هوائي OAM متعدد الأوضاع مع انحراف شعاع مخفَض لشبكات الجيل السادس

لماذا تحتاج الاتصالات اللاسلكية المستقبلية إلى لمسة جديدة

البث المباشر، الألعاب السحابية، السيارات الذاتية القيادة، ومليارات الأجهزة المتصلة تدفع شبكات الاتصالات الحالية إلى حدودها. يستكشف المهندسون الآن خواص غير مألوفة للموجات الراديوية لنقل مزيد من المعلومات دون استخدام نطاقات ترددية إضافية. تركز هذه الدراسة على إحدى هذه الخواص—كيفية التواء الموجة الراديوية أثناء انتشارها—وتظهر كيفية ترويض هذا الالتواء كي تصل الإشارات أبعد وتظل أقوى، وهي قدرة قد تكون حاسمة لشبكات الجيل السادس في المستقبل.

الموجات الراديوية الملتوية كمسارات بيانات إضافية

معظمنا يفكر في الإشارات الراديوية كموجات بسيطة تتحرك في الفضاء. في الواقع، يمكن لهذه الموجات أن تدور أيضاً حول اتجاه انتشارها، حاملة ما يُعرف بعزم الزخم المداري (OAM). سلوك الالتواءات المختلفة—اتجاه عقارب الساعة، عكس اتجاه عقارب الساعة، أو عدم وجود التواء—يشبه قنوات مستقلة يمكنها مشاركة نفس التردد دون تداخل. هذا يعني أن عدة تدفقات بيانات يمكن أن تستخدم الشريحة ذاتها من الطيف، ما يبشر بزيادة سعة الروابط للاتصالات عالية السرعة والملاحة الدقيقة. لكن المشكلة أن حزَم OAM تتوسع طبيعياً على شكل مخروط أثناء انتشارها، مما يضعف الإشارة ويحد من النطاق المفيد.

دمج فكرتين للهوائيات في حل واحد

هناك نهجان رئيسيان في الأجهزة لإنتاج هذه الحزم الملتوية. المصفوفات الدائرية المتماثلة من الهوائيات الصغيرة سهلة إعادة التكوين ويمكنها التبديل بين الالتواءات المختلفة، لكن حزمها تميل إلى الانتشار على نطاق واسع. الميتاسطوح—طبقات رقيقة منقوشة يمكنها توجيه وإعادة تشكيل الموجات—قادرة على إنشاء حزَم OAM ضيقة وقوية، لكنها أصعب في التصنيع وإعادة التكوين بعد بنائها. يجمع مؤلفو هذه الورقة بين نقاط القوة في الطريقتين: يبدأون بمصفوفة دائرية قادرة على توليد ثلاث أوضاع OAM أساسية (بدون التواء، التواء لليسار، والتواء لليمين) ثم يضعون أمامها ميتاسطحاً شفافاً مصمماً خصيصاً ليعمل كعدسة مسطحة تكبح انتشار الحزم.

كيف تركز العدسة المسطحة الالتواء

تستخدم المصفوفة الدائرية فتحات هوائي على شكل حرف L مرتبة في حلقة ومغذاة بطريقة أن تغيير المنفذ المشغّل يقلب اتجاه الالتواء أو يلغيه. أمام هذه الحلقة، يركّب الباحثون ميتاسطحاً ذا طبقتين مكوناً من شبكة 10 في 10 من الأنماط المعدنية على شكل "شبكة عنكبوت" محفورة على لوحات دارات مطبوعة. تؤخر كل قطعة صغيرة الموجة المارة بمقدار مختلف، مختارة بحيث تحاكي معاً عنصر بصري يُسمى الأكسيكون، الذي يوجّه واجهات الموجة نحو مسار أكثر تركيزاً مع الحفاظ على طبيعتها الالتوائية. مع أن نفس العدسة تُستخدم لكل أنماط الالتواء، فإن التشكيلة بين تشكيل العدسة الشعاعي وبنية الشعاع الحلزونية ينتج واجهة موجية مركزة مميزة لكل نمط.

اختبار الهوائي الجديد

لاختبار ما إذا كان التصميم يعمل عملياً، قام الفريق بتصنيع كل من المصفوفة الدائرية والميتاسطح باستخدام تقنيات لوحات الدارات القياسية وقياسهما داخل حجرة هادئة راديوياً باستخدام نظام مسح دقيق. قارنوا سلوك المصفوفة بمفردها مع سلوك المصفوفة مع العدسة، مع رصد كيفية تغير شدة الشعاع والطور في الفراغ. أكدت القياسات أن الهوائي أنتج بثبات أوضاع الالتواء الثلاثة المطلوبة، كل منها أظهر شكل حلقات الشدة المميز وطوراً حلزونياً. عند إضافة عدسة الميتاسطح، أصبحت تلك الأنماط أضيق بشكل ملحوظ، مع انضغاط المخروط الرئيسي للطاقة في زاوية أصغر مع بقائه مركزاً ومتشكلًا جيداً، على الرغم من وجود دعامات جانبية أعلى قليلاً وانخفاض طفيف في نقاء الالتواء.

حزم أكثر حدة لروابط الجيل القادم

لجميع إعدادات الالتواء الثلاثة، قلّص نظام الهوائي الجديد زاوية انتشار الشعاع بنحو النصف—من حوالي 18 درجة إلى نحو 8–10 درجات—وزاد الكسب الأقصى، ما يعني أن جزءاً أكبر من القدرة المرسلة بقي مركّزاً في الاتجاه المفيد. بالنسبة لغير المتخصص، فهذا يعني أن الموجات الراديوية تنقل معلوماتها الملتوية أبعد وبكفاءة أكبر، مما يجعل الروابط المعتمدة على OAM أكثر عملية خارج المسافات المختبرية القصيرة. من خلال دمج مصفوفة دائرية متعددة الاستخدامات مع عدسة مسطحة مدمجة، يشير العمل إلى هوائيات أصغر وأذكى قد تساعد أنظمة الجيل السادس على تجاوز حدود السعة الحالية مع استخدام الطيف نفسه بذكاء أكبر.

الاستشهاد: Rao, M.V., Bhattacharyya, B., Ram, G.C. et al. Multimode OAM antenna with reduced beam divergence for 6G networks. Sci Rep 16, 8382 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-34745-2

الكلمات المفتاحية: الجيل السادس اللاسلكي, عزم الزخم المداري, عدسة ميتاسطحية, تصميم هوائي, تركيز الشعاع