هوائي رنان عازل مستقطب دائرياً عريض النطاق ذو مكسب عالٍ لنقل الطاقة اللاسلكية بالميكروويف

الطاقة عبر الهواء

تخيل منزلك مليئًا بأجهزة استشعار صغيرة، أو أدوات قابلة للارتداء، أو حتى طائرات صغيرة لا تحتاج أبدًا إلى توصيل بالكهرباء أو تغيير البطاريات. يهدف نقل الطاقة اللاسلكي إلى جعل هذه الرؤية واقعًا عن طريق إرسال الطاقة عبر الهواء، تمامًا كما يرسل الواي‑فاي البيانات. تقدم هذه الورقة نوعًا جديدًا من الهوائيات المدمجة التي يمكنها توجيه طاقة الميكروويف لمسافات أبعد وبكفاءة أعلى ومع حساسية أقل لاتجاه الجهاز المستقبِل في الفضاء.

لماذا توجيه الطاقة صعب

إرسال كميات مفيدة من الطاقة عبر مسافة أصعب بكثير من إرسال إشارة بيانات. تنتشر الطاقة بسرعة، لذلك يجب على هوائي الإرسال تركيزها في شعاع ضيق بمكسب عالٍ. وفي الوقت نفسه، لا تبقى الهواتف وأجهزة الاستشعار والطائرات الصغيرة عادةً مصطفة تمامًا باتجاه المرسل. إذا كان المجال الكهربائي للموجة يشير في اتجاه ثابت (استقطاب خطي)، فإن أي ميل أو دوران للمستقبل قد يقلل بشدة من الطاقة الملتقطة. يحل الاستقطاب الدائري هذه المشكلة لأن المجال يبدو أنه يدور أثناء انتشار الموجة، مما يضمن طاقة أكثر استقرارًا بغض النظر عن توجيه الجهاز، لكن صنع هوائيات تجمع بين استقطاب دائري قوي وعرض نطاق ترددي واسع — تعمل جيدًا عبر مجموعة واسعة من الترددات — ظل تحديًا هندسياً مستمرًا.

شكل جديد لأشعة أفضل

لمعالجة هذا، صمم المؤلفون مبعثرًا ثلاثي الأبعاد جديدًا مصنوعًا من بلاستيك منخفض التكلفة يُستخدم عادةً في الطباعة ثلاثية الأبعاد. بدلًا من كتلة بسيطة، يشبه قلب الهوائي مخروطًا على شكل كوب جالسًا على حلقة مسطحة. من خلال ضبط ارتفاع المخروط وحجم الحلقة بعناية، تدعم البنية عدة أنماط رنانة للمجال الكهرمغناطيسي تندمج في نطاق تشغيل واحد مستمر. هذا يعني أن الهوائي يمكنه الحفاظ على كفاءته عبر نطاق واسع من الترددات مركزيًا عند 5.8 جيجاهرتز، وهو شريط صناعي‑علمي‑طبيعي قياسي يُستخدم غالبًا في تجارب نقل الطاقة اللاسلكية. تُظهر المحاكاة أن زيادة ارتفاع هذه البنية تُفعّل أنماطًا ميدانية من رتبة أعلى تعزز بشكل كبير قوة الشعاع دون التضحية بعرض النطاق.

تغذية ذكية من الأسفل

تعتمد أداء الهوائي بقدر ما على كيف يُغذى بالطاقة كما على شكله الظاهر. هنا، يقوم الباحثون بنحت فتحتين بيضاويتين متداخلتين وشقوق دائرية صغيرة في الطبقة المعدنية تحت المخروط والحلقة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. تعمل هذه الفتحات كصمامات مضبوطة تفصل وتؤخر التيارات بطريقة صحيحة بحيث يدور المجال، مما يخلق استقطابًا دائريًا عبر نطاق ترددي واسع بدلًا من نقطة ضيقة واحدة. كما أن خط التغذية الذي يجلب الطاقة إلى هذه الشقوق مُشكّل أيضًا إلى ملف تعريف شبيه بالمفتاح من مستطيلات ودوائر بحيث تطابق الطاقة الداخلة مع ممانعة الهوائي الطبيعية، مما يقلل الانعكاسات التي كانت ستبدد الطاقة. يقوم ثقبان صغيران مائلان داخل المخروط البلاستيكي بضبط كيف يدور المجال بشكل إضافي، موسعين نطاق الترددات التي يظل فيها الدوران قويًا.

