مصفوفة هوائيات بعرض منخفض مدعومة بسطح ميتا لتطبيقات موجات المليمتر

لماذا تحتاج الشبكات اللاسلكية الأسرع إلى أجهزة أذكى

تتسابق هواتفنا وسياراتنا وأجهزتنا المنزلية للاتصال عبر شبكات الجيل الخامس (5G). لتوفير روابط سريعة وموثوقة لعدد كبير من الأجهزة دفعة واحدة، يتجه المهندسون إلى ترددات راديوية عالية جداً تُعرف بموجات المليمتر. هذه الموجات قادرة على حمل كميات هائلة من البيانات لكنها عرضة للحجب والضعف، لذا تتطلب هوائيات قوية وصغيرة بما يكفي لتوضع داخل الأجهزة المحمولة. تعرض هذه الدراسة تصميماً جديداً للهوائي يهدف إلى ذلك بالضبط: حشر أداء مليمتر‑موج قوي ودقيق في حزمة رقيقة ومضغوطة مناسبة لمعدات 5G المستقبلية.

جعل الهوائيات الصغيرة تتصرف كهوائيات كبيرة

تعد الهوائيات المسطحة التقليدية جذابة لأجهزة المستهلك لأنها رقيقة وخفيفة ويسهل طباعتها على لوحات الدوائر. ومع ذلك، فهي غالباً لا توفر الحزم المركزة والقوية المطلوبة للوصلات طويلة المدى أو عالية السرعة في موجات المليمتر. أحد الحلول الشائعة هو بناء مصفوفات كبيرة من عناصر هوائية متعددة بحيث تتجمع إشاراتها وتزيد القوة الإجمالية. لكن التصاميم السابقة كانت عادةً كبيرة الحجم أو ضيقة النطاق أو صعبة الدمج في الأجهزة المحمولة. سعى المؤلفون لإيجاد حل وسط: مصفوفة هوائيات بعرض منخفض ونطاق ترددي واسع تحافظ على بصمة صغيرة وفي الوقت نفسه تقدم كسباً أعلى ونماذج إشعاع مستقرة عبر جزء مهم من طيف 5G.

مصفوفة رقيقة ذات وحدة بناء ذكية

جوهر التصميم الجديد هو صف مكوَّن من أربعة عناصر هوائية متطابقة موضوعة على لوحة دائرة عالية الجودة. كل عنصر مُشكَّل على هيئة حلقتين دائريتين متصلتين، وهي هندسة تساعد على تقليص حجمه الفيزيائي مع الحفاظ على استجابة جيدة عند ترددات موجات المليمتر. تُغذى هذه العناصر الأربعة بشبكة مصممة بعناية من خطوط الميكروويف تقوم بتقسيم القدرة الداخلة بالتساوي وتحافظ على توافق الطور عبر المصفوفة. على الجانب المقابل من اللوحة، يُزال جزء من معدن الأرضية ويُشقّ، وهي حيلة تساعد البنية على الاستجابة عبر نطاق ترددي واسع—من نحو 27 إلى 40 غيغاهرتز—بدلاً من العمل على قناة ضيقة واحدة فقط.

مرآة منقوشة تعيد تشكيل الموجات الراديوية

لتقوية وتنظيم إشعاع الهوائي أكثر، أضاف الباحثون قطعة ثانية من الأجهزة: لوحة «سطح ميتا» منقوشة تعمل كمرآة ذكية للموجات الراديوية. تُوضع هذه اللوحة على مسافة صغيرة خلف المصفوفة، ومصنوعة من أشكال معدنية صغيرة مكررة على لوحة رقيقة أخرى. معاً تشكّل سطحاً لا يعكس موجات المليمتر فقط، بل يدوّر أيضاً استقطابها—اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي—بزاوية تسعين درجة. عبر نطاق ترددي واسع يحوّل السطح أكثر من 90 بالمئة من الطاقة الواردة إلى هذا الشكل المدور. في النظام المدمج، يصطدم الإشعاع المتجه للخلف من المصفوفة بالسطح الميتا، يعاد توجيهه، ثم يضاف بشكل بنّاء مع الإشعاع المتجه للأمام، مركزاً المزيد من القدرة في الاتجاه العمودي المرغوب.

اختبار التصميم

بعد المحاكيات الحاسوبية، بنى الفريق نموذجاً مادياً يتكوّن من المصفوفة ذات العناصر الأربعة وِسطح ميتا مطابق يحتوي على ثلاث صفوف وعشرة خلايا في كل صف. ركبوا الطبقتين بفاصل هوائي رقيق لضبط كيفية توافق الأطوار بين الموجات المنعكسة والمباشرة. أكدت القياسات المخبرية لمدى انعكاس الإشارة إلى المغذّي أن الهوائي يعمل بكفاءة من 27.14 إلى 40 غيغاهرتز، مغطياً نطاقاً واسعاً من حزم موجات المليمتر. أظهرت القياسات في حجرة ممتصة للصدى—غرفة تمتص الموجات الراديوية الشاردة—أن السطح الميتا يزيد كسب الهوائي بنحو 2.5 ديسيبل في المتوسط، مع قيمة ذروة حوالى 12.3 ديسيبل، ويُنتج حزمًا أكثر توجيهًا لا سيما في الأجزاء السفلية والوسطى من النطاق.

ماذا يعني هذا لأجهزة 5G المستقبلية

من منظور غير متخصص، يشبه التصميم المقترح إعطاء هوائي هاتف ذكي نحيف زيادة أداء مكافئة لصحن أكبر بكثير دون إضافة حجم. بدمج مصفوفة مدمجة من أربعة عناصر مع لوحة عاكسة فائقة الرقة ومضبوطة بعناية، يحقق المؤلفون تغطية نطاقية واسعة، وكسباً محترماً، وسماكة كلية منخفضة عملية لأجهزة 5G المدمجة. التحسّن في قوة الإشارة متواضع لكنه يأتي مع أنماط إشعاع أنظف وأكثر تحكماً وكفاءة عالية عبر قنوات متعددة. يمكن أن تساعد هذه الهوائيات المدعومة بسطح ميتا أجهزة موجات المليمتر المستقبلية على الحفاظ على وصلات سريعة ومستقرة في بيئات واقعية مزدحمة، مع ترك مساحة قيّمة داخل الأجهزة لمكونات أخرى.

الاستشهاد: Kiani, S., Rafique, U., Shoaib, N. et al. Low-profile metasurface-backed wideband antenna array for mm-wave applications. Sci Rep 16, 8619 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37435-9

الكلمات المفتاحية: هوائيات 5G, موجات المليمتر, سطح ميتا, مصفوفة عالية الكسب, أجهزة لاسلكية