توجيه وامتصاص الطاقة الداخلية في هوائيات فيفالدي باستخدام شقوق متعددة، مقسمات نطاق كاملة، مواد متحوّلة، ومقاومات موزعة

لماذا يهم ترويض طاقة الهوائي

تعتمد الأجهزة اللاسلكية — من محطات 5G الأساسية إلى رادارات التصوير — على هوائيات يمكنها إرسال واستقبال إشارات مركزة عبر نطاق واسع من الترددات دون إهدار الطاقة الثمينة. ومع ذلك، في العديد من الهوائيات المسطحة المتقدمة، مقدار مفاجئ من الطاقة المغذّاة للهيكل لا يتحول إلى إشعاع مفيد. بل يترنّح داخلها كطاقة كهرومغناطيسية متبقية، مما يضعف الأداء بهدوء. يبيّن هذا البحث كيف نعيد تصميم نوع شائع من الهوائيات بحيث يتجه المزيد من الطاقة بالضبط إلى المكان المرغوب، ويقلّ ما يُفقد أو ينعكس، مما يؤدي إلى حزم لاسلكية أقوى وأنقى وأكثر كفاءة.

تشكيل لوحة هوائي أكثر ذكاءً

يركز العمل على هوائي موجي متحرك معروف باسم هوائي فيفالدي، وهو جذاب لأنه يستطيع العمل عبر نطاق ترددي واسع جداً ويمكن تصنيعه كلوح دائرة مسطّح. يحلل المؤلفون أولاً تصميمًا أساسيًا يستخدم شقين مموّهين، ثم يوسّعونه إلى نسخة بأربعة شقوق. يؤدي ترتيب شقوق متعددة إلى زيادة الفتحة الفعّالة التي يشعّ منها الهوائي، تمامًا كما يؤدي توسيع عاكس مصباح يدوي إلى إنتاج حزمة أكثر تركيزًا. مضاعفة عدد الشقوق تكاد تضاعف كثافة الطاقة في الاتجاه الرئيسي، مع زيادة الربح بحوالي 3 ديسيبل. ومع ذلك، تكشف القياسات أيضاً عن تموّجات قوية في الربح عبر التردد: ففي بعض الترددات يشع الهوائي جيدًا، بينما في ترددات أخرى تقلل التفاعلات المدمرة داخل البنية الأداء.

رؤية الطاقة الخفية داخل الهوائي

لفهم هذه التموّجات، يلجأ الفريق إلى خرائط مفصّلة للحقل القريب — النشاط الكهرومغناطيسي القريب جداً من الأشكال المعدنية. من خلال تتبّع كيفية تحرك تجمعات الطاقة عبر الهيكل مع الزمن، يميّزون بين التدفقات المفيدة التي تتجه مباشرة نحو الفتحة والتدفقات غير المرغوب فيها التي تأخذ طرقًا ملتوية، ترتد باتجاه منافذ التغذية، أو تصل متأخرة. يسمّون هذه المساهمات الأخيرة بالطاقة المتبقية. على الرغم من أن هذه الطاقة المتبقية غير مرئية في القياسات العادية للحقل البعيد، فإنها تظهر بوضوح في خرائط الحقل القريب كمناطق ساطعة على طول حواف وفجوات معيّنة. تتداخل هذه الموجات المتأخرة أو الموجهة خطأ مع الإشعاع الرئيسي، مسببة التموّجات المرصودة في الربح وانعكاسات إضافية.

توجيه الموجات بمواد مهندسة

بمجرد معرفة المسارات المهيمنة، يعيد المؤلفون تشكيل حركة الطاقة بإضافة مداخل معدنية منقوشة صغيرة — «مادة متحوّلة» مهندسة — داخل كل شق مموّه. تبطئ هذه العناصر المتكررة الصغيرة الموجات أكثر في مركز كل شق مقارنةً بالأطراف، مما يساعد مقدمة الموجة على التسطيح أثناء وصولها إلى الفتحة. المقدمة المسطّحة للموجة تعني أن المساهمات من أجزاء مختلفة من الفتحة تصل متزامنة وتتعاضد، مما يزيد التوجيهية. تظهر المحاكاة والقياسات أن هذا المعالجة بالمواد المتحوّلة ترفع ربح الهوائي بحوالي 1 ديسيبل عبر نطاق واسع وتقلل الانعكاسات قليلاً، مما يدل على أن المزيد من القدرة المدخلة يتحول إلى إشعاع للأمام.

