DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38609-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644981
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: R. Gayathri وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم وتحليل الهوائيات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة هوائي MIMO مدمج مزدوج النطاق مكون من أربعة عناصر مصمم خصيصًا لتطبيقات الموجات المليمترية، مع التركيز على أنظمة الاتصالات اللاسلكية 5G. يتميز الهوائي بحجم مدمج للغاية يبلغ $15 \times 15 \times 0.8 \, \text{mm}^3$ (حوالي $0.55\lambda \times 0.55\lambda \times 0.03\lambda$ عند 28 غيغاهرتز) ويعمل بكفاءة في نطاقين رئيسيين من الموجات المليمترية: 29-31 غيغاهرتز و36.5-38.5 غيغاهرتز. يتضمن التصميم فتحات موضوعة بشكل استراتيجي وهيكل إشعاعي مدمج، محققًا مكاسب قصوى تصل إلى 8.1 ديسيبل و8.64 ديسيبل في النطاقين المعنيين، إلى جانب عزل قوي بين المنافذ يتجاوز 25 ديسيبل.
تشير تقييمات أداء MIMO الشاملة إلى خصائص تنوع ممتازة، مع معامل ارتباط الغلاف (ECC) أقل من 0.001، ومكسب تنوع (DG) يبلغ حوالي 9.99 ديسيبل، ومعامل انعكاس نشط إجمالي (TARC) يتم الحفاظ عليه ضمن -5 إلى 5 ديسيبل، وفقدان سعة قناة منخفض (CCL) يبلغ 0.21 بت/ثانية/هرتز عبر الترددات التشغيلية. تؤكد الاتفاقية الوثيقة بين النتائج المحاكاة والمقاسة على متانة التصميم وقابليته للتطبيق العملي. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية توسيع مفهوم هذا الهوائي ليشمل تكوينات MIMO أكبر أو تكييفه لأنظمة قابلة لإعادة التكوين وقابلة لتوجيه الشعاع، مما يجعله مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات في معدات المستخدم 5G، ومحطات القاعدة صغيرة الخلية، والأجهزة اللاسلكية من الجيل التالي.
النتائج
تقدم نتائج الدراسة تقييمًا شاملاً لهوائي MIMO المصنع، كما هو موضح في الأشكال 6(أ) و6(ب). تم قياس عناصر الهوائي، المتصلة بموصلات SMA بقدرة 50Ω، باستخدام محلل شبكة متجهة (VNA) من Keysight. تشير معلمات S المقاسة، الموضحة في الشكل 7، إلى تطابق فعّال في المعاوقة عبر نطاق الترددات المعني، حيث تبقى جميع معاملات الانعكاس (S11، S22، S33، S44) أقل من -10 ديسيبل، مما يدل على إشعاع فعال. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن معاملات النقل (S12، S23، S34، S13، S14، S24، S32، S42) أقل من -20 ديسيبل، مما يدل على الحد الأدنى من الاقتران بين العناصر ويشير إلى عزل جيد، وهو أمر مفيد لتطبيقات MIMO.
تظهر أنماط الإشعاع في المجال البعيد عند 30 غيغاهرتز و37 غيغاهرتز، كما هو موضح في الشكل 8، تشكيلات لوبية مميزة لكل من الهوائيين، مما يدل على قدرتهما على الإشعاع الاتجاهي ونقل الإشارة المركزة. الأنماط الإشعاعية المستقرة، التي تتميز بتصاميم ذات مكاسب عالية، تساعد في تقليل التداخل وتعزيز قوة الإشارة. تشير الفروق الطفيفة بين النتائج المحاكاة والمقاسة إلى أن ت tolerances التصنيع لها تأثير ضئيل، بينما تؤكد التناسق عبر كلا الهوائيين على ملاءمتهما للتطبيقات عالية التردد. يقارن الشكل 9 المكاسب المحاكاة والمقاسة للهوائي 1 والهوائي 2، كاشفًا أن الفروق، خاصة في نطاق الترددات العليا، قد تنشأ من تفاعلات غير محسوبة بين عناصر الهوائي وبيئتها. من الجدير بالذكر أن الهوائي 1 يظهر تأثير تموج في مكاسبه، ربما بسبب أوضاع الركيزة، بينما يظهر الهوائي 2 استجابة أكثر سلاسة، مما يدل على كبح أفضل للأوضاع غير المرغوب فيها.
المناقشة
تقدم الدراسة هوائي MIMO مدمج مزدوج النطاق مكون من أربعة عناصر مصمم لتطبيقات الموجات المليمترية، مستهدفًا بشكل خاص أنظمة الاتصالات 5G. يبلغ قياس الهوائي 15 مم × 15 مم × 0.8 مم، ويحقق مكسبًا قمة يبلغ 8 ديسيبل ويحافظ على عزل ممتاز يتجاوز 25 ديسيبل، مما يجعله مناسبًا للعمليات عالية التردد. تشمل الابتكارات الرئيسية دمج فتحات موضوعة بشكل استراتيجي داخل العناصر الإشعاعية، مما يعزز المكسب والعزل بينما يسمح بتصميم مدمج. يساهم استخدام ركيزة Rogers RT/duroid 5880، التي تتميز بثابت عازل منخفض وزاوية خسارة، في تحسين أداء الهوائي من خلال تقليل الخسائر العازلة وتحسين تطابق المعاوقة.
