Dubbelbandige samengestelde hoogversterkende MIMO‑antenne voor 5G NR‑toepassingen met deelbare small cell‑radio‑unit

Waarom sneller draadloos binnenshuis ertoe doet

Van 4K‑videostreams tot virtual‑reality‑headsets en slimme apparaten in elke kamer: het merendeel van het huidige internetverkeer komt van binnen gebouwen. Om al die apparaten verbonden te houden, voegen netwerken veel kleine, energiezuinige basisstations toe — zogenaamde small cells — die dicht op elkaar geplaatst worden in kantoren, winkelcentra, stadions en straten. Dit artikel presenteert een nieuw compact antenneontwerp dat een enkele 5G‑small cell helpt meerdere operators te bedienen en efficiënt te werken over beide belangrijke 5G‑frequentiegebieden, waardoor snelheid en dekking worden vergroot op de plaatsen waar mensen het meeste data gebruiken.

Twee belangrijke 5G‑banen in één compact ontwerp

Moderne 5G‑systemen vertrouwen op twee heel verschillende delen van het radiospectrum. Eén deel ligt onder 6 GHz en draagt signalen betrouwbaar door wanden en over redelijke afstanden; het andere bevindt zich in het millimetergolfgebied rond 26 GHz en hoger, waar datasnelheden zeer hoog zijn maar signalen makkelijker worden geblokkeerd. Een radio‑unit die door verschillende mobiele operators kan worden gedeeld, moet tegelijk over beide “banen” werken. Bestaande dubbelbandantennes kunnen dat, maar hebben vaak een smalle bruikbare bandbreedte, omvangrijke 3D‑structuren die lastig te fabriceren zijn, of beperkte versterking, wat de dekking vermindert. De auteurs pakken deze uitdaging aan door een enkele antennemodule te ontwikkelen die zowel compact is als sterke prestaties levert in ver uit elkaar liggende frequentiebanden.

Hoe de nieuwe antenne is opgebouwd

De kern van het werk is een vier‑elementen MIMO‑(multiple‑input multiple‑output)antenne, wat betekent dat vier kleine antennes samenwerken om datadoorvoer en betrouwbaarheid te verbeteren. Elk element combineert een vlak metalen patroon en een zorgvuldig gevormd blok isolerend materiaal. Op de printplaat fungeert een U‑vormige metalen spoor als hoofdstraler in de lagere 5G‑band, en een klein vlinderdasvormig metalen patchje geplaatst tussen de armen vergroot de effectieve afmeting en de gain. Direct erboven bevindt zich een “geperterd ton”‑dielectricumblok — een stuk materiaal dat radiogolven geleidt zonder elektriciteit te geleiden. De vorm is uit een cilinder gesneden en vervolgens aangepast zodat het een nuttige hogere‑orde modus ondersteunt op millimetergolf‑frequenties.

Één structuur, twee rollen

Een slimme eigenschap van het ontwerp is dat dezelfde fysieke onderdelen zich anders gedragen bij lage en hoge frequenties. In de sub‑6 GHz‑band fungeert het dielectricumblok voornamelijk als een passieve kap die de respons van de U‑vormige metalen antenne iets verschuift en verbreedt, terwijl het vlinderdas‑patchje de gain versterkt. Bij millimetergolffrequenties draaien de rollen om: het metalen patroon voedt nu voornamelijk energie in het dielectricumblok, dat de hoofdstraler wordt. Door de gerichte vormgeving en materiaalkeuze ondersteunt het blok een hybride modus die van nature vermogen in end‑fire‑richting uitstraalt — dat wil zeggen langs het oppervlak van de small cell, ideaal voor zichtlijnverbindingen binnenshuis en drukke stedelijke hotspots. Zorgvuldige keuze van de permittiviteit van het materiaal balanceert sterke straling met voldoende brede bandbreedte.

G gemeten prestaties in realistische 5G‑banden

Het team vervaardigde de antenne met standaard printplaatetsen en waterstraalsnijden voor de dielectricumdelen, en mat vervolgens de prestaties in het laboratorium en in een echte 5G‑testomgeving binnenshuis. In de lagere band dekt de antenne ruwweg 2,8 tot 4,9 GHz met een hoge fractionele bandbreedte van ongeveer 53%, ruim genoeg om de veelgebruikte n77‑ en n78‑5G‑banden te omvatten. Hier levert hij een piekgewinst van ongeveer 8,2 dB met broadside‑straling geschikt voor ruimtevullende dekking. In de millimetergolfband werkt hij van 24 tot 29,3 GHz, waarmee populaire banden zoals n257 tot n261 worden gedekt, met ongeveer 20% fractionele bandbreedte en een piekgewinst rond 13,1 dB in end‑fire‑richting. De vierelementopstelling vertoont zeer lage koppeling tussen elementen en gunstige diversiteitsmetingen, belangrijk voor robuuste MIMO‑prestaties.

Wat dit betekent voor dagelijkse connectiviteit

In eenvoudige bewoordingen hebben de auteurs een enkele, compacte antennemodule ontworpen die efficiënt zowel de “bereik”‑band als de “snelheids”‑band van 5G tegelijk kan afhandelen, terwijl hij compatibel blijft met open, deelbare radioarchitecturen zoals Open RAN. De brede bandbreedte, sterke gain en het vermogen om meerdere antennes op een kleine voetafdruk te ondersteunen, maken hem zeer geschikt voor small cells die door meerdere mobiele operators gedeeld kunnen worden in drukke binnenruimtes of dichtbebouwde stedelijke omgevingen. Naarmate netwerken verder verdichten, bieden ontwerpen zoals dit een praktische bouwsteen voor snellere, flexibelere draadloze dienstverlening daar waar mensen hem werkelijk gebruiken: in huizen, kantoren, arena’s en stadsstraten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: 5G small cells, MIMO‑antenne, millimetergolf, dubbelbandontwerp, Open RAN