一种用于毫米波应用模式多样性的8端口MIMO配置高增益Y形贴片阵列

为什么更快的信号需要更聪明的天线

流媒体超高清晰度视频、运行虚拟现实或引导自动驾驶汽车都依赖于能够瞬时且可靠传输大量数据的无线信号。第五代（5G）网络通过使用非常高频的“毫米波”频段，尤其是约28 GHz处的频段，试图满足这一需求。这些频率提供大量新的频谱，但容易被墙体、建筑物甚至降雨阻挡。为使其可行，工程师需要既能增强信号强度又能在设备周围指向信号的紧凑天线。本文提出了一种同时解决这两项挑战的新型天线设计。

把微弱的波变成强劲的链路

毫米波信号的行为不同于早期移动网络使用的无线电波。它们随距离迅速衰减，穿透障碍物的能力差，并对天气和植被敏感。为了保持连接稳定，基站和设备必须将能量集中成窄波束，并能够将这些波束指向用户所在方向。简单的“贴片”天线成本低且扁平，但通常增益有限且工作带宽窄。早期设计尝试通过增加层数、电子开关或复杂表面来改善性能，但常常变得体积庞大、耗电或难以扩展到极高频率。

用于更强波束的Y形构件

作者从一个印刷在薄型Rogers 5880电路板上的微小金属贴片开始，背后配有实心金属接地平面。该基本单元从下方通过同轴连接器馈电，从而减少不期望的表面波并提高效率。单独使用时，该贴片在约28 GHz附近表现良好，提供约7 dBi的适中增益，具有较宽的前向波束且板后方辐射有限。为了在不增大占地面积的情况下提高增益，团队将三个此类贴片围绕中心馈电重新排列，使用Y形分配器，使能量在它们之间以受控方式共享并产生相位关系。

从单束到全方位覆盖

这个三元Y形阵列将射频能量聚焦成更窄的主波束，将增益提升到大约12–13 dBi，同时仍覆盖约800 MHz的带宽（以28 GHz为中心）。理论表明，这种高增益来自三个贴片同步辐射时的相长干涉；同样的效应也使设计对频率偏移更敏感，解释了带宽上的适度权衡。为了将该聚焦波束转为全方位覆盖，研究人员复制并镜像Y阵列，先形成双端口，再形成四端口，最终形成一个呈十字状的三维八端口配置。每个“端口”为朝向不同方向的一个Y阵列馈电，使得它们的波束共同覆盖设备周围的360°。

八只“耳朵”朝各个方向监听

成品八端口系统表现得像一圈高度指向性的“耳朵”，每个“耳朵”都具有较强的增益且彼此间干扰很小。对制造原型的仿真和测量表明，该天线保持了目标的27.6–28.4 GHz频带，端口间隔离度优于20 dB（意味着信道保持清晰），并且八个波束的实测增益均超过13 dBi。附加的分集指标表明各端口的辐射模式差异足够大，可以同时发送和接收多个数据流，从而提高可靠性和数据吞吐量——这是多输入多输出（MIMO）技术的关键优势。

这对未来5G设备意味着什么

对非专业人士而言，核心成果在于作者将八个高增益且相互适当分离的波束打包进一个比火柴盒还小的天线，专为关键的5G毫米波频段量身设计。该设计并不依赖移动部件或复杂的切换网络，而是使用巧妙的几何结构——Y形分配器和周到的三维排列——将强而窄的波束与360°覆盖结合起来。这种紧凑且高效的方法有助于未来的基站、接入点甚至先进的用户设备在拥挤的城市、工厂车间或互联车辆中保持高速、可靠的链路，从而使毫米波频段下的高速5G在现实场景中更具可行性。

引用: Abaas, A., Awan, W.A., Choi, D. et al. A high-gain Y-shaped patch array with an 8-port MIMO configuration for pattern diversity in mm-wave applications. Sci Rep 16, 8993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35545-y

关键词: 5G天线, 毫米波, MIMO, 波束转向, 无线通信