هوائي هولوجرام من نوع جينوس لتطبيقات MIMO

لماذا يهم تصميم هذا الهوائي الجديد

بث فيديو فائق الوضوح للقطارات، وتوجيه الطائرات المسيرة والصواريخ، أو ربط حزمة كبيرة من المستشعرات في المدن الذكية يتطلب روابط لاسلكية قادرة على نقل كميات هائلة من البيانات دون أجهزة كبيرة وثقيلة. يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من الهوائيات المسطحة «الهولوجرامية» القادرة على توجيه وتجزئة شعاعها الراديوي بطرق ذكية، مع الاحتفاظ بكونها رقيقة وخفيفة التكلفة وبسيطة التصنيع. صُممت لخدمة أنظمة الجيلين الخامس والسادس وتناسب الأسطح المنحنية مثل المركبات والطائرات، مما يوفر مسارًا عمليًا نحو اتصالات لاسلكية أسرع وأكثر موثوقية.

سطح رقيق يشكل الموجات الراديوية

بدلاً من استخدام العديد من عناصر الهوائي المنفصلة مع شبكة من الكابلات ومغيرات الطور، يبني المؤلفون ما يكاد يكون جلدًا معدنيًا مهندَسًا. يتألف هذا الجلد من نمط متكرر من رقع معدنية سداسية صغيرة مطبوعة على لوح دائرة قياسي. عندما يطلق خط تغذية بسيط موجة موجهة على طول هذا السطح المنقوش، تُصمم الرقع بحيث تتسرّب أجزاء من الموجة في اتجاه متحكم به، كما يحدث عند حيود الضوء من هولوجرام. من خلال اختيار النمط بعناية، يستطيع الباحثون تركيز الطاقة المشعة في شعاع ضيق عالي الكسب مع إبقاء الهوائي منخفض السّمك وسهل التصنيع.

مسح الحزمة وتجزئتها

ميزة رئيسية لهذا الهوائي الهولوجرامي هي قدرته على تغيير اتجاهه ببساطة عبر تغيير تردد التشغيل أو نمط الرقع. في اختبارات بين 13 و17 غيغاهرتز، يمسح الشعاع الرئيسي بسلاسة من نحو 30 إلى 64 درجة، ويصل إلى أقصى كسب يبلغ 20.6 ديسيبل‑آي مع كفاءة إشعاع عالية (نحو 87 بالمئة). عن طريق مزج نمطين دوريين أو أكثر على نفس السطح، يمكن للهوائي أيضًا إرسال الطاقة إلى عدة اتجاهات في آن واحد. يعرض الفريق شعاعين مزدوجين بزوايا متواضعة وأشعة مفصولة على نطاق واسع حول ±60 درجة. ثم يكدّسون طبقتين منقوشتين مفصولتين بصفيحة معدنية رقيقة لإنتاج أربع أشعة متزامنة بزوايا تمتد من −120 إلى +120 درجة، كلها من هيكل مدمج.

العمل كنظام متعدد الهوائيات مدمج

تعتمد محطات القاعدة والأجهزة الحديثة غالبًا على عمل عدة هوائيات معًا (MIMO) لزيادة سرعات البيانات وموثوقية الارتباط. عندما توضع هذه الهوائيات قريبة جدًا من بعضها، فإنها تميل إلى التداخل، ما يضعف الأداء. يضع المؤلفون اثنين من هوائياتهم الهولوجرامية جنبًا إلى جنب بتباعد حافة‑إلى‑حافة لا يزيد عن ربع طول موجي — ضيق للغاية عند هذه الترددات. لمنعها من "التواصل" بقوة مع بعضها، يدرجون شرائط سلبية رفيعة بين الأسطح المشعة. تُضبَط هذه الشرائط بحيث تلغي الحقول غير المرغوب فيها التوصيل بين الهوائيات الرئيسية، مخفِضة التداخل من نحو −10 ديسيبل إلى أفضل من −20 ديسيبل عبر النطاق ومنتجة مؤشرات تنوع ممتازة مرغوبة في أنظمة MIMO الحقيقية.

لف الهوائي حول أسطح العالم الحقيقي

لوحات الاختبار المسطحة ليست سوى جزء من القصة؛ فالكثير من المنصات الواقعية منحنية. يفحص الباحثون بذلك سلوك هوائيهم الهولوجرامي عند لفه حول أسطوانات في اتجاهين مختلفين. عندما يُلف بلطف عبر بُعده القصير، يحتفظ الهوائي إلى حد كبير بشكل شعاعه وكفاءته، مع تغييرات متوسطة فقط في الكسب مع شدة الانحناء. عند انحنائه على امتداد بُعده الطويل، حيث يكون الفتحة المشعة أكبر، تكون الآثار أقوى: يتوسع الشعاع الرئيسي، وتنمو الرفارف الجانبية، وينتقل تردد الأداء الأمثل. ومع ذلك، بالنسبة لأنصاف أقطار واقعية شبيهة بجسم الطائرات أو أسطح السيارات، يستمر الهوائي في توفير أشعة قوية قابلة للتوجيه، مما يدل على إمكان تضمينه في صواريخ وطائرات دون طيار وسيارات وقطارات.

ما يعنيه هذا لأنظمة لاسلكية مستقبلية

بشكل عملي، يُظهر هذا العمل أن سطحًا منقوشًا واحدًا وبسيطًا يمكنه تقديم العديد من الوظائف التي تتطلب اليوم مصفوفات طور ضخمة: كسب عالٍ، توجيه شعاع بعرض زاوي واسع، أشعة متعددة متزامنة، وتشغيل MIMO بتباعد ضيق. وبما أنه رقيق ومنخفض التكلفة ويمكن أن ينثني على مضيفين منحنين، فإن هوائي الجينوس الهولوجرامي المقترح يعد لبنة واعدة للبنية التحتية المستقبلية للجيل الخامس والسادس ولمنصات مدمجة عالية الأداء. ويشير المؤلفون أيضًا إلى نسخ مستقبلية تضيف ضبطًا إلكترونيًا أو أنماطًا ثنائية البُعد كاملة، ما قد يزيح الحزم أكثر ويجعلها قابلة لإعادة التكوين عند الطلب.

الاستشهاد: Eltresy, N.A., Malhat, H.A. & Deen, S.Z. Genus hologram antenna for MIMO applications. Sci Rep 16, 14647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50229-3

الكلمات المفتاحية: هوائي هولوجرام, ميتاسيرفس, MIMO, توجيه الحزمة, اتصالات لاسلكية 5G 6G