Antena MIMO composta de alto ganho em dupla banda para aplicações 5G NR empregando unidade rádio de small cell compartilhável

Por que um wireless interno mais rápido importa

De fluxos de vídeo em 4K a headsets de realidade virtual e dispositivos inteligentes em todos os cômodos, a maior parte do tráfego da internet hoje vem de dentro de edifícios. Para manter todos esses aparelhos conectados, as redes estão adicionando muitas estações base pequenas e de baixa potência — chamadas small cells — espaçadas de forma densa em escritórios, shoppings, estádios e ruas urbanas. Este artigo apresenta um novo projeto de antena compacta que ajuda uma única small cell 5G a atender múltiplos operadores e a operar com eficiência em ambas as faixas principais do 5G, aumentando velocidade e cobertura onde as pessoas mais usam dados.

Duas pistas-chave do 5G em um só projeto compacto

Os sistemas 5G modernos dependem de duas fatias muito diferentes do espectro. Uma fica abaixo de 6 GHz e transporta sinais de forma confiável através de paredes em distâncias moderadas; a outra reside na faixa de onda milimétrica em torno de 26 GHz e acima, onde as taxas de dados são muito altas, mas os sinais são mais facilmente bloqueados. Uma unidade rádio que diferentes operadoras móveis possam compartilhar precisa operar nessas duas “pistas” ao mesmo tempo. Antenas duais existentes podem fazer isso, mas muitas vezes sofrem de largura de banda utilizável estreita, estruturas 3D volumosas difíceis de fabricar ou ganho limitado, o que reduz a cobertura. Os autores enfrentam esse desafio criando um único módulo de antena que é compacto e capaz de desempenho forte em bandas de frequência amplamente separadas.

Como a nova antena é construída

O cerne do trabalho é uma antena MIMO de quatro elementos, isto é, quatro pequenas antenas trabalhando juntas para melhorar a taxa de dados e a confiabilidade. Cada elemento combina um padrão metálico plano e um bloco cuidadosamente moldado de material dielétrico. Na placa de circuito impresso, uma trilha metálica em formato de U atua como o radiador principal na banda inferior do 5G, e uma pequena pastilha metálica em forma de gravata‑borboleta colocada entre seus braços aumenta seu tamanho efetivo e ganho. Posicionado diretamente acima disso está um bloco dielétrico “em barril perturbado” — um pedaço de material que guia ondas de rádio sem conduzir eletricidade. Sua forma é esculpida a partir de um cilindro e depois recortada e modificada para suportar um modo de ordem superior útil nas frequências de onda milimétrica.

Uma estrutura, dois papéis

Um aspecto engenhoso do projeto é que as mesmas partes físicas se comportam de maneira diferente em baixas e altas frequências. Na banda sub‑6 GHz, o bloco dielétrico age principalmente como uma cobertura passiva que desloca e alarga levemente a resposta da antena metálica em U, enquanto a pastilha gravata‑borboleta aumenta o ganho. Nas frequências de onda milimétrica, os papéis se invertem: o padrão metálico agora alimenta principalmente energia para o bloco dielétrico, que se torna o radiador principal. Devido à sua forma e material sob medida, o bloco suporta um modo híbrido que naturalmente direciona potência em uma direção end‑fire — isto é, ao longo da superfície da small cell, ideal para enlaces indoor em linha de visada e hotspots urbanos densos. A escolha cuidadosa da permissividade do material equilibra radiação forte com largura de banda suficientemente ampla.

Desempenho medido em bandas 5G realistas

A equipe fabricou a antena usando gravação padrão de circuitos e corte por jato d’água para as peças dielétricas, depois mediu seu desempenho em laboratório e em um testbed 5G interno real. Na banda inferior, a antena cobre aproximadamente de 2,8 a 4,9 GHz com uma alta largura de banda fracionária de cerca de 53%, abrangendo confortavelmente as bandas 5G amplamente usadas n77 e n78. Aqui ela entrega um ganho de pico de cerca de 8,2 dB com radiação em broadside adequada para cobrir ambientes internos. Na faixa de onda milimétrica, opera de 24 a 29,3 GHz, cobrindo bandas populares como n257 a n261, com cerca de 20% de largura de banda fracionária e ganho de pico em torno de 13,1 dB em direção end‑fire. A disposição de quatro elementos mostra acoplamento muito baixo entre os elementos e métricas de diversidade favoráveis, importantes para desempenho MIMO robusto.

O que isso significa para a conectividade do dia a dia

Em termos mais simples, os autores projetaram um único módulo de antena compacto que pode lidar de forma eficiente tanto com a faixa de “alcance” quanto com a faixa de “velocidade” do 5G ao mesmo tempo, mantendo compatibilidade com arquiteturas de rádio abertas e compartilháveis como o Open RAN. Sua larga banda, ganho forte e capacidade de suportar múltiplas antenas em um pequeno espaço o tornam bem adequado para small cells que vários operadores móveis podem compartilhar em ambientes internos movimentados ou áreas urbanas densas. À medida que as redes continuam a se densificar, projetos como este oferecem um bloco de construção prático para um serviço wireless mais rápido e flexível onde as pessoas realmente o utilizam: dentro de residências, escritórios, arenas e ruas da cidade.

Citação: 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

Palavras-chave: small cells 5G, antena MIMO, onda milimétrica, projeto em dupla banda, Open RAN