تصميم وتوصيف هوائي MIMO رباعي المنفذ ثنائي النطاق لاتصال 5G V2X

هوائيات سيارات أذكى لطرق أكثر أمانًا

تتحول السيارات الحديثة إلى حواسيب متحركة تتواصل باستمرار مع مركبات أخرى وإشارات المرور وشبكة الهاتف المحمول. لضمان أن تكون اتصالات المركبة مع كل شيء (V2X) سريعة وموثوقة، نحتاج إلى هوائيات قادرة على التعامل مع كميات كبيرة من البيانات دون فقدان الإشارات، حتى في شوارع المدن المزدحمة المليئة بالانعكاسات والتداخل. تقدم هذه الدراسة تصميمًا جديدًا مضغوطًا للهوائي يركب على سقف السيارة، يعمل عبر نطاقي تردد مهمين متعلقين بـ5G في آن واحد، ويحافظ على استقرار الاتصالات بينما تتحرك المركبة عبر بيئات مرورية معقدة.

لماذا تحتاج السيارات إلى وصلات لاسلكية أفضل

تستند أنظمة النقل المستقبلية إلى مشاركة السيارات للمعلومات مثل مخاطر الطريق، الكبح المفاجئ، أو تغيّر إشارات المرور في الزمن الحقيقي. لذلك تتجه الكثير من الدول إلى نطاقين لاسلكيين مهمين: أحدهما حول 3.5 جيجاهرتز المستخدم في شبكات 5G، وآخر حول 5.9 جيجاهرتز المحجوز للأنظمة الذكية للنقل. الهوائيات التقليدية في السيارات، مثل أغطية الزعنفة أو الأشكال الحلزونية، غالبًا ما تجمع عدة هوائيات منفصلة معًا وتكافح لتقديم تغطية نظيفة، وعزل قوي بين العناصر، ونمط إشعاع ثابت حول السيارة. ونتيجة لذلك، قد تتلاشى الروابط أو تتداخل مع بعضها في اللحظات التي تكون فيها الموثوقية مهمة للغاية.

هوائي صغير لكنه قوي بأربع في واحد

يعرض المؤلفون هوائيًا جديدًا يضغط أربعة عناصر متطابقة داخل مربع مسطح بحجم علبة كبريت تقريبًا، ويعمل بكفاءة عند كل من 3.5 و5.9 جيجاهرتز. يستخدم كل عنصر نمطًا معدنيًا بسيطًا مع عدة فروع قصيرة «ذُيول» على جانب واحد وطائرة أرضيّة مقطوعة بعناية على الجانب الآخر. هذه التفاصيل تشكل كيفية تدفق الموجات الراديوية على المعدن وتسمح لنفس العنصر بالتوافق القوي عند تردّدين مختلفين. تُرتب أربع نسخ من هذا العنصر بزوايا قائمة بالنسبة لبعضها، مكونة مصفوفة MIMO بأربع منافذ يمكنها الإرسال والاستقبال لعدة مسارات بيانات في آن واحد دون الحاجة إلى طبقات إضافية أو فياز أو هياكل عزل سميكة.

كيف يحافظ التصميم على السرعة وخلوه من التداخل

في العديد من أنظمة الهوائيات المتعددة، تتسرب الطاقة بين العناصر المجاورة، محدثة اقترانًا غير مرغوب فيه وتقليص مسارات البيانات المستقلة التي تعتمد عليها تقنية MIMO. هنا، يقيّد الترتيب العمودي للأربعة عناصر ونمط الأرضية المصمم التيارات في مساراتها المقصودة بشكل طبيعي. تُظهر القياسات أن العناصر تظل معزولة إلى حد كبير، مع تدفق طاقة ضئيل جدًا من منفذ إلى آخر. يغطي الهوائي نحو 680 ميجاهرتز حول 3.5 جيجاهرتز و670 ميجاهرتز حول 5.9 جيجاهرتز — عرض كافٍ لمعايير 5G وV2X الحديثة — مع الحفاظ على كفاءة تزيد عن 83 بالمئة وزيادات معتدلة في الكسب تساعد الإشارات على الوصول أبعد دون التضحية بالتغطية الناعمة الشبه دائرية المطلوبة حول المركبة المتحركة.

إثبات الأداء في ظروف القيادة الحقيقية

لتجاوز محاكاة المختبر، بنى الباحثون نموذجًا أوليًا واختبروه باستخدام معدات قياس معيارية وغرف حجب صدى تحاكي الفضاء المفتوح. درسوا كيف تشارك المنافذ الأربعة مسارات الإشارة أو تفصلها، ومقدار تقليل السعة الإجمالية للبيانات بسبب التأثير المتبادل، ومدى استقرار الأنماط مع تغير التردد. والأهم من ذلك، درسوا أيضًا «تأثير الهيكل» بوضع الهوائي فوق صفائح معدنية كبيرة وعلى نموذج ثلاثي الأبعاد كامل لسقف سيارة. يعيد الجسم المعدني توجيه الإشعاع قليلًا، مما يزيد التوجيهية بحوالي 3 ديسيبل، لكنه لا يفسد النطاق الترددي أو التغطية الشاملة. على سقف المركبة، لا يزال الهوائي يشع بصورة متقاربة في جميع الاتجاهات، مما يعني إمكانية الوصول الموثوق إلى السيارات القريبة ووحدات الطريق الجانبية.

ما يعنيه ذلك للمركبات المتصلة

بعبارات بسيطة، تُظهر هذه العمل أن وحدة هوائي رقيقة بطبقة واحدة يمكنها التعامل مع نطاقين هامين مرتبطين بـ5G في آن واحد، وتوفير أربع قنوات مستقلة إلى حد كبير، والبقاء متينة عند تركيبها على سيارة حقيقية. من خلال تجنّب الرنانات المعقّدة والتجاويف والطبقات المكدسة، يبقى التصميم أسهل وأرخص في التصنيع مع الحفاظ على أداء يضاهي أو يتفوق على البدائل الأكثر تعقيدًا. للسائقين اليوميين، قد تساعد هوائيات مثل هذه السيارات المستقبلية على «رؤية» محيطها عبر الموجات الراديوية بشكل أفضل، داعمة اتصالات V2X أكثر أمانًا وسرعة واعتمادية دون الحاجة إلى أجهزة ضخمة.

الاستشهاد: Arumugam, S., Manoharan, S., Abbas, M.A. et al. Design and characterization of quad port dual band MIMO antenna for 5G V2X connectivity. Sci Rep 16, 14117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44515-3

الكلمات المفتاحية: 5G V2X, هوائيات المركبات, MIMO, الاتصالات اللاسلكية ثنائية النطاق, السيارات المتصلة