امتصاص الطاقة المتبقية

ليس تشطيب مقدمة الموجة الرئيسية كافياً؛ فطاقة متبقية معتبرة لا تزال تدور على طول الأجنحة الجانبية والفجوات العازلة. للتعامل مع ذلك، يقوم المؤلفون عمداً بنحت شقوق متعرجة في الأجنحة الخارجية ويستخدمون الفجوات الموجودة بين الأجنحة المركزية كمسارات مفضلة للطاقة المتشتتة. ثم يضعون عشرات المقاومات الصغيرة على طول هذه المسارات. يزيد الشكل المتعرج من طول المسار ويعزز فروق الجهد، مما يجذب ويقود الطاقة المتبقية إلى المقاومات حيث تتحول بأمان إلى حرارة. باستخدام نماذج دائرية مبنية على بيانات تشتيت ذات منافذ متعددة، يُحسّن الفريق رياضياً قيمة كل مقاوم بحيث تُقلل الانعكاسات عند منافذ الإدخال وتُعظّم الامتصاص عبر نطاق 1.6 إلى 20 جيجاهرتز. مع شبكة المقاومات المحسّنة وحلقة موصلة صغيرة لإغلاق دوائر معينة عند الترددات المنخفضة، يصبح منحنى ربح الهوائي أملسًا، ويصل أقصى ربح تقريباً إلى 20 ديسيبل لجهاز واحد وحوالي 25 ديسيبل لمصفوفة 4×4، وتكاد النبضات الطفيلية المتكررة في الإشعاع الزمني أن تختفي.

تغذية المصفوفات لأنظمة العالم الحقيقي

لاستخدام هذه الهوائيات عمليًا، يجب تشغيل العديد من العناصر المتطابقة معًا. لذلك يصمّم المؤلفون مقسمات طاقة جديدة مبنية من مفاصل خطية على شكل حرف T بسيطة تقسم إدخالاً واحدًا إلى أربعة، ثم يجمعونها تسلسليًا لتغذية ستة عشر عنصرًا. تحافظ هذه المقسمات على نفس الممانعة عند جميع المنافذ وتحافظ تقريبًا على الطور والسعة المتساويتين عبر نطاق التشغيل الواسع، بحيث تتصرف المصفوفة كأنها مطرِد كبير ومركز. تتطابق القياسات على نموذج مصنع مع المحاكاة عبر جزء كبير من النطاق، مؤكدة أن تركيبة الهندسة متعددة الشقوق، والمواد المتحوّلة، والمسارات المقاومة المفصّلة تعمل في أجهزة حقيقية.

ما الذي يعنيه هذا للهوائيات المستقبلية

بعبارات يومية، يبيّن هذا البحث كيف نحول شعاع مصباح يدوي المتسرب وغير المتساوٍ إلى ضوء كاشف ساطع ومستقر عن طريق توجيه وامتصاص الضوء الذي كان سينعكس داخل الغلاف. من خلال تصنيف الطاقة الداخلية إلى تدفقات مفيدة وضارة، ثم استخدام مواد منقوشة ومقاومات صغيرة لتوجيه وتبدد الأخيرة، يقدم المؤلفون وصفة لدفع الهوائيات عريضة النطاق أقرب إلى حدودها النظرية. النهج ليس محدودًا بتصاميم فيفالدي؛ بل يوفر طريقة عامة لتشخيص وإصلاح هدر الطاقة الخفي في العديد من أنواع الهوائيات الموجة المتحركة المستخدمة في الاتصالات الحديثة، والاستشعار، وأنظمة الرادار.

الاستشهاد: Hoang, H., Nguyen, MH. & Pham-Xuan, V. Guidance and absorption of internal energy in Vivaldi antennas using multiple slots, full-band dividers, metamaterials, and distributed resistors. Sci Rep 16, 10112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39126-x

الكلمات المفتاحية: هوائي فيفالدي, هوائيات عريضة النطاق, مواد متحوّلة, الطاقة الكهرومغناطيسية, مصفوفات الهوائيات