一种低外形紧凑型双偏振四端口圆极化 MIMO 天线用于 5G 毫米波网络

为什么小型 5G 天线很重要

随着手机、汽车和各种联网设备朝着更快的 5G 连接（尤其是毫米波频段）发展，它们依赖的是能塞进狭小空间且仍能可靠收发大量数据的小型天线。本文报道了一种新的紧凑天线“模块”，可在非常小的面积内容纳四个天线单元，同时仍能提供强劲且稳定的 5G 信号，并具备对干扰和信号衰落的固有鲁棒性——这些特性有助于未来设备在更少掉线的情况下传输更多数据。

用于超高速信号的小型天线

作者针对约 28–31 GHz 的 5G 毫米波频段开展工作：这些频段可以承载极高的数据速率，但也容易被阻挡和衰减。为应对这一点，工程师使用多输入多输出（MIMO）天线：多个天线协同工作以成形并合并信号。团队设计了一个单层扁平的天线单元，能在两个相近频段内高效工作。通过在薄电路板上精心雕刻金属图案并采用特殊馈电线，该单元将普通线极化信号转换为圆极化——电场随传播像螺旋般旋转。圆极化有助于在设备旋转或倾斜、或信号经反射导致取向翻转时保持信号的稳健性。

通过改形接地改善性能

一个关键创新隐藏在天线的底部：一种“窗形”改造接地结构。通常作为参考面的接地平面被分割并分阶段延伸，以更智能地引导回流电流。研究者测试了多种版本，逐步增加切口和阻抗桩，直到找到既能拓宽有效频带又能产生干净圆极化的形状。仿真表明，最终的接地形状支持两个不同的工作频带，与电子设备匹配良好，具有约 5–6 dBic 的增益和超过 80% 的辐射效率，意味着绝大部分输入功率被转换为有用的无线电波而非以热量损失。

四个天线协同工作

在单元的基础上，团队通过在共享接地平面周围以直角放置四个相同的辐射器，构建了一个四端口 MIMO 天线。在中心处他们加入了一个十字形铜结构，作用类似地面电流的“交通指挥”。该十字形结构像滤波器和反射器一样工作，阻挡那些会从一个天线泄漏到另一个天线的不需要波——也就是所谓的互耦问题。装上十字结构后，天线在一个频带的隔离度优于约 21 dB，在另一个频带约 18 dB，意味着每个单元大体上“各自为政”而不会严重干扰邻近单元。在低频带阵列辐射左旋圆极化，而在高频带辐射右旋圆极化，使其在单个紧凑组件内实现双“旋向”。

把设计付诸检验

作者并未止步于仿真：他们在低成本电路板材料上制作了原型，并用精密实验设备对其进行了测量。实际结果与计算模型高度吻合。在两个目标频带内，天线显示出强增益、高辐射和总效率以及稳定的圆极化。对于 5G 而言同样重要的是，MIMO 指标表现优异：包络相关系数——衡量天线元件对无线环境响应相似程度的指标——极低，表明各元件提供真正独立的信道路径。多样性增益、平均有效增益和信道容量损失均落在理想范围内，表明该阵列可在复杂多径的城市环境中以极小的性能代价支持高数据速率。

这对未来 5G 设备意味着什么

简而言之，本文展示了一种非常小且扁平的天线模块，能够从四个紧密排列的端口发送和接收两种旋向的 5G 圆极化信号，同时保持低互扰和高效率。由于它采用单层电路板、避免复杂的垂直互连，并依靠巧妙的金属图形成形而非笨重的三维结构，很适合用于智能手机、车载单元和必须将先进无线电装入微小空间的物联网设备。如果被广泛采用，这类天线模块可能帮助未来的 5G 毫米波产品在不增大体积的前提下提供更快、更可靠的连接。

引用: Hayat, B., Khan, A., Ahmad, S. et al. A low-profile compact dual-sense quad-port circularly polarized MIMO antenna for 5G mmWave networks. Sci Rep 16, 5619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35885-9

关键词: 5G 毫米波, MIMO 天线, 圆极化, 紧凑天线设计, 无线通信