Малопрофильная широкополосная антенная решетка с метаповерхностью для миллиметроволновых приложений

Почему более быстрая беспроводная связь требует более умного оборудования

Наши телефоны, автомобили и бытовые гаджеты стремятся подключаться к новым сетям пятого поколения (5G). Чтобы обеспечить быстрые и надежные соединения для большого числа устройств одновременно, инженеры переходят на очень высокие радиочастоты, известные как миллиметровые волны. Эти волны способны нести огромные объемы данных, но легко блокируются и ослабляются, поэтому требуются антенны, одновременно мощные и достаточно компактные, чтобы поместиться внутри портативной электроники. В этом исследовании предложен новый дизайн антенны, цель которого — уместить мощные и точные миллиметроволновые характеристики в тонком и компактном корпусе, пригодном для будущих 5G‑устройств.

Как заставить маленькие антенны работать как большие

Плоские антенны привлекательны для потребительских устройств благодаря своей тонкости, легкости и возможности печатать их прямо на платах. К сожалению, они обычно не дают сильных сфокусированных пучков, необходимых для дальних или высокоскоростных миллиметроволновых ссылок. Распространенный выход — собирать большие решетки из множества элементов, чтобы их сигналы складывались и повышали общую мощность. Ранние конструкции, однако, часто оказывались громоздкими, узкополосными или трудными для интеграции в портативные устройства. Авторы поставили задачу найти компромисс: малопрофильную, широкополосную антенную решетку, сохраняющую небольшую площадь, но обеспечивающую повышенный коэффициент усиления и стабильную диаграмму направленности в важной части спектра 5G.

Тонкая решетка с хитрым элементом

Ядро новой конструкции — ряд из четырех одинаковых антенн, размещенных на плате с высокими электрическими характеристиками. Каждый элемент представляет собой две соединенные круговые петли — геометрию, которая помогает уменьшить физический размер при сохранении эффективного отклика на миллиметровых частотах. Эти четыре элемента питаются тщательно спроектированной сетью микроволновых линий, которая равномерно распределяет входную мощность и поддерживает фазовое согласование по всей решетке. С обратной стороны платы металлический слой земли частично удален и прорезан, что позволяет структуре работать в широком частотном диапазоне — примерно от 27 до 40 гигагерц — а не на одной узкой частоте.

Узорная «зеркальная» поверхность, которая перенастраивает радиоволны

Чтобы дополнительно усилить и упорядочить излучение антенны, исследователи добавляют второй компонент: узорную метаповерхность, действующую как «умное» зеркало для радиоволн. Эта панель, расположенная на небольшом расстоянии позади решетки, выполнена из множества повторяющихся металлических фигур на тонкой плате. Вместе они образуют поверхность, которая не только отражает падающие миллиметровые волны, но и поворачивает их поляризацию — направление колебаний электрического поля — на девяносто градусов. В широком частотном диапазоне метаповерхность преобразует более 90 процентов входящей энергии в эту повернутую форму. В объединенной системе излучение, направленное назад от основной решетки, попадает на метаповерхность, перенаправляется и затем складывается по фазе с прямым излучением, концентрируя больше мощности в желаемом направлении вперед (бродсайд).

Проверка конструкции

После компьютерного моделирования команда собрала физический прототип, состоящий из четырехэлементной решетки и соответствующей метаповерхности, содержащей три на десять элементарных ячеек. Они смонтировали два слоя с тонким воздушоподобным зазором, чтобы точно настроить фазовое соотношение отраженных и прямых волн. Лабораторные измерения отражения сигнала в корме подтвердили, что антенна эффективно работает в диапазоне от 27,14 до 40 гигагерц, охватывая широкую полосу миллиметровых частот. Измерения в безэховой камере — комнате, поглощающей посторонние радиоволны — показали, что метаповерхность повышает коэффициент усиления антенны примерно на 2,5 децибела в среднем, с пиковым значением около 12,3 дБ, и делает диаграммы направленности более узкими, особенно в нижней и средней частях полосы.

Что это означает для будущих 5G‑устройств

С точки зрения неспециалиста предложенная конструкция похожа на то, как если бы тонкой антенне смартфона дали характеристики гораздо большей тарелки без увеличения толщины. Сочетая компактную четырехэлементную решетку с тщательно настроенной ультратонкой отражающей панелью, авторы добиваются широкополосного покрытия, приличного усиления и малой общей толщины, приемлемой для встроенного 5G‑оборудования. Увеличение силы сигнала умеренно, но сопровождается более чистыми, контролируемыми диаграммами направленности и высокой эффективностью на многих каналах. Подобные антенны с метаповерхностью могут помочь будущим миллиметроволновым устройствам поддерживать быстрые и стабильные связи в загруженных реальных условиях, при этом освобождая ценное пространство внутри гаджетов для других компонентов.

Цитирование: Kiani, S., Rafique, U., Shoaib, N. et al. Low-profile metasurface-backed wideband antenna array for mm-wave applications. Sci Rep 16, 8619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37435-9

Ключевые слова: антенны 5G, миллиметровые волны, метаповерхность, решетка с высоким коэффициентом усиления, беспроводные устройства