Antena MIMO czteropunktowa dwupasmowa z częściową płaszczyzną uziemiającą do zastosowań w pasmach n257/n260/n261

Dlaczego szybsza łączność wymaga inteligentniejszych anten

Strumieniowanie wideo o wysokiej rozdzielczości, immersyjna rzeczywistość wirtualna i roje drobnych czujników polegają na sieciach 5G nowej generacji, zwłaszcza w paśmie milimetrowym, gdzie dostępne są szerokie fragmenty spektrum. Korzystanie z tak wysokich częstotliwości radiowych w sposób niezawodny jest jednak trudne: sygnały szybko tłumią się, a anteny muszą być jednocześnie kompaktowe i zdolne obsłużyć wiele strumieni danych równocześnie. W artykule przedstawiono nowy projekt anteny, który stawia czoła tym wyzwaniom, z zamiarem umożliwienia przyszłym telefonom, urządzeniom i maszynom komunikacji szybciej i niezawodniej.

Mała antena zaprojektowana na duże wymagania 5G

Naukowcy przedstawiają kompaktowy moduł antenowy o boku zaledwie 28 milimetrów i grubości mniejszej niż karta kredytowa, przystosowany do milimetrowych pasm 5G „FR2” wokół 28 i 38 gigaherców. Te dwa pasma — określane w standardach jako n257/n261 i n260 — są szczególnie atrakcyjne, ponieważ oferują szerokie pasmo użytkowe i relatywnie niższe tłumienie atmosferyczne w porównaniu z kanałami o jeszcze wyższej częstotliwości. Zamiast jednej anteny moduł zawiera cztery małe elementy promieniujące pracujące wspólnie jako system multiple‑input multiple‑output (MIMO). Takie ułożenie wspiera kilka niezależnych strumieni danych jednocześnie, zwiększając przepustowość i niezawodność bez powiększania przestrzeni zajmowanej przez urządzenie.

Jak działa element antenowy

Każdy z czterech elementów zaczyna jako prostokątny kawałek metalu emitujący fale radiowe. Aby ten pojedynczy element pracował wydajnie w dwóch odrębnych pasmach częstotliwości, autorzy wycinają w nim określone szczeliny — jedną w kształcie litery „H” i drugą jak odwrócone „T” — oraz łączą go z przewodnikiem uziemiającym pokrywającym tylko część tylnej strony płytki obwodu. Częściowa płaszczyzna uziemienia zmienia przebieg prądów elektrycznych, pozwalając jednej ścieżce dominować w niższym paśmie, a innej w wyższym, podczas gdy szczeliny dopracowują oba rezonanse. Poprzez etapowe symulacje komputerowe zespół pokazuje, jak modyfikacje te przesuwają i dzielą naturalne częstotliwości anteny, aż zaczyna ona pracować czysto wokół zarówno 28, jak i 38 gigaherców.

Rozmieszczenie czterech elementów tak, by się nie zakłócały

Aby utworzyć cały moduł, cztery dwupasmowe elementy są obracane tak, by były skierowane w różne strony i umieszczone wokół środka kwadratowej płytki. To prostopadłe ułożenie już pomaga ograniczyć wzajemne zakłócenia, co jest kluczowe w systemach MIMO. Jednak gdy jeden element nadaje, prądy mogą nadal przeciekać przez wspólną część uziemienia i zakłócać sąsiednie elementy. Aby temu przeciwdziałać, projektanci łączą częściowe obszary uziemienia i wydłużają cienkie paski metalu do wnętrza z każdej strony, tworząc centralną strukturę w kształcie krzyżyka. Ten kształt przekierowuje i znosi część niepożądanych prądów, podnosząc elektryczną „zaporę” między portami, jednocześnie zachowując pożądane promieniowanie w wolnej przestrzeni.

Testowanie projektu

Po optymalizacji wymiarów w symulacji zespół wytwarza antenę na materiale obwodów mikrofalowych o niskich stratach i mierzy ją przy użyciu precyzyjnych przyrządów oraz komór bezechowych. Prototyp pokrywa około 2,6–2,9 gigaherca pasma wokół 28 gigaherców i podobny zakres wokół 38 gigaherców — więcej niż wiele porównywalnych projektów — przy jednoczesnym utrzymaniu tłumienia sygnału między dowolną parą portów zwykle lepszego niż 23–27 decybeli. Testy promieniowania pokazują szczytowe zyski około 6,4 i 8,5 decybela w paśmie dolnym i górnym, z wydajnościami powyżej 75 procent. Dodatkowe analizy kluczowych metryk MIMO, takich jak niezależność sygnałów antenowych i utrata całkowitej pojemności danych, potwierdzają, że moduł zachowuje się niemal idealnie w obu pasmach.

Co to oznacza dla codziennej łączności

W prostych słowach autorzy zaprojektowali bardzo mały, dwupasmowy moduł antenowy, który może jednocześnie nadawać i odbierać kilka strumieni danych o wysokiej częstotliwości, nie pozwalając, by wzajemnie się zakłócały. Dzięki przemyślanemu kształtowaniu zarówno elementów promieniujących, jak i wspólnego podłoża, zwłaszcza poprzez centralny element w kształcie krzyża, osiągają wysoką izolację, szerokie użyteczne pasmo i dobrą wydajność w dwóch kluczowych milimetrowych pasmach 5G. Tego rodzaju kompaktowy, wysokowydajny blok konstrukcyjny dobrze nadaje się do przyszłych smartfonów, pojazdów i urządzeń IoT, pomagając sieciom 5G dostarczać wysokie prędkości i niskie opóźnienia wymagane przez zaawansowane zastosowania.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: 5G milimetrowe, antena MIMO, dwupasmowa, izolacja w paśmie milimetrowym, sprzęt komunikacji bezprzewodowej