هوائي مدمج صغير متعدد الإرسال الذاتي لطيف ترددات الجيل الخامس دون 6 غيغاهرتز والموجات المليمترية

لماذا هذا الهوائي الصغير مهم لهاتفك المستقبلي

تَعِد شبكات الجيل الخامس (5G) بتنزيلات أسرع، ومكالمات فيديو أكثر سلاسة، والقدرة على ربط أعداد هائلة من الأجهزة — من السيارات إلى حسّاسات المصانع. ولتقديم كل ذلك، يجب على أنظمة الاتصالات اللاسلكية أن تستخدم كلًا من ترددات 5G «المنخفضة» (جيدة إلى حدّ كبير من حيث المدى) وترددات الموجات المليمترية «المرتفعة» (جيدة لنقل بيانات فائقة السرعة). تعرض هذه الورقة هوائيًا جديدًا وصغيرًا جدًا قادرًا على معالجة عدة قنوات في كلا النطاقين معًا، ما قد يساهم في تصغير محطات القاعدة والأجهزة المتصلة مستقبلًا مع تحسين الأداء.

نوعان من إشارات 5G، ومنصة ذكية واحدة

تنقسم شبكات 5G الحالية إلى نطاقات دون 6 غيغاهرتز (تُعرف غالبًا باسم FR1) ونطاقات الموجات المليمترية (FR2). تنتقل إشارات دون 6 غيغاهرتز لمسافات أطول وتخترق الجدران بشكل معقول، مما يجعلها مثالية للتغطية الواسعة. بالمقابل، تحمل إشارات الموجات المليمترية كمًا أكبر من البيانات لكنها تخفت بسرعة وتُحجب بسهولة، لذا تُستخدم للوصلات قصيرة المدى فائقة السرعة. تركز تصاميم الهوائيات الحالية عادةً على نطاقٍ واحد أو عدد قليل من القنوات عبر النطاقين، مما يعني مزيدًا من الأجهزة المادية، ومزيدًا من المساحة، وتعقيدًا أكبر عندما يرغب المشغّلون في توفير قنوات ترددية منفصلة عديدة.

"طريق سريع" مكوَّن من 16 مسارًا لموجات الراديو

يقترح المؤلفون هوائيًا متكاملًا يعمل مثل طريق سريع مكوّن من 16 مسارًا لموجات الراديو. يحتوي على 16 مِرفأً منفصلًا: ثمانية مخصّصة لقنوات مختلفة في نطاق دون 6 غيغاهرتز وثمانية لقنوات مختلفة في نطاق الموجات المليمترية. يُضبط كل مرفأ على تردده الخاص، بحيث يمكن للهوائي الإرسال أو الاستقبال على ست عشرة قناة متميزة دون الحاجة إلى أجهزة ضرب متعددة خارجية ضخمة. كل هذا مُنفَّذ على لوحة دائرة مسطحة واحدة بمساحة إجمالية تبلغ حوالي 0.43 مرة مربع الطول الموجي عند أدنى تردد تشغيلي — صغيرة نسبيًا بالنسبة لما تقوم به.

كيف يضغط التصميم هذا العدد من القنوات

في جوهر التصميم بنية تُسمى دليل الموجة المدمج في الركيزة، الذي يحصر موجات الراديو داخل تجويف يتشكّل بواسطة صفوف من فتحات التثبيت المعدنية (vias) في لوحة الدائرة. يبدأ الباحثون بتجويف مربع ثم «يقطّعونه» مفهوميًا إلى أجزاء أصغر لتوفير المساحة مع الحفاظ على سلوك الرنين الأساسي نفسه. كما يقدمون فتحات وهياكل تغذية مشكّلة بعناية بحيث تهتز بعض العناصر عند ترددات دون 6 غيغاهرتز وأخرى عند ترددات الموجات المليمترية. تُدرج هذه العناصر الوحدة متداخلة — قطع دون 6 غيغاهرتز والموجات المليمترية منسوجة معًا داخل نفس المساحة المربعة — بحيث تُستغل مساحة اللوحة المتاحة بكفاءة مع الحفاظ على منع تداخل القنوات المختلفة مع بعضها البعض.

