Низкопрофильная компактная квадропортовая MIMO-антенна с двойным круговым поляризационным направлением для 5G мм-волновых сетей

Почему маленькие 5G-антенны важны

По мере того как наши телефоны, автомобили и подключённые устройства стремятся к всё более быстрым 5G‑соединениям, особенно в диапазоне миллиметровых волн (mmWave), им требуются миниатюрные антенны, которые можно поместить в тесные корпуса и при этом надёжно передавать и принимать большие объёмы данных. В этой работе представлен новый компактный «плиточный» модуль антенны, в котором умещаются четыре антенны на очень небольшой площади, при этом он обеспечивает мощный и стабильный 5G‑сигнал с встроенной устойчивостью к помехам и затуханию — свойства, которые могут позволить будущим устройствам передавать больше данных с меньшим числом обрывов связи.

Маленькая антенна для очень быстрых сигналов

Авторы сосредоточились на мм-волновых диапазонах 5G вокруг 28–31 ГГц, где сигналы могут обеспечивать огромные скорости передачи, но легко блокируются и ослабляются. Чтобы бороться с этим, инженеры используют многовходово-многовыходные (MIMO) антенны: несколько элементов, работающих совместно для формирования и комбинирования сигналов. Команда разработала один плоский элемент антенны, который эффективно работает в двух близких частотных полосах. Тщательно формируя металлический рисунок на тонкой печатной плате и используя специальную линию питания, этот элемент преобразует обычную линейную поляризацию в круговую — когда электрическое поле вращается как винт по мере распространения. Такая круговая поляризация помогает сигналам оставаться устойчивыми при поворотах или наклонах устройств, а также при отражениях, меняющих ориентацию сигнала.

Формирование заземления ради лучшей работы

Ключевое новшество скрыто на нижней стороне антенны: модифицированная «окнообразная» структура заземления. Заземлённая поверхность — металлическая плоскость, обычно служащая просто опорой — вырезана и поэтапно расширена, чтобы более осмысленно направлять обратные токи. Исследователи протестировали несколько версий, постепенно добавляя вырезы и штыри, пока не нашли узор, который расширял полезную частотную полосу и обеспечивал чистую круговую поляризацию. Моделирование показало, что итоговая форма заземления поддерживает два отдельных рабочих диапазона с хорошим согласованием с электроникой, высоким усилением (порядка 5–6 dBic) и коэффициентом излучения выше 80%, то есть большая часть входной мощности превращается в полезные радиоволны, а не рассеивается в виде тепла.

Четыре антенны, работающие вместе

На базе одного элемента команда создала четырёхпортовую MIMO‑антенну, разместив четыре идентичных излучателя под прямым углом друг к другу вокруг общей плоскости заземления. В центре они добавили медную крестовидную структуру, которая действует как регулятор поверхностных токов. Этот крест функционирует подобно фильтру и отражателю, блокируя нежелательные волны, которые в противном случае утекали бы от одной антенны к другой — проблему, известную как взаимная связь. С установленным крестом элементы обеспечивают изоляцию лучше примерно 21 дБ в одной полосе и 18 дБ в другой, что означает, что каждый элемент в основном «соблюдает своё поле» и не искажает соседей. В нижней полосе массив излучает левую круговую поляризацию, тогда как в верхней — правую, обеспечивая двойную «направленность вращения» в одном компактном модуле.

Испытания конструкции

Авторы не ограничились моделями: они собрали прототип на недорогом материале печатной платы и измерили его с помощью точного лабораторного оборудования. Результаты в реальных условиях близко совпали с компьютерными моделями. В двух целевых полосах антенна показала высокое усиление, высокую эффективность излучения и общую эффективность, а круговая поляризация оставалась стабильной. Не менее важно для 5G — MIMO‑параметры оказались отличными: коэффициент огибающей корреляции — мера того, насколько схожим образом элементы реагируют на радиоокружение — был крайне низким, что означает, что элементы действительно обеспечивают независимые каналы приема/передачи. Выигрыш от диверсификации, средний эффективный коэффициент усиления и потеря пропускной способности канала находились в допустимых пределах, что указывает на способность массива поддерживать высокие скорости передачи с минимальными потерями в сложных городских условиях с множественными путями распространения.

Что это значит для будущих 5G‑устройств

Проще говоря, в работе показан очень маленький плоский модуль антенны, который может передавать и принимать два типа «вращающихся» 5G‑сигналов с четырёх плотно упакованных портов, одновременно поддерживая низкий уровень помех между ними и высокую эффективность. Поскольку он реализован на одном слое печатной платы, обходится без сложных вертикальных соединений и опирается на точное формообразование металлических рисунков, а не на массивные 3D‑структуры, он хорошо подходит для смартфонов, автомобильных модулей и устройств Интернета вещей, где требуется разместить продвинутую радиосистему в ограниченном пространстве. В случае внедрения такие «плитки» антенн могут помочь будущим 5G‑ммWave‑продуктам обеспечить более быстрые и надёжные соединения без увеличения габаритов.

Цитирование: Hayat, B., Khan, A., Ahmad, S. et al. A low-profile compact dual-sense quad-port circularly polarized MIMO antenna for 5G mmWave networks. Sci Rep 16, 5619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35885-9

Ключевые слова: 5G мм-волны, MIMO-антенна, круговая поляризация, компактная конструкция антенны, беспроводная связь