مصفوفة هوائيات ميكروستريب مزدوجة الاستقطاب لفرقة Ku محمّلة بمواد ميتامَادية وغطاء وقائي لتطبيقات GB-SAR

مراقبة تنفّس الأرض

من الانزلاقات الأرضية البطيئة إلى اهتزاز الجسور الطفيف، كوكبنا في حالة حركة مستمرة. يمكن لكاميرات الرادار الأرضية تتبع هذه التحركات الدقيقة من مسافة آمنة، مما يساعد المهندسين على منع الكوارث والحفاظ على سلامة البُنى التحتية. لكن هوائيات الرادار المستخدمة في هذه الأنظمة غالبًا ما تكون ضخمة وتستهلك طاقة عالية وغير مصممة للظروف الخارجية القاسية. تقدّم هذه الورقة تصميم هوائي مدمج وعالي الكفاءة يهدف إلى جعل أنظمة الرادار الحرِجة هذه أخف وزناً، وأكثر ذكاءً، وأكثر متانة.

لماذا تهم عيون رادار أصغر

تعتمد أنظمة الرادار ذات الفتحة التركيبية الأرضية (GB-SAR) التقليدية عادةً على هوائيات قرنية كبيرة مثبتة على مسارات تتحرك ذهابًا وإيابًا لبناء صورة رادارية مفصّلة. وبينما تكون فعالة، فإن هذه التركيبة ثقيلة ومعقدة ومن الصعب نقلها إلى مواقع نائية مثل المنحدرات غير المستقرة أو الممرات الجبلية العالية. كما أن معظم الأنظمة التجارية تستخدم استقطابًا واحدًا، ما يعني أنها تستقبل فقط «اتجاهًا» واحدًا للمجال الكهربائي. هذا يقيّد قدرتها على تمييز المواد المختلفة أو على الرؤية بوضوح في ظروف معقدة مثل المطر أو الثلج أو المشاهد الحضرية المزدحمة. سيجعل هوائي أكثر إحكامًا وقادرًا على التعامل مع استقطابين في آن واحد وحدات GB-SAR أسهل في النشر وأكثر إفادة.

لوحة رادار رقيقة وذكية

يقترح المؤلفون لوحة هوائي رقيقة أبعادها 9 سنتيمترات في 3 سنتيمترات مبنية بتقنية الميكروستريب — نفس النهج المسطّح المطبوَع المستخدم في العديد من أجهزة الراديو الحديثة. في قلبها أربع رقع مربعة على شكل حلقات مرتبة في صف. يمكن لكل رقعة إرسال واستقبال موجات الرادار في استقطابين متعامدين باستخدام نقطتي تغذية منفصلتين، كل ذلك على طبقة واحدة. يساعد التوزيع الذكي لفتحات معدنية صغيرة (وصلات عمودية عبر اللوح) على منع تداخل الاستقطابين مع بعضهما، بحيث تعمل القناتان بسلاسة في نفس الوقت حول تردد ~17 GHz في فرقة Ku المستخدمة في العديد من أنظمة الرادار.

ترويض الموجات المراوغة بنقوش مُهندَسة

عندما تُربط عناصر هوائي متعددة في مصفوفة، يمكن للطاقة أن تتسرب جانبياً على السطح بدلاً من الإشعاع مباشرةً إلى الأمام، مما يؤدي إلى تمويه الحزمة وإضاعة الطاقة. لمواجهة ذلك، أضاف الفريق خلايا «ميتاماتريال» مصغّرة بين الرقع — نقوش نحاسية مهندَسة تتصرف بطرق غير تقليدية عند تعرضها للميكروويف. تتكوّن هذه الخلايا من حلقات مقسومة وشرائط صغيرة على نفس نوع لوحة الدائرة، ومُعدّلة لتعمل في النطاق الترددي للهوائي. تُظهر المحاكاة والقياسات أنها تكبح الموجات السطحية غير المرغوبة وتقلل الاقتران بين العناصر. النتيجة شعاع أنظف وأقوى مع زيادة في الكسب بحوالي 2–3 ديسيبل، مع الحفاظ على كفاءة إشعاع تقارب 94% أو أكثر وتداخل منخفض جداً بين المنافذ.

عدسات واقية تُشحذ الحزمة

بعيدًا عن الأداء، يجب أن تتحمّل وحدات GB-SAR الحقيقية الحرارة والبرودة والرطوبة والاهتزاز والإجهاد الميكانيكي. لحماية الهوائي وفي الوقت نفسه تحسين رؤيته، يغطّي الباحثون المصفوفة بطبقة عازلة رقيقة واحدة ثم بطبقتين مفصولتين بحوالي نصف طول موجي فوق الرقع. تعمل هذه الأوراق الإضافية إلى حد ما كحجرة بصرية عاكسة جزئياً أو عدسة: تعزز الإشعاع في الاتجاه الأمامي وتخفّض النطاقات الجانبية غير المرغوبة. مع وجود طبقتين، تصل المصفوفة إلى كسب ذروة يقارب 12 dBi، وتضيّق الحزمة الرئيسية إلى نحو 38 درجة، وتكبح الحواف الجانبية إلى حوالى –17 dB، مع الحفاظ على كفاءة عالية جداً وتغاير منخفض استثنائي بين قنوات الاستقطاب.

ماذا يعني هذا على أرض الواقع

بالنسبة لغير المتخصص، الخلاصة أن المؤلفين صمموا «عين» رادار مسطحة ومضغوطة ترى أوضح، من زوايا أكثر، وفي بيئات أصعب مقارنةً بالخيارات المتاحة. من خلال الجمع بين الاستقطاب المزدوج، وتحميل الميتاماتريال، والطبقات الفوقية الواقية في بنية بسيطة قابلة للتصنيع، يمكن للهوائي تمييز المواد والحركة بمزيد من الموثوقية بينما يظل قوي التحمل بما يكفي للتطبيقات السيارة والمراقبة الخارجية. هذا يجعله مرشحًا قويًا لأنظمة GB-SAR وفرقة Ku للرادار في الجيل القادم التي يجب أن تكون محمولة ودقيقة في الوقت نفسه.

الاستشهاد: Desouky, A.F., Abd El-Hameed, A.S., Eldamak, A.R. et al. Dual-polarized ku-band microstrip antenna array with metamaterial loading and protective superstrate for GB-SAR applications. Sci Rep 16, 14685 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49752-0

الكلمات المفتاحية: رادار أرضي, هوائي مزدوج الاستقطاب, فرقة Ku, ميتاماتريالز, مراقبة البُنى التحتية