用于亚6 GHz 和毫米波 5G 频谱的紧凑型集成自复用天线

这款微型天线为何对你未来的手机很重要

第五代（5G）网络承诺更快的下载、更流畅的视频通话，以及连接大量设备的能力——从汽车到工厂传感器。为了实现这些功能，无线系统必须同时使用“低频”5G 频段（覆盖范围好）和“高频”毫米波频段（超高速数据）。本文报道了一种新型、非常紧凑的天线，能够同时在两类频段处理多个通道，可能在提升性能的同时缩小未来基站和终端设备的体积。

两类 5G 信号，一个平台智能兼容

如今的 5G 网络分为亚6 GHz 频段（常称为 FR1）和毫米波频段（FR2）。亚6 GHz 信号传播距离远、穿墙能力较好，适合大范围覆盖。相比之下，毫米波信号能承载更多数据但衰减快且易被阻挡，因而用于短距离的超高速链路。现有天线设计通常侧重于某一频段或仅覆盖两者中的少数通道，这意味着当运营商需要大量独立频率通道时，会带来更多硬件、更多空间需求和更高的复杂性。

为电磁波打造的紧凑“16 车道高速公路”

作者提出了一种集成天线，类似于为电磁波设计的 16 车道高速公路。它具有 16 个独立端口：其中八个分配给不同的亚6 GHz 通道，另八个用于不同的毫米波通道。每个端口对其工作频率进行调谐，因此天线可以在十六个不同通道上发送或接收，而无需体积庞大的外部复用硬件。所有这些都实现于单块平面电路板上，其总体占地仅约为最低工作频率波长平方的 0.43 倍——就其功能而言相当小巧。

设计如何在有限空间内容纳如此多通道

设计的核心结构称为基板集成波导（substrate-integrated waveguide），它通过电路板上一列列金属通孔形成的腔体来限制电磁波。研究者从一个方形腔体出发，然后在概念上将其“切分”成更小的部分，以在节省空间的同时保持基本的谐振特性。他们还引入了精心形状设计的缝槽和馈电结构，使得某些单元在亚6 GHz 频段谐振，另一些在毫米波频段谐振。这些单元交错布局——亚6 GHz 与毫米波单元在同一方形区域内交织在一起——从而高效利用有限的电路板空间，同时保持不同通道之间的互不干扰。

防止通道互相窜扰的措施

对于如此密集的设计要奏效，一个端口的信号不能强烈泄漏到其他端口。团队通过多种方式应对这一点：将元件以直角排列、为不同端口采用不同的内部场分布（或“模态”），并在可行处保持足够的物理间距。成品原型的仿真和测量结果表明，在亚6 GHz 频段，端口间的非期望耦合被抑制超过 40 分贝，在毫米波频段超过 20 分贝——在天线工程中这些水平被认为非常优秀。该天线在所有16个工作频率上还都提供了有用的增益（信号强度）和较高的效率，且与计算预测吻合良好。

从单天线到多天线阵列

现代 5G 及未来 6G 系统通常依赖多输入多输出（MIMO）阵列，多个天线协同工作以形成波束并同时服务众多用户。作者展示了他们的 16 端口设计可以使用四个相同的腔体拼接成更大的 64 端口配置。跨四个腔体具有相同索引的端口工作在同一频率，但被腔体墙体物理隔离，从而保持良好的通道分离。这种可扩展性表明，该概念不仅可用于紧凑型基站，也可用于面向智能工厂、智慧城市和车联网等场景的高密度接入点。

对普通用户意味着什么

简单来说，这项工作展示了一种小巧高效的天线，能够在长距离与超高速频段上同时管理十六个不同的 5G 通道而互不干扰。通过将如此多功能集成到一块紧凑的硬件中，它有助于设备制造商构建更小、更便宜且更强大的未来无线电设备。对终端用户而言，该技术为更可靠的连接、更高的数据速率以及在同一无线基础设施内支持更多连接设备铺平道路——从智能手机和家庭传感器到汽车与工业机器人。

引用: Srivastava, G., Kumar, A., Rana, S. et al. Compact integrated self-multiplexing antenna for sub-6 GHz and millimeter wave 5G frequency spectrum. Sci Rep 16, 5457 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35031-5

关键词: 5G 天线, 毫米波, 亚6 GHz, MIMO, 自复用