Композитная двухдиапазонная MIMO‑антенна с высоким коэффициентом усиления для приложений 5G NR с использованием разделяемого радиоблока малой ячейки

Почему быстрый беспроводной доступ внутри помещений важен

От потоковой передачи 4K‑видео до гарнитур виртуальной реальности и умных устройств в каждой комнате — большая часть сегодняшнего интернет‑трафика фактически генерируется внутри зданий. Чтобы поддерживать связь всех этих гаджетов, сети устанавливают множество небольших, маломощных базовых станций — так называемых малых ячеек — плотно распределённых в офисах, торговых центрах, стадионах и городских улицах. В этой статье предложена новая компактная конструкция антенны, которая позволяет одной 5G‑малой ячейке обслуживать нескольких операторов и эффективно работать одновременно в обоих основных диапазонах 5G, повышая скорость и покрытие там, где люди чаще всего используют данные.

Два ключевых диапазона 5G в одном компактном решении

Современные системы 5G опираются на два существенно разных участка спектра. Один располагается ниже 6 ГГц и передаёт сигналы надёжно через стены на умеренные расстояния; другой находится в миллиметровом диапазоне около 26 ГГц и выше, где достигаются очень высокие скорости, но сигналы легче блокируются. Радиоблок, которым могут совместно пользоваться разные мобильные операторы, должен работать одновременно в обоих этих «полосах». Существующие двухдиапазонные антенны могут это обеспечивать, но часто страдают узкой полезной полосой, громоздкими трёхмерными конструкциями, трудными в производстве, или ограниченным усилением, что снижает зону покрытия. Авторы решают эту задачу, создав единый модуль антенны, который одновременно компактен и обеспечивает высокую эффективность в широко разнесённых частотных диапазонах.

Как построена новая антенна

В основе работы лежит четырёхэлементная MIMO‑антенна (множественный вход — множественный выход), то есть четыре небольших антенных элемента, работающих совместно для повышения пропускной способности и надёжности передачи данных. Каждый элемент сочетает плоский металлический узор и тщательно сформованный блок диэлектрика. На печатной плате U‑образный металлический проводник действует как основной излучатель в нижнем диапазоне 5G, а небольшой металлический участок в форме бабочки, расположенный между его плечами, увеличивает эффективный размер и усиление. Сверху располагается «деформированный цилиндр» диэлектрического блока — кусок материала, направляющий радиоволны, но не проводящий электричество. Его форма вырезана из цилиндра и затем модифицирована так, чтобы поддерживать полезный вышеразрядный режим на миллимметровых частотах.

Одна структура — две роли

Остроумный аспект конструкции в том, что одни и те же физические части ведут себя по‑разному на низких и высоких частотах. В полосе ниже 6 ГГц диэлектрический блок в основном функционирует как пассивная крышка, которая слегка сдвигает и расширяет отклик U‑образной металлической антенны, в то время как бабочковый патч увеличивает усиление. На миллиметровых частотах роли меняются: металлический узор теперь главным образом подаёт энергию в диэлектрический блок, который становится основным излучателем. Благодаря специально подобранной форме и материалу блок поддерживает гибридный режим, который естественным образом направляет энергию в направлении end‑fire — вдоль поверхности малой ячейки, что идеально для линий прямой видимости внутри помещений и в плотных городских точках. Тщательный выбор диэлектрической проницаемости балансирует между сильным излучением и достаточно широкой полосой пропускания.

Измеренные характеристики в реалистичных 5G‑диапазонах

Команда изготовила антенну с использованием стандартного травления плат и гидроабразивной резки диэлектрических частей, затем измерила её характеристики в лаборатории и в реальной 5G‑испытательной среде внутри помещения. В нижнем диапазоне антенна покрывает примерно 2,8–4,9 ГГц с высокой относительной полосой порядка 53%, что с запасом охватывает широко используемые 5G‑диапазоны n77 и n78. Здесь она обеспечивает пиковое усиление около 8,2 дБ с диаграммой направленности в бродсайд, подходящей для заполнения помещений покрытием. В миллиметровом диапазоне она работает от 24 до 29,3 ГГц, покрывая популярные полосы, такие как n257–n261, с относительной полосой примерно 20% и пиковым усилением около 13,1 дБ в направлении end‑fire. Четырёхэлементная схема демонстрирует очень низкую взаимную связь между элементами и благоприятные показатели диверсити, что важно для надёжной работы MIMO.

Что это означает для повседневной связи

Проще говоря, авторы разработали единый компактный модуль антенны, который эффективно обслуживает одновременно «дальность» и «скорость» 5G, оставаясь совместимым с открытыми, разделяемыми архитектурами радиосистем, такими как Open RAN. Его широкая полоса, сильное усиление и возможность размещения нескольких антенн на небольшом пространстве делают его хорошо подходящим для малых ячеек, которыми могут пользоваться сразу несколько мобильных операторов в загруженных помещениях или плотных городских условиях. По мере уплотнения сетей такие конструкции предлагают практичный строительный блок для более быстрой и гибкой беспроводной связи там, где люди действительно её используют: в домах, офисах, аренах и на городских улицах.

Цитирование: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

Ключевые слова: 5G малые ячейки, MIMO‑антенна, миллиметровые волны, двухдиапазонная разработка, Open RAN