هوائي هولوجرافي متعدد الوظائف من بلازما هجين للتركيز الميداني القريب/البعيد باستخدام هيكل واحد

جلب حزم لاسلكية أكثر حدة إلى التكنولوجيا اليومية

من أجهزة فحص أمن المطارات إلى الإنترنت عبر الأقمار الصناعية وحتى علاجات السرطان المستقبلية، تعتمد العديد من الأنظمة الحديثة على هوائيات قادرة على إرسال وجمع الموجات الراديوية بدقة عالية. يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من الهوائيات المسطحة القائمة على البلازما التي تستطيع كلًّا من تركيز الطاقة على بقعة صغيرة قريبة وإرسال حزم قوية قابلة للتوجيه إلى مسافات بعيدة، باستخدام نفس السطح المدمج. يمكن لهذا الجمع بين المرونة والقدرة أن يجعل الأجهزة اللاسلكية المستقبلية أكثر دقة وقابلية للتكيّف وأسهل في التمويه عند عدم الاستخدام.

لماذا يهم تركيز الموجات الراديوية

يستخدم تصوير واستشعار الميكروويف موجات راديوية عالية التردد لـ"رؤية" داخل المواد، أو اكتشاف أشياء مخفية، أو مراقبة الأنسجة البشرية دون قطع أو لمس. لإنتاج صور واضحة أو توصيل طاقة بأمان إلى منطقة صغيرة، يسعى المهندسون إلى هوائيات قادرة على تركيز الموجات مثلما تركز العدسة الشمس، أو توجيه حزم ضيقة نحو اتجاهات محددة. تحقق مصفوفات الهوائيات التقليدية ذلك باستخدام العديد من الأجزاء المعدنية والأسلاك المعقدة، والتي قد تكون ضخمة ومكلفة وبطيئة في التكيف. يستكشف المؤلفون طريقًا مختلفًا: استخدام البلازما — غاز تحول إلى حالة كهربائية — لإنشاء سطح خفيف الوزن وقابل لإعادة التشكيل يمكنه تغيير كيفية انعكاسه للموجات في الزمن الحقيقي.

شاشة مسطحة من البلازما القابلة للتحكم

في جوهر التصميم لوحة مربعة مكوّنة من 441 أنبوبًا زجاجيًا صغيرًا على شكل حلقة مملوءة بغاز خامل مثل الأرغون. عند تطبيق جهد كهربائي، يتحول الغاز إلى بلازما ويتصرف إلى حد ما كالمعدن، بحيث يمكن ضبطه بسلاسة من عاكس للغاية إلى شفاف تقريبًا بتغيير كثافة الإلكترونات. تُركب اثنتان من هذه الأسطح النمطية من البلازما على ظهريهما، مفصولتين بصفيحة معدنية، ويتم إضاءتهما بواسطة هوائيات قرنية بسيطة تغذي طاقة الميكروويف عند 10 غيغاهرتز. من خلال التحكم الدقيق بحالة البلازما في كل حلقة، يعمل السطح كـ"مرآة هولوجرافية" تشكل الطريقة التي تغادر بها الموجات اللوحة. وبدلًا من تحريك أجزاء ميكانيكية، يغير الهوائي سلوكه إلكترونيًا عبر تعديل الفولتيات.

توجيه وتقسيم الحزم على مسافات بعيدة

تُظهر المحاكاة الحاسوبية أن هذه اللوحة البلازمية القادرة على العمل بسطح واحد يمكن أن تشكل حزمة رئيسية ضيقة جدًا تشير مباشرة إلى الخارج أو تمسحها عبر نطاق واسع من الزوايا. يصل الهوائي إلى ربح عالٍ — وهو قياس لقوة الإشعاع في الاتجاه المختار — بحوالي 28.7 ديسيبل أربي عندما يشير مباشرة إلى الأمام ويحتفظ بقوة مفيدة عند زوايا تصل حتى 40 درجة. تظل الخسائر معتدلة رغم استخدام البلازما، وتُحافظ الأهداب الجانبية والإشعاع الخلفي غير المرغوب عليهما على مستوى منخفض معقول بالنسبة لبنية مدمجة بحجم 31.5 سم في 31.5 سم. من خلال ترتيب العناصر بنمط رقعة الشطرنج وإسناد إعدادات بلازما مختلفة للخلايا المتناوبة، يمكن لنفس السطح أن ينتج شعاعين منفصلين عند زوايا مختلفة في آن واحد، وتفعيل جانبي الهيكل يمكن أن يولد شعاعين مزدوجين في اتجاهين متعاكسين، مما يخدم فعليًا مستخدمين أو مناطق متعددة في الوقت نفسه.

استهداف حاد في المجال القريب

بعيدًا عن الروابط بعيدة المدى، يركز الهوائي الطاقة أيضًا على بقعة دقيقة تبعد أكثر قليلاً من نصف متر أمام سطحه. للقيام بذلك، تحسب المجموعة مقدار التأخير الطوري الإضافي المطلوب لكل عنصر بحيث تلتقي جميع الموجات المنعكسة متزامنة عند النقطة المختارة، تمامًا مثل توقيت جمهور للتصفيق بتناسق تام. ببرمجة هذا النمط في حالات البلازما، تشكّل اللوحة جبهة موجية متقاربة على شكل "فقاعة" من الطاقة. البقعة البؤرية الناتجة ضيقة جدًا — بضعة سنتمترات فقط — بحجم حوالي 3.25 سم في 3.75 سم، مع تسرب أقل بكثير حولها مقارنة بوضع غير مركز، وهو أمر حاسم لتركيز الطاقة بأمان في العلاج الطبي أو لفحص منطقة صغيرة داخل بنية. ومن اللافت أن النظام يمكنه تحريك هذا التركيز إلى الجانب دون أي أجزاء متحركة وعند استخدام السطوح معًا، يمكنه التركيز في المجال القريب بينما يرسل في الوقت نفسه حزمة قوية إلى الحقل البعيد.

ماذا يعني هذا للأنظمة المستقبلية

تُظهر الدراسة أن هوائيًا هولوجرافيًا مسطحًا واحدًا قائمًا على البلازما يمكنه استبدال أجهزة متخصصة متعددة من خلال تقديم توجيه حزم للحقل البعيد، وتشغيل متعدد الحزم، وتركيز حاد في الحقل القريب على منصة قابلة لإعادة التكوين. وبما أن أنابيب البلازما يمكن إيقاف تشغيلها لتصبح شبه غير مرئية للموجات الواردة، فقد يكون الهيكل أيضًا أقل قابلية للكشف عبر الرادار مقارنة بالهوائيات المعدنية التقليدية. مع قدرته على إعادة تشكيل إلكترونية لمكان توجيه الطاقة — سواء إلى نقطة دقيقة في الجسم، أو إلى عدة مستخدمين في الفضاء، أو إلى أهداف صناعية مختلفة — تشير هذه التقنية إلى أنظمة لاسلكية أكثر مرونة وتكاملًا وتمويهًا لعلاجات طبية، والاتصالات الفضائية، والرادارات المتقدمة.

الاستشهاد: Eltresy, N.A., Malhat, H.A., Deen, S.Z. et al. Multifunction plasma genus holographic antenna for near/far-field focusing using a single structure. Sci Rep 16, 12854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47001-y

الكلمات المفتاحية: هوائي بلازما, توجيه الحزمة, التركيز الميداني القريب, صف عاكس هولوجرافي, تصوير ميكروويف