A Dual-band Miniaturized Self-Isolating Uniplanar MIMO Antenna for 5G/Ku/K Bands

In de onzichtbare wereld van draadloze communicatie reizen signalen als rimpelingen van energie die door apparaten moeten worden opgevangen, gescheiden en begrepen om een heldere verbinding te leveren. Wanneer ingenieurs antennes ontwerpen voor moderne gadgets, staan ze voor een hardnekkige uitdaging: hoe pak je meerdere zend- en ontvangseenheden in een kleine ruimte zonder dat ze met elkaar interfereren. Als deze eenheden te dicht bij elkaar staan, beginnen ze met elkaar te "praten", wat een lawaaierige bende creëert die de kwaliteit van het gesprek of de snelheid van de gegevens verslechtert. Dit probleem wordt nog moeilijker naarmate apparaten kleiner worden en de frequenties die voor communicatie worden gebruikt hoger worden, reikend naar banden die gereserveerd zijn voor 5G-netwerken, satellietverbindingen en radarsystemen. Om dit op te lossen, voegen onderzoekers vaak complexe extra onderdelen toe om de interferentie te blokkeren, maar deze toevoegingen maken het apparaat meestal groter en moeilijker te bouwen. Het doel is om een manier te vinden om de eenheden dicht bij elkaar te houden terwijl ze toch stil blijven naar elkaar, en dat alles binnen een enkele, platte laag die gemakkelijk geproduceerd kan worden.

Een team van onderzoekers heeft een nieuw antenontwerp ontwikkeld dat aan deze eisen voldoet door gebruik te maken van een slimme arrangement van vier identieke eenheden op één enkele platte printplaat. Het apparaat, dat slechts 30 bij 30 millimeter groot is, is klein genoeg om in een smartphone of een draagbare sensor te passen, maar is tegelijkertijd in staat om twee zeer verschillende sets frequenties tegelijkertijd te verwerken. De ene set dekt het bereik van 3 tot 5 gigahertz, wat essentieel is voor volgende generaties mobiele netwerken, terwijl de andere loopt van 12 tot 23 gigahertz, een bereik dat wordt gebruikt voor satellietcommunicatie, radar en snelle datalinks. Wat dit ontwerp uniek maakt, is dat het een hoog niveau van scheiding tussen zijn vier delen bereikt zonder extra blokkerende componenten te gebruiken. In plaats van complexe structuren toe te voegen om de interferentie te stoppen, hebben de ingenieurs het metalen aardvlak in het midden van de plaat zo gevormd dat de signalen op natuurlijke wijze van elkaar worden weggeleid. Deze "zelf-isolerende" aanpak zorgt ervoor dat de vier antennes zeer dicht bij elkaar kunnen staan terwijl ze presteren alsof ze ver uit elkaar staan.

De onderzoekers bouwden een prototype van deze antenne op een standaard printplaatmateriaal en testten deze grondig om te zien hoe goed het werkte. Ze ontdekten dat het apparaat succesvol werkt over een breed spectrum, waarbij zowel de lagere mobiele banden als de hogere satellietbanden tegelijkertijd worden gedekt. Wanneer ze maten hoeveel de antennes met elkaar interfereren, lieten de resultaten een significante daling zien in ongewenste signallekkage. In het lagere frequentiebereik werd de interferentie verminderd tot niveaus tussen min 12,5 en min 34 decibel, en in het hogere frequentiebereik daalde dit nog verder, tot tussen min 20 en min 40 decibel. Deze getallen geven aan dat de antennes effectief van elkaar geïsoleerd zijn, waardoor het systeem meerdere datastromen helder kan verwerken. Het ontwerp bleek ook zeer efficiënt te zijn, waarbij het grootste deel van de elektrische energie omzet in radiogolven met zeer weinig verlies, en behield een sterk signaal over zijn gehele operationele bereik.

Om te garanderen dat de antenne veilig en praktisch is voor echt gebruik, simuleerde het team hoe de antenne zou reageren wanneer deze in een menselijke hand wordt gehouden of in een behuizing van een apparaat wordt geplaatst. Ze berekenden de hoeveelheid energie die de antenne in menselijk weefsel zou deponeren, een maat die bekend staat als de specifieke absorptiegraad. De resultaten toonden aan dat zelfs wanneer de antenne direct tegen de huid wordt gehouden, de energieabsorptie ruim binnen de veilige limieten blijft die door regelgevende instanties zijn vastgesteld. Bovendien testten ze hoe de antenne presteerde wanneer deze werd omringd door grote objecten of in een doos werd geplaatst, wat de omgeving binnen een telefoon of een voertuig nabootst. De antenne bleef in deze omstandigheden betrouwbaar functioneren en behield haar vermogen om signalen te verzenden en te ontvangen zonder dat ze werd verstoord door de nabijgelegen materialen. Dit suggereert dat het ontwerp robuust genoeg is om te worden geïntegreerd in alledaagse consumentenelektronica zonder dat er speciale afscherming of complexe aanpassingen nodig zijn.

De uiteindelijke analyse keek naar de algehele kwaliteit van de verbinding die de antenne kan bieden. Door te onderzoeken hoe de vier eenheden samenwerkten, bevestigden de onderzoekers dat het systeem uitstekende diversiteit biedt, wat betekent dat het signalen vanuit verschillende hoeken kan combineren om een sterkere, meer betrouwbare link te creëren. De gegevens toonden aan dat het systeem complexe omgevingen aankan waar signalen weerkaatsen tegen muren en obstakels, een veelvoorkomend probleem in steden en binnen gebouwen. Het ontwerp bereikt dit allemaal terwijl het compact en eenvoudig te produceren blijft, gebruikmakend van een enkele laag materiaal in plaats van een complexe stapel van borden. Door te bewijzen dat een kleine, platte antenne dual-band kan afhandelen met hoge isolatie en veiligheid, biedt dit werk een praktisch pad voorwaarts voor de volgende generatie draadloze apparaten, waardoor ze kleiner, sneller en krachtiger kunnen worden zonder in te boeten op prestaties.