هوائي رقعي مدمج ثنائي المنفذ مستقطب دائريًا لأنظمة الاتصالات القابلة للارتداء في نطاق X متوافق مع معايير SAR

أجهزة لاسلكية أصغر وأكثر أمانًا على الجسم

تعتمد الساعات الذكية وأساور اللياقة والأجهزة الطبية القابلة للارتداء على وحدات راديو صغيرة تجلس مباشرة على جلدنا. ومع معالجة هذه الأجهزة لمزيد من البيانات بسرعات أعلى، يجب أن تصغر هوائياتها، وتعمل بثبات أثناء الحركة، وتظل آمنة عند الاتصال المطول مع الجسم. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن لهوائي بحجم عود ثقاب أن يلبّي كل هذه المتطلبات في آن واحد لنطاق ترددي عالي قليل الاستخدام، ما يفتح الباب أمام أجهزة قابلة للارتداء أكثر قدرة وراحة.

لماذا يهم هذا النطاق القليل الاستخدام

يركز العمل على ما يُسمى نطاق X حول 9 جيجاهرتز، شريحة من الطيف تُستخدم اليوم في الغالب لرادارات على السفن والطائرات والأقمار الصناعية. عند هذه الترددات، تكون أطوال الموجة قصيرة، لذا يمكن أن تكون الهوائيات صغيرة جدًا، ومع ذلك يبقى فقد الإشارة في الهواء معتدلاً مقارنةً بنطاقات الموجات المليمترية. وعلى خلاف نطاقات الواي فاي والخلوي المزدحمة دون 6 جيجاهرتز، فإن نطاق 9.0 إلى 9.3 جيجاهرتز يضم عددًا أقل بكثير من الأجهزة الاستهلاكية، مما يقلل التداخل. هذا يجعله جذابًا للوصلات القريبة من الجسم التي تحتاج إلى أجهزة مضغوطة وقنوات واضحة.

التحدي المتمثل في حشر متطلبات عدة داخل هوائي واحد

تصميم هوائي لجهاز على المعصم أو على شكل رقعة عند هذه الترددات ليس مجرد مسألة تصغير مقياس التصميم. السطح المتاح على الجسم صغير جدًا، بينما كانت الهوائيات المستقطبة دورتيا في الماضي عند نطاق X تقيس عدة سنتيمترات في الطول. القرب من الجلد يغيّر الضبط وقد يضعف قوة الإشارة ما لم يُدرَج درع مناسب بعناية. ويرغب المهندسون أيضًا في منافذ متعددة حتى يمكن للجهاز استخدام تقنيات الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد، أو MIMO، لمواجهة تلاشي الإشارة. وفي الوقت نفسه، يجب أن يشعّ الهوائي بطريقة تبقى ضمن حدود السلامة الصارمة لكمية الطاقة التي تمتصها الأنسجة المجاورة، والمقاسة بمعدل الامتصاص النوعي SAR. عادةً ما كانت التصاميم السابقة تُحقق بعض هذه الأهداف فقط.

هوائي توأم بحجم عود الثقاب

بنى الفريق هوائيًا ثنائي المنفذ بقياس 40 × 15 مليمترًا وبسُمك 1.6 مليمتر، بحجم يوازي تقريبًا عود علكة نحيف. يستخدم رقعتين معدنيتين دائريتين صغيرتين جوار بعضهما على لوحة خلفية مشتركة مع طبقة معدنية صلبة أدناه تُثبّت نمط الإشعاع وتُدرّع الجسم. تُغذى كل رقعة من الأسفل بواسطة مسبار متحد المحور قصير موضوع قليلًا خارج المركز. هذا الإزاحة الهندسية البسيطة، مع حافة الدائرة المنحنية، تخلق بطبيعة الحال مركبتين من موجة الراديو متساويتين في الشدة ولكن بفارق ربع دورة في الطور، مولِّدةً استقطابًا دائريًا دون الحاجة لفتحات إضافية أو تقطيعات زوايا أو شبكات تغذية معقدة.

كيف يتحدث بوضوح دون تداخل

تمتد الرقعتان على بعد بضعة مليمترات فقط، ضيق بما يكفي لجهاز قابل للارتداء وصغير لكنه كافٍ لعدم تداخل الحقول القريبة بقوة. تُظهر المحاكيات والقياسات أنه عندما يكون منفذ واحد نشطًا، تظل التيارات على الرقعة الأخرى أضعف بكثير، والطاقة التي يبعثها كل رقعة في الفضاء تشير في اتجاهات متباينة قليلًا وتلتف. ينتج عن هذا ارتباط منخفض بين الإشارتين، وهو أمر حيوي لأنظمة MIMO. عبر نطاق 9.0 إلى 9.3 جيجاهرتز، كلا المنفذين متطابقان جيدًا مع معدات الراديو القياسية، وتظل تداخلاتهما أقل من المستوى الذي قد يفسد مكاسب التنوع، ويستمر الاستقطاب الدائري ثابتًا، فلا تنهار قوة الإشارة عندما يدير المرتدي معصمه أو يتحرك عبر بيئة داخلية معقدة.

حماية المرتدي

للتحقق من السلامة، وضع الباحثون نموذج الهوائي على يد رقمية ثلاثية الطبقات واقعية مكوّنة من جلد ودهون وعضلات وحسبوا مقدار الطاقة التي تمتصها الأنسجة. حتى عند تردد التشغيل، كانت قيم ذروة SAR أقل بكثير من حدود التعرض الدولية عند المتوسط فوق غرام واحد وعشرة غرامات من النسيج. تُظهر نسبة الإشعاع الأمامية إلى الخلفية القوية أن معظم الطاقة تتجه بعيدًا عن الجسم، بينما تحد الطبقة المعدنية الخلفية والهيكل المضغوط من تكوّن نقاط ساخنة في الجلد. يوحي هذا بأن الهوائي يمكن أن يدعم استخدامًا مستمرًا أو طويل الأمد في الأجهزة القابلة للارتداء الحقيقية دون تجاوز العتبات التنظيمية.

ما يعنيه هذا للأجهزة القابلة للارتداء في المستقبل

عمليًا، تقدم الدراسة مخططًا لبناء هوائيات مدمجة جدًا توفر روابط موثوقة غير حساسة لاتجاه التوجيه وقدرات قنوات متعددة التي تتطلبها أنظمة الاتصالات الحديثة، مع الامتثال لمعايير السلامة. من خلال إثبات أن التصغير، والاستقطاب الدائري، وأداء MIMO، وSAR المنخفض يمكن التعايش في هيكل واحد بسيط في نطاق X، يشير العمل إلى أساور ذكية مستقبلية، وأجهزة مراقبة صحية، وحتى حساسات رادار صغيرة تكون قوية ومريحة للارتداء.

الاستشهاد: Gloria, J.P., Anbarasu, M.M., Liakath, J.A. et al. A miniaturized dual-port circularly polarized MIMO patch antenna for SAR-compliant wearable X-band communication systems. Sci Rep 16, 16150 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47610-7

الكلمات المفتاحية: هوائي قابل للارتداء, نطاق X, الاستقطاب الدائري, MIMO, سلامة SAR