Een dual-band vierpoort MIMO-antenne met een gedeeltelijk aardvlak voor toepassingen in de n257/n260/n261-banden

Waarom snellere draadloze verbindingen slimmere antennes nodig hebben

Het streamen van hoge-resolutievideo, meeslepende virtual reality en zwermen van kleine sensoren zijn allemaal afhankelijk van netwerken van de volgende generatie 5G, met name in het millimetergolfgebied waar grote nieuwe stukjes spectrum beschikbaar zijn. Het betrouwbaar gebruiken van deze zeer hoge radiofrequenties is echter lastig: signalen verzwakken snel en antennes moeten zowel compact zijn als meerdere datastromen tegelijk aankunnen. Dit artikel presenteert een nieuw antenneontwerp dat deze uitdagingen aanpakt, met als doel toekomstige telefoons, apparaten en aangesloten machines sneller en betrouwbaarder met elkaar te laten communiceren.

Een kleine antenne voor grote 5G-eisen

De onderzoekers introduceren een compact antennemodule, slechts 28 millimeter aan elke zijde en dunner dan een creditcard, afgestemd op de 5G "FR2" millimetergolfbanden rond 28 en 38 gigahertz. Deze twee banden — in standaarden aangeduid als n257/n261 en n260 — zijn bijzonder aantrekkelijk omdat ze brede bandbreedte en relatief lage atmosferische verliezen bieden vergeleken met nog hogere frequenties. In plaats van één enkele antenne bevat de module vier kleine uitstralende elementen die samenwerken als een multiple-input multiple-output (MIMO)-systeem. Deze opstelling ondersteunt meerdere onafhankelijke datastromen tegelijk, wat capaciteit en betrouwbaarheid verhoogt zonder het formaat van het apparaat te vergroten.

Hoe het basiselement van de antenne werkt

Elk van de vier elementen begint als een eenvoudige metalen rechthoek die radiogolven uitzendt. Om dit enkele onderdeel efficiënt te laten werken op twee distincte frequentiebanden, brengen de auteurs specifieke sleufvormen in aan — één in de vorm van een "H" en een andere als een omgekeerde "T" — en combineren dit met een aardgeleider die slechts een deel van de achterkant van de printplaat bedekt. De gedeeltelijke backing verandert hoe elektrische stromen vloeien, waardoor het ene pad dominant wordt in de lagere band en een ander in de hogere band, terwijl de sleuven de twee resonanties fijn afstemmen. Via stapsgewijze computersimulaties laat het team zien hoe deze aanpassingen de natuurlijke frequenties van de antenne verschuiven en splitsen totdat deze schoon rond zowel 28 als 38 gigahertz werkt.

Vier elementen plaatsen zonder dat ze elkaar storen

Om de volledige module te vormen, worden de vier dubbelbandselementen geroteerd zodat ze verschillende richtingen op wijzen en rond het midden van het vierkante bord geplaatst. Deze orthogonale opstelling helpt al om onderlinge interferentie te beperken, een belangrijke voorwaarde voor MIMO-systemen. Wanneer één element uitzendt, kunnen er echter nog steeds stromen via het gedeelde aardvlak lekken en de buren verstoren. Om dit tegen te gaan verbinden de ontwerpers de gedeeltelijke aardvlakgebieden en verlengen dunne metallijnen naar binnen vanaf elke zijde, waardoor een centraal plusvormig structuur ontstaat. Deze vorm stuurt ongewenste stromen om en heft ze deels op, wat de elektrische "brandmuur" tussen poorten verhoogt terwijl de gewenste uitstraling in vrije ruimte behouden blijft.

Het ontwerp op de proef stellen

Na het optimaliseren van afmetingen in simulatie fabriceert het team de antenne op een laag-verlies microwave-circuitmateriaal en meet deze met precisie-instrumenten en anechoïsche meetkamers. Het prototype dekt ongeveer 2,6 tot 2,9 gigahertz aan bandbreedte rond 28 gigahertz en een vergelijkbare spreiding rond 38 gigahertz — breder dan veel vergelijkbare ontwerpen — terwijl het signaallek tussen ieder paar poorten doorgaans beter is dan 23 tot 27 decibel. Stralingstesten tonen piekwinsten van ongeveer 6,4 en 8,5 decibel in de lagere en hogere banden, met efficiënties boven 75 procent. Aanvullende analyses van belangrijke MIMO-metrieken, zoals hoe onafhankelijk de antennesignalen zijn en hoeveel totale datacapaciteit verloren gaat, bevestigen dat de module bijna ideaal presteert over beide banden.

Wat dit betekent voor alledaagse connectiviteit

In eenvoudige termen hebben de auteurs een zeer kleine, dual-band antennemodule ontworpen die meerdere hogefrequentiedatastromen tegelijk kan verzenden en ontvangen zonder dat die stromen elkaar in de weg zitten. Door zowel het uitstralende metaal als de gedeelde backing slim vorm te geven, met name via de centraal geplaatste plusvormige functie, bereiken ze sterke isolatie, brede bruikbare bandbreedte en goede efficiëntie in twee belangrijke 5G millimetergolfbanden. Dit soort compacte, hoogpresterende bouwsteen is goed geschikt voor toekomstige smartphones, voertuigen en IoT-apparaten en helpt 5G-netwerken de hoge datasnelheden en lage latenties te leveren die geavanceerde toepassingen vereisen.

Bronvermelding: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

Trefwoorden: 5G-millimetergolf, MIMO-antenne, dual-band, millimetergolf-isolatie, draadloze communicatiehardware