Tablica antenowa o wysokim zysku w kształcie litery Y z konfiguracją MIMO 8-portową dla dywersyfikacji wzorców w zastosowaniach mm‑wave

Dlaczego szybsze sygnały potrzebują mądrzejszych anten

Strumieniowanie wideo o ultra‑wysokiej rozdzielczości, uruchamianie wirtualnej rzeczywistości czy nawigacja samochodów autonomicznych opierają się na bezprzewodowych sygnałach przesyłających ogromne ilości danych natychmiast i niezawodnie. Sieci piątej generacji (5G) próbują sprostać temu zapotrzebowaniu, korzystając z bardzo wysokich częstotliwości „fal milimetrowych”, szczególnie wokół 28 GHz. Te pasma oferują dużo nowego widma, ale są łatwo blokowane przez ściany, budynki, a nawet opady. Aby je uczynić praktycznymi, inżynierowie potrzebują kompaktowych anten potrafiących zarówno wzmocnić sygnał, jak i kierować nim wokół urządzenia. Niniejszy artykuł przedstawia nowe rozwiązanie antenowe, które jednocześnie rozwiązuje oba te wyzwania.

Przekształcanie słabych fal w silne łącza

Sygnały fal milimetrowych zachowują się inaczej niż fale radiowe używane w wcześniejszych sieciach mobilnych. Tracą szybko moc w miarę oddalania się, słabo penetrują przeszkody i są wrażliwe na warunki pogodowe oraz roślinność. Aby utrzymać stabilne połączenia, stacje bazowe i urządzenia muszą skupiać energię w wąskich wiązkach i umieć kierować tymi wiązkami na użytkowników. Proste anteny typu „patch” są tanie i płaskie, ale zwykle mają umiarkowany zysk i wąskie zakresy pracy. Wcześniejsze projekty próbowano poprawiać przez dodatkowe warstwy, przełączniki elektroniczne lub złożone powierzchnie, co często prowadziło do zwiększonej objętości, poboru mocy lub trudności w skalowaniu do bardzo wysokich częstotliwości.

Element bazowy w kształcie litery Y dla mocniejszych wiązek

Autorzy zaczynają od pojedynczego, małego metalowego patcha nadrukowanego na cienkiej płytce Rogers 5880, od tylu osłoniętej zwartej płaszczyzną masy. Ten podstawowy element zasilany jest od spodu przez złącze współosiowe, co redukuje niepożądane fale powierzchniowe i zwiększa sprawność. Sam patch dobrze pracuje wokół 28 GHz, dostarczając umiarkowany zysk około 7 dBi, z dość szeroką, skierowaną do przodu wiązką i ograniczonym promieniowaniem za płytką. Aby zwiększyć zysk bez powiększania powierzchni, zespół aranżuje trzy takie patcha wokół centralnego zasilania używając rozdzielacza w układzie Y, tak by energia była współdzielona i odpowiednio fazowana między nimi.

Od jednej wiązki do pełnego pokrycia

Trójelementowa tablica w układzie Y skupia energię radiową w węższą główną wiązkę, podnosząc zysk do około 12–13 dBi przy zachowaniu pasma rzędu 800 MHz wokół 28 GHz. Teoria wskazuje, że tak wysoki zysk wynika z interferencji konstruktywnej, gdy trzy patcha promieniują synchronicznie; ten sam efekt sprawia też, że projekt staje się bardziej czuły na przesunięcia częstotliwości, co tłumaczy pewien kompromis w szerokości pasma. Aby przekształcić skupioną wiązkę w pokrycie dookoła, badacze duplikują i odbijają układ Y, tworząc najpierw konfigurację dwupunktową, potem czteropunktową, a wreszcie ośmiopunktową ułożoną w trójwymiarowy krzyż. Każdy „port” zasila jeden układ Y skierowany w inną stronę, tak że ich wiązki razem obejmują pełne 360° wokół urządzenia.

Osiem „uszów” nasłuchujących we wszystkich kierunkach

Gotowy system ośmiopunktowy działa jak pierścień wysoce kierunkowych „usz”, z silnym zyskiem i jednocześnie bardzo małą wzajemną interferencją. Symulacje i pomiary wykonanego prototypu pokazują, że antena utrzymuje docelowe pasmo 27,6–28,4 GHz, zachowuje izolację lepszą niż 20 dB między portami (co oznacza czyste kanały) i osiąga zmierzony zysk powyżej 13 dBi dla wszystkich ośmiu wiązek. Dodatkowe wskaźniki dywersyfikacji wskazują, że wzorce promieniowania poszczególnych portów są wystarczająco różne, aby jednocześnie wysyłać i odbierać wiele strumieni danych, zwiększając niezawodność i przepustowość — kluczowe korzyści technologii MIMO (multi‑input multi‑output).

Co to oznacza dla przyszłych urządzeń 5G

Dla osoby niebędącej specjalistą główne osiągnięcie polega na tym, że autorzy zmieścili osiem wysoko‑zyskowych, starannie rozdzielonych wiązek w antenie mniejszej niż pudełko zapałek, dostrojonej do kluczowego pasma fal milimetrowych dla 5G. Zamiast polegać na ruchomych elementach czy skomplikowanych sieciach przełączających, projekt wykorzystuje sprytne rozwiązania geometryczne — rozdzielacz w układzie Y i przemyślane trójwymiarowe ułożenie — aby połączyć silne, wąskie wiązki z pełnym pokryciem 360°. To kompaktowe, efektywne podejście może pomóc przyszłym stacjom bazowym, punktom dostępowym, a nawet zaawansowanym urządzeniom użytkowników utrzymywać szybkie, niezawodne łącza w zatłoczonych miastach, na halach produkcyjnych czy w pojazdach połączonych z siecią, czyniąc obietnicę szybkiego 5G w paśmie fal milimetrowych bardziej praktyczną w warunkach rzeczywistych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: antena 5G, fala milimetrowa, MIMO, sterowanie wiązką, komunikacja bezprzewodowa