用于共享小型基站无线单元的双频复合高增益5G NR MIMO天线

为何更快的室内无线很重要

从4K视频流到虚拟现实头盔以及每个房间的智能设备，今天大部分互联网流量实际上来自建筑物内部。为了让这些设备保持连接，网络在办公楼、商场、体育场和城市街道中密集部署许多小型、低功耗的基站——称为小型基站。本文提出了一种新的紧凑型天线设计，能帮助单个5G小型基站为多个运营商提供服务，并在两类主要5G频段上高效工作，从而在用户最常使用数据的地方提升速度和覆盖范围。

将两条关键5G频段纳入一个紧凑设计

现代5G系统依赖于两种截然不同的无线频段。一种位于6 GHz以下，能够在穿墙并在中等距离内可靠传输信号；另一种位于约26 GHz及以上的毫米波范围，数据速率极高但信号更容易被阻挡。可被不同移动运营商共享的无线单元必须同时覆盖这两条“车道”。现有的双频天线可以实现这一点，但常常存在可用带宽窄、难以制造的笨重三维结构或增益受限导致覆盖不足的问题。作者通过创建单一天线模块来应对这些挑战，该模块既紧凑又能在相距较远的频段中表现出色。

新天线的构造原理

工作的核心是一个四元件MIMO（多输入多输出）天线，即四个小天线协同工作以提高数据吞吐量和可靠性。每个天线单元由平面金属结构和精心成型的介电块组合而成。在印刷电路板上，U形金属走线作为低频5G频段的主辐射体，而放置在其臂间的小蝴蝶结形金属贴片则增大了有效尺寸并提升增益。直接位于其上方的是一个“扰动圆筒”型介电块——一种不导电但能引导电磁波的材料。该块从圆柱体切割并修改形状，使其在毫米波频段支持有用的高阶模态。

一个结构，两种角色

该设计的巧妙之处在于相同的实体部件在低频和高频下表现不同。在6 GHz以下频段，介电块主要起被动罩盖作用，略微移动并拓宽U形金属天线的响应，同时蝴蝶结贴片增强增益。而在毫米波频段，角色发生反转：金属结构主要向介电块耦能，介电块成为主要的辐射体。由于其经过定制的形状和材料，介电块支持一种混合模态，天然将能量以端射（end‑fire）方向辐射——即沿着小型基站表面发射，适合视距室内链路和密集城市热点。通过谨慎选择材料的介电常数，在辐射强度和足够宽的带宽之间取得平衡。

在真实5G频段中的测量性能

团队使用标准电路蚀刻和水刀切割介电件进行天线制造，并在实验室及真实的室内5G测试床中测量其性能。在低频段，天线覆盖约2.8至4.9 GHz，相对带宽约为53%，能轻松跨越广泛使用的n77和n78 5G频段。在该频段，它给出约8.2 dB的峰值增益，并提供适合室内覆盖的面向正向辐射。在毫米波频段，工作范围为24至29.3 GHz，覆盖如n257至n261等常用频段，相对带宽约20%，峰值增益约13.1 dB，以端射方向为主。四元件布局表现出元件间耦合很低和优良的分集指标，这对稳健的MIMO性能非常重要。

对日常连接性的意义

简而言之，作者设计出一个单一紧凑的天线模块，能够同时高效处理5G的“覆盖”频段和“速率”频段，同时兼容像Open RAN这样的开放、可共享的无线架构。它的宽带、强增益以及在小体积内支持多天线的能力，使其非常适合多个移动运营商在繁忙室内或密集城市环境中共享的小型基站。随着网络持续密集化，类似的设计为更快、更灵活的无线服务提供了实用的构建模块，让人们在家中、办公室、体育场和城市街道等真实使用场景中受益。

引用: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

关键词: 5G小型基站, MIMO天线, 毫米波, 双频设计, 开放RAN