هيكل ناقل طاقة بشكل T جديد مع وظيفة ترشيح وتطبيقه في تصميم مصفوفة باتلر مصغرة

عتاد أصغر لحزم لاسلكية أذكى

تعتمد أنظمة الاتصالات الحديثة مثل 5G والرادار في كثير من الأحيان على دوائر خاصة لتوجيه الموجات الراديوية باتجاهات مختلفة دون تحريك الهوائي. وقد تكون هذه شبكات التوجيه كبيرة وتستهلك مساحة ثمينة في الأجهزة المزدحمة. تعرض هذه الورقة طريقة جديدة لتصغير واحدة من هذه الدوائر الأساسية، المسماة مصفوفة باتلر، مع تضمين وظيفة ترشيح مفيدة تساعد على حجب الإشارات ذات التردد العالي غير المرغوب فيها.

عنصر بناء جديد على شكل T

يقترح الباحثون نمطًا بسيطًا من المسارات المعدنية على شكل حرف T لنقل الإشارات الراديوية على لوحة الدارة. عند تردد التشغيل، يتصرف هذا النمط كما لو كان مقطع طول ربع موجة قياسي من خط النقل، وهو عنصر بناء أساسي في العديد من دوائر الراديو. والفرق الرئيسي أن النمط الجديد يشغل حوالي نصف المساحة الأفقية للتصميم الكلاسيكي، مقابل بعض الطول الرأسي الإضافي، مما يمنح بصمة أقصر على اللوحة. وبما أن شبكات التوجيه تستخدم العديد من مقاطع ربع الطول هذه، فإن استبدالها بالإصدار على شكل T يمكن أن يقلص النظام بأكمله بشكل ملحوظ.

تنظيف الإشارة المدمج

الجزء العمودي المفتوح في بنية الـT ليس مجرد وسيلة لتوفير المساحة. من خلال اختيار شكله بعناية، يوضح المؤلفون أنه يمكنه حجب الإشارات فوق تردد قطع محدد بقوة. عند تردد التشغيل المقصود، يسمح العنصر بمرور الطاقة كما هو مرغوب. ومع ذلك، عند حوالي ضعف ذلك التردد، يتصرف الفرع المفتوح كما لو كان مربوطًا بالأرض، فلا تصل تقريبًا أي طاقة إلى المخرج. من خلال ضبط هذا الفرع، يمكنهم تحريك نطاق الحجب مع الحفاظ على السلوك الصحيح عند تردد التشغيل الرئيسي، مما يمنح كل مقطع T فعليًا وظيفة مرشح منخفض التمرير.

تصغير شبكة التوجيه

لإظهار فائدة الفكرة، أعاد الفريق تصميم عناصر البناء الأساسية لمصفوفة باتلر ذات أربعة مداخل وأربعة مخارج: المقاسم الهجينة والتقاطعات التي توجه الإشارات بين المسارات. في كل حالة، استبدلوا خطوط ربع الطول التقليدية بهيكل الـT الجديد حيثما أمكن. الدارة أحادية الطبقة الناتجة بُنيت على مادة لوح دوائر ميكروويف قياسية واختُبرت عند 2.5 جيجاهرتز. مقارنةً بتخطيط تقليدي، تحتل المصفوفة الجديدة حوالي ثلث المساحة الأصلية فقط، ما يعادل تقليلًا في الحجم بحوالي 65 بالمئة، مع الحفاظ على جميع الأجزاء على طبقة واحدة بدلًا من تكديس عدة لوحات.

الأداء عمليًا

تُظهر قياسات الدارة المصنّعة أن الإشارات الداخلة إلى المصفوفة متوافقة جيدًا مع اللوحة، مع ارتدادات منخفضة عند تردد التشغيل للمنافذ الداخلة المختبرة. تتوزع القدرة بين المخرجات الأربعة مع فروق طفيفة فقط بين المسارات، وتتابع الأطوار النسبية بين المخرجات القيم المتوقعة من مصفوفة باتلر مثالية إلى حد كبير. فوق 4 جيجاهرتز، تزداد ارتدادات الإشارة بشكل ملحوظ، ما يؤكد أن سلوك الترشيح منخفض التمرير المدمج يحجب الترددات الأعلى كما صُمم. تُعزى الاختلافات الطفيفة بين النتائج المقاسة والمحاكاة إلى تأثيرات الموصلات وتباينات بسيطة في مادة لوحة الدارة، وهما مشكلتان شائعتان في النماذج الأولية عالية التردد.

من الدارة إلى توجيه الحزم

لإيضاح كيفية استخدام هذه المصفوفة المدمجة في نظام حقيقي، وصل المؤلفون مخارجها إلى صف من هوائيات رقاعية مستطيلة، فكوّنوا إعدادًا لتشكيل الحزم التماثلي. عندما يُثار كل مدخل مختلف، يشير نمط الهوائيات المجمّع الحزمة الرئيسية بزاوية بين حوالي زائد وناقص 40 درجة، مع ربح ذروة يقارب 10 ديسيبل ومقيدات الحزم الجانبية تحت سالب 5 ديسيبل. العزل بين المنافذ الداخلة أفضل من حوالي سالب 15 ديسيبل، ما يشير إلى أن المنافذ لا تتداخل بقوة مع بعضها. عمومًا، تتصرف المصفوفة المصغرة كتصميم كلاسيكي من حيث التوجيه والربح، لكنها تأتي ببصمة أصغر بكثير ومع ميزة إضافية هي الترشيح.

ماذا يعني هذا لمعدات الاتصالات المستقبلية

تُظهر هذه العمل أن عنصر خط نقل بسيط على شكل T يمكنه أن يصغر وينظف الدوائر الأساسية لتوجيه الحزم المستخدمة في أنظمة 5G والرادار. وبما أن التصميم أحادي الطبقة، وسهل الوصف رياضيًا، وغير مرتبط بتخطيط مصفوفة باتلر محدد، فيمكن إعادة استخدامه في دوائر ميكروويف أخرى تعتمد على خطوط ربع الطول. مجتمعة مع طرق تصغير أخرى، قد تساعد هذه المقاربة في بناء عتاد تشكيل حزم أكثر إحكامًا وكفاءة، مما يخفض التكاليف ويوفر المساحة في أجهزة الاتصالات المستقبلية.

الاستشهاد: Amangeldi, Y., Rano, D., Arzykulov, S. et al. A novel filtering T-shaped transmission line structure and its application in the design of reduced-size Butler matrix. Sci Rep 16, 15116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44962-y

الكلمات المفتاحية: مصفوفة باتلر, تشكيل الحزم, هوائيات 5G, ترشيح منخفض التمرير, خط نقل