Ультракомпактная и сильно изолированная 8×8 MIMO‑антенная система для применения в диапазонах 5G NR‑n46 и n79

Почему этот крошечный квадратик важен для вашего телефона

Когда наши телефоны, маршрутизаторы и автомобили одновременно обрабатывают видеозвонки, стриминг и данные «умного города», им нужны антенны, способные передавать огромные объёмы информации, не занимая при этом много места и не создавая помех друг другу. В этой работе описана новая, очень компактная «плитка» антенн, в которой помещаются восемь элементов в небольшой квадрат, при этом обеспечиваются мощный и чистый сигнал для 5G‑сетей в популярных поддиапазонах ниже 6 ГГц, используемых для Wi‑Fi и сотовой связи.

Поместить больше полос на беспроводную «автомагистраль»

Системы следующего поколения, такие как 5G и будущий 6G, опираются на идею параллельного использования множества антенн — метод, известный как MIMO. Вместо одной антенны, которая несёт весь трафик, несколько антенн делят нагрузку, как дополнительные полосы на шоссе. Такой подход повышает скорость передачи данных, улучшает надёжность в плотной городской среде и позволяет сети обслуживать тысячи устройств одновременно. Проблема в том, что упаковка множества антенн в ограниченное пространство смартфона или точки доступа делает их склонными «перекликаться» друг с другом, что ведёт к потерям энергии и ухудшению сигнала.

Маленький квадрат, набитый восемью антеннами

Авторы разработали MIMO‑антенну на восемь портов, размещённую на плате размером 60 × 60 мм — примерно квадрат со стороной 1.02λ при рабочей частоте около 5.2 ГГц. В каждом углу платы расположены по два тонких прямоугольных антенновых элемента, ориентированные под прямыми углами, чтобы реагировать на волны с разной поляризацией и поддерживать как диверситет, так и высокую пропускную способность. Эта компоновка настроена на работу в диапазоне 4.75–5.45 ГГц, срезе шириной 700 МГц, который удобно покрывает два важных диапазона 5G New Radio, известных как n79 (лицензируемый средний диапазон) и n46 (часто используемый в нек лицензированном режиме, похожем на Wi‑Fi), а также licensed assisted access — режим, при котором операторы комбинируют лицензированный и безлицензионный спектр.

Формирование невидимой стороны для уменьшения помех

Ключевой приём скрыт не в видимых элементах, а в форме металла на оборотной стороне платы. Исследователи вытравили четыре прямоугольных петли под углами, а также кольцо и крестовидное отверстие в центре. Эти вырезы действуют как тщательно расположенные заграждения и объезды для токов, которые обычно распространяются по поверхности и приводят к взаимной связи между соседними антеннами. Изменяя путь этих токов, расстановка электрической и магнитной энергии меняется таким образом, что значительно снижается нежелательное перекрёстное влияние при сохранении согласования желаемого сигнала с обычной схемотехникой.

Подтверждение проекта в моделях и в лаборатории

Чтобы понять и отладить конструкцию, команда сначала создала и сравнила несколько промежуточных компоновок антенн, а затем выбрала лучший вариант в качестве строительного блока для полного восьмипортового решения. Они моделировали антенну как с помощью полного волнового электромагнитного моделирования, так и с помощью упрощённой эквивалентной схемы из резисторов, индукторов и конденсаторов, показав близкое согласие между двумя подходами. После изготовления прототипа на низкопотерьной микроволновой печатной плате его характеристики были измерены в лаборатории с помощью прецизионных векторных анализаторов и в безэховой камере. Готовая антенна покрывает целевой диапазон с хорошим усилением (до 4.7 дБ), очень высокой эффективностью излучения (около 92.5%) и отличной развязкой между портами — до 33 дБ изоляции, что означает, что лишь крошечная часть мощности утекает от одной антенны к другой.

Что эти результаты означают для реальных устройств

Помимо абсолютных чисел, исследователи изучили, как восемь антенн работают совместно, используя показатели, отражающие независимость каналов, устойчивость в загруженных условиях и потенциальную пропускную способность. Все эти индикаторы находились в пределах общепринятых требований для высококачественного MIMO: корреляция между элементами стремится к нулю, а потеря ёмкости канала удерживается на очень низком уровне. В результате получилась компактная и эффективная «плитка» антенн, которую можно встроить в смартфоны, маршрутизаторы Wi‑Fi 5 и Wi‑Fi 6, устройства для связи «vehicle‑to‑everything» и беспроводные магистральные каналы. Проще говоря, исследование демонстрирует, как продуманная форма «скрытой» заземляющей плоскости антенны может обеспечить более надёжные и ёмкие 5G‑соединения без необходимости увеличивать размеры устройств или добавлять спектр.

Цитирование: Mishra, B., Sethumadhavi, R., Singh, S. et al. An ultra-compact and high isolated 8 × 8 MIMO antenna system for 5G NR-n46 and n79 band applications. Sci Rep 16, 12523 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43426-7

Ключевые слова: 5G MIMO антенна, sub‑6 ГГц, изоляция антенн, компактная конструкция антенны, licensed assisted access