فصل بين الاتصال والحس في نظام مشترك للاتصالات والاستشعار باستخدام سطح ميتا

لماذا تحتاج الأجهزة اللاسلكية الأذكى إلى جيران أكثر هدوءًا

تعتمد هواتفنا وسياراتنا ومنازلنا الذكية بشكل متزايد على هوائيات يجب أن تؤدي مهمتين في الوقت نفسه: التواصل مع الأجهزة الأخرى واستشعار البيئة المحيطة، بشكل مشابه للرادار. تجميع هاتين الوظيفتين داخل صندوق واحد مضغوط يخلق مشكلة خطيرة — حيث يمكن للإشارات القوية غير المرغوب فيها من المرسل أن تطغى على الصدى الضعيف الذي يحاول المستقبِل التقاطه. يستكشف هذا البحث طريقة جديدة لإسكات هذا الضجيج الذاتي باستخدام "سطح ميتا" مصمم بشكل دقيق حتى تعمل أنظمة الاتصال والاستشعار المشتركة بنقاء وموثوقية أكبر.

تحدي الكلام والاستماع في الوقت نفسه

تهدف أنظمة الاتصال والاستشعار المشترك (JCAS) إلى دمج وصلات البيانات عالية السرعة مع وعي شبيه بالرادار في مجموعة مشتركة من الهوائيات. هذه الرؤية جذابة لتطبيقات مثل القيادة الذاتية والبنية التحتية الذكية ومراقبة الداخل، حيث المساحة والتكلفة محدودة. لكن عندما تجلس هوائيات الإرسال والاستقبال بجوار بعضها البعض، كما في مصفوفات الهوائيات متعددة العناصر (MIMO) المدمجة، تتسرب الإشارات الخارجة القوية مباشرة إلى المستقبِل. لا يقتصر هذا التداخل الذاتي على خفض جودة البيانات فحسب؛ بل يشوّه أيضًا الانعكاسات الدقيقة التي يعتمد عليها الاستشعار. يمكن أن تساعد طرق الإلغاء البرمجية، لكنها تصبح معقدة حسابيًا عبر نطاقات ترددية واسعة وقد تشوّه عن غير قصد الإشارات المفيدة أيضًا.

سطح منقوش يروض الموجات المتشتتة

لمعالجة المشكلة من جذورها، صمّم المؤلفون سطح ميتا خاصًا يعيد تشكيل كيفية تدفق الطاقة الكهرومغناطيسية بين مصفوفتَي الإرسال والاستقبال. اللبنات الأساسية لهذا السطح هي رنانات حلقيّة مقسومة معدّلة (MSRRs)—حلقات معدنية صغيرة بها فجوات تتجاوب طبيعيًا عند ترددات ميكروويف مختارة. عندما تصطدم الموجات بهذه الحلقات، تنشأ تيارات دورانية وحقول كهربائية مكثفة عند الفجوات، مما يعيد توزيع تيارات السطح على هيكل الهوائي المجاور. من خلال ضبط أحجام الحلقات ومواقع الفجوات والتباعد بعناية، يقمع سطح الميتا موجات السطح و"الممرات" الحقل القريب التي تتسرب عبرها معظم الطاقة غير المرغوب فيها، بينما يترك الإشعاع الرئيسي تجاه البيئة سليماً إلى حد كبير.

الجمع بين أجهزة ذكية وتوجيه شعاع ذكي

لا يتوقف العمل عند الهيكل المادي فقط. يقرن الفريق أيضًا سطح الميتا باستراتيجية تشكيل شعاع تقلل التداخل أكثر. في إعداد JCAS الخاص بهم، ترسل هوائيتان وتستقبل اثنتان، تعملان باستمرار في نفس نطاق 9–10 جيجاهرتز. يشكّل خوارزم رقمي الحزمة الخارجة بحيث تحمل البيانات وتقوم بمسح المشهد، بينما يوجه أجزاء من نمط الإرسال في اتجاهات تلغي التسرب المتبقي بطبيعتها — ويُعرف هذا بإسقاط فضاء الجذور (null-space projection). بدلاً من محاولة إزالة التداخل بعد حدوثه، يُعاد تصميم النظام بحيث يضعف الجهاز قناة الاقتران بينما يخلق تشكيل الشعاع حفرًا عميقة في الاتجاهات حيث قد يظهر التسرب.

وضع التصميم تحت الاختبار

كتجربة أولية، بنى المؤلفون مصفوفة هوائيات رقعة 2 × 2 على لوحة دارات مشتركة وقاموا بتركيب طبقة سطح ميتا MSRR 2 × 3 فوقها مباشرة. قاسوا مقدار القدرة المتسربة من منافذ الإرسال إلى منافذ الاستقبال عبر التردد والزاوية، وقارنوا الحالات مع وبدون سطح الميتا، ومع إعدادات تشكيل شعاع مختلفة. قلل سطح الميتا وحده الاقتران باستمرار بمقدار عدة ديسيبلات إلى أكثر من عشرة ديسيبل عبر النطاق، مع فتحات عميقة بشكل خاص قرب بعض الترددات الرنانة. عند الجمع مع تشكيل الشعاع المصمم، انخفض التسرب الفعلي أكثر، في بعض الحالات بأكثر من عشرين ديسيبلًا، وارتفع نسبة الإشارة إلى (التداخل + الضوضاء) بحوالي 10–14 ديسيبل عبر نطاق واسع من اتجاهات الاستشعار. ومن المهم أن الطبقة المضافة لم تشوِّه نمط الإشعاع الأساسي للهوائي أو أداء التباين.

ماذا يعني هذا لأنظمة لاسلكية ذكية مستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أن سطحًا رقيقًا ومنقوشًا بعناية يمكن أن يعمل كدرع مهدئ داخل الراديوهات المدمجة التي يجب أن تتحدث وتستمع في الوقت نفسه. عبر توجيه التيارات والموجات على مقياس السنتيمتر، يجعل سطح الميتا من الأصعب على المرسِل أن يغمر المستقبِل، بينما تستغل خوارزمية تشكيل الشعاع المنسقة هذه القناة المحسنة للتقليل من التداخل أكثر. على الرغم من أن التجربة تستهدف نطاق ميكروويف محددًا، يمكن إعادة ضبط نفس مبادئ التصميم لترددات أخرى، بما في ذلك أنظمة الموجات المليمترية المستقبلية في المركبات والمباني. يقدم هذا التكامل بين العتاد والخوارزمية مسارًا عمليًا نحو أجهزة أكثر موثوقية ومقاومة للتداخل تدمج الاتصال والاستشعار بسلاسة في البيئات اليومية.

الاستشهاد: Zhang, Z., Zhang, Z., Ren, Z. et al. Decoupling in a joint communication and sensing system with metasurface. Sci Rep 16, 14526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44469-6

الكلمات المفتاحية: الاتصال والاستشعار المشترك, سطح ميتا, هوائيات MIMO, تقليل التداخل الذاتي, الاستشعار اللاسلكي