تنظيف الشعاع

أنتجت النسخ الأولية من التصميم لوبات جانبية وخلفية غير مرغوبة — اتجاهات متفرقة تتسرب فيها الطاقة بدلاً من التوجه نحو المستقبل المقصود. لإصلاح ذلك، أضاف الفريق قطعتين دائريتين متصلتين في ساحة الأرض لإعادة تشكيل تدفق التيار تحت الهوائي، مما قضى إلى حد كبير على اللوبات الجانبية. ثم وضعوا لوحًا معدنيًا بسيطًا يعمل كعاكس خلف البنية كاملة على مسافة محددة. يُلغي هذا العاكس معظم الإشعاع الخلفي ويدفع المزيد من الطاقة نحو الشعاع الأمامي. النتيجة هو هوائي مدمج بعنصر واحد بشعاع رئيسي قوي وموجه جيدًا، ونسبة أمام‑إلى‑خلف تفوق 15 ديسيبل، ومكسب ذروة حوالي 11.1 ديسيبل نسبةً إلى مصدر مستقطب دائري قياسي — قيم تنافس أو تتفوق على العديد من مصفوفات الهوائيات متعددة العناصر.

إثبات الفعالية في العالم الحقيقي

صنع الفريق التصميم باستخدام طباعة ثلاثية الأبعاد عادية لنواة البلاستيك وتقنية لوحات الدوائر القياسية للطبقات المعدنية وخط التغذية، محافظين على التكلفة والتعقيد منخفضين. أظهرت القياسات في غرفة عازلة للصدى أن الهوائي يعمل من حوالي 3.3 إلى 6.4 جيجاهرتز، مع نطاق واسع حيث يظل الاستقطاب فعالًا ودائريًا. يتطابق المكسب المقاس مع المحاكاة تقريبًا، حيث يصل إلى حوالي 9.5 ديسيبل بدون العاكس ويكون أعلى مع وجوده. يشير تحليل ميزانية الوصلة البسيط إلى أنه، خلال بضعة أمتار، يمكن للهوائي أن يوفر طاقة مستقبلية كافية لدارات حصاد الطاقة المعتادة لتعمل بكفاءة تزيد عن 50%، مما يسمح لأجهزة الاستشعار الصغيرة بإعادة الشحن في دقائق بدلًا من ساعات.

ماذا يعني هذا للأجهزة اليومية

بكلمات بسيطة، بنى المؤلفون "كشاف طاقة" منخفض التكلفة يعمل عبر نطاق واسع من ترددات الميكروويف ويستمر في إرسال الطاقة بكفاءة حتى مع تحرك الأجهزة وتدويرها. من خلال الجمع بين شكل ثلاثي الأبعاد غير تقليدي مع هيكل تغذية منحوت وعاكس ذكي، يتغلبون على المقايضة التقليدية بين أشعة قوية ونطاق تشغيل واسع. هذا يجعل الهوائي لبنة واعدة لشبكات نقل الطاقة اللاسلكية المستقبلية التي يمكن أن تملأ أجهزة الاستشعار الخالية من البطارية في المنازل والمصانع والمدن، مقربةً فكرة الأجهزة المتصلة الخالية من الصيانة خطوة أقرب إلى واقع يومي.

الاستشهاد: Abdalmalak, K.A., Abdelmoneim, L.H., Alsirhani, K.F. et al. Wideband circularly polarized dielectric resonator antenna with high gain for microwave wireless power transfer. Sci Rep 16, 8833 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39831-7

الكلمات المفتاحية: نقل الطاقة اللاسلكية, هوائي مستقطب دائرياً, رنان عازل, إلكترونيات مطبوعة ثلاثية الأبعاد, حصاد طاقة الميكروويف