هوائي MIMO بأربع مداخل ثنائي النطاق مع أرضية جزئية لتطبيقات نطاق n257/n260/n261

لماذا يحتاج الاتصال اللاسلكي الأسرع إلى هوائيات أذكى

يعتمد بث الفيديو عالي الدقة والواقع الافتراضي الغامر وأساطيل الحساسات الصغيرة جميعها على شبكات الجيل التالي 5G، وخصوصاً عند ترددات الموجات المليمترية حيث تتوفر شرائح طيفية واسعة جديدة. لكن استخدام هذه الترددات العالية بشكل موثوق يعقّد الأمور: الإشارات تتلاشى بسرعة ويجب أن تكون الهوائيات مدمجة وقادرة في الوقت نفسه على معالجة العديد من تدفقات البيانات. يعرض هذا البحث تصميم هوائي جديد يتعامل مع هذه التحديات، ويهدف إلى تمكين الهواتف والأجهزة والآلات المتصلة من التواصل بشكل أسرع وأكثر موثوقية.

هوائي صغير مصمم لمتطلبات 5G الكبيرة

يعرض الباحثون وحدة هوائيات مدمجة بطول 28 مليمتر لكل جانب وأرق من بطاقة ائتمان، مصممة لنطاقات الموجات المليمترية "FR2" حول 28 و38 جيجاهرتز. هذان النطاقان—المعروفان في مواصفات المعايير باسم n257/n261 وn260—جذّابان بشكل خاص لأنهما يوفران عرض نطاق واسع وخسارة جوية نسبياً أقل مقارنة بقنوات أعلى تردداً. بدلاً من هوائي واحد، تحتوي الوحدة على أربعة عناصر راديوية صغيرة تعمل معاً كنظام متعدد الإدخالات والمخرجات (MIMO). هذا الترتيب يدعم عدة تدفقات بيانات مستقلة في آن واحد، مما يزيد السعة والموثوقية دون تكبير بصمة الجهاز.

كيف يعمل هوائي البلوك الأساسي

يبدأ كل عنصر من العناصر الأربعة بمستطيل معدني بسيط يشع موجات الراديو. لجعل هذا الجسم الواحد يعمل بكفاءة على نطاقين تردديين مميزين، يقوم المؤلفون بنقش فتحات محددة فيه—واحدة على شكل حرف "H" وأخرى على شكل "T" مقلوبة—ويرافقونها بموصل أرضي يغطي جزءاً فقط من ظهر لوحة الدائرة. يغير التغطية الجزئية كيف تتدفق التيارات الكهربائية، مما يسمح لطريق واحد بالهيمنة في النطاق المنخفض وطريق آخر في النطاق العالي، بينما تقوم الفتحات بضبط الرنينين بدقة. من خلال محاكاة حاسوبية خطوة بخطوة، تُظهر الفريق كيف تحوّل هذه التعديلات ترددات الهوائي الطبيعية وتفصّلها حتى يعمل نظيفاً حول كل من 28 و38 جيجاهرتز.

ترتيب أربعة عناصر دون أن تتداخل مع بعضها

لتشكيل الوحدة الكاملة، تُدار العناصر الأربعة ثنائية النطاق بحيث تواجه اتجاهات مختلفة وتُوضع حول مركز اللوحة المربعة. يساعد هذا الترتيب العمودي بالفعل في منع تداخلها مع بعضها، وهو مطلب أساسي لأنظمة MIMO. ومع ذلك، عندما ينقل عنصر واحد، يمكن للتيارات أن تتسرب عبر منطقة الأرض المشتركة وتزعج الجيران. لمواجهة ذلك، يربط المصممون مناطق الأرض الجزئية ويمدّدون شرائط معدنية رفيعة إلى الداخل من كل جانب، مكوّنين بنية مركزية على شكل زائد. تعيد هذه الشكلة توجيه بعض التيارات غير المرغوب فيها وتلغيها، رافعة بذلك "الجدار الناري" الكهربائي بين المداخل مع الحفاظ على الإشعاع المطلوب في الفراغ.

تجريب التصميم

بعد تحسين الأبعاد في المحاكاة، يصنّع الفريق الهوائي على مادة دائرة ميكروويف منخفضة الخسارة ويقيسه باستخدام أدوات دقيقة وحجرات اختبار ماصة للصدى. يغطي النموذج الأولي حوالي 2.6 إلى 2.9 جيجاهرتز من عرض النطاق حول 28 جيجاهرتز وانتشاراً مماثلاً حول 38 جيجاهرتز—أوسع من العديد من التصاميم المماثلة—مع إبقاء تسرب الإشارة بين أي زوج من المداخل عادةً أفضل من 23 إلى 27 ديسيبل. تُظهر اختبارات الإشعاع قمم كسب تقارب 6.4 و8.5 ديسيبل في النطاقين السفلي والعلوي، بكفاءات تزيد عن 75 بالمئة. كما تؤكد تحليلات إضافية لمقاييس MIMO الأساسية، مثل مدى استقلالية إشارات الهوائي ومقدار فقدان السعة الكلي، أن الوحدة تتصرف بشكل شبه مثالي عبر كلي النطاقين.

ماذا يعني هذا للاتصال اليومي

بعبارات بسيطة، صمم المؤلفون وحدة هوائي ثنائية النطاق صغيرة جداً قادرة على إرسال واستقبال عدة تدفقات بيانات عالية التردد في آن واحد دون أن تتداخل هذه التدفقات مع بعضها. من خلال تشكيل المعدن المشع والطبقة الخلفية المشتركة بذكاء، وخاصةً عبر الميزة المركزية على شكل زائد، حققوا عزلاً قوياً وعرض نطاق قابل للاستخدام واسع وكفاءة جيدة عند نطاقين مهمين لموجات 5G المليمترية. هذا النوع من الكتل البنائية المدمجة وعالية الأداء مناسب تماماً للهواتف الذكية والمركبات وأجهزة إنترنت الأشياء المستقبلية، ويساعد شبكات 5G على تقديم معدلات بيانات عالية وتأخيرات منخفضة التي تتطلبها التطبيقات المتقدمة.

الاستشهاد: Gautam, P.K., Srivastava, G., Jhariya, D.K. et al. A dual-band four-port MIMO antenna with a partial ground plane for n257/n260/n261 band applications. Sci Rep 16, 13122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43355-5

الكلمات المفتاحية: موجات مليمترية 5G, هوائي MIMO, ثنائي النطاق, عزل الموجات المليمترية, عتاد الاتصالات اللاسلكية