Компактная интегрированная само-мультиплексирующая антенна для суб-6 ГГц и миллиметрового диапазона частот 5G

Почему эта крошечная антенна важна для вашего будущего телефона

Сети пятого поколения (5G) обещают более быстрые загрузки, плавные видеозвонки и возможность подключать огромное число устройств — от автомобилей до датчиков на заводах. Чтобы обеспечить всё это, беспроводные системы должны использовать как «низкие» частоты 5G (лучше для дальности), так и «высокие» миллиметровые частоты (лучше для сверхбыстрой передачи данных). В этой статье описана новая, очень компактная антенна, способная одновременно работать с множеством каналов в обоих диапазонах, что потенциально позволяет уменьшить размеры будущих базовых станций и подключаемых устройств при повышении производительности.

Два типа сигналов 5G — одна умная платформа

Современные сети 5G разделены на полосы суб-6 ГГц (часто называемые FR1) и миллиметровые полосы (FR2). Сигналы суб-6 ГГц распространяются далеко и относительно хорошо проходят через стены, что делает их подходящими для широкого покрытия. Миллиметровые сигналы, напротив, несут значительно больше данных, но быстро затухают и легко блокируются, поэтому их используют для коротких сверхскоростных соединений. Существующие конструкции антенн, как правило, ориентированы либо на один диапазон, либо охватывают лишь несколько каналов в обоих, что требует дополнительного оборудования, большего пространства и увеличивает сложность, когда оператору нужны многочисленные отдельные частотные каналы.

Компактная «16‑полосная магистраль» для радиоволн

Авторы предлагают интегрированную антенну, работающую как 16‑полосная магистраль для радиоволн. У нее 16 отдельных портов: восемь выделены для разных каналов суб-6 ГГц и восемь — для разных миллиметровых каналов. Каждый порт настроен на собственную частоту, поэтому антенна может передавать или принимать по шестнадцати отдельным каналам без громоздкого внешнего мультиплексирующего оборудования. Всё это реализовано на одной плоской печатной плате с общей площадью всего около 0,43λ^2 при самой низкой рабочей частоте — довольно компактно для выполняемых задач.

Как конструкция размещает так много каналов

В основе конструкции лежит структура, называемая интегрированной в подложку волноводной камерой (substrate-integrated waveguide), которая удерживает радиоволны внутри полости, образованной рядами металлических переходных отверстий в плате. Исследователи начинают с квадратной камеры и затем концептуально «разрезают» её на меньшие части, чтобы сэкономить место, сохранив при этом основное резонансное поведение. Они дополнительно вводят тщательно подобранные щели и питающие структуры так, чтобы одни элементы резонировали на частотах суб-6 ГГц, а другие — на миллиметровых частотах. Эти блоки чередуются — элементы для суб-6 ГГц и миллиметровые фрагменты вплетены друг в друга внутри одной и той же квадратной области — так что доступное пространство платы используется эффективно, а разные каналы не мешают друг другу.

Как избежать взаимных помех между каналами

Для работы столь плотной конструкции сигналы одного порта не должны сильно утекать в другие. Команда решает эту задачу несколькими способами: размещая элементы под прямыми углами друг к другу, используя разные внутренние распределения полей (или «режимы») для разных портов и сохраняя достаточные физические зазоры там, где это возможно. Моделирование и измерения готового прототипа показывают, что в диапазоне суб-6 ГГц ненужное взаимное влияние между портами подавлено более чем на 40 децибел, а в миллиметровом диапазоне — более чем на 20 децибел — уровни, считающиеся очень хорошими в антеннной инженерии. Антенна также обеспечивает полезный коэффициент усиления (сила сигнала) и высокую эффективность во всех 16 рабочих частотах, что хорошо согласуется с компьютерными предсказаниями.

От одной антенны к массивам из многих антенн

Современные системы 5G и будущие 6G часто опираются на массивы MIMO (множественный вход, множественный выход), когда многие антенны работают вместе для формирования лучей и обслуживания множества пользователей одновременно. Авторы показывают, что их 16‑портовую конструкцию можно масштабировать в большую конфигурацию на 64 порта, плиточно собрав четыре одинаковых камеры. Порты с одинаковыми индексами в четырёх камерах работают на одной частоте, но физически изолированы стенками камер, что сохраняет хорошее разделение каналов. Такая масштабируемость позволяет предположить, что концепция может быть использована не только в компактных базовых станциях, но и в плотных точках доступа для умных заводов, умных городов и Vehicle‑to‑Everything связи.

Что это значит для повседневных пользователей

Проще говоря, эта работа демонстрирует небольшую, эффективную антенну, способную одновременно обслуживать шестнадцать различных 5G‑каналов как в дальнобойных, так и в сверхбыстрых диапазонах без взаимного мешания между ними. Объединив столь многие функции в одном компактном аппаратном блоке, она может помочь производителям оборудования создавать более мелкие, более дешёвые и более функциональные радиоузлы для будущих сетей. Для конечных пользователей такая технология открывает дорогу к более надёжным соединениям, более высоким скоростям передачи данных и поддержке большего числа подключённых устройств — от смартфонов и домашних датчиков до автомобилей и промышленных роботов — в рамках одной и той же беспроводной инфраструктуры.

Цитирование: Srivastava, G., Kumar, A., Rana, S. et al. Compact integrated self-multiplexing antenna for sub-6 GHz and millimeter wave 5G frequency spectrum. Sci Rep 16, 5457 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35031-5

Ключевые слова: антенна 5G, миллиметровые волны, sub-6 GHz, MIMO, само-мультиплексирование