هوائي شِقّ واسع النطاق لحصاد طاقة الترددات الراديوية

الطاقة من الهواء

بيوتنا ومكاتبنا وشوارعنا مليئة بموجات راديوية غير مرئية من هواتف المحمول وموجهات الواي‑فاي وأبراج البث. يستكشف هذا البحث طريقة لالتقاط جزء صغير من ذلك البحر الدائم من الإشارات وتحويله إلى كهرباء مفيدة. عن طريق إعادة تشكيل دقيقة لنمط معدني صغير على لوحة دارة، يصمم الباحثون هوائيًا قادرًا على امتصاص الطاقة من العديد من نطاقات الاتصالات اليومية في وقت واحد وتغذيَة أجهزة منخفضة الاستهلاك مثل مستشعرات إنترنت الأشياء—مما قد يقلل اعتمادنا على البطاريات ذات الاستخدام مرة واحدة.

التقاط عدة إشارات في آن واحد

ينطلق العمل من فكرة بسيطة: إذا كانت موجات الراديو في كل مكان، لماذا لا نعيد تدويرها كمجرى طاقة صغير؟ التحدي هو أن هذه الموجات تصدر عن خدمات متعددة—شبكات الهواتف، والبث التلفزيوني، وروابط البيانات اللاسلكية—موزعة على نطاق واسع من الترددات. يكون الهوائي التقليدي مضبوطًا لنطاق ضيق نسبيًا، لذلك يفوت جزءًا كبيرًا مما هو متاح. لذا شرع الباحثون في تصميم هوائي «واسع النطاق» مدمج يمكنه الاستجابة لجزء كبير من هذا الطيف، لا سيما المنطقة المكتظة تقريبًا بين 0.8 و1.9 جيجاهرتز التي تشمل خدمات اتصال شائعة مستخدمة داخل المباني وخارجها.

نمط ذكي في مساحة صغيرة

في جوهر التصميم شكل نحاسي مسطح منحوت على لوحة دارة من الألياف الزجاجية الشائعة. بدلًا من شريط أو رقعة بسيطة، ينحت الفريق فتحة مستطيلة كبيرة ويملؤها بنمط منسق بعناية: حرف T مقلوب في المنتصف وشكلان E متطابقان مرايا على الجانبين. تعمل هذه الذراعان والتفرعات المضافة كمسارات إضافية للتيارات الكهربائية التي تولدها الموجات الواردة. من خلال ضبط أطوالها ومواقعها، يدفع المؤلفون عدة رنينات طبيعية لتتداخل، فتستجيب البنية بقوة على مدى واسع من الترددات بينما لا تزال تلائم بصمة أصغر من طول موجة التردد الأدنى المستخدم.

ضبط واختبار التصميم

لفهم كيف يساهم كل جزء من النمط، يحاكي الباحثون سلسلة من التصاميم الوسيطة، بدءًا من تغذية بسيطة على شكل T ثم إضافة أشكال E الجانبية وT المقلوب المركزي تدريجيًا. يغيرون بعد ذلك أبعادًا رئيسية في النماذج الحاسوبية ليروا كيف ينتقل نطاق التشغيل. يُظهر هذا الضبط خطوة بخطوة أن إطالة الفتحة الرئيسية تخفض أدنى تردد قابل للاستخدام، بينما يساعد تعديل الجذع العمودي لـT المقلوب وتفرعات أشكال E على دمج رنينات الترددات الأعلى في نطاق سلس وممتد. بعد تحديد الأبعاد المثلى، يصنعون نموذجًا أوليًا ويقيسون أداءه في حجرة صدى مصممة لمحاكاة الفراغ. تتطابق النتائج المقاسة عن كثب مع المحاكاة: يحافظ الهوائي على عمل جيد تقريبًا من حوالي 0.84 إلى 1.89 جيجاهرتز، مع كسب وفعالية إشعاع محترمة تزيد عن 80 بالمئة.

من موجات الراديو إلى طاقة قابلة للاستخدام

الهوائي وحده يجمع الطاقة فقط؛ يجب اقترانه بدوائر تحول الإشارة المتذبذبة إلى تيار مستمر ثابت. يربط الفريق هوائيهم واسع النطاق بمقوم متخصص مبني من صمامات سريعة ومكونات ملائمة، مكونين ما يسميه المهندسون «ريكتينا». في اختبارات خارجية حقيقية، يوجهون هذا النظام نحو مصادر يومية مثل محطات القاعدة القريبة ويقيسون كلًا من طيف الراديو والجهد الناتج. حتى في ظروف المحيط العادية، ينتج النظام المدمج نحو 0.44 فولت دون أي تحييز خارجي، وتُظهر قياسات المختبر المضبوطة أنه، عند قوى إدخال متواضعة شبيهة بما توفره المرسلات البعيدة، يمكن للمقوم تحويل ما يقرب من أربعة أخماس الطاقة الملتقطة من الترددات الراديوية إلى تيار مستمر. كما يحافظ الهوائي على استقطاب نظيف ونماذج إشعاع متسقة عبر نطاقه، مما يساعده على جمع الطاقة بثبات من اتجاهات مختلفة.

نحو شبكات مستشعرات أقل اعتمادًا على البطاريات

باختصار، يبرهن البحث أن نمطًا معدنيًا مصقولًا بعناية على لوحة دارة قياسية يمكن أن يوازن بين احتياجات متعارضة: فهو صغير ويغطي نطاق ترددي واسع ويحول الموجات الراديوية المبعثرة إلى كهرباء بكفاءة عند اقترانه بمقوم مطابق. ورغم أن الطاقة المستحصلة متواضعة، فهي مناسبة جيدًا لعقد مستشعرات إنترنت الأشياء فائقة المنخفضة الاستهلاك التي تستيقظ بشكل دوري لإرسال بيانات. من خلال تقليل استخدام البطاريات أو السماح لبعض الأجهزة بالعمل بدون بطاريات تمامًا، قد تساعد مثل هذه الهوائيات واسعة النطاق لحصاد الطاقة في جعل شبكات المستشعرات المستقبلية أكثر استدامة وأسهل نشرًا في الأماكن صعبة الوصول.

الاستشهاد: Yau, U., Tiang, J.J., Muhammad, S. et al. A wideband slot antenna for RF energy harvesting. Sci Rep 16, 10448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41191-1

الكلمات المفتاحية: حصاد طاقة الترددات الراديوية, هوائي واسع النطاق, هوائي شِقّ, مستشعرات إنترنت الأشياء, ريكتينا