يتم تقييم أداء MIMO للهوائي من خلال مقاييس مثل معامل ارتباط الغلاف (ECC)، ومكسب التنوع (DG)، ومعامل الانعكاس النشط الإجمالي (TARC)، وفقدان سعة القناة (CCL). تشير النتائج إلى ECC منخفض جدًا يبلغ حوالي 0.001 ومكسب تنوع مرتفع يبلغ حوالي 9.99 ديسيبل، مما يؤكد قدرات نقل متعددة التدفقات الفعالة. يظهر تصميم الهوائي توازنًا ملائمًا بين الحجم والأداء، متفوقًا على الهوائيات الحالية من حيث الحجم والكفاءة في MIMO. بشكل عام، يبرز هذا العمل إمكانات الهوائي للتكامل في الأجهزة اللاسلكية من الجيل التالي، مع التأكيد على ملاءمته للتطبيقات في معدات المستخدم 5G ومحطات القاعدة صغيرة الخلية. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية توسيع هذا التصميم لتكوينات MIMO أكبر أو تكييفه لترددات 6G الناشئة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38609-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644981
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): R. Gayathri et al.
Primary Topic: Antenna Design and Analysis
Overview
This research presents a compact dual-band four-element multiple-input multiple-output (MIMO) antenna specifically designed for millimeter-wave (mm-wave) applications, with a focus on 5G wireless communication systems. The antenna features an ultra-compact size of $15 \times 15 \times 0.8 \, \text{mm}^3$ (approximately $0.55\lambda \times 0.55\lambda \times 0.03\lambda$ at 28 GHz) and operates efficiently in two key mm-wave bands: 29-31 GHz and 36.5-38.5 GHz. The design incorporates strategically placed slots and a compact radiating structure, achieving peak realized gains of 8.1 dBi and 8.64 dBi in the respective bands, alongside strong port isolation exceeding 25 dB.
Comprehensive MIMO performance evaluations indicate excellent diversity characteristics, with an envelope correlation coefficient (ECC) of less than 0.001, a diversity gain (DG) of approximately 9.99 dB, a total active reflection coefficient (TARC) maintained within -5 to 5 dB, and a low channel capacity loss (CCL) of 0.21 bit/s/Hz across the operating frequencies. The close agreement between simulated and measured results underscores the design’s robustness and practical applicability. Future research may explore expanding this antenna concept to larger MIMO configurations or adapting it for reconfigurable and beam-steerable systems, making it a promising candidate for various applications in 5G user equipment, small-cell base stations, and next-generation wireless devices.
Results
The results of the study present a comprehensive evaluation of a fabricated MIMO antenna, as illustrated in Figures 6(a) and 6(b). The antenna elements, connected to 50Ω SMA connectors, were measured using a Keysight Vector Network Analyzer (VNA). The measured S-parameters, depicted in Figure 7, indicate effective impedance matching across the frequency range of interest, with all reflection coefficients (S11, S22, S33, S44) remaining below -10 dB, signifying efficient radiation. Additionally, the transmission coefficients (S12, S23, S34, S13, S14, S24, S32, S42) were found to be below -20 dB, demonstrating minimal coupling between elements and suggesting good isolation, which is advantageous for MIMO applications.
Far-field radiation patterns at 30 GHz and 37 GHz, shown in Figure 8, reveal distinct lobe formations for both antennas, indicating their capability for directional radiation and focused signal transmission. The stable radiation patterns, characterized by high-gain designs, are conducive to minimizing interference and enhancing signal strength. Minor discrepancies between simulated and measured results suggest that fabrication tolerances have a minimal impact, while the consistency across both antennas underscores their suitability for high-frequency applications. Figure 9 compares the simulated and measured gains of Antenna 1 and Antenna 2, revealing that the discrepancies, particularly in the upper-frequency range, may stem from unaccounted interactions between antenna elements and their environment. Notably, Antenna 1 exhibits a ripple effect in its gain, potentially due to substrate modes, whereas Antenna 2 demonstrates a smoother response, indicating better suppression of unwanted modes.
Discussion
The research presents a novel compact dual-band four-element MIMO antenna designed for millimeter-wave applications, particularly targeting 5G communication systems. The antenna, measuring 15 mm x 15 mm x 0.8 mm, achieves a peak gain of 8 dBi and maintains excellent isolation exceeding 25 dB, making it suitable for high-frequency operations. Key innovations include the incorporation of strategically placed slots within the radiating elements, which enhance gain and isolation while allowing for a compact design. The use of a Rogers RT/duroid 5880 substrate, characterized by low dielectric constant and loss tangent, further contributes to the antenna’s performance by minimizing dielectric losses and improving impedance matching.
The MIMO performance of the antenna is evaluated through metrics such as the envelope correlation coefficient (ECC), diversity gain (DG), total active reflection coefficient (TARC), and channel capacity loss (CCL). The results indicate a very low ECC of approximately 0.001 and a high diversity gain of around 9.99 dB, confirming effective multi-stream transmission capabilities. The antenna’s design demonstrates a favorable size-to-performance trade-off, outperforming existing antennas in terms of compactness and MIMO efficiency. Overall, this work highlights the antenna’s potential for integration into next-generation wireless devices, emphasizing its suitability for applications in 5G user equipment and small-cell base stations. Future research may explore expanding this design for larger MIMO configurations or adapting it for emerging 6G frequency bands.