Компактные 2‑портовые антенны с линейной и круговой поляризацией на основе миниатюризированного патча с низкой поперечной поляризацией

Меньше антенн для плотных беспроводных пространств

Смартфоны, домашние роутеры и миниатюрные сенсоры полагаются на компактные антенны для передачи и приёма данных. По мере уменьшения размеров устройств и увеличения числа подключений инженерам требуются антенны, которые помещаются в тесные корпуса, не создавая взаимных помех. В этом исследовании показано, как изменить форму привычной плоской антенны, чтобы она работала на более низкой частоте, занимала меньше места и при этом обеспечивала чистое разделение двух близко расположенных каналов для более надёжной беспроводной связи.

Почему в одном устройстве важны две антенны

Современные беспроводные гаджеты часто используют две антенны рядом, чтобы каждая передавала сигнал с разной поляризацией. Этот приём, называемый поляризационным разнообразием, помогает бороться с затуханием сигнала и повышает скорость передачи данных в многоантенных (MIMO) системах. Проблема в том, что при близком расположении антенн часть мощности одного канала переходит в другой, повышая помехи и уменьшая выигрыш от двух каналов. Многие существующие решения добавляют дополнительные структуры между или над антеннами, но такие дополнения увеличивают габариты и сложность аппаратуры.

Управление нежелательными направлениями излучения

Авторы сосредоточились на тонком, но важном явлении — поперечной поляризации. Идеально антенна должна излучать в одном предпочтительном направлении электрического поля. На практике, особенно при миниатюризации, появляются дополнительные поля, перпендикулярные желаемому направлению. В двухпортовой системе, где каждый порт предназначен для своей поляризации, эти побочные компоненты действуют как короткое замыкание для энергии между портами. Тщательный анализ взаимодействия электрических полей двух перпендикулярных антенн показывает: если нежелательная поперечная поляризация держится очень низкой, то и связь между портами остаётся слабой, даже когда антенны очень близко размещены.

Новая форма патча: меньше размер — чище поляризация

Чтобы совместить компактность и чистую поляризацию, исследователи переработали стандартный прямоугольный патч. Они разделили металлический патч на несколько узких секций, ввели небольшие зазоры между ними и подключили выбранные участки к земле через металлические виа. Кроме того, в патч вплетён меандровый тонкий полосовой элемент. В совокупности эти приёмы удлиняют электрический путь и увеличивают ёмкостные эффекты без увеличения внешнего контура, что позволяет резонировать антенне около 4,3 ГГц вместо значительно более высокой частоты, ожидаемой для таких габаритов. Моделирование показывает, что миниатюризированный патч сохраняет хорошее усиление, одновременно подавляя нежелательную поперечную поляризацию примерно на 50 децибел ниже основного сигнала — что является исключительно низким уровнем.

Двухпортовые антенны с линейной и круговой поляризацией

Опираясь на новый патч, команда создала два типа двухпортовых решёток. В первом варианте два миниатюрных патча размещены под прямым углом на одной плате, формируя двойную линейно поляризованную антенну. Даже при расстоянии от края до края, составляющем небольшую долю длины волны, порты остаются хорошо согласованными, а измеренная изоляция превышает 30 децибел — и всё это без дополнительного развязывающего оборудования. Во втором дизайне те же компактные патчи объединены с печатным гибридным ответвителем для получения двух выходов с круговой поляризацией: один — с правой, другой — с левой вращающейся поляризацией. Эта двойная кругополяризованная решётка также работает около 4,3 ГГц, поддерживает изоляцию выше 10 децибел и демонстрирует стабильные диаграммы направленности с умеренным усилением, подходящим для практического применения.

Практическая польза для будущих беспроводных устройств

По сравнению с аналогичными двухпортовыми антеннами из литературы оба предложенных решения занимают одни из наименьших электрических площадей, при этом предлагая конкурентоспособную полосу пропускания, усиление и изоляцию. Поскольку чистое разделение между портами достигается за счёт внутреннего поведения миниатюризированного патча, а не за счёт громоздких дополнительных структур, общие компоновки остаются простыми и тонкими. Для инженеров, проектирующих телефоны, сенсоры или другие беспроводные продукты с ограниченным пространством, эти компактные антенны с низкой поперечной поляризацией предлагают перспективный способ уместить более надёжные каналы в всё меньших устройствах.

Цитирование: Tran-Tuan, A., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. Compact 2-port linearly and circularly polarized antennas using low cross-polarization miniaturized patch. Sci Rep 16, 15768 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46704-6

Ключевые слова: компактная антенна, MIMO, поляризация, беспроводные системы, патч‑антенна