مصفوفة رقعة على شكل Y ذات كسب عالٍ وتكوين MIMO بثمانية منافذ لتنوع النمط في تطبيقات المليمتر ويف

لماذا تحتاج الإشارات الأسرع إلى هوائيات أكثر ذكاءً

يعتمد بث الفيديو فائق الدقّة، وتشغيل الواقع الافتراضي، وتوجيه السيارات ذاتية القيادة على إشارات لاسلكية تنقل كميات هائلة من البيانات على الفور وبموثوقية. تسعى شبكات الجيل الخامس (5G) إلى تلبية هذا الطلب باستخدام نطاقات ترددية عالية جداً «موجات ملليمترية»، خصوصاً حول 28 غيغاهرتز. توفر هذه الترددات طيفاً جديداً واسعاً لكنها تتعرّض للحجب بسهولة بواسطة الجدران والمباني وحتى المطر. لجعلها عملية، يحتاج المهندسون إلى هوائيات مدمجة يمكنها رفع قوة الإشارة وتوجيهها حول الجهاز. تعرض هذه الورقة تصميماً جديداً للهوائي يعالج هذين التحديين معاً.

تحويل الموجات الضعيفة إلى روابط قوية

تتصرف إشارات الموجات الملليمترية بصورة مختلفة عن موجات الراديو المستخدمة في شبكات الجوال السابقة. تفقد طاقتها بسرعة مع المسافة، ولا تخترق العقبات جيداً، كما أنها حساسة للطقس والنباتات. للحفاظ على اتصالات مستقرة، يجب أن تركز محطات القاعدة والأجهزة الطاقة في حزم ضيّقة وأن تكون قادرة على توجيهها نحو المستخدمين. الهوائيات البسيطة من نوع «الرقعة» رخيصة ومسطحة لكنها عادة ذات كسب متواضع ونطاق تشغيل ضيق. حاولت تصاميم سابقة تحسين الأداء بطبقات إضافية أو مفاتيح إلكترونية أو أسطح معقدة، لكنها غالباً ما أصبحت ضخمة، أو مستهلكة للطاقة، أو صعبة القياس إلى ترددات عالية جداً.

لبنة على شكل Y لحزم أقوى

يبدأ المؤلفون بعنصر واحد من رقعة معدنية صغيرة مطبوعة على لوحة دارة رقيقة من نوع Rogers 5880، مدعومة بطبقة أرضية معدنية صلبة. يُغذَّى هذا العنصر الأساسي من الأسفل عبر موصل متحد المحور، ما يقلل الموجات السطحية غير المرغوب فيها ويحسن الكفاءة. بمفرده، يعمل العنصر جيداً حول 28 غيغاهرتز، مقدماً كسباً متوسطاً يقارب 7 ديسيبل آي (dBi) مع حزمة أمامية واسعة نسبياً وإشعاع محدود خلف اللوحة. لدفع الكسب إلى مستوى أعلى دون تكبير البصمة، أعاد الفريق ترتيب ثلاث رقع مماثلة حول تغذية مركزية باستخدام مقسّم على شكل Y، بحيث تُشارك الطاقة وتُهلّف بينها بطريقة مسيطَر عليها.

من شعاع واحد إلى تغطية كاملة بالدوران

تعمل مصفوفة Y المكوّنة من ثلاثة عناصر على تركيز الطاقة الراديوية في حزمة رئيسية أضيق، ما يرفع الكسب إلى نحو 12–13 ديسيبل آي مع الحفاظ على عرض نطاق تقريبي يبلغ حوالي 800 ميغاهرتز حول 28 غيغاهرتز. تُظهر النظرية أن هذا الكسب العالي ناتج عن تداخل بنّاء عندما تُشعّ الرقع الثلاثة بتزامن؛ ويجعل هذا التأثير التصميم أكثر حساسية لتحوّلات التردد، ما يفسر المقايضة الطفيفة في عرض النطاق. لتحويل هذه الحزمة المركزة إلى تغطية شاملة، نسخ الباحثون مصفوفة Y وعكسوها لتشكيل أولاً تكوينًا ذو منفذين، ثم أربعة منافذ، وأخيراً ثمانية منافذ مرتبة في تخطيط ثلاثي الأبعاد على شكل صليب. كل «منفذ» يزوِّد مصفوفة Y تشير في اتجاه مختلف، بحيث تجتمع حزمُها لتغطي 360° حول الجهاز.

ثمانية «آذان» تستمع في كل اتجاه

يتصرف النظام النهائي ذو الثمانية منافذ مثل حلقة من «آذان» ذات اتجاهية عالية، لكل منها كسب قوي وتداخل ضئيل جداً مع جيرانها. تُظهر المحاكاة والقياسات على النموذج المصنّع أن الهوائي يحافظ على حزمة الهدف 27.6–28.4 غيغاهرتز، ويحافظ على عزل أفضل من 20 ديسيبل بين المنافذ (مما يعني بقاء القنوات نقية)، ويقدّم كسباً مقاساً يزيد على 13 ديسيبل آي لجميع الحزم الثمانية. تشير مقاييس التنوع الإضافية إلى أن أنماط الإشعاع للمنافذ مختلفة بما فيه الكفاية بحيث يمكن إرسال واستقبال مسارات بيانات متعددة في آن واحد، مما يزيد الاعتمادية ومعدل نقل البيانات — وهي فوائد رئيسية لتقنية الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO).

ما يعنيه هذا لأجهزة 5G المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصص، الإنجاز الأساسي هو أن المؤلفين حشروا ثماني حزم ذات كسب عالٍ ومفصولة بعناية في هوائي أصغر من علبة ثقاب، مُصمَّم لفرقة مميزة من موجات 5G الملليمترية. بدلاً من الاعتماد على أجزاء متحركة أو شبكات تبديل معقدة، يستخدم التصميم هندسة ذكية — مقسّم على شكل Y وترتيب ثلاثي الأبعاد مدروس — لدمج حزم ضيقة وقوية مع تغطية كاملة بزاوية 360°. قد يساعد هذا النهج المدمج والفعّال محطات القاعدة ونقاط الوصول وحتى الأجهزة المتقدمة على الحفاظ على وصلات سريعة وموثوقة في المدن المزدحمة، وعلى أرضيات المصانع، أو في المركبات المتصلة، مما يجعل وعد السرعات العالية في نطاقات الموجات الملليمترية أكثر عملية في البيئات الحقيقية.

الاستشهاد: Abaas, A., Awan, W.A., Choi, D. et al. A high-gain Y-shaped patch array with an 8-port MIMO configuration for pattern diversity in mm-wave applications. Sci Rep 16, 8993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35545-y

الكلمات المفتاحية: هوائيات 5G, موجات ملليمترية, MIMO, توجيه الحزمة, الاتصال اللاسلكي