En fyrportig MIMO-antenn med två band och partiell jordplan för n257/n260/n261-bandapplikationer

Varför snabbare trådlöst kräver smartare antenner

Att strömma högupplöst video, uppleva immersiv virtuell verklighet och hantera svärmar av små sensorer bygger alla på nästa generations 5G-nät, särskilt vid millimetervågsfrekvenser där stora nya spektrumsegment finns tillgängliga. Men att använda dessa mycket höga radiovågsfrekvenser på ett tillförlitligt sätt är knepigt: signaler dämpas snabbt och antenner måste vara både kompakta och kapabla att hantera många dataströmmar samtidigt. Denna artikel presenterar en ny antenndesign som tar itu med dessa utmaningar och syftar till att få framtida telefoner, prylar och uppkopplade maskiner att kommunicera snabbare och mer pålitligt.

En liten antenn byggd för stora 5G-krav

Forskarna introducerar en kompakt antennmodul, endast 28 millimeter på varje sida och tunnare än ett kreditkort, anpassad för 5G:s "FR2" millimetervågsband runt 28 och 38 gigahertz. Dessa två band — kända i standardtermer som n257/n261 och n260 — är särskilt intressanta eftersom de erbjuder bred bandbredd och relativt låg atmosfärisk dämpning jämfört med ännu högre frekvenser. I stället för en enda antenn innehåller modulen fyra små strålande element som arbetar tillsammans som ett multiple-input multiple-output (MIMO)-system. Denna konfiguration stöder flera oberoende dataströmmar samtidigt, vilket ökar kapacitet och tillförlitlighet utan att öka enhetens yttermått.

Hur byggstenantennen fungerar

Var och en av de fyra elementen utgår från en enkel metallrektangel som strålar radiovågor. För att få denna enskilda bit att fungera effektivt i två distinkta frekvensband skär författarna ut specifika springformer i den — en formad som ett "H" och en annan som ett uppochnedvänt "T" — och parar den med en jordledare som täcker endast en del av kretskortets baksida. Den partiella baksidan förändrar hur elektriska strömmar flyter, så att en strömväg dominerar i det lägre bandet och en annan i det högre, medan springorna finjusterar de två resonanserna. Genom stegvisa datorbaserade simuleringar visar teamet hur dessa förändringar förflyttar och delar upp antennens naturliga frekvenser tills den arbetar rent kring både 28 och 38 gigahertz.

Att placera fyra element utan att de stör varandra

För att bilda hela modulen roteras de fyra tvåbandselementen så att de pekar i olika riktningar och placeras runt mittpunkten på den kvadratiska kretskortsytan. Denna ortogonala ordning hjälper redan till att förhindra att de stör varandra, ett nyckelkrav för MIMO-system. När ett element sänder kan dock strömmar fortfarande läcka genom det delade jordområdet och störa grannarna. För att motverka detta kopplar konstruktörerna samman de partiella jordregionerna och förlänger tunna metallremsor inåt från varje sida, vilket skapar en central plussformad struktur. Denna form omdirigerar och kansellerar vissa av de oönskade strömmarna, höjer den elektriska "brandmuren" mellan portarna samtidigt som önskad strålning i fria rummet bevaras.

Att testa konstruktionen

Efter att ha optimerat dimensionerna i simulering tillverkar teamet antennen på ett material med låg förlust för mikrovågskretsar och mäter den med precisioninstrument och anekoiska mätkammare. Prototypen täcker ungefär 2,6 till 2,9 gigahertz bandbredd kring 28 gigahertz och en liknande utbredning kring 38 gigahertz — bredare än många jämförbara designer — samtidigt som signalläckaget mellan vilket par av portar som helst typiskt ligger bättre än 23 till 27 decibel. Strålningsmätningar visar toppförstärkningar på cirka 6,4 respektive 8,5 decibel i det lägre och det övre bandet, med verkningsgrader över 75 procent. Ytterligare analyser av viktiga MIMO-mått, såsom hur oberoende antennsignalerna är och hur mycket total datakapacitet som går förlorad, bekräftar att modulen beter sig nästan idealt över båda banden.

Vad detta betyder för vardaglig uppkoppling

Enkelt uttryckt har författarna tagit fram en mycket liten, tvåbandig antennmodul som kan sända och ta emot flera högfrekventa dataströmmar samtidigt utan att dessa strömmar stör varandra. Genom att listigt forma både den strålande metallen och den delade baksidan, särskilt med den centrala plussformade funktionen, uppnår de stark isolering, bred användbar bandbredd och god effektivitet i två viktiga 5G millimetervågsband. Denna typ av kompakt, högpresterande byggsten passar väl för framtida smartphones, fordon och IoT-enheter och hjälper 5G-näten att leverera höga datahastigheter och låga fördröjningar som avancerade tillämpningar kräver.

Citering: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

Nyckelord: 5G millimetervåg, MIMO-antenn, tvåbandig, isolering i millimetervågsband, hårdvara för trådlös kommunikation