Высокоугловая Y-образная патчевая антенная решетка с 8-портовой MIMO-конфигурацией для диверсификации диаграмм направленности в миллиметроволновых приложениях

Почему более быстрые сигналы требуют более умных антенн

Потоковая передача видео сверхвысокого разрешения, работа с виртуальной реальностью или управление автономными автомобилями зависят от беспроводных сигналов, которые передают огромные объёмы данных мгновенно и надёжно. Сети пятого поколения (5G) пытаются удовлетворить этот спрос, используя очень высокочастотные «миллиметровые» диапазоны, в частности около 28 ГГц. Эти частоты дают много дополнительного спектра, но легко блокируются стенами, зданиями и даже дождём. Чтобы сделать их практичными, инженерам нужны компактные антенны, которые одновременно усиливают сигнал и направляют его вокруг устройства. В этой статье представлен новый дизайн антенны, который решает обе задачи сразу.

Преобразование слабых волн в мощные соединения

Миллиметровые сигналы ведут себя иначе по сравнению с радиоволнами, использовавшимися в предыдущих мобильных сетях. Они быстро теряют мощность с расстоянием, плохо проникают через препятствия и чувствительны к погоде и листве. Чтобы поддерживать стабильность соединений, базовые станции и устройства должны концентрировать энергию в узкие лучи и уметь направлять эти лучи к пользователям. Простые «пэтч»-антенны дешевы и плоски, но обычно имеют умеренный коэффициент усиления и узкий рабочий диапазон. Ранние конструкции пытались повысить характеристики за счёт дополнительных слоёв, электронных переключателей или сложных поверхностей, но часто становились громоздкими, энергоёмкими или трудными для масштабирования на очень высокие частоты.

Y‑образный строительный элемент для более мощных лучей

Авторы начинают с одного крошечного металлического патча, напечатанного на тонкой плате Rogers 5880 и расположенного над сплошной металлической землёй. Этот базовый элемент питается снизу через коаксиальный разъём, что уменьшает нежелательные поверхностные волны и повышает эффективность. Сам по себе патч хорошо работает около 28 ГГц, обеспечивая умеренный коэффициент усиления около 7 дБи с достаточно широким, направленным вперёд лепестком и ограниченным излучением за платой. Чтобы увеличить усиление, не увеличивая занимаемую площадь, команда перестраивает три таких патча вокруг центрального питания, используя Y‑образный разветвитель, так что энергия распределяется и фазируется между ними управляемым образом.

От одного луча к полному круговому покрытию

Эта трёхэлементная Y‑образная решётка фокусирует радиэнергию в более узком главном луче, повышая усиление примерно до 12–13 дБи при сохранении полосы пропускания около 800 МГц вокруг 28 ГГц. Теория показывает, что такое высокое усиление обусловлено конструктивной интерференцией, когда три патча излучают синхронно; тот же эффект делает конструкцию более чувствительной к сдвигам частоты, что объясняет умеренный компромисс по ширине полосы. Чтобы превратить этот сфокусированный луч в всенаправленное покрытие, исследователи дублируют и зеркально отражают Y‑решётку, формируя сначала двухпортовую, затем четырёхпортовую и, наконец, восьмипортовую конфигурацию, расположенную в трёхмерном крестовидном порядке. Каждый «порт» питает одну Y‑решётку, направленную в свою сторону, так что их лучи вместе охватывают полный круг на 360° вокруг устройства.

Восемь «ушей», слушающих во всех направлениях

Готовая восьмипортовая система ведёт себя как кольцо сильно направленных «ушей», каждое из которых имеет высокий коэффициент усиления и при этом очень мало мешает соседним. Моделирование и измерения изготовленного прототипа показывают, что антенна сохраняет целевой диапазон 27,6–28,4 ГГц, поддерживает изоляцию лучше 20 дБ между портами (что означает чистоту каналов) и обеспечивает измеренное усиление выше 13 дБи для всех восьми лучей. Дополнительные метрики диверситета указывают, что диаграммы направленности портов достаточно различны, чтобы одновременно передавать и принимать несколько потоков данных, повышая надёжность и пропускную способность — ключевые преимущества технологии MIMO (многовход-многовыход).

Что это означает для будущих 5G‑устройств

Для неспециалиста главный результат в том, что авторы упаковали восемь высокоусиленных, удобно разнесённых лучей в антенну меньших размеров, чем спичечный коробок, ориентированную на ключевой миллиметроволновый диапазон 5G. Вместо опоры на движущиеся части или сложные схемы переключения дизайн использует продуманную геометрию — Y‑образный разветвитель и трёхмерное расположение — чтобы сочетать сильные узкие лучи с полным круговым покрытием. Этот компактный и эффективный подход может помочь будущим базовым станциям, точкам доступа и даже продвинутым пользовательским устройствам поддерживать быстрые и надёжные соединения в плотной городской застройке, на заводах или в подключённых транспортных средствах, делая обещание высокоскоростного 5G в миллиметровом диапазоне более практичным в реальных условиях.

Цитирование: Abaas, A., Awan, W.A., Choi, D. et al. A high-gain Y-shaped patch array with an 8-port MIMO configuration for pattern diversity in mm-wave applications. Sci Rep 16, 8993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35545-y

Ключевые слова: антенны 5G, миллиметровые волны, MIMO, управление лучом, беспроводная связь