Оценка характеристик и валидация четырехэлементной сверхширокополосной фрактальной MIMO-антенны с интегрированной четырехдиапазонной фильтрацией для продвинутых 5G/IoT систем

Почему этот крошечный рисунок важен для беспроводной жизни

Наши дома, офисы и города наполняются беспроводными устройствами — от телефонов и ноутбуков до датчиков, камер, автомобилей и промышленных роботов. Все они конкурируют за место в радиочастотном пространстве. В статье представлен новый тип компактной антенны, способной работать в чрезвычайно широком диапазоне частот, что необходимо для современных 5G и систем Интернета вещей (IoT), при этом она избирательно игнорирует четыре особенно шумных диапазона, принадлежащих мощным спутниковым и радиолокационным службам. Это сочетание — малый размер, огромная полоса пропускания и встроенные «глухие пятна» — направлено на то, чтобы будущие устройства работали быстрее, надежнее и были менее уязвимы к помехам.

Маленькая плата с большой способностью «слушать»

В основе работы лежит четырехэлементная антенная решетка размером примерно с пару почтовых марок, выполненная на недорогой стеклотекстолитовой плате (FR4). Каждый элемент — это шестиугольник из меди, служащий миниатюрным радиооптическим окном. Работая совместно, четыре элемента формируют то, что инженеры называют MIMO (multiple-input multiple-output) антенной, способной одновременно принимать и передавать несколько сигналов. Решетка покрывает необычно широкий «сверхширокополосный» диапазон примерно от 2.4 до 25 гигагерц — более чем порядок в частоте — включая диапазоны, используемые 5G, Wi‑Fi, короткодействующими радарами и многими IoT-приложениями. Такое широкое покрытие позволяет одному компактному модулю заменить несколько отдельных антенн в телефоне, узле датчика или другом портативном устройстве.

Фрактальные вырезы, которые уменьшают и улучшают

Чтобы уместить столь высокие характеристики в небольшой площади, авторы вырезают в каждом шестиугольном элементе фрактальный узор, напоминающий ветряную мельницу. Фрактал — это повторяющийся геометрический мотив, создающий длинный, свернутый путь внутри ограниченной области. Здесь узор строится по шагам, начиная с простого треугольника и добавления меньших копий вокруг него, формируя кластеры ромбовидных форм. Эти повторяющиеся вырезы удлиняют эффективный электрический путь без увеличения металлической площадки, уменьшая её площадь примерно вдвое по сравнению с цельным шестиугольником. С добавлением итераций рабочая полоса антенны расширяется и смещается вниз по частоте, что обеспечивает широкое покрытие 2.4–25 ГГц при сохранении компактных габаритов, пригодных для портативной электроники.

Утихомиривание громких соседей в эфире

Широкополосное прослушивание имеет и обратную сторону: антенна может принимать очень сильные узкополосные сигналы от спутниковых и радиолокационных служб, которые частично перекрывают спектр. Эти сигналы способны перегрузить приемники, рассчитанные на слабые потребительские каналы. Чтобы решить эту проблему, конструкторы встроили четыре настраиваемых «запирающих» (notch) структуры прямо в каждый элемент антенны. Две L‑образные щели в заземляющем слое подавляют отдельные спутниковые полосы нисходящей связи. Пара маленьких прямоугольных кольцевых форм у фидера блокирует фрагмент радиолокационного спектра, а родственное кольцо, вытравленное в земле, гасит спутниковую полосу нисходящей/восходящей связи. Каждая «выемка» рассчитана так, что на своей целевой частоте входящая энергия циркулирует локально вместо того, чтобы излучаться, создавая глубокий провал чувствительности только в этом диапазоне и оставляя остальную часть сверхширокополосного диапазона доступной для полезных сигналов.

Как сделать так, чтобы четыре «уха» не слушали друг друга

Поскольку в решетке четыре активных элемента расположены близко друг к другу, есть риск, что они будут сильно «слышать» друг друга вместо внешних сигналов, что испортит диверситет, на котором основан MIMO. Авторы снижают нежелательную связь двумя способами. Во‑первых, они оптимизируют расстояние между шестиугольными патчами. Во‑вторых, они изменяют форму общего металлического заземления на тыльной стороне платы, добавляя прорези и узкий вертикальный сектор, несущий центральное шестиугольное кольцо. Эта структура направляет токи так, что энергия, просочившаяся от одного элемента, в основном блокируется до того, как она повлияет на соседей. Лабораторные измерения показывают, что передача энергии между портами остается значительно ниже типичных пределов по всему диапазону, а статистические метрики диверситета указывают, что четыре элемента дают в основном независимые представления о беспроводном канале, даже в условиях обильных отражений.

От моделирования к реальным 5G и IoT

Команда изготовила и протестировала физические прототипы, сравнивая компьютерные расчеты с измерениями отражения, связности, диаграмм направленности и коэффициента усиления. Несмотря на небольшие отличия, вызванные допусками при изготовлении и разъемами, результаты хорошо согласуются: решетка охватывает почти весь заявленный сверхширокополосный диапазон, демонстрирует четкие «выемки» на четырех защищенных службах и сохраняет стабильную направленность, подходящую для скоростных каналов передачи данных. Метрики диверситета подтверждают, что конструкция может улучшать отношение сигнал/шум без увеличения мощности передачи. Проще говоря, эта работа демонстрирует недорогой компактный антенный модуль, способный поддерживать многие диапазоны, используемые будущими 5G и IoT‑устройствами, автоматически избегая нескольких особенно шумных соседей в спектре, делая беспроводную связь быстрее и надежнее.

Цитирование: Sohi, A.K., Kumar, G.N., Singh, A.K. et al. Performance evaluation and validation of a quad-element super-wideband fractal MIMO antenna with integrated quad-band filtering capability for advanced 5G/IoT systems. Sci Rep 16, 13778 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33801-1

Ключевые слова: антенны 5G, MIMO, сверхширокополосный, фрактальная конструкция, фильтрация помех