هوائيات MIMO مركبة مزدوجة النطاق ذات كسب عالي لتطبيقات 5G NR باستخدام وحدة راديو خلوية صغيرة قابلة للمشاركة

لماذا تهم الاتصالات اللاسلكية الأسرع داخل المباني

من تدفقات الفيديو بدقة 4K إلى سماعات الواقع الافتراضي والأجهزة الذكية في كل غرفة، تأتي معظم حركة الإنترنت اليوم من داخل المباني. للحفاظ على اتصال كل هذه الأجهزة، تضيف الشبكات العديد من محطات قاعدة صغيرة منخفضة الطاقة—تُسمى الخلايا الصغيرة—متباعدة بشكل وثيق في المكاتب والمراكز التجارية والملاعب وشوارع المدينة. تعرض هذه الورقة تصميم هوائي مدمج جديد يساعد خلية صغيرة واحدة 5G على خدمة عدة مشغلين والعمل بكفاءة عبر نطاقي التردد الرئيسيين في 5G، مما يزيد السرعة والتغطية حيث يستخدم الناس البيانات أكثر.

مسارين رئيسيين في 5G في تصميم واحد مدمج

تعتمد أنظمة 5G الحديثة على شريحتين مختلفتين للغاية من الطيف اللاسلكي. يَقَع أحدهما تحت 6 غيغاهرتز ويحمل الإشارات بشكل موثوق عبر الجدران لمسافات معتدلة؛ أما الآخر فيوجد في نطاق موجات المليمتر حول 26 غيغاهرتز وما فوق، حيث تكون معدلات البيانات مرتفعة لكن الإشارات أكثر عرضة للانقطاع. يجب أن تعمل وحدة الراديو التي يمكن لمشغلي الهواتف المتحركة مشاركتها عبر كلا «المسارين» في آن واحد. يمكن للهوائيات ثنائية النطاق الحالية فعل ذلك، لكنها غالباً ما تعاني من نطاق تشغيل ضيق، أو هياكل ثلاثية الأبعاد ضخمة يصعب تصنيعها، أو كسب محدود يقلل التغطية. يتناول المؤلفون هذا التحدي بخلق وحدة هوائي واحدة مدمجة وقادرة على أداء قوي في نطاقي تردد متباعدين جداً.

كيف بُني الهوائي الجديد

جوهر العمل هو هوائي MIMO رباعي العناصر، أي أربعة هوائيات صغيرة تعمل معاً لتحسين معدل نقل البيانات والموثوقية. يجمع كل عنصر بين نمط معدني مسطح وكتلة معزولة مشكَّلة بعناية. على لوحة الدارة المطبوعة، يعمل أثر معدني على شكل U كالمشع الرئيسي في نطاق 5G السفلي، وتزيد رقعة معدنية صغيرة على شكل فراشة موضوعة بين ذراعيه من حجمه الفعّال وكسبه. فوق هذا مباشرة توجد كتلة عازلة «أسطوانية مشوّهة»—قطعة مادة توجه موجات الراديو دون توصيل الكهرباء. تم تشكيلها من أسطوانة ثم قُطعت وعدِّلت بحيث تدعم وضعاً أعلى ترتيباً مفيداً عند ترددات موجات المليمتر.

هيكل واحد، دوران

جانب ذكي في التصميم هو أن نفس الأجزاء الفيزيائية تتصرف بشكل مختلف عند الترددات المنخفضة والعالية. في نطاق تحت 6 غيغاهرتز، تعمل الكتلة العازلة أساساً كغطاء سلبي يغيّر ويُوسّع استجابة هوائي U قليلاً بينما تعزّز رقعة الفراشة الكسب. عند ترددات موجات المليمتر، تنقلب الأدوار: النمط المعدني يغذي الآن الطاقة في الغالب إلى الكتلة العازلة، التي تصبح المشع الرئيسي. بفضل شكلها وخواصها المادية المصممة، تدعم الكتلة وضعاً هجيناً يوجّه الطاقة طبيعياً في اتجاه إطلاقي على السطح—أي على امتداد سطح الخلية الصغيرة، مثالي للوصلات داخل المباني بخط نظر ونقاط الكثافة الحضرية. يوازن اختيار ثابت العزل للمادة بين إشعاع قوي ونطاق ترددي كافٍ.

أداء مقاس في نطاقات 5G الواقعية

صنع الفريق الهوائي باستخدام تأكل دوائر قياسية وقطع بالماء لقطع قطع العازل، ثم قيّموا أدائه في المختبر وفي بيئة اختبار 5G داخلية حقيقية. في النطاق السفلي، يغطي الهوائي نحو 2.8 إلى 4.9 غيغاهرتز مع عرض نطاق كسري مرتفع يبلغ حوالي 53%، مغطياً بشكل مريح نطاقي 5G المستخدمين على نطاق واسع n77 وn78. هنا يقدم قمة كسب تبلغ نحو 8.2 ديسيبل مع إشعاع عمودي مناسب لتغطية تملأ الغرفة. في نطاق موجات المليمتر، يعمل من 24 إلى 29.3 غيغاهرتز، مغطياً نطاقات شائعة مثل n257 إلى n261، مع عرض نطاق كسري بنحو 20% وقمة كسب تقارب 13.1 ديسيبل في اتجاه إطلاقي. يظهر ترتيب العناصر الأربعة تداخلًا منخفضًا جداً بين العناصر ومقاييس تنوع ملائمة، وهي مهمة لأداء MIMO قوي.

ما يعنيه هذا للاتصال اليومي

بعبارة أبسط، مهندسو البحث ابتكروا وحدة هوائي واحدة مدمجة يمكنها التعامل بكفاءة مع كل من نطاق «المدى» ونطاق «السرعة» في 5G في آنٍ واحد، مع البقاء متوافقة مع بنى راديو مفتوحة وقابلة للمشاركة مثل Open RAN. يجعلها عرض النطاق الواسع، والكسب القوي، والقدرة على دعم عدة هوائيات في بصمة صغيرة مناسبة للخلايا الصغيرة التي يمكن لعدة مشغلين مشاركتها في بيئات داخلية مزدحمة أو حضرية كثيفة. مع استمرار تكثيف الشبكات، توفر تصميمات مثل هذا لبنة بناء عملية لخدمة لاسلكية أسرع وأكثر مرونة حيث يستخدم الناس الإنترنت فعلاً: داخل المنازل والمكاتب والميادين والملاعب وشوارع المدينة.

الاستشهاد: Asadullah, Shoaib, N., Khan, M.U. et al. Dual-band composite high gain MIMO antenna for 5G NR applications employing shareable small cell radio unit. Sci Rep 16, 11008 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39955-w

الكلمات المفتاحية: الخلايا الصغيرة 5G, هوائي MIMO, موجات المليمتر, تصميم مزدوج النطاق, Open RAN