Двухдиапазонная четырёхпортовая MIMO‑антенна с частичной заземляющей плоскостью для приложений в полосах n257/n260/n261

Почему более быстрая беспроводная связь требует умных антенн

Потоковая передача видео в высоком разрешении, погружающие виртуальные реальности и рои миниатюрных датчиков зависят от сетей нового поколения 5G, особенно в миллиметровом диапазоне, где доступны большие участки спектра. Но надёжное использование этих очень высоких частот сложно: сигналы затухают быстро, а антенны должны быть компактными и одновременно обрабатывать множество потоков данных. В этой работе предложена новая конструкция антенны, которая решает эти задачи и призвана сделать будущие телефоны, гаджеты и подключённые машины более быстрыми и надёжными в обмене данными.

Небольшая антенна — для больших требований 5G

Авторы представляют компактный модуль антенны размером всего 28 миллиметров в сторону и тоньше кредитной карты, рассчитанный на миллиметровые полосы 5G «FR2» около 28 и 38 гигагерц. Эти два диапазона — в стандартах известные как n257/n261 и n260 — особенно привлекательны, поскольку предлагают широкую полосу пропускания и относительно небольшие потери в атмосфере по сравнению с ещё более высокочастотными каналами. Вместо одной антенны модуль содержит четыре маленьких излучающих элемента, работающих совместно как система множественных входов и выходов (MIMO). Такая компоновка поддерживает несколько независимых потоков данных одновременно, повышая ёмкость и надёжность без увеличения габаритов устройства.

Как работает базовый элемент антенны

Каждый из четырёх элементов начинается с простой металлической прямоугольной пластинки, излучающей радиоволны. Чтобы этот элемент эффективно работал в двух отдельных частотных диапазонах, авторы вырезают в нём специальные щели — одну в форме буквы «H» и другую в форме перевёрнутой «T» — и дополняют это частично покрывающим плату заземляющим проводником. Частичное покрытие меняет распределение электрических токов, позволяя одному пути доминировать в низшей полосе, а другому — в верхней, а щели тонко настраивают две резонансные частоты. Пошаговые компьютерные моделирования показывают, как эти изменения смещают и расщепляют собственные частоты антенны до тех пор, пока она не работает чисто около 28 и 38 гигагерц.

Расположение четырёх элементов без взаимных помех

Для формирования полного модуля четыре двухдиапазонных элемента поворачивают так, чтобы они были ориентированы в разные стороны, и размещают вокруг центра квадратной платы. Такая ортогональная компоновка уже помогает снизить взаимные помехи, что является ключевым требованием для MIMO‑систем. Однако при передаче одним элементом токи по‑прежнему могут протекать через общую заземляющую область и мешать соседям. Чтобы противостоять этому, проектировщики соединяют участки частичной заземляющей плоскости и выводят тонкие металлические полосы внутрь от каждой стороны, формируя центральную структуру в виде креста. Эта форма перенаправляет и частично гасит нежелательные токи, повышая электрический «противопожарный барьер» между портами при сохранении требуемого излучения в пространстве.

Проверка конструкции в реальности

После оптимизации геометрии в моделировании команда изготовила антенну на низкопотерянном микроволновом субстрате и измерила её с помощью прецизионного оборудования в бесэховых камерах. Прототип обеспечивает примерно 2.6–2.9 гигагерц полосы вокруг 28 гигагерц и аналогичную ширину вокруг 38 гигагерц — шире, чем многие сопоставимые конструкции — при этом утечка сигнала между любой парой портов обычно лучше, чем 23–27 дБ. Испытания излучения показали пиковые коэффициенты усиления около 6.4 и 8.5 дБ в нижней и верхней полосах соответственно, с КПД выше 75 процентов. Дополнительный анализ ключевых MIMO‑метрик, таких как независимость сигналов антенного массива и потери общей пропускной способности, подтверждает, что модуль ведёт себя почти оптимально в обеих полосах.

Что это даёт повседневной связи

Проще говоря, авторы спроектировали очень маленький двухдиапазонный антеннный модуль, способный одновременно передавать и принимать несколько высокочастотных потоков данных без взаимного мешательства. За счёт продуманной формы как излучающей металлизированной части, так и общей подложки, в частности центрального крестовидного элемента, им удалось добиться сильной изоляции, широкой полезной полосы и хорошего КПД в двух ключевых миллиметровых полосах 5G. Такой компактный высокопроизводительный модуль хорошо подходит для будущих смартфонов, автомобилей и устройств Интернета вещей, помогая сетям 5G обеспечивать высокие скорости передачи данных и низкие задержки, необходимые продвинутым приложениям.

Цитирование: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

Ключевые слова: 5G миллиметровые волны, MIMO‑антенна, двухдиапазонная, изоляция на миллиметровых волнах, аппаратура беспроводной связи