هوائي محطة أساس مزدوج الاستقطاب منخفض الارتفاع وعالي العزل قائم على موصل مغناطيسي صناعي

أبراج خلوية أصغر لعالم أكثر اتصالًا

مع تزايد عدد هواتفنا وأجهزة الاستشعار الذكية والأدوات اللاسلكية، يجب أن تواكب صناديق المعادن والإلكترونيات التي تربطها بالشبكة هذا النمو. تتناول هذه الدراسة جزءًا هادئًا لكنه مهمًا من تلك المسألة: كيفية بناء هوائيات محطات الأساس تكون أصغر وأسهل في النشر، وفي الوقت نفسه قادرة على التعامل مع حركة بيانات كثيفة بشكل موثوق. يعرض المؤلفون طريقة لتقليل ارتفاع هوائي محطة أساس 5G مع الحفاظ على إشارات قوية وتقليل التداخل بين القنوات، مما يساعد الشبكات على العمل بشكل أفضل في المدن المزدحمة.

لماذا يهم حجم الهوائي وصفاء الإشارة

تعتمد الأنظمة الحديثة مثل 5G وإنترنت الأشياء والأقمار الصناعية وراديوهات الدفاع على محطات أساس قادرة على العمل عبر نطاقات ترددية واسعة والإرسال والاستقبال بأكثر من اتجاه استقطاب واحد. يتيح استخدام استقطابين في الوقت نفسه حمل بيانات أكثر في نفس شريحة الطيف ويحسن الاستقبال عندما تنعكس الإشارات عن المباني والعقبات الأخرى. ولكن هناك مقايضة: العديد من الهوائيات التي توفر نطاقًا تردديًا واسعًا والاستقطاب المزدوج تكون ضخمة، مما يزيد التكاليف ويجعل إخفاءها على الأسطح أصعب ويقيد عدد العناصر الممكن وضعها في مصفوفة. هدف هذا العمل هو الحفاظ على النطاق التشغيلي الواسع والقدرة على الاستقطاب المزدوج مع تقليل الحجم العمودي وتقليل التداخل غير المرغوب بين منفذي الهوائي.

طريقة جديدة لنشر الإشارة

يبدأ الباحثون بنمط معدني مسطح على شكل صليب يعمل كجزء مشع للهوائي. عن طريق تقليم زوايا هذا الرقعة بعناية ونقش فتحات ضيقة فيها، يخلقون عدة رنانات قريبة تندمج لتشكّل نطاقًا تشغيليًا واسعًا بين 3.1 و4.1 جيجاهرتز، وهو نطاق يُستخدم في العديد من خدمات 5G تحت 6 غيغاهرتز. يسمح هذا تشكيل لمسار التيار على الرقعة المعدنية للهوائي بالبقاء مدمجًا دون فقدان النطاق الترددي. كما صمموا ترتيب تغذية ذكيًا بخطين ميكروستريب متعامدين ومرتبطين على مستويات مختلفة، بحيث لا تجلس منافذا الإدخال مباشرة فوق بعضهما. يوفر هذا الترتيب استقطابين مستقلين مع الحد من الاقتران المباشر بين مواضع التغذية.

استخدام مرآة ذكية بدلًا من لوحة معدنية

تجلس هوائيات محطات الأساس التقليدية على بعد حوالي ربع طول موجي فوق لوحة معدنية صلبة تعمل كمرآة للموجات الراديوية. هذا التباعد الثابت هو ما يحدد جزءًا كبيرًا من الحجم العمودي. استبدل الفريق هذه المرآة البسيطة بسطح مهندس يُدعى موصل مغناطيسي صناعي، مبني من مصفوفة من البلاطات المنقوشة الصغيرة مفصولة عن لوحة الأرضي بفجوة هواء رقيقة. داخل النطاق الترددي المستهدف، يعكس هذا السطح الموجات بمرحلة مطابقة بدلًا من عكسها، لذا يمكن للهوائي أن يجلس أقرب بكثير ومع ذلك يشع بكفاءة. كما يمنع هذا السطح الخاص موجات السطح الجانبية التي كانت ستنتشر على اللوحة وتحمل الطاقة من منفذ إلى آخر، وهو مصدر رئيسي للتداخل في المصفوفات الكثيفة.

اختبار الأداء في المختبر

من خلال محاكاة حاسوبية، درس المؤلفون كيف تؤثر سماكة طبقة الهواء، وسمك الألواح، وحجم كل بلاطة على سلوك الانعكاس للسطح الصناعي. يوضحون أن إدراج فجوة هواء يوسّع كثيرًا النطاق المفيد للانعكاس مع الحفاظ على خسائر المواد والتكلفة ضمن حدود معقولة. بعد اختيار ترتيب مكوّن من 11 × 11 بلاطة، بنوا نموذجًا ماديًا وقاسوا سلوكه. عبر النطاق من 3.1 إلى 4.1 جيجاهرتز، يحافظ الهوائي على توافق جيد مع خطوط التغذية، ويقدم ربحًا لا يقل عن 8.5 ديسيبل، ويحافظ على تسرب الطاقة بين المنفذين عند مستوى منخفض جدًا. تظل أنماط الإشعاع المقاسة مستقرة مع تغير التردد، وتبقى مكونات الاستقطاب غير المرغوب فيها أضعف بكثير من الإشارة الرئيسية.

ماذا يعني ذلك للشبكات المستقبلية

التصميم النهائي له بصمة جانبية تقارب ربع طول موجي وارتفاع يقارب عُشر طول موجي فقط، وهو أنحف بشكل ملحوظ من العديد من هوائيات محطات الأساس المزدوجة الاستقطاب المماثلة. في الوقت نفسه، يقدم عزلًا قويًا بين القنوات، وربحًا معقولًا، وبناءً بسيطًا قائمًا على لوحات مطبوعة وشبكة منتظمة من البلاطات المعدنية. بالنسبة لمطوري الشبكات، قد يسهل هذا النوع من الهوائيات منخفضة الارتفاع وعالية العزل إدخال عناصر أكثر في مساحة معينة، ويحسن جودة الخدمة في مصفوفات 5G، ويقلل الأثر البصري على المشهد الحضري. يوضح العمل كيف أن تشكيل كل من الرقعة المشعة والسطح العاكس أدناه يمكن أن يساعد في موازنة الحجم والنطاق الترددي وصفاء الإشارة في أنظمة لاسلكية عملية.

الاستشهاد: Zhang, L., Wang, Y., Dang, W. et al. A low-profile high-isolation dual-polarized base station antenna based on AMC. Sci Rep 16, 15822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46941-9

الكلمات المفتاحية: هوائيات 5G, الاستقطاب المزدوج, موصل مغناطيسي صناعي, تصميم محطة أساس, هوائي منخفض الارتفاع