Широкополосная торцевая антенна с наклонным лучом на основе двойных полуокружностей

Более узкие беспроводные лучи для оживлённых внутренних пространств

Представьте переполненную лекционную аудиторию или торговый центр, где все одновременно смотрят видео или участвуют в видеозвонках. Существующие Wi‑Fi и 5G сети нередко испытывают трудности с обеспечением быстрых и надёжных подключений в таких условиях. В этой статье рассматривается новый тип компактной антенны, способной посылать сильный, узко сфокусированный беспроводной луч туда, где находятся пользователи, по широкому диапазону высокочастотных 5G и WiGig каналов — что может существенно повысить скорость и качество сигнала в помещениях.

Почему для будущего 5G нужны новые антенны

Наши смартфоны и подключённые устройства требуют всё больше данных, и нижние частоты «Sub‑6 GHz» становятся перегруженными. Чтобы соответствовать этим требованиям, 5G сети переходят в миллиметровый диапазон — значительно выше частот, используемых традиционными мобильными телефонами. Эти диапазоны, включая 24–40 ГГц для 5G New Radio и не лицензированный 60 ГГц, могут передавать огромные объёмы информации, но имеют существенный недостаток: сигналы на таких частотах быстро затухают и плохо проходят через стены и препятствия. Чтобы сделать их практичными, базовым станциям и точкам доступа нужны антенны компактные, легко интегрируемые в оборудование и способные эффективно направлять энергию в сторону пользователей, а не разбрасывать её во все стороны.

Компактная антенна с наклонным направлением

Авторы предлагают небольшую плоскую антенну, которая как раз решает эту задачу. Вместо громоздкого механического наведения или сложных электронных схем они формируют металлические узоры на печатной плате так, чтобы естественным образом образовался сильный луч, направленный под фиксированным наклоном — как прожектор, наведённый вниз на сцену. Дизайн основан на двух вложенных полуокружностях из меди, расположенных на конце тонкой дорожки (питающей линии) на стандартном материале для ВЧ‑плат. Под ними зона заземления — металлический слой, обычно плоский — аккуратно прорезана в кривой форме со слотами и небольшим отражателем. В совокупности эти элементы направляют радиоволны так, что они покидают плату по её краю (в «торцевом» направлении) под углом около 65 градусов — оптимально для покрытия такой области, как места перед настенной точкой доступа.

Формирование токов вместо усложнения конструкции

Многие предыдущие антенны добивались наклона луча путём добавления дополнительных «паразитных» металлических элементов или экзотических слоёв метаматериалов, что увеличивало размеры и сложность и часто сужало полезную полосу пропускания. В отличие от них, эта конструкция остаётся простой: нет добавленных активных компонентов или специальных материалов. Основная хитрость — в управлении распределением электрических токов. Две небольшие прямоугольные вырезы в питающей линии действуют как «лежачие полицейские» для определённых волн, заставляя большую часть тока течь через полуокружности в широком диапазоне частот. Это стабилизирует направление основного луча так, что примерно в диапазоне 24–48 ГГц антенна продолжает «смотреть» почти в ту же наклонную сторону, даже когда меняется рабочая частота.

Широкополосные характеристики на крошечном пространстве

Несмотря на простоту и небольшой размер — сама антенна примерно 18 × 12 миллиметров — прототип покрывает чрезвычайно широкий диапазон частот от 11.5 до 62.5 ГГц. В этот диапазон входят ключевые 5G миллиметровые полосы (например, около 26–29 ГГц и 37–40 ГГц) и часть популярной 60‑ГГц WiGig‑полосы. В измеренном окне 24–40 ГГц антенна сохраняет наклонный торцевой луч при усилении более 6.5 дБ с пиком примерно 11.6 дБ, то есть значительно концентрирует мощность по сравнению с простым малорусым излучателем. Лабораторные испытания в бесэховой камере показали, что реальные характеристики — как хорошо антенна согласуется по входу, насколько эффективно она излучает и как формируется её луч — хорошо соответствуют компьютерным моделям, что вселяет уверенность в корректности предложенного решения.

Что это означает для повседневной связи

Для неспециалиста главный вывод таков: продемонстрирована очень маленькая плоская антенна, покрывающая почти все ключевые 5G миллиметровые и WiGig‑каналы и направляющая мощный стабильный луч в нужную область пространства. Вместо движущихся частей или сложной электроники она использует продуманные геометрические решения для изгиба и фокусировки радиэнергии. Такие антенны можно встроить в внутренние 5G‑базовые станции, точки доступа или компактные устройства, чтобы обеспечить более быстрые и надёжные высокочастотные каналы в аудиториях, офисах или торговых центрах. В будущих вариантах, собранных в массивы или дополненных простыми линзами, они могут превратить нынешнее фрагментированное покрытие высоких частот в устойчивые направленные «беспроводные прожекторы» там, где больше всего нужны высокие скорости передачи данных.

Цитирование: Patel, A., Panagamuwa, C. & Whittow, W. Wideband tilted beam end-fire antenna using double semi-circular rings. Sci Rep 16, 5628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35414-8

Ключевые слова: 5G миллиметровые волны, антенна с наклонным лучом, торцевая антенна, широкополосная плоская антенна, внутреннее покрытие беспроводной сети