使用双半圆环的宽带倾斜波束端射天线

为繁忙的室内空间提供更犀利的无线波束

想象一下人声鼎沸的演讲厅或购物中心，所有人同时在流媒体播放视频或参加视频通话。现有的 Wi‑Fi 和 5G 网络在这种高负载环境下常常难以提供快速且可靠的连接。本文介绍了一种新型微小天线，它能够在宽广的高频 5G 和 WiGig 频段上，将强而集中的无线波束指向用户所在方向，从而有望提升室内的速率和信号质量。

为什么未来的 5G 需要新型天线

智能手机和各种连接设备对数据的需求持续增长，低频“Sub‑6 GHz”频段已趋于拥挤。为满足需求，5G 网络正向毫米波频段进军，这些频率远高于传统手机使用的频段。包括 24–40 GHz 的 5G 新空口频段和无许可的 60 GHz 频段在内，这些频谱可以承载大量信息，但有一个缺点：高频信号衰减快，穿透墙体和障碍物的能力弱。要使其可用，基站和接入点需要紧凑、易于集成并能将能量有力且定向地推向用户的天线，而不是将能量向四处发散。

一种带有倾斜推力的紧凑天线

研究人员提出了一种小型平面天线，正好满足这些要求。它既不依赖笨重的机械转向，也不需要复杂的电子器件，而是通过在电路板上刻画金属图形，使天线自然形成一个指向固定倾斜方向的强束——类似向舞台向下倾斜的聚光灯。该设计基于位于细长馈线末端的两个套叠半圆形铜环，印制在常见的高频电路板材料上。在此之下，通常平整的接地面被精心雕刻成带有槽和小反射体的曲面结构。这些特征协同引导电磁波沿着电路板的边缘（即“端射”方向）以约 65 度的倾斜角离开板面，非常适合覆盖安装在墙面上的接入点前方的座位区域等区域。

通过塑造电流而非增加复杂性

许多早期天线通过增加额外的“寄生”金属件或采用奇异的超材料层来实现波束倾斜，这会增加体积和复杂性，并常常缩窄有用带宽。相比之下，该设计保持结构简洁：没有额外的有源元件或特殊材料。关键在于如何引导电流。馈线上切出的两个小矩形槽像减速带一样作用于特定波，使得更多电流在宽频带内流经半圆环。这稳定了主瓣方向，使得在大约 24 到 48 GHz 之间，天线在工作频率改变时仍能保持近似相同的倾斜指向。

微小体积下的宽带性能

尽管结构简单且尺寸小巧——原型天线整体仅约 18×12 毫米——它覆盖了从 11.5 到 62.5 GHz 的极宽频率范围。该范围包含关键的 5G 毫米波频段（如 26–29 GHz 和 37–40 GHz 附近）以及流行的 60 GHz WiGig 频段的一部分。在测量的 24–40 GHz 窗口内，天线保持倾斜端射波束，同时增益高于 6.5 dB，峰值约为 11.6 dB，表明它比简单的低增益辐射器更强地集中功率。消声室中的实验室测试显示，回波损耗、辐射效率和波束形状等实际性能与计算机仿真高度一致，从而增强了设计按预期工作的信心。

这对日常连接意味着什么

对非专业读者来说，主要结论是：这项工作展示了一种非常小且扁平的天线，能够覆盖几乎所有关键的 5G 毫米波和 WiGig 频段，同时将强而稳定的波束推向空间中的目标区域。它通过巧妙的几何设计来弯曲和聚焦无线能量，而非依赖机械部件或复杂电子。此类天线可以集成到室内 5G 基站、接入点甚至紧凑设备中，在演讲厅、办公区或商场等场所提供更快、更可靠的高频链路。未来，当这些天线组合成阵列或配合简单透镜使用时，可能有助于将当下不均的高频覆盖转变为可在需要高速率的地方提供稳健、定向“无线聚光灯”的解决方案。

引用: Patel, A., Panagamuwa, C. & Whittow, W. Wideband tilted beam end-fire antenna using double semi-circular rings. Sci Rep 16, 5628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35414-8

关键词: 5G 毫米波, 倾斜波束天线, 端射天线, 宽带平面天线, 室内无线覆盖