منع القنوات من التداخل فيما بينها

لكي ينجح تصميم بهذه الكثافة، يجب ألا تتسرب الإشارات من مرفأ إلى آخر بشكل قوي. يتعامل الفريق مع ذلك بعدة طرق: بوضع العناصر بزاوية قائمة بالنسبة لبعضها، وباستخدام أنماط حقل داخلية مختلفة (أو «أنماط») لمنافذ مختلفة، والحفاظ على تباعد مادي كافٍ حيثما أمكن. تُظهر المحاكاة والقياسات للنموذج الأولي النهائي أنه في نطاق دون 6 غيغاهرتز يتم كبح الاقتران غير المرغوب بين المنافذ بأكثر من 40 ديسيبل، وفي نطاق الموجات المليمترية بأكثر من 20 ديسيبل — مستويات تُعد جيدة جدًا في هندسة الهوائيات. كما يوفر الهوائي كسبًا مفيدًا (قوة الإشارة) وكفاءة عالية عبر جميع الترددات الست عشرة، ما يتطابق جيدًا مع توقعات الحاسوب.

من هوائي واحد إلى مصفوفات متعددة الهوائيات

تعتمد أنظمة 5G الحديثة والمستقبلية 6G غالبًا على مصفوفات الدخل المتعدد/الخروج المتعدد (MIMO)، حيث تعمل العديد من الهوائيات معًا لتوجيه الحزم وخدمة عدة مستخدمين في آن واحد. يوضح المؤلفون أن تصميمهم ذي 16 مِرفأً يمكن أن يُرصَّف ليكوّن تكوينًا أكبر مكوّنًا من 64 مِرفأً باستخدام أربعة تجاويف متطابقة. تعمل المنافذ التي تشترك في نفس الفهرس عبر التجاويف الأربعة عند نفس التردد لكنها معزولة ماديًا بجدران التجاويف، محافظًة على فصل جيد بين القنوات. تشير هذه القابلية للتوسع إلى أن المفهوم يمكن أن يُستخدم ليس فقط في محطات القاعدة المدمجة، بل أيضًا في نقاط وصول كثيفة للمصانع الذكية، والمدن الذكية، والاتصال بين المركبات وكل شيء.

ماذا يعني هذا للمستخدمين اليوميين

بعبارات بسيطة، يُظهر هذا العمل هوائيًا صغيرًا وفعالًا قادرًا على التعامل مع ست عشرة قناة 5G مختلفة عبر كلٍ من النطاقات طويلة المدى ونطاقات فائقة السرعة دون أن تتداخل هذه القنوات مع بعضها. من خلال دمج هذا العدد الكبير من الوظائف في قطعة جهازية مدمجة واحدة، قد يساعد ذلك مصنعي المعدات على بناء راديوهات أصغر وأرخص وأكثر قدرة للشبكات المستقبلية. بالنسبة للمستخدم النهائي، تمهد هذه التقنية الطريق لاتصالات أكثر موثوقية، ومعدلات بيانات أعلى، ودعم لعدد أكبر من الأجهزة المتصلة — من الهواتف الذكية وحساسات المنازل إلى السيارات والروبوتات الصناعية — ضمن نفس البنية التحتية اللاسلكية.

الاستشهاد: Srivastava, G., Kumar, A., Rana, S. et al. Compact integrated self-multiplexing antenna for sub-6 GHz and millimeter wave 5G frequency spectrum. Sci Rep 16, 5457 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35031-5

الكلمات المفتاحية: هوائي 5G, الموجات المليمترية, دون 6 غيغاهرتز, MIMO, الضرب المتعدد الذاتي