نظام هوائي MIMO بحجم صغير للغاية وعزل عالٍ بمصفوفة 8 × 8 لتطبيقات نطاقات 5G NR-n46 و n79

لماذا تهم هذه المربّع الصغير لهاتفك

بينما تتعامل هواتفنا وموجّهاتنا وسياراتنا مع مكالمات الفيديو والبث وبيانات المدن الذكية، تحتاج إلى هوائيات قادرة على نقل كميات كبيرة من المعلومات دون أن تشغل مساحة كبيرة أو تتداخل مع بعضها. يصف هذا البحث «بلاطة» هوائية جديدة شديدة الصغر تستوعب ثمانية هوائيات داخل مربع صغير بينما تقدّم إشارات قوية ونقية لشبكات 5G في نطاقات تحت‑6 غيغاهرتز الشائعة المستخدمة في وصلات الواي‑فاي والخلوي.

إيجاد ممرات أكثر على طريق الاتصالات اللاسلكية

تعتمد أنظمة الاتصالات اللاسلكية من الجيل التالي مثل 5G والمستقبل 6G على فكرة استخدام عدة هوائيات في آن واحد، وهي تقنية تُعرف باسم MIMO. بدلاً من أن ينقل هوائي واحد كل الحركة، تتشارك عدة هوائيات المهمة، مثل مزيد من المسارات على الطريق السريع. هذه المقاربة ترفع معدلات البيانات وتحسّن الموثوقية في المدن المزدحمة وتسمح للشبكات بخدمة آلاف الأجهزة في الوقت نفسه. المشكلة أنها عند ضغط عدد كبير من الهوائيات في المساحة الضيّقة لهاتف ذكي أو نقطة وصول، تصبح عرضة للتداخل فيما بينها، ما يهدر الطاقة ويشوّه الإشارة.

مربّع صغير يحوي ثمانية هوائيات

صمّم المؤلفون هوائي MIMO بثماني مداخل يتناسب مع لوحة بحجم 60 × 60 مم — تقريباً مربع بطول موجة قدره 1.02 × 1.02 عند تردده التشغيلي قرب 5.2 غيغاهرتز. يجلس زوجان من قطع الهوائي المستطيلة الرقيقة في كل زاوية من اللوحة، مرتّبة بزوايا قائمة بحيث تستجيب لموجات ذات اتجاهات مختلفة وتدعم كلّاً من التنوّع وزيادة معدل البيانات. تم ضبط هذا الترتيب للعمل عبر نطاق 4.75–5.45 غيغاهرتز، شريحة بعرض 700 ميغاهرتز تغطي عملياً نطاقين مهمين في 5G New Radio، المعروفة باسم n79 (النطاق المرخّص المتوسط) و n46 (الذي يُستخدم غالباً بطريقة غير مرخّصة تشبه الواي‑فاي)، بالإضافة إلى الوصول المساعد المرخّص حيث يمزج المشغّلون بين الطيف المرخّص وغير المرخّص.

تشكيل الجانب الخفي لخفض التداخل

الحيلة الحقيقية لا تكمن في قطع الهوائيات المرئية، بل في المعدن المشكّل على ظهر اللوحة. نقش الباحثون أربع حلقات مستطيلة تحت الزوايا، بالإضافة إلى حلقة دائرية وفتحة على شكل زائد في المركز. تعمل هذه القطوع كحواجز وتحويلات مصممة بعناية للتيارات التي عادةً ما تنتشر على السطح وتسبّب اقتران الهوائيات المجاورة للطاقة فيما بينها. عن طريق تغيير مسار هذه التيارات، يتحوّل نمط الطاقة الكهربائية والمغناطيسية المخزّنة بطريقة تقلل بشكل كبير من التداخلات غير المرغوب فيها مع الحفاظ على مسار الإشارة المطلوب متطابقاً جيداً مع الدوائر القياسية.

إثبات التصميم نظرياً وفي المختبر

لفهم تصميمهم وضبطه، أنشأ الفريق أولاً وقارن عدداً من تخطيطات الهوائي الوسيطة، ثم اختار أفضل مرشح ليكون وحدة البناء للنظام الكامل بثماني مداخل. نمذجوا الهوائي باستخدام كل من المحاكاة الكهرومغناطيسية الشاملة ودائرة مبسّطة من مقاومات ومحاثات ومكثّفات، وأظهروا أن وجهتي النظر تتوافقان عن قرب. بعد تصنيع نموذج أولي على لوحة دائرة ميكروويف منخفضة الخسارة، قاسوا أدائه في المختبر باستخدام محللات الشبكة الدقيقة وفي غرفة عازلة للصدى. يغطي الهوائي النهائي النطاق المستهدف بقوّة إرسال جيدة (حتى 4.7 ديسيبل كسب)، وكفاءة إشعاع عالية جداً (حوالي 92.5%)، وفصل ممتاز بين المنافذ — حتى 33 ديسيبل من العزل، ما يعني أن جزءاً ضئيلاً فقط من الطاقة يتسرّب من هوائي إلى آخر.

ماذا تعني النتائج للأجهزة الحقيقية

بعيداً عن الأرقام الصافية، فحص الباحثون كيف تتصرف الهوائيات الثمانية كفريق واحد، باستخدام مؤشرات أداء تلتقط الاستقلالية بين المسارات، والصلابة في البيئات المزدحمة، وإمكانية معدل البيانات. وقعت كل هذه المؤشرات ضمن حدود مقبولة على نطاق واسع لـ MIMO عالي الجودة، مع اقتراب التغاير بين العناصر من الصفر وخسارة سعة القناة المحتفظ بها منخفضة جداً. النتيجة هي بلاطة هوائية مدمجة وفعّالة يمكن إدماجها في هواتف ذكية وموجّهات Wi‑Fi 5 و Wi‑Fi 6 ووحدات الاتصالات بين المركبات وكل شيء آخر وروابط الحبال الخلفية اللاسلكية. ببساطة، يبيّن البحث كيف يمكن لتشكيل دقيق لطبقة الأرضية الخفية للهوائي أن يفتح اتصالات 5G أكثر موثوقية وسعة أعلى دون الحاجة إلى أجهزة أكبر أو طيف إضافي.

الاستشهاد: Mishra, B., Sethumadhavi, R., Singh, S. et al. An ultra-compact and high isolated 8 × 8 MIMO antenna system for 5G NR-n46 and n79 band applications. Sci Rep 16, 12523 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43426-7

الكلمات المفتاحية: هوائي 5G MIMO, تحت 6 غيغاهرتز, عزل الهوائي, تصميم هوائي مدمج, الوصول المساعد المرخّص