Kompakta tvåportsantenner med linjär och cirkulär polarisation med miniaturiserad patch och låg korspolarisation

Mindre antenner för trånga trådlösa miljöer

Smartphones, hemroutrar och små sensorer är beroende av kompakta antenner för att skicka och ta emot data. När enheter blir mindre och antalet anslutningar ökar behöver ingenjörer antenner som rymmer i begränsade utrymmen utan att signalerna stör varandra. Denna studie visar hur man kan omforma en vanlig platt antenn så att den fungerar vid en lägre frekvens, tar mindre plats och ändå håller två närliggande signalvägar tydligt åtskilda för mer tillförlitliga trådlösa länkar.

Varför två antenner behövs i en enhet

Moderna trådlösa prylar använder ofta två antenner sida vid sida så att varje antenn hanterar en annan polarisation av signalen. Detta knep, kallat polariseringsdiversitet, hjälper till att motverka fading och ökar datahastigheten i flerantennsystem (MIMO). Problemet är att när dessa antenner pressas nära varandra läcker en del av effekten från den ena till den andra, vilket ökar störningar och minskar nyttan av två kanaler. Många befintliga lösningar åtgärdar detta genom att lägga till extra strukturer mellan eller ovanför antennerna, men dessa tillägg gör hårdvaran större och mer komplex.

Att tygla oönskade signalriktningar

Författarna fokuserar på en subtil men viktig fråga som kallas korspolarisation. I idealfallet ska en antenn utstråla i endast en föredragen riktning för det elektriska fältet. I verkligheten, särskilt när antennen miniaturiseras, uppträder extra fält vinkelrätt mot den önskade riktningen. I ett tvåportsystem där varje port är avsedd för en annan polarisation fungerar dessa oönskade komponenter som en genväg för energi att hoppa från en port till en annan. Genom att noggrant analysera hur de elektriska fälten från två ortogonala antenner samverkar visar studien att om de oönskade korspolariserade fälten hålls mycket små kan kopplingen mellan portarna också hållas mycket låg även när antennerna ligger extremt nära varandra.

En ny patchform som krymper men förblir ren

För att uppnå både kompakthet och ren polarisation redesignar forskarna en standard rektangulär patchantenn. De skär metallpatchen i flera smala sektioner, lägger till små mellanrum mellan dem och kopplar utvalda delar till jord genom metallvias. De väver också in en meanderformad remsa i patchen. Tillsammans gör dessa egenskaper den elektriska vägen längre och mer kapacitiv utan att förstora det yttre silhuetten, vilket tillåter antennen att resonera runt 4,3 GHz istället för den mycket högre frekvens som vore väntad för dess dimension. Simulationer visar att denna miniaturiserade patch behåller god förstärkning samtidigt som den trycker ner oönskad korspolarisation till cirka 50 decibel under huvudsignalen, vilket är exceptionellt lågt.

Tvåportsantenner med linjär och cirkulär polarisation

Med utgångspunkt i den nya patchen bygger teamet två typer av tvåportsmatriser. I den första placeras två miniaturiserade patchar vinkelrätt på samma kort för att skapa en dubbel linjärt polariserad antenn. Även med kant-till-kant-avstånd som bara är en liten bråkdel av våglängden förblir portarna väl anpassade och uppmätt isolation överstiger 30 decibel, allt utan extra avkopplingshårdvara. I den andra konstruktionen kombineras samma kompakta patchar med en tryckt hybridkopplare för att ge två cirkulärt polariserade utgångar, en med högerrotation och den andra med vänsterrotation. Denna dubbla cirkulärt polariserade matris fungerar också runt 4,3 GHz, bibehåller isolation över 10 decibel och levererar stabila strålningsmönster med måttlig förstärkning lämpad för praktisk användning.

Hur detta gynnar framtida trådlösa enheter

Jämfört med liknande tvåportsantenner i litteraturen upptar båda föreslagna konstruktionerna några av de minsta elektriska ytorna samtidigt som de erbjuder konkurrenskraftig bandbredd, förstärkning och isolation. Eftersom den rena separationen mellan de två portarna kommer från patchens inneboende beteende snarare än från skrymmande tillägg förblir helheten enkel och lågprofilerad. För ingenjörer som designar telefoner, sensorer eller andra utrymmesbegränsade trådlösa produkter ger dessa kompakta antenner med låg korspolarisation ett lovande sätt att packa mer tillförlitliga länkar i allt mindre enheter.

Citering: 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

Nyckelord: kompakt antenn, MIMO, polarisation, trådlösa system, patchantenn