Компактная двухполяризационная микрополосковая патч‑антенна с низкой сложностью, высокой изоляцией и низкой перекрёстной поляризацией для приложений in‑band full‑duplex

Почему улучшенные антенны важны для повседневной беспроводной связи

Смартфоны, домашние Wi‑Fi маршрутизаторы и будущие устройства 6G конкурируют за ограниченный спектр радиочастот. Один перспективный способ извлечь больше данных из этого спектра — позволить устройству одновременно передавать и принимать на одной и той же частоте, режим, называемый in‑band full‑duplex. Но чтобы это работало на практике, крошечная антенна внутри устройства должна не допустить, чтобы исходящий сигнал заглушил принимаемый. В этой работе предлагается новая компактная конструкция антенны, которая решает эту задачу с помощью простого устройства, подходящего для размещения в современных беспроводных изделиях.

Освобождение места в загруженном радиоэфире

Традиционные беспроводные системы избегают собственной интерференции, разделяя сигналы передачи и приёма по времени или по частоте, что фактически урезает потенциальную пропускную способность вдвое. Системы full‑duplex стремятся удвоить эффективность, позволяя обоим направлениям делить один канал. Загвоздка в том, что мощный сигнал передатчика может просачиваться в путь приёма и заглушать гораздо более слабый сигнал, приходящий с другого конца канала. Часть решения — в умной электронике и обработке сигналов, но сама антенна тоже должна сохранять максимальную независимость двух путей передачи при минимальных размерах и простоте производства.

Два сигнала — один крошечный излучатель

Авторы опираются на распространённый элемент — микрополосковую патч‑антенну, по сути тонкий металлический прямоугольник, напечатанный на плате. Сначала они представляют однонаправленную «миниатюризированную» версию, использующую узкие щели и металлические переходы (vias) для добавления внутреннего электрического запаса, или ёмкости, внутри патча. Такое внутреннее загружение позволяет антенне резонировать на более низкой частоте без увеличения её размеров, уменьшив при этом сторону до 0,18 длины волны на 5,6 ГГц — достаточно компактно для современных устройств. Важно, что способ питания и форма патча также удерживают нежелательную поляризацию — составляющую волны, колеблющуюся в неправильном направлении — более чем на 40 дБ слабее основного сигнала, что намного лучше, чем у обычного патча.

Как новая структура укрощает интерференцию

Чтобы превратить миниатюризированный патч в двухполяризационный излучатель, способный обрабатывать два независимых сигнальных тракта, команда питает один и тот же квадратный патч с двух перпендикулярных направлений и делает диагональные вырезы в его поверхности. Эти вырезы вместе с ранее введёнными щелями и переходами добавляют дополнительную ёмкость и формируют распределение токов по металлу. Моделирование и лабораторные измерения показывают, что такое аккуратно сформированное распределение токов обеспечивает сильное разделение поляризаций. В рабочем диапазоне от 5,53 до 5,62 ГГц энергия утечки с одного порта в другой остаётся более чем на 38–40 дБ ниже основного сигнала, то есть пути передачи и приёма практически «не видят» друг друга, несмотря на общее использование одного излучателя.

Работа в реальных полосах частот

Антенна была изготовлена на одном стандартном субстрате и испытана с помощью векторного анализатора цепей и измерительной установки «в эфире». Она покрывает полосу 90 МГц вокруг 5,6 ГГц, что удобно укладывается в спектр Wi‑Fi 5 ГГц и достаточно широко для типичных каналов Wi‑Fi шириной 20–80 МГц. В этом диапазоне оба порта хорошо согласованы, максимальный коэффициент усиления по нормали достигает около 4,3 дБи, а КПД излучения держится выше 70% — всё это достойные показатели для такой компактной конструкции. Показатель, называемый коэффициентом корреляции огибающей, который оценивает независимость двух портов, остаётся ниже 0,05 по всей полосе, что указывает на то, что две поляризации могут служить качественными каналами диверсити или MIMO.

Что это значит для будущих беспроводных устройств

Благодаря сочетанию компактных размеров, простой однослойной конструкции, очень низкой нежелательной поляризации и исключительной изоляции между двумя портами, эта антенна находит практичный баланс между производительностью и технологичностью изготовления. По сравнению с другими компактными двухполяризационными конструкциями из литературы, она обеспечивает лучшую изоляцию и более чистую поляризацию без использования наслоенных структур, громоздких развязывающих сетей или сложных схем питания. Для непрофильного читателя главным выводом является то, что такой тип излучателя может помочь будущим Wi‑Fi и другим беспроводным устройствам одновременно передавать и принимать в пределах одного канала, повышая скорость и надёжность без потребности в дополнительном спектре или большем внутреннем объёме устройства.

Цитирование: Tran-Huy, H., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. A low-complexity compact dual-polarized patch antenna with high isolation and low cross-polarization for in-band full-duplex applications. Sci Rep 16, 10761 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45635-6

Ключевые слова: полудуплексная беспроводная связь, двухполяризационная антенна, компактная патч‑антенна, Wi‑Fi 5 ГГц, подавление собственной интерференции