هوائي رقعة مدمج ثنائي الاستقطاب منخفض التعقيد بعزل عالٍ واستقطاب متقاطع منخفض لتطبيقات العمل الكامل داخل النطاق

لماذا تهم الهوائيات الأفضل في الاتصالات اللاسلكية اليومية

تتنافس الهواتف الذكية وموجّهات الواي‑فاي المنزلية وأجهزة الجيل السادس المستقبلية على نفس الطيف المحدود من الموجات الهوائية. إحدى الطرق الواعدة لاستخراج بيانات أكثر من الطيف هي السماح للجهاز بالإرسال والاستقبال على نفس التردد في الوقت نفسه، وهو وضع يُعرف بالعمل الكامل داخل النطاق. لكن لجعل ذلك يعمل عمليًا، يجب على الهوائي الصغير داخل الجهاز أن يمنع إشارات الإرسال من طمس إشارة الاستقبال. تقدم هذه الورقة تصميمًا جديدًا لهوائي مدمج يتناول هذا التحدي باستخدام بنية بسيطة يمكن أن تتناسب داخل منتجات الاتصالات الحديثة.

إفساح المجال في عالم موجات مكتظ

تتفادى أنظمة الاتصالات التقليدية التداخل الذاتي بفصل إشارات الإرسال والاستقبال زمنياً أو تردديًا، وهو ما يقلص فعليًا معدل البيانات المحتمل إلى النصف. تهدف أنظمة العمل الكامل إلى مضاعفة الكفاءة بالسماح للاتجاهين بمشاركة القناة نفسها. المشكلة أن إشارة المرسل القوية يمكن أن تتسرّب إلى مسار المستقبل، مما يطغى على الإشارة الأضعف الواصلة من الطرف الآخر للوصلة. جزء من الحل يكمن في إلكترونيات ومعالجة إشارات ذكية، لكن على الهوائي نفسه أيضاً الحفاظ على استقلالية مسارات الإشارة قدر الإمكان مع البقاء صغيرًا وسهل الصنع.

إشارةان، مشع صغير واحد

يعتمد المؤلفون على مكوّن شائع يُعرف بهوائي رقعة ميكروسترب، وهو في الأساس مستطيل معدني رقيق مطبوع على لوحة دوائر. يقدمون أولًا نسخة أحادية الاستقطاب «مصغّرة» تستخدم فواصل ضيّقة ودبابيس معدنية (فياز) لإضافة تخزين كهربائي إضافي، أي سعة، داخل الرقعة. تسمح هذه التحميلات الداخلية للهوائي بالرنّان عند تردد أدنى بدون زيادة في حجمه، مما يقلّص أبعاده إلى 0.18 طول موجي على الضلع عند 5.6 جيجاهرتز — صغير بما يكفي للأجهزة المدمجة. والأهم أن طريقة تغذية الهوائي وشكله تحافظان أيضًا على استقطاب غير مرغوب فيه — وهو الجزء من الموجة الذي يهتز في الاتجاه الخاطئ — أقل بأكثر من 40 ديسيبل من الإشارة الرئيسية، وهو أفضل بكثير من رقعة تقليدية.

كيف تهذب البنية الجديدة التداخل

لتحويل الرقعة المصغرة إلى مشع ثنائي الاستقطاب يمكنه التعامل مع مسارين مستقلين للإشارة، يُغذّي الفريق نفس الرقعة المربعة من اتجاهين متعامدين ويقطعون فتحات قطرية في سطحها. تُدخل هذه الفتحات، جنبًا إلى جنب مع الفواصل والدبابيس السابقة، سعة إضافية وتشكل مسارات التيار عبر المعدن. تُظهر المحاكاة والقياسات المختبرية أن نمط التيار المشكّل بعناية يحافظ على فصل قوي بين الاستقطابين. في نطاق التشغيل من 5.53 إلى 5.62 جيجاهرتز، تبقى الطاقة المتسرّبة من منفذ إلى آخر أفضل من 38–40 ديسيبل تحت الإشارة الرئيسية، مما يعني أن مسارات الإرسال والاستقبال بالكاد «ترى» بعضها البعض رغم مشاركتهما نفس المشع.

الأداء في نطاقات العالم الواقعي

صُنِع الهوائي على ركيزة قياسية واحدة واختُبر بواسطة محلل الشبكات وإعداد قياس فوق‑الهوائي. يغطي نطاقًا بعرض 90 ميجاهرتز حول 5.6 جيجاهرتز، ما يجعله مناسبًا ضمن طيف واي‑فاي 5 جيجاهرتز واسعًا بما يكفي لاستضافة قنوات واي‑فاي المعتادة بعرض 20–80 ميجاهرتز. داخل هذا النطاق، كلا المنفذين متطابقان بشكل جيد، ويبلغ ذروة الكسب في الاتجاه العمودي حوالي 4.3 ديسيبل‑آي، وتبقى كفاءة الإشعاع فوق 70%، وهي أرقام محترمة لتصميم مدمج كهذا. يظل مقياس يسمى معامل ارتباط المغلف (envelope correlation coefficient)، الذي يقيس مدى استقلالية المنفذين، أقل من 0.05 عبر النطاق، مما يدل على أن الاستقطابين يمكن أن يقدما قنوات تنوع أو MIMO ذات جودة عالية.

ماذا يعني هذا لمعدات الاتصالات المستقبلية

من خلال الجمع بين الحجم المدمج والبناء البسيط بطبقة واحدة، واستقطاب غير مرغوب فيه منخفض جدًا، وعزل استثنائي بين منفذيه، يحقق هذا الهوائي توازنًا عمليًا بين الأداء وسهولة التصنيع. بالمقارنة مع تصميمات ثنائية الاستقطاب المدمجة الأخرى في الأدبيات، يقدّم عزلاً أفضل واستقطابًا أنظف دون اللجوء إلى طبقات مكدسة أو شبكات فصل ضخمة أو تغذيات معقّدة. للقراء غير المتخصصين، الخلاصة أن هذا النوع من المشعات قد يساعد أجهزة الواي‑فاي والأجهزة اللاسلكية المستقبلية على الإرسال والاستقبال في آن واحد على نفس القناة، مما يزيد السرعات والموثوقية دون المطالبة بطيف أكثر أو مساحة أكبر داخل الجهاز.

الاستشهاد: Tran-Huy, H., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. A low-complexity compact dual-polarized patch antenna with high isolation and low cross-polarization for in-band full-duplex applications. Sci Rep 16, 10761 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45635-6

الكلمات المفتاحية: الاتصال اللاسلكي ذو الاتجاهين الكامل, هوائي ثنائي الاستقطاب, هوائي رقعة مدمج, واي‑فاي 5 جيجاهرتز, قمع التداخل الذاتي