مرشح حزمة SIW عالي الانتقائية بعرض نطاق مرن وصفر ناقل لتطبيقات 5G

لماذا هذا الجزء الصغير مهم لإشارات 5G الكبيرة

بينما تسعى شبكات الهاتف المحمول إلى سرعات أعلى وتوصيل عدد أكبر من الأجهزة، يصبح الأجهزة المسؤولة عن تنقية وتشكيل إشارات الراديو أمراً بالغ الأهمية لكنها تظل إلى حد كبير غير مرئية. تركز هذه الورقة على مكوّن صغير لكنه أساسي يُسمى مرشح الحزمة، الذي يساعد أنظمة 5G على انتقاء الشريحة الصحيحة من الطيف الراديوي مع رفض الضوضاء والتداخل غير المرغوب فيه. من خلال إعادة التفكير في تدفق الطاقة داخل قناة مغطاة بالمعدن على لوحة الدارة المطبوعة، يوضح المؤلفون كيف يمكن بناء مرشحات دقيقة ومرنة وعملية للاستخدام في معدات 5G المنتجة على نطاق واسع.

توجيه الموجات على لوحة دارة مسطحة

تواجه معدات الراديو عالية التردد التقليدية مقايضة. فدلاء الموجات المعدنية الضخمة تنقل الإشارات بخسائر منخفضة وقدرة عالية، لكنها مكلفة ويصعب دمجها. بينما تكون خطوط النقل المسطحة المطبوعة على لوحات الدارات رخيصة ومدمجة، إلا أنها تعاني خسائر أعلى وأداء متدهور مع صعود الترددات إلى نطاقات الموجات المليمترية المستخدمة في 5G. تقدم تقنية تُسمى دليل الموجة المدمج في الركيزة (SIW) حلاً وسطاً: صفوف من الدبابيس المعدنية المدمجة داخل لوحة الدارة تحاكي جدران أنبوب معدني مجوف، مما يشكل مساراً منخفض الخسارة للموجات الراديوية مع الحفاظ على تنسيق مسطح وقابل للتصنيع. هذا يجعل SIW منصة جذابة للمرشحات التي يجب أن تعمل بموثوقية حول 27 غيغاهرتز وما فوق.

تشكيل نطاق مرر ضيق بواسطة هندسة ذكية

يقترح المؤلفون طريقة جديدة لربط الطاقة بين تجاويف SIW باستخدام مزيج من قناة ضيقة، وفتحة مستطيلة مُقطوعة في الطبقة المعدنية العلوية، ودبوس معدني واحد موضوعة بالقرب من تلك الفتحة. تعمل هذه الميزات معاً كخليط مضبوط بعناية من السعة والحث الذين يحددان كيفية مرور الترددات أو حجبها. تم تصميم المرشح للعمل في نمط اهتزاز داخلي محدد لدليل الموجة، وتم ترتيب الهندسة بحيث تتقاطع أقوى خطوط المجال الكهربائي مع الفتحة والدبوس. هذا الترتيب لا يحدد فقط عرض نطاق التردد المفيد، بل يخلق أيضاً ناتئَات حادة تُسمى أصفار ناقلة، تحفر ثقوباً عميقة في المناطق غير المرغوب فيها خارج النطاق.

مقابض ضبط للمهندسين

تتمثل إحدى قوى التصميم في أنه يمنح المهندسين «مقابض» واضحة ومستقلة لضبط جوانب مختلفة من المرشح دون إعادة بنائه من الصفر. عرض الفتحة يضبط أساساً الجزء السعوي من الاقتران: عن طريق توسيعها أو تضييقها، يمكن توسيع نطاق التمرير أو تضييقه، ويمكن تحريك النتوء العلوي للعرض، بينما يبقى الحافة السفلى للنطاق ثابتة تقريباً. يتحكم موضع الدبوس المعدني داخل المسار الضيق في الجزء الحثي، الذي يحرك الحافة السفلية للنطاق ويغير عرض النطاق بينما يبقي تردد النتوء شبه ثابت. معامل هندسي ثالث يغيّر كيفية جلوس الدبوس بالنسبة للفتحة؛ يسمح هذا بضبط متزامن للنتوء وعرض النطاق مع إبقاء مركز النطاق عند نفس التردد. من خلال المحاكاة، يرسم المؤلفون خريطة لكيفية تأثير كل بُعد على مقاييس الأداء الرئيسية، مقدمين وصفة عملية لتصميم مرشحات مخصصة.

من المحاكاة إلى أجهزة 5G العملية

لإثبات أن المفهوم يعمل على أرض الواقع، يبني الفريق ويجري قياسات على مرشحين مختلفين على مادة لوحة دارة قياسية منخفضة الفقد. يستخدم الأول تخطيطاً «خطياً» مباشرة يتدفق فيه الطاقة من المدخل إلى المخرج عبر تجويفين رئيسيين وقسم الاقتران المركزي. هذه النسخة متمركزة حول 27.12 غيغاهرتز، تمرر نطاقاً ضيقاً بعرض نسبي يقارب 5 بالمئة، وتُدخل نتوءاً قوياً قليلاً فوق نطاق التمرير، مما يؤدي إلى انحدار حاد ورفض عالٍ للتداخلات ذات التردد الأعلى. يعيد المرشح الثاني ترتيب نفس اللبنات إلى تخطيط متقاطع الاقتران، حيث يمكن للإشارة أن تسلك مسارات متعددة تتلاشى عند ترددات محددة. تضيف هذه البنية نتوءاً ثانياً أسفل نطاق التمرير، مما يمنح حواف حادة على الجانبين بينما تبقى الخسائر منخفضة وعرض النطاق مماثلاً.

ماذا يعني هذا لمعدات 5G المستقبلية

بشكل بسيط، تظهر هذه العمل كيف يمكن لقطعة معدنية ومادة عازلة مصممة بعناية على لوحة دائرة بطبقة واحدة أن تعمل كبوّاب دقيق لإشارات 5G. من خلال الجمع بين قناة ضيقة وفتحة ودبوس في تجويف SIW مضغوط، يحقق المؤلفون مرشحات يسهل تصنيعها وذات انتقائية عالية وقابلة للضبط لمواصفات مختلفة. مثل هذه المرشحات مناسبة جيداً للواجهات الأمامية لموجات مليمترية في أنظمة 5G، حيث يمكنها مساعدة وحدات الراديو على اختيار القنوات بمرونة أكبر، ورفض التداخل بكفاءة، وفي الوقت نفسه التوافق مع قيود المساحة والتكلفة الضيقة في البُنى والأجهزة اللاسلكية الحديثة.

الاستشهاد: Mishra, G.K., Pandey, H.K. & Pathak, N.P. High selective SIW bandpass filter with flexible bandwidth and transmission zero for 5G application. Sci Rep 16, 9639 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34655-3

الكلمات المفتاحية: موجات مليمترية 5G, مرشح حزمة, دليل الموجة المدمج في الركيزة, صفر ناقل, تصميم واجهة ترددات الراديو