一种用于 n257/n260/n261 频段应用的部分地平面双频四端口 MIMO 天线

为什么更快的无线需要更聪明的天线

传输高分辨率视频、沉浸式虚拟现实以及大量微型传感器都依赖下一代 5G 网络，尤其是在可用频谱巨大的毫米波频段。但是在这些非常高的射频下可靠地使用信号并不容易：信号衰减快，天线必须既紧凑又能同时处理多路数据流。本文提出了一种新的天线设计，旨在应对这些挑战，使未来的手机、设备和联网机器之间的通信更快、更可靠。

为 5G 大需求而生的小型天线

研究人员提出了一个紧凑的天线模块，边长仅 28 毫米、厚度小于信用卡，针对围绕 28 GHz 和 38 GHz 的 5G “FR2” 毫米波频段进行了定制。这两个频段——在标准术语中称为 n257/n261 与 n260——尤为吸引人，因为与更高频率通道相比，它们提供了较宽的带宽和相对较低的大气损耗。模块不是单一天线，而是包含四个协同工作的微小辐射单元，作为一个多输入多输出（MIMO）系统。这种布置支持多路独立数据流同时传输，在不增加设备体积的情况下提高容量和可靠性。

构建块天线的工作原理

四个单元中的每一个都由一个简单的金属矩形起始，该矩形用于辐射无线电波。为了让这一单片在两个不同频段都高效工作，作者在其上刻出了特定的槽形——一个类似“H”形，另一个类似倒“T”形——并配合仅覆盖电路板背面部分区域的地面导体。部分背板改变了电流的流动路径，使得在低频段时一条路径占主导，在高频段时另一条路径占主导，而这些槽则能够微调两个谐振。通过逐步的计算机仿真，团队展示了这些修改如何移动并分裂天线的固有频率，直到它在 28 GHz 与 38 GHz 附近都能清晰工作。

如何布置四个单元以避免相互干扰

在形成完整模块时，四个双频单元被旋转以面向不同方向，并围绕方形电路板的中心放置。这种正交排列本身就有助于减少它们之间的相互干扰，这是 MIMO 系统的关键要求。然而，当某一单元发射时，电流仍可能通过共享的地面区域泄漏并扰乱相邻单元。为了解决这一点，设计者将部分地平面连接起来，并从每侧向内延伸细长金属条，形成一个中央的加号（+）形结构。该形状重定向并抵消了一些不希望出现的电流，在各端口之间提高了电气“防火墙”，同时保留了在自由空间中的期望辐射特性。

将设计付诸测试

在仿真中优化尺寸后，团队在低损耗微波电路材料上制作了原型，并使用精密仪器与消声测试室进行测量。原型在 28 GHz 附近覆盖约 2.6 至 2.9 GHz 的带宽，在 38 GHz 附近也有类似的带宽——比许多可比设计更宽——同时任意一对端口之间的信号泄漏通常优于 23 至 27 分贝。辐射测试显示在低频和高频段的峰值增益约为 6.4 dB 和 8.5 dB，效率均超过 75%。对关键 MIMO 指标的额外分析，例如天线信号的独立性以及整体数据容量损失，证明该模块在两个频段上几乎表现得理想。

这对日常连接意味着什么

简单来说，作者设计出了一款非常小巧的双频天线模块，能够同时发送和接收多路高频数据流而互不干扰。通过巧妙塑形辐射金属件和共享背板，尤其是通过中央加号形特征，他们在两个关键 5G 毫米波频段实现了强隔离、宽可用带宽和良好效率。这类紧凑且高性能的构建块非常适合未来的智能手机、车辆和物联网设备，助力 5G 网络为先进应用提供高速率和低延迟的连接体验。

引用: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

关键词: 5G 毫米波, MIMO 天线, 双频, 毫米波隔离, 无线通信硬件