Kompaktowe dwuwyjściowe anteny ze spolaryzowaniem liniowym i kołowym wykorzystujące zminiaturyzowaną płytkę o niskiej polaryzacji krzyżowej

Mniejsze anteny do zatłoczonych przestrzeni bezprzewodowych

Smartfony, domowe routery i niewielkie czujniki polegają na kompaktowych antenach do wysyłania i odbioru danych. W miarę jak urządzenia się kurczą, a liczba połączeń rośnie, inżynierowie potrzebują anten, które zmieszczą się w ciasnych miejscach, nie powodując wzajemnych zakłóceń sygnałów. W tym badaniu pokazano, jak przekształcić typową płaską antenę, aby pracowała przy niższej częstotliwości, zajmowała mniej miejsca i jednocześnie utrzymywała dwa sąsiednie kanały sygnałowe dobrze odizolowane, co poprawia niezawodność łączności bezprzewodowej.

Dlaczego dwa anteny w jednym urządzeniu są ważne

Nowoczesne urządzenia bezprzewodowe często wykorzystują dwie anteny obok siebie, tak by każda obsługiwała inną polaryzację sygnału. Ten zabieg, zwany różnorodnością polaryzacji, pomaga zwalczać zaniki sygnału i zwiększa przepustowość w systemach wieloantenowych (MIMO). Problem pojawia się, gdy anteny są ściśnięte blisko siebie — część mocy z jednej anteny przedostaje się do drugiej, zwiększając interferencję i zmniejszając korzyści z dwóch kanałów. Wiele istniejących rozwiązań polega na dodaniu dodatkowych struktur między lub nad antenami, ale te dodatki powiększają i komplikują sprzęt.

Opanowanie niepożądanych kierunków emisji

Autorzy koncentrują się na subtelnym, lecz istotnym problemie zwanym polaryzacją krzyżową. Idealnie antena powinna promieniować tylko w jednym preferowanym kierunku pola elektrycznego. W praktyce, zwłaszcza przy zminiaturyzowaniu anteny, pojawiają się dodatkowe składowe pola prostopadłe do pożądanego kierunku. W systemie dwuwyjściowym, w którym każde wyjście ma używać innej polaryzacji, te niechciane składowe działają jak skrót umożliwiający energii przeskok z jednego portu do drugiego. Poprzez staranną analizę, jak pola elektryczne z dwóch prostopadłych anten na siebie oddziałują, badanie wykazuje, że jeśli niepożądane pola krzyżowe są utrzymywane na bardzo niskim poziomie, sprzężenie między portami także może pozostać minimalne, nawet gdy anteny są ekstremalnie blisko siebie.

Nowy kształt płytki, który zmniejsza rozmiar i zachowuje czystość polaryzacji

Aby osiągnąć jednocześnie kompaktowość i czystą polaryzację, badacze przeprojektowali standardową prostokątną płytkę antenową. Podzielili metalową płytkę na kilka wąskich sekcji, dodali niewielkie przerwy między nimi i połączyli wybrane części z masą za pomocą metalowych przelotek (vias). Wpleciono też pasek o kształcie meandra w płytkę. Wspólnie te cechy wydłużają ścieżkę elektryczną i zwiększają pojemność bez powiększania zewnętrznych wymiarów, co pozwala antenie rezonować około 4,3 GHz zamiast znacznie wyższej częstotliwości przewidywanej dla jej rozmiaru. Symulacje pokazują, że ta zminiaturyzowana płytka zachowuje dobrą kierunkowość przy jednoczesnym zredukowaniu niepożądanej polaryzacji krzyżowej do około 50 decybeli poniżej głównego sygnału, co jest wyjątkowo niską wartością.

Dwuwyjściowe anteny z polaryzacją liniową i kołową

W oparciu o nową płytkę zespół skonstruował dwa rodzaje tablic dwuwyjściowych. W pierwszym przypadku dwie zminiaturyzowane płytki umieszczono prostopadle na tej samej płytce drukowanej, tworząc podwójną antenę o polaryzacji liniowej. Nawet przy odstępie krawędź-do-krawędzi stanowiącym tylko niewielką część długości fali, porty pozostają dobrze dopasowane, a zmierzona izolacja utrzymuje się powyżej 30 decybeli, wszystko bez dodatkowego sprzętu tłumiącego sprzężenia. W drugim projekcie te same kompaktowe płytki połączono z drukowanym sprzęgaczem hybrydowym, aby uzyskać dwa kanały o polaryzacji kołowej — jeden o rotacji prawoskrętnej, drugi lewoskrętnej. Ta dwukanalowa tablica kołowo spolaryzowana również działa wokół 4,3 GHz, utrzymuje izolację powyżej 10 decybeli i dostarcza stabilne wzory promieniowania z umiarkowanym zyskiem odpowiednim do praktycznego zastosowania.

Jak to pomaga przyszłym urządzeniom bezprzewodowym

W porównaniu z podobnymi dwuwyjściowymi antenami opisywanymi w literaturze, obie proponowane konstrukcje zajmują jedne z najmniejszych obszarów elektrycznych, oferując jednocześnie konkurencyjną szerokość pasma, zysk i izolację. Ponieważ czyste rozdzielenie między dwoma portami wynika z właściwości samej zminiaturyzowanej płytki, a nie z masywnych dodatkowych struktur, ogólne projekty pozostają proste i niskoprofilowe. Dla inżynierów projektujących telefony, czujniki czy inne produkty bezprzewodowe o ograniczonej przestrzeni, te kompaktowe anteny o niskiej polaryzacji krzyżowej stanowią obiecujący sposób na upakowanie bardziej niezawodnych łączy w coraz mniejszych urządzeniach.

Cytowanie: Tran-Tuan, A., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. Compact 2-port linearly and circularly polarized antennas using low cross-polarization miniaturized patch. Sci Rep 16, 15768 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46704-6

Słowa kluczowe: kompaktowa antena, MIMO, polaryzacja, systemy bezprzewodowe, antenna płytkowa