Dubbelbandskompositantenn med hög förstärkning för MIMO i 5G NR‑applikationer med delbar småcellsradioutrustning

Varför snabbare trådlöst inomhus spelar roll

Från 4K‑videoströmmar till virtuell verklighet och smarta enheter i varje rum kommer en stor del av dagens internettrafik från insidan av byggnader. För att hålla alla dessa prylar uppkopplade monteras många små, låg‑effektbasstationer — så kallade småceller — tätt i kontor, köpcentrum, arenor och på gator. Denna artikel presenterar en ny kompakt antenndesign som hjälper en enda 5G‑småcell att betjäna flera operatörer och att fungera effektivt över båda de huvudsakliga 5G‑frekvensområdena, vilket ökar hastighet och täckning där människor använder data som mest.

Två viktiga 5G‑körfält i en kompakt konstruktion

Moderna 5G‑system bygger på två mycket olika spektrumdelar. Den ena ligger under 6 GHz och förmedlar signaler pålitligt genom väggar över måttliga avstånd; den andra finns i millimetervågsområdet runt 26 GHz och uppåt, där datahastigheterna är mycket höga men signalerna lättare blockeras. En radioutrustning som flera mobiloperatörer kan dela måste fungera över båda dessa ”körfält” samtidigt. Befintliga dubbelbandsantenner kan klara detta, men de lider ofta av smalt användbart band, otympliga 3D‑strukturer som är svåra att tillverka, eller begränsad förstärkning som minskar täckningen. Författarna angriper detta genom att skapa en enda antennmodul som är både kompakt och kapabel till god prestanda i två frekvensband som ligger långt ifrån varandra.

Hur den nya antennen är uppbyggd

Arbetets kärna är en fyr‑element MIMO‑antenn (multiple‑input multiple‑output), det vill säga fyra små antenner som samarbetar för att förbättra datagenomströmning och tillförlitlighet. Varje element kombinerar ett platt metalldesign och ett noggrant format isolerande block. På kretskortet fungerar ett U‑format metallspår som huvudstrålare i det lägre 5G‑bandet, och en liten flug‑vinge‑formad metalldel placerad mellan dess armar ökar den effektiva storleken och förstärkningen. Direkt ovanför detta sitter ett "perturbed barrel"‑dielektriskt block — en bit material som guidar radiovågor utan att leda ström. Formen karvas ur en cylinder och skärs samt modifieras så att det stöder en användbar högre ordningens mod vid millimetervågsfrekvenser.

En struktur, två roller

En smart aspekt av designen är att samma fysiska delar beter sig olika vid låga respektive höga frekvenser. I sub‑6 GHz‑bandet fungerar det dielektriska blocket mest som ett passivt skydd som lätt skiftar och breddar responsen hos den U‑formade metallen medan flug‑vinge‑patchen förbättrar vinsten. Vid millimetervågsfrekvenser vänder rollerna: metallmönstret matar nu huvudsakligen energi in i det dielektriska blocket, som blir huvudstrålare. Tack vare sin form och materialstark kan blocket stödja en hybridmod som naturligt skickar kraft i en end‑fire‑riktning — det vill säga ut längs smallcellens yta, idealiskt för fri sikt‑länkar inomhus och täta urbana hotspots. Noggrant val av materialets permittivitet balanserar stark strålning med tillräckligt bred bandbredd.

Mätt prestanda i realistiska 5G‑band

Teamet tillverkade antennen med standard krets etsning och vattenstråleskärning för de dielektriska bitarna, och mätte sedan prestandan i labb och i ett verkligt inomhus‑5G‑testfält. I det lägre bandet täcker antennen ungefär 2,8 till 4,9 GHz med en hög fraktionell bandbredd på cirka 53 %, vilket obehindrat spänner över de mycket använda n77‑ och n78‑5G‑banden. Här levererar den en toppförstärkning omkring 8,2 dB med bredsidestrålning lämplig för rumsfyllande täckning. I millimetervågsbandet fungerar den från 24 till 29,3 GHz, och täcker populära band som n257 till n261, med cirka 20 % fraktionell bandbredd och en toppförstärkning runt 13,1 dB i end‑fire‑riktning. Fyr‑elementuppställningen visar mycket låg koppling mellan elementen och gynnsamma diversitetsmått, vilket är viktigt för robust MIMO‑prestanda.

Vad detta betyder för vardaglig uppkoppling

Enkelt uttryckt har författarna konstruerat en enda kompakt antennmodul som effektivt kan hantera både 5G:s "räckviddsband" och "hastighetsband" samtidigt, samtidigt som den är kompatibel med öppna, delningsbara radiarkitekturer som Open RAN. Dess breda bandbredd, höga förstärkning och förmåga att stödja flera antenner i ett litet format gör den väl lämpad för småceller som flera mobiloperatörer kan dela i trafiktäta inomhusmiljöer eller urbana miljöer. När nätverk fortsätter att förtätas erbjuder konstruktioner som denna ett praktiskt byggblock för snabbare, mer flexibla trådlösa tjänster där människor faktiskt använder dem: i hem, kontor, arenor och på gatorna.

Citering: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

Nyckelord: 5G‑småceller, MIMO‑antenn, millimetervåg, dubbelbandsdesign, Open RAN