هوائي بعرض نطاق واسع وبتوجيه مائل من نوع إند-فاير باستخدام حلقَتين نصف دائريتين مزدوجتين

شعاعات لاسلكية أكثر تركيزاً للأماكن الداخلية المزدحمة

تخيل مدرج محاضرات مزدحم أو مركز تسوق حيث يشاهد الجميع الفيديو أو يشاركون في مكالمات فيديو في آن واحد. شبكات الواي‑فاي و5G الحالية قد تجد صعوبة في توفير اتصالات سريعة وموثوقة في مثل هذه الأماكن المزدحمة. يستعرض هذا المقال نوعاً جديداً من الهوائيات الصغيرة القادر على إرسال شعاع لاسلكي قوي ومركز نحو أماكن تواجد المستخدمين، عبر مدى كبير من قنوات 5G عالية التردد وWiGig، مما قد يعزز السرعة وجودة الإشارة داخل المباني.

لماذا تحتاج 5G المستقبلية إلى هوائيات جديدة

تستمر هواتفنا الذكية والأجهزة المتصلة في طلب مزيد من البيانات، وأ bandas ترددية الأقل (Sub‑6 GHz) باتت مكتظة. لمواكبة هذا الطلب، تنتقل شبكات 5G إلى ترددات موجات المليمتر، وهي أعلى بكثير من تلك المستخدمة في الهواتف التقليدية. هذه النطاقات، بما في ذلك نطاقات 5G New Radio بين 24–40 جيجاهرتز والنطاق غير المرخّص 60 جيجاهرتز، قادرة على نقل كميات هائلة من المعلومات لكنها تعاني من سرعة تلاشي الإشارة وصعوبة اختراق الجدران والعوائق. لجعلها عملية، تحتاج محطات القاعدة ونقاط الوصول إلى هوائيات مدمجة، سهلة الدمج في المعدات، وقادرة على دفع الطاقة بقوة وبشكل موجه نحو المستخدمين بدلاً من نشرها في كل الاتجاهات.

هوائي مدمج بدفع مائل

يقدم الباحثون هوائياً مسطحاً وصغيراً يفعل بالضبط ذلك. بدلاً من الاعتماد على توجيه ميكانيكي ضخم أو مكونات إلكترونية معقدة، يقومون بتشكيل طبعات النحاس على لوحة الدارة بحيث تتكوّن طبيعياً شعاع قوي يوجه في اتجاه مائل ثابت—مثل كشاف مُسقَط مائل نحو مسرح. التصميم مبني على حلقتين نحاسيتين نصف دائريتين متداخلتين عند طرف شريط رفيع (خط التغذية)، موضوعة على مادة لوحة دارة عالية التردد قياسية. أسفلها، تم تشكيل مستوى الأرضي—الطبقة المعدنية التي تجلس عادةً مسطحة—بشكل منحني مع فتحات وعاكس صغير. مجتمعةً، توجه هذه العناصر الموجات الراديوية لتغادر اللوحة على طول حافتها (اتجاه «إند‑فاير») بزاوية مائلة تقارب 65 درجة، وهي مثالية لتغطية منطقة مثل صفوف المقاعد أمام نقطة وصول مثبتة على الحائط.

تشكيل التيارات بدل إضافة تعقيد

حقق العديد من الهوائيات السابقة إمالة الشعاع عن طريق إضافة قطع معدنية «طفيلية» إضافية أو طبقات مادة متحولة غريبة، مما زاد من الحجم والتعقيد وغالباً قلّص النطاق الفعال. بالمقابل، يبقي هذا التصميم البنية بسيطة: لا مكونات نشطة مضافة ولا مواد خاصة. الحيلة الأساسية تكمن في كيفية توجيه التيارات الكهربائية. شقان مستطيليان صغيران مقطوعان في خط التغذية يتصرفان كحواجز لبعض الموجات، مما يجبر جزءاً أكبر من التيار على التدفق عبر الحلقات نصف الدائرية عبر مدى واسع من الترددات. هذا يثبت اتجاه الشعاع الرئيسي بحيث، بين نحو 24 و48 جيجاهرتز، يستمر الهوائي في «النظر» تقريباً في نفس الاتجاه المائل حتى مع تغير تردد التشغيل.

أداء بعرض نطاق واسع في بصمة صغيرة

على الرغم من بساطته وصغر حجمه—فالهوائي بأكمله يقارب 18×12 مليمتر فقط—يغطي النموذج الأولي نطاق ترددي واسع جداً من 11.5 إلى 62.5 جيجاهرتز. تقع ضمن هذا النطاق أحزمة موجات المليمتر الرئيسية في 5G (مثل تلك حول 26–29 جيجاهرتز و37–40 جيجاهرتز) وجزء من نطاق 60 جيجاهرتز الشائع لـWiGig. عبر النافذة المقاسة 24–40 جيجاهرتز، يحافظ الهوائي على شعاع مائل من نوع إند‑فاير بينما يوفر كسباً فوق 6.5 ديسيبل ويبلغ ذروة تقارب 11.6 ديسيبل، بمعنى أنه يركّز الطاقة بقوة أكبر بكثير من مُشع منخفض الكسب. تُظهر اختبارات المختبر في غرفة ماصة للصدى أن الأداء الحقيقي—مدى انعكاس الطاقة العائدة إلى التغذية، وكفاءة الإشعاع، وشكل الشعاع—يتطابق عن كثب مع محاكاة الحاسوب، مما يعطي ثقة في أن التصميم يعمل كما هو مقصود.

ماذا يعني هذا للاتصال اليومي

لغير المتخصصين، الخلاصة أن هذا العمل يبرهن على هوائي مسطح وصغير يستطيع تغطية تقريباً جميع قنوات موجات المليمتر الرئيسية في 5G وWiGig مع دفع شعاع قوي ومستقر نحو منطقة مرغوبة في الفضاء. بدلاً من الاعتماد على أجزاء متحركة أو إلكترونيات معقدة، يستخدم هندسة ذكية لثني وتركيز طاقة الراديو. يمكن دمج مثل هذه الهوائيات في محطات 5G داخلية أو نقاط وصول أو حتى أجهزة مدمجة لتوفير روابط عالية التردد أسرع وأكثر موثوقية في قاعات المحاضرات أو المكاتب أو المراكز التجارية. ومع دمج النسخ المستقبلية منها في مصفات أو إقرانها بعدسات بسيطة، قد تساعد في تحويل التغطية عالية التردد المتقطعة اليوم إلى «كواكب» لاسلكية موجهة ومتماسكة أينما كانت الحاجة لسرعات بيانات عالية أكبر.

الاستشهاد: Patel, A., Panagamuwa, C. & Whittow, W. Wideband tilted beam end-fire antenna using double semi-circular rings. Sci Rep 16, 5628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35414-8

الكلمات المفتاحية: موجات المليمتر 5G, هوائي ذو شعاع مائل, هوائي إند-فاير, هوائي مسطح بعرض نطاق واسع, تغطية لاسلكية داخلية