هوائيات ثنائية الممر مدمجة مستقطبة خطيًا ودائريًا باستخدام رقعة مصغرة منخفضة الاستقطاب العرضي

هوائيات أصغر لمساحات لاسلكية مكتظة

تعتمد الهواتف الذكية وموزعات الإنترنت المنزلية وأجهزة الاستشعار الصغيرة جميعها على هوائيات مدمجة لإرسال واستقبال البيانات. ومع تقلص الأجهزة وتزايد الاتصالات، يحتاج المهندسون إلى هوائيات تناسب الأماكن الضيقة دون أن تتداخل الإشارات مع بعضها. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن إعادة تشكيل هوائي مسطح شائع بحيث يعمل عند تردد أقل ويشغل مساحة أصغر، وفي الوقت نفسه يحافظ على فصل مسارين للإشارة قريبين بشكل يضمن وصلات لاسلكية أكثر موثوقية.

لماذا مهم وجود هوائيين في جهاز واحد

غالبًا ما تستخدم الأجهزة اللاسلكية الحديثة هوائيين متجاورين بحيث يتعامل كل واحد مع استقطاب مختلف للإشارة. تُعرف هذه الخدعة بتنوع الاستقطاب، وتساعد على مواجهة تلاشي الإشارة وزيادة معدلات البيانات في أنظمة متعددة الهوائيات (MIMO). المشكلة تظهر عندما تُضغط هذه الهوائيات بالقرب من بعضها، حيث يتسرب جزء من طاقة أحدها إلى الآخر، ما يزيد التداخل ويقلل فائدة وجود قناتين. تحل العديد من التصاميم الحالية هذه المسألة بإضافة هياكل بين الهوائيات أو فوقها، لكن هذه الإضافات تجعل العتاد أكبر وأكثر تعقيدًا.

ضبط الاتجاهات غير المرغوب فيها للإشارة

يركز المؤلفون على قضية دقيقة لكن مهمة تُعرف بالاستقطاب العرضي. من المثالي أن يشع الهوائي في اتجاه واحد مفضل للمجال الكهربائي. في الواقع، وبخاصة عند تصغير الهوائي، تظهر مجالات إضافية عمودية على الاتجاه المرغوب. في نظام ثنائي الممر حيث يفترض أن يستخدم كل منفذ استقطابًا مختلفًا، تعمل هذه المركبات العرضية كطريق مختصر للطاقة لتنتقل من منفذ إلى آخر. من خلال تحليل دقيق لتفاعل الحقول الكهربائية من هوائيين متعامدين، تُظهر الدراسة أنه إذا إبقيت المكونات العرضية غير المرغوبة صغيرة جدًا، يمكن أيضًا الحفاظ على اقتران منخفض بين المنافذ حتى عندما تكون الهوائيات قريبة للغاية.

شكل رقعة جديد يصغر الحجم ويحتفظ بالنقاء

لتحقيق كلٍّ من التصغير والنقاء في الاستقطاب، أعاد الباحثون تصميم رقعة هوائي مستطيلة قياسية. قطعوا الرقعة المعدنية إلى عدة أقسام ضيقة، أضافوا فواصل صغيرة بينها، وربطوا أجزاء مختارة بالأرض عبر ثقوب معدنية (فياس). كما أدخلوا شريطًا متعرجًا على شكل متعرج داخل الرقعة. معًا، تجعل هذه الميزات المسار الكهربائي أطول وأكثر سعوية دون تكبير المحيط الخارجي، مما يسمح للهوائي بالرنين حول 4.3 جيجاهرتز بدلًا من التردد الأعلى المتوقع لحجمه. تُظهر المحاكاة أن هذه الرقعة المصغرة تحافظ على كسب جيد بينما تخفض الاستقطاب العرضي غير المرغوب لنحو 50 ديسيبل تحت الإشارة الرئيسية، وهو مستوى منخفض استثنائي.

هوائيات ثنائية الممر مستقطبة خطيًا ودائريًا

بناءً على الرقعة الجديدة، أنشأ الفريق نوعين من المصفوفات ثنائية الممر. في الأول، وُضعت رقعتان مصغرتان بزوايا قائمة على نفس اللوح لخلق هوائي ثنائي الاستقطاب الخطي. حتى مع تباعد حافة إلى حافة يُعد جزءًا ضئيلًا من الطول الموجي، بقيت المنافذ متوافقة وسُجلت عزلة قياسية أعلى من 30 ديسيبل، وكل ذلك دون أجهزة فك اقتران إضافية. في التصميم الثاني، دمجت نفس الرقع المدمجة مع مقسم توافقي مطبوع لإنتاج مخرجات مستقطبة دائرية، إحداهما تدور باليد اليمنى والأخرى باليد اليسرى. تعمل هذه المصفوفة الثنائية المستقطبة دائريًا أيضًا حول 4.3 جيجاهرتز، وتحافظ على عزلة تزيد عن 10 ديسيبل، وتقدم أنماط إشعاع مستقرة بكسب معتدل مناسب للاستخدام العملي.

كيف يساعد هذا أجهزة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية

عند مقارنتها بهوائيات ثنائية الممر المماثلة المذكورة في الأدبيات، يشغل كلا التصميمين المقترحين بعضًا من أصغر المساحات الكهربائية مع الاستمرار في تقديم عرض نطاق ترددي، وكسب وعزلة تنافسية. وبما أن الفصل النظيف بين المنفذين ناتج عن سلوك الرقعة المصغرة نفسه بدلًا من هياكل إضافية ضحمة، تظل التصاميم الكلية بسيطة ومنخفضة الارتفاع. بالنسبة للمهندسين الذين يصممون هواتف أو مجسات أو منتجات لاسلكية محدودة المساحة، توفر هذه الهوائيات المدمجة منخفضة الاستقطاب العرضي وسيلة واعدة لتعبئة وصلات أكثر موثوقية في أجهزة أصغر حجمًا.

الاستشهاد: Tran-Tuan, A., Hoang-Thu, T., Le-Tuan, T. et al. Compact 2-port linearly and circularly polarized antennas using low cross-polarization miniaturized patch. Sci Rep 16, 15768 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46704-6

الكلمات المفتاحية: هوائي مدمج, MIMO, الاستقطاب, أنظمة لاسلكية, رقعة هوائي