Низкопрофильная двухполяризационная базовая станция с высокой изоляцией на основе ИМК

Меньше вышек — более связанный мир

По мере роста числа телефонов, умных датчиков и беспроводных устройств коробки из металла и электроники, связывающие их с сетью, должны успевать за спросом. В этой работе рассматривается тихая, но важная задача: как создавать базовые станции, которые меньше по габаритам, проще в установке и при этом надежно справляются с большими потоками данных. Авторы предлагают способ уменьшить высоту антенны 5G, сохранив при этом мощное излучение и снизив взаимные помехи между каналами, что помогает сетям работать лучше в густонаселенных городах.

Почему важны размер и чистота сигнала

Современные системы, такие как 5G, Интернет вещей, спутниковая связь и радиосвязь оборонного назначения, зависят от базовых станций, способных работать в широких диапазонах частот и принимать/передавать в более чем одном направлении поляризации. Использование двух поляризаций одновременно позволяет передавать больше данных в том же участке спектра и улучшает прием при отражениях от зданий и других препятствий. Но есть компромисс: многие антенны с широкой полосой и двойной поляризацией громоздки, что увеличивает затраты, затрудняет их маскировку на крышах и ограничивает плотность размещения в массиве. Цель этой работы — сохранить широкий рабочий диапазон и способность к двойной поляризации, одновременно уменьшив вертикальный размер и дополнительно снизив нежелательное взаимодействие между двумя портами антенны.

Новый способ распространения сигнала

Исследователи начинают с плоской металлической пластины в форме креста, которая служит излучающей частью антенны. Тщательно подрезая углы этой пластины и прорезая в ней узкие щели, они создают несколько близких резонансов, которые сливаются в одну широкую рабочую полосу от 3,1 до 4,1 гигагерца — диапазон, используемый многими Sub-6 GHz 5G-службами. Такая форма тока на металлической пластине позволяет антенне оставаться компактной без потери полосы пропускания. Авторы также разрабатывают удачную схему питания с двумя перпендикулярными микрополосковыми линиями, расположенными на разных уровнях, так что входные порты не находятся друг над другом. Это обеспечивает две независимые поляризации при ограниченном прямом связовании между фидами.

Умное зеркало вместо металлической пластины

Традиционные базовые станции располагают антенну примерно на четверть длины волны над сплошной металлической пластиной, которая действует как зеркало для радиоволн. Именно это фиксированное расстояние во многом определяет вертикальный размер. Команда заменяет простое зеркало на спроектированную поверхность — искусственный магнитный проводник, собранный из массива небольших узорчатых плиток, отделенных от заземляющей пластины тонким воздушным зазором. В пределах целевого частотного диапазона такая поверхность отражает волны в фазе, а не инвертирует их, что позволяет антенне находиться гораздо ближе и при этом эффективно излучать. Специальная поверхность также блокирует боковые поверхностные волны, которые в ином случае распространялись бы по пластине и переносили энергию от одного порта к другому — это ключевой источник помех в плотных антенных решетках.

Лабораторные испытания характеристик

С помощью компьютерного моделирования авторы изучают, как высота воздушного слоя, толщина плат и размер каждой плитки влияют на отражательные свойства искусственной поверхности. Они показывают, что введение воздушного зазора существенно расширяет полезную полосу отражения при контролируемых потерях в материале и умеренных затратах. Выбрав конфигурацию из 11 на 11 плиток, они собрали физический прототип и провели измерения. В диапазоне от 3,1 до 4,1 ГГц антенна сохраняет хорошую согласованность с линиями питания, обеспечивает не менее 8,5 дБ усиления и удерживает утечку между двумя портами на очень низком уровне. Измеренные диаграммы направленности остаются стабильными при изменении частоты, а нежелательные компоненты поляризации значительно слабее основного сигнала.

Что это значит для будущих сетей

Готовая конструкция занимает площадь примерно четверти длины волны в основании и имеет высоту всего около одной десятой длины волны, что существенно тоньше многих сопоставимых двухполяризационных антенн базовых станций. При этом она предлагает высокую изоляцию между каналами, разумное усиление и простую сборку на основе печатных плат и регулярной сетки металлических плиток. Для строителей сетей такая низкопрофильная антенна с высокой изоляцией может облегчить размещение большего количества элементов на заданной площади, улучшить качество обслуживания в 5G-решетках и снизить визуальное воздействие на городской ландшафт. Работа показывает, как форма излучающей пластины и отражающей поверхности под ней помогает балансировать размер, полосу пропускания и чистоту сигнала в практических беспроводных системах.

Цитирование: Zhang, L., Wang, Y., Dang, W. et al. A low-profile high-isolation dual-polarized base station antenna based on AMC. Sci Rep 16, 15822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46941-9

Ключевые слова: 5G-антенны, двойная поляризация, искусственный магнитный проводник, конструкция базовой станции, низкопрофильная антенна