Dwupasmowa złożona antena MIMO o wysokim zysku do zastosowań 5G NR z wykorzystaniem współdzielonej jednostki radiowej małej komórki

Dlaczego szybsze bezprzewodowe połączenie w pomieszczeniach ma znaczenie

Od strumieni wideo 4K po zestawy do rzeczywistości wirtualnej i inteligentne urządzenia w każdym pomieszczeniu — większość dzisiejszego ruchu internetowego pochodzi z wnętrz budynków. Aby utrzymać połączenie tych urządzeń, sieci instalują wiele małych, niskomocowych stacji bazowych zwanych małymi komórkami, ściśle rozstawionych w biurach, centrach handlowych, stadionach i na ulicach. W artykule przedstawiono nowe kompaktowe rozwiązanie antenowe, które pozwala jednej małej komórce obsługiwać wielu operatorów i działać efektywnie w obu głównych zakresach częstotliwości 5G, zwiększając prędkość i zasięg tam, gdzie ludzie najwięcej korzystają z danych.

Dwa kluczowe pasma 5G w jednym kompaktowym projekcie

Nowoczesne systemy 5G opierają się na dwóch bardzo różnych fragmentach widma radiowego. Jeden znajduje się poniżej 6 GHz i przesyła sygnały niezawodnie przez ściany na umiarkowane odległości; drugi działa w zakresie fali milimetrowej wokół 26 GHz i wyżej, gdzie prędkości transmisji są bardzo wysokie, ale sygnały łatwiej ulegają blokowaniu. Jednostka radiowa, którą mogą współdzielić różni operatorzy, musi pracować jednocześnie w obu tych „pasach”. Istniejące anteny dwupasmowe potrafią to robić, lecz często cierpią na wąski praktyczny pasmo, masywne, trudne do wykonania struktury 3D lub ograniczony zysk, co zmniejsza zasięg. Autorzy rozwiązują ten problem, tworząc pojedynczy moduł antenowy, który jest zarówno kompaktowy, jak i osiąga dobre parametry w wyraźnie oddzielonych pasmach częstotliwości.

Jak zbudowana jest nowa antena

Rdzeniem pracy jest antena MIMO z czterema elementami, czyli cztery małe anteny współpracujące, aby poprawić przepustowość i niezawodność. Każdy element łączy płaski wzór metalowy i starannie ukształtowany blok dielektryczny. Na płytce drukowanej ślad metalowy w kształcie litery U działa jako główny promiennik w dolnym paśmie 5G, a mała metalowa płytka w kształcie muszki umieszczona między ramionami zwiększa efektywny wymiar i zysk. Bezpośrednio nad tym znajduje się blok dielektryczny o kształcie „zmodyfikowanej beczki” — element materiałowy, który prowadzi fale radiowe, nie przewodząc prądu. Jego kształt jest wycinany z cylindra i modyfikowany tak, aby wspierał przydatny wyższy porządek trybu w częstotliwościach milimetrowych.

Jedna struktura, dwie role

Sprytne w tym projekcie jest to, że te same fizyczne części zachowują się inaczej na niskich i wysokich częstotliwościach. W paśmie poniżej 6 GHz blok dielektryczny pełni głównie rolę biernej osłony, która nieco przesuwa i poszerza charakterystykę anteny w kształcie U, podczas gdy płytka muszka zwiększa zysk. W paśmie fal milimetrowych role się odwracają: wzór metalowy w większym stopniu zasila blok dielektryczny, który staje się głównym promiennikiem. Dzięki dostosowanemu kształtowi i właściwościom materiału blok wspiera tryb hybrydowy, który naturalnie kieruje energię w końcową (end‑fire) kierunku — to znaczy wzdłuż powierzchni małej komórki, co jest idealne dla łączy widoczności i zatłoczonych miejskich punktów. Staranny dobór przenikalności dielektrycznej równoważy silne promieniowanie z wystarczająco szerokim pasmem użytecznym.

Pomiary w realistycznych pasmach 5G

Zespół wykonał antenę przy użyciu standardowego trawienia obwodów i cięcia wodą elementów dielektrycznych, a następnie zmierzył jej parametry w laboratorium i w rzeczywistym wewnętrznym polu testowym 5G. W dolnym paśmie antena obejmuje w przybliżeniu 2,8–4,9 GHz z wysokim ułamkowym pasmem szerokości około 53%, co wygodnie obejmuje szeroko używane pasma n77 i n78 5G. W tym zakresie osiąga szczytowy zysk około 8,2 dB z promieniowaniem do przodu (broadside) odpowiednim do wypełniania pomieszczeń. W paśmie milimetrowym pracuje od 24 do 29,3 GHz, obejmując popularne pasma takie jak n257 do n261, z około 20% ułamkowym pasmem i szczytowym zyskiem około 13,1 dB w kierunku end‑fire. Układ czteroelementowy wykazuje bardzo niskie sprzężenie między elementami i korzystne wskaźniki różnorodności, co jest ważne dla niezawodnej pracy MIMO.

Co to oznacza dla codziennego łączności

Mówiąc prościej, autorzy zaprojektowali pojedynczy, kompaktowy moduł antenowy, który może efektywnie obsługiwać jednocześnie pasmo „zasięgu” i pasmo „szybkości” 5G, pozostając zgodnym z otwartymi, współdzielonymi architekturami radiowymi jak Open RAN. Jego szerokie pasmo, wysoki zysk i możliwość wsparcia wielu anten w małym formacie czynią go dobrze dopasowanym do małych komórek, które mogą być współdzielone przez kilku operatorów w zatłoczonych wnętrzach lub gęstych obszarach miejskich. W miarę jak sieci będą się zagęszczać, tego typu rozwiązania oferują praktyczny element budulcowy dla szybszych i bardziej elastycznych usług bezprzewodowych tam, gdzie ludzie ich naprawdę używają: w domach, biurach, halach sportowych i na ulicach miast.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: małe komórki 5G, antena MIMO, fala milimetrowa, projekt dwupasmowy, Open RAN