten energie concentreren in smalle bundels en in staat zijn die bundels naar gebruikers te richten. Eenvoudige ‘patch’-antennes zijn goedkoop en vlak, maar hebben doorgaans een beperkte versterking en smalle werkbanden. Eerdere ontwerpen probeerden prestaties te verbeteren met extra lagen, elektronische schakelaars of complexe oppervlakken, maar werden daarbij vaak omvangrijk, energievragend of moeilijk schaalbaar naar heel hoge frequenties.

Een Y‑vormig bouwblok voor sterkere bundels

De auteurs beginnen met een enkele kleine metallic patch die is geprint op een dun Rogers 5880‑printplaat en aan de achterkant is voorzien van een massief metalen grondvlak. Dit basiselement wordt van onder gevoed via een coaxiale connector, wat ongewenste oppervlaktestralen vermindert en de efficiëntie verbetert. Op zichzelf werkt de patch goed rond 28 GHz en levert hij een gematigde versterking van ongeveer 7 dBi met een tamelijk brede, naar voren gerichte bundel en beperkte straling achter de plaat. Om de versterking te verhogen zonder het oppervlak te vergroten, rangschikt het team drie zulke patches rond een centrale voeding met een Y‑vormige splitter, zodat energie tussen hen wordt gedeeld en gefaseerd in een gecontroleerde manier.

Van één bundel naar volledige cirkeldekking

Deze driedelementen Y‑vormige array richt de radiostraling in een smallere hoofdbundel, waardoor de versterking stijgt tot ongeveer 12–13 dBi terwijl nog steeds ongeveer 800 MHz bandbreedte rond 28 GHz wordt gedekt. Theorie laat zien dat zulke hoge versterking voortkomt uit constructieve interferentie wanneer de drie patches synchroon stralen; hetzelfde effect maakt het ontwerp ook gevoeliger voor frequentieverschuivingen, wat de bescheiden bandbreedte‑afweging verklaart. Om deze gefocusseerde bundel in alle richtingen dekking te veranderen, dupliceren en spiegelen de onderzoekers de Y‑array om eerst een twee‑poort, daarna een vier‑poort en uiteindelijk een acht‑poort configuratie te vormen die in een kruisachtige 3D‑opstelling is gerangschikt. Elke ‘poort’ voedt één Y‑array die in een andere richting wijst, zodat hun bundels samen de volledige 360° rondom het toestel bestrijken.

Acht oren die in elke richting luisteren

Het voltooide acht‑poort systeem gedraagt zich als een ring van sterk directionele ‘oren’, elk met hoge versterking en zeer weinig interferentie met de buren. Simulaties en metingen van het gefabriceerde prototype tonen aan dat de antenne zijn doelband van 27,6–28,4 GHz aanhoudt, isolatie beter dan 20 dB tussen poorten behoudt (wat betekent dat kanalen schoon blijven) en een gemeten versterking boven 13 dBi levert voor alle acht bundels. Extra diversiteitsmetingen geven aan dat de stralingspatronen van de poorten voldoende van elkaar verschillen zodat meerdere datastromen gelijktijdig verzonden en ontvangen kunnen worden, waardoor betrouwbaarheid en datadoorvoer toenemen — belangrijke voordelen van multi‑input multi‑output (MIMO)‑technologie.

Wat dit betekent voor toekomstige 5G‑apparaten

Voor een niet‑specialist is de kernprestatie dat de auteurs acht hoogversterkende, zorgvuldig gescheiden bundels in een antenne kleiner dan een luciferdoosje hebben verpakt, afgestemd op een belangrijke 5G millimetergolf‑band. In plaats van te vertrouwen op bewegende onderdelen of complexe schakernetwerken, gebruikt het ontwerp slimme geometrie — een Y‑vormige splitter en een doordachte driedimensionale rangschikking — om sterke, smalle bundels te combineren met volledige 360°‑dekking. Deze compacte, efficiënte aanpak kan toekomstige basisstations, toegangspunten en zelfs geavanceerde gebruikersapparaten helpen om snelle, betrouwbare verbindingen te behouden in drukke steden, op fabriekvloeren of in verbonden voertuigen, waardoor de belofte van hoge‑snelheids 5G op millimetergolf‑frequenties praktischer wordt in realistische omgevingen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: 5G‑antennes, millimetergolf, MIMO, straalsturing, draadloze communicatie