Clear Sky Science
شروحات قائمة على الأدلة وخفيفة المصطلحات

Clear Sky Science · ar

هوائي MIMO مدمج رباعي المنافذ ثنائي النطاق مع رنانات على شكل U مقلوب وبنية أرضية مشوهة لتطبيقات الاتصالات اللاسلكية

· العودة إلى الفهرس

لماذا تهم الهوائيات الصغيرة للأجهزة اليومية

من الهواتف والأجهزة اللوحية إلى المستشعرات الذكية، تعتمد الأجهزة الحديثة على هوائيات قادرة على إرسال واستقبال مزيد من البيانات في مساحة أصغر. تصف هذه الورقة هوائيًا صغيرًا جدًا يمكن أن يندمج داخل الأجهزة اللاسلكية المدمجة مع الاحتفاظ بقدرة على روابط سريعة وموثوقة على نطاقين تردديين مختلفين تُستخدمان غالبًا في الرادار والأقمار الصناعية والاتصالات عالية السرعة.

مربع صغير يؤدي عملًا لاسلكيًا كبيرًا

صمّم الباحثون هوائيًا بأربع منافذ يناسب لوحة دائرة بمقاس 38 × 38 مليمتر، أي بحجم قليلًا ما يوازي قطعة نقدية صغيرة. تُرتب كل من قطع الهوائي الأربع بزاوية قائمة بالنسبة لجيرانها بحيث تتداخل الإشارات التي ترسلها وتستقبلها بأدنى قدر ممكن. يعمل الهوائي في نطاقين منفصلين، الأول حول 7.9 جيجاهرتز والآخر حول 11 جيجاهرتز، وكلاهما مفيد للوصلات اللاسلكية المتقدمة. بالرغم من صغر حجمه، يحقق الهوائي كسبًا إشاريًا كافيًا للاتصالات العملية داخل أجهزة إلكترونية مزدحمة.

Figure 1. لوحة هوائي مربعة صغيرة تغذي أجهزة لاسلكية متعددة بإشارات قوية ونقية في تصميم مدمج.
Figure 1. لوحة هوائي مربعة صغيرة تغذي أجهزة لاسلكية متعددة بإشارات قوية ونقية في تصميم مدمج.

نحت المعدن لضبط الإشارات

للوصول إلى هذا الأداء، لم يقتصر الفريق على تصغير هوائي عادي. شَكّلوا الرقعة المعدنية الرئيسية إلى محيط يشبه الدرج وقطعوا ثلاث شقوق على شكل U مقلوب فيها. تجبر هذه الشقوق التيارات الكهربائية على اتباع مسارات أطول وأكثر تعقيدًا، ما يولد بشكل طبيعي نطاقين تشغيليين واضحين بدلًا من نطاق واحد. من خلال اختيار ارتفاعات الشقوق وعروضها وتباعدها بعناية، وبضبط درجات الرقعة، استطاعوا توسيع النطاق المفيد ورفع الكسب عند كلتا الترددين المستهدفين مع الحفاظ على صغر حجم الهوائي.

تنظيف الأرض لتقليل التداخل

يمكن أن تتسرب الإشارات في جهاز مزدحم عبر مستوى الأرض المشترك المصنوع من المعدن وتسبب تداخلًا بين منافذ نظام الهوائيات المتعددة. لمواجهة ذلك، أعاد المؤلفون تشكيل مستوى الأرض إلى ما يُسمى بنية أرضية مشوهة، مضيفين شقًا وشريط فصل صغيرًا بين عناصر الهوائي الأربعة. تعمل الأرض المعدلة هنا كنوع من المرشح المدمج: تحجب التيارات غير المرغوب فيها التي كانت ستربط المنافذ ببعضها، بينما تسمح للإشعاع المرغوب بالانبعاث إلى الفضاء الحر. كنتيجة لذلك، يبقى العزل بين المنافذ المجاورة والمتقابلة فوق 25 ديسيبل عبر كلا النطاقين، وهو قيمة عالية جدًا لتصميم بهذا الحجم.

Figure 2. تكبير لقطعة الهوائي مع مسارات متداخلة على شكل U مقلوب وطبقة أرضية منقوشة تُظهر التيارات الموجهة والتداخل المنخفض.
Figure 2. تكبير لقطعة الهوائي مع مسارات متداخلة على شكل U مقلوب وطبقة أرضية منقوشة تُظهر التيارات الموجهة والتداخل المنخفض.

اختبار مدى تعاون المنافذ

نظرًا لأن هذا نظام إدخال وإخراج متعدد، تحقق الفريق ليس فقط من الكسب الخام بل أيضًا من مدى استقلالية سلوك المنافذ الأربعة. قاسوا مؤشرات التنوع الرئيسية، بما في ذلك مدى ارتباط الإشارات من المنافذ المختلفة، ومقدار الكسب المركب الممكن، وكمية فقدان سعة القناة عند عمل عدة منافذ في آنٍ واحد. في كل من محاكيات الحاسوب وقياسات المختبر، ظل الارتباط بين المنافذ منخفضًا جدًا، وبقي كسب التنوع قريبًا من القيمة المثالية، وكان فقدان سعة القناة جزءًا ضئيلًا فقط من بيت في الثانية لكل هرتز. تظهر هذه النتائج أن المنافذ الأربعة يمكن أن تعمل معًا دون أن تتداخل مع بعضها.

ماذا يعني هذا للأجهزة المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن تشكيل المعدن بذكاء على الوجهين العلوي والسفلي للوحة دائرية صغيرة يمكن أن يوفر هوائيًا مدمجًا يتواصل على نطاقين تردديين عالييْن مع الحفاظ على أربعة قنوات منفصلة ونظيفة وقوية. بالنسبة لغير المتخصص، يعني ذلك أن الأجهزة اللاسلكية المستقبلية قد تكون أصغر وفي الوقت نفسه قادرة على نقل البيانات بسرعة وموثوقية، حتى عندما تُضغط عدة هوائيات ضمن نفس المساحة المحدودة.

الاستشهاد: Naik, K.K., Phaneendra, C.N., Zidan, M.S. et al. Compact dual-band four-port MIMO patch antenna with inverse U-shaped resonators and defected ground structure for wireless communication applications. Sci Rep 16, 15214 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40390-0

الكلمات المفتاحية: هوائي MIMO, هوائي ثنائي النطاق, لاسلكي مدمج, تصميم هوائي رقعي, بنية أرضية مشوهة