مصفوفة هوائيات مخفّضة البُعد لتشكيل/توجيه الحزمة

لماذا يهم تشكيل الموجات الراديوية

من هواتف الجيل الخامس وأجهزة توجيه الواي‑فاي إلى روابط الأقمار الصناعية والسيارات ذاتية القيادة، يعمل عالمنا بفضل حزم غير مرئية من الراديو والضوء. توجيه هذه الحزم بدقة — بحيث تتجه الطاقة فقط إلى حيث تُحتاج — أمر أساسي لتحقيق اتصالات أسرع وأكثر موثوقية وكفاءة في استهلاك الطاقة. يقدم هذا البحث طريقة جديدة لبناء هوائيات “ذكية” قادرة على توجيه الحزم باستخدام عدد أقل بكثير من العناصر الإلكترونية للتحكم، مما قد يجعل الشبكات المستقبلية أرخص وأخف وأقل استهلاكًا للطاقة.

كيف تتعلم الهوائيات التوجيه

الهوائيات التقليدية تشع في جميع الاتجاهات، مما يهدر الطاقة ويستقبل تداخلًا غير مرغوب فيه. يغيّر تشكيل الحزمة هذا الواقع عبر استخدام العديد من عناصر الهوائي الصغيرة التي تعمل معًا. بتغذية كل عنصر بإزاحة زمنية (أو طور) وقوة محددتان بعناية، تتضافر الموجات في اتجاه مفضل واحد وتتلاشى في أماكن أخرى. هذا يخلق حزمة قوية وقابلة للتوجيه قادرة على تتبع المستخدمين وفصل تدفقات بيانات متعددة وتحسين كشف الأجسام في أنظمة الرادار والليدار. المشكلة أن المصفوفة المرحلية التقليدية تتطلب لكل عنصر هوائي مبدل طور قابل للتعديل وغالبًا مضخمًا خاصة به. ومع توسع المصفوفات إلى مئات أو آلاف العناصر — كما هو متوقع للجيل السادس وأنظمة الأقمار الصناعية — تصبح المتطلبات المادية والتكلفة والطاقة هائلة.

القيام بالمزيد مع عدد أقل من عناصر التحكم

يتناول المؤلفون مشكلة التوسع هذه عبر اعتبار مهمة توجيه الحزمة كنوع من تحديات ضغط البيانات. بدلًا من تعديل كل عنصر هوائي بشكل مستقل، يصفون أولًا جميع الإعدادات اللازمة لاتجاهات حزمة متعددة كمصفوفة كبيرة. ثم يطبقون أداة رياضية تُدعى تحليل القيم المفردة (SVD) لاستخراج مجموعة أصغر بكثير من “الأنماط الأساسية” التي يمكن مزجها لإعادة تكوين تلك الحزم بأخطاء طفيفة فقط. في مصفوفة الزوايا المتسلسلة مخفّضة البُعد (DRCAO‑PAA) لديهم، تُبرمج كل نمط أساسي في الأجهزة بشكل ثابت، ولا تقرر سوى عدد قليل من وحدات التحكم المتغيرة مدى قوة استخدام كل نمط. عمليًا، تستبدل عدة مقابض ذكية عشرات أو حتى مئات الضوابط الفردية.

تحسين ذكي ومساعدة الذكاء الاصطناعي

ضغط المصفوفة وحده لا يكفي؛ يجب أن تكون الأنماط المتبقية أيضًا عملية للتنفيذ في العتاد. إذا تطلب نمط واحد تضخيمًا عاليًا جدًا أو دقة طور فائقة، يصبح بناؤه صعبًا أو مكلفًا. لتجنب ذلك، يستخدم الفريق طريقة تحسين مستوحاة من سلوك تكتلات الطيور، تُعرف بتحسين سرب الجسيمات، للبحث عن أنماط أساسية تحافظ على أخطاء الحزمة صغيرة مع إبقاء مكاسب المضخم ونطاقات الطور ضمن حدود عملية. ثم يتقدمون خطوة أخرى بتدريب نموذج تعلم عميق مبني على معماريات Transformer — شبيه بنماذج الذكاء الاصطناعي اللغوي الحديثة — للتنبؤ سريعًا بأنماط أساسية جيدة لأحجام مصفوفة ونطاقات مسح مختلفة. هذا يمكّن المهندسين من توليد تصميمات قريبة من المثالية في ثوانٍ بدلًا من تكرار عمليات البحث العددية الثقيلة.

من النظرية إلى الأجهزة العاملة

لإثبات أن الفكرة ليست مجرد رياضيات، بنى الباحثون لوحة دارات تعمل على موجات المليمتر بتردد 28 غيغاهرتز، وهو نطاق رئيسي للجيل الخامس وما بعده. تستخدم اللوحة رقاقة تشكيل حزم تجارية مرتبة في ثلاث طبقات — مدخلات، طبقة توجيه وسطى، ومخرجات — لتنفيذ الأنماط الأساسية الثابتة ودوائر المزج القابلة للتعديل. بهذا التصميم، يوضحون أن مصفوفة من 16 عنصرًا يمكن توجيهها على مدى 0–30° باستخدام 4 مسارات تحكم نشطة فقط بدلًا من 16، وأن مصفوفة من 8 عناصر تُوجَّه فقط بزوجين من وحدات التحكم. في حجرة صدى مطفأة، قاد هوائي من 4 عناصر بواسطة مبدّلي طور ومُضخّمين متغيرين فقط مع استمرار سلاسة مسح الحزمة عبر عدة درجات، مع إبقاء أخطاء التوجيه على جزء صغير من مدى المسح الكلي.

ماذا يعني هذا للشبكات المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن المصفوفات الهوائية الكبيرة والقابلة للتوجيه لا تحتاج دائمًا إلى مطابقة واحد‑لواحد بين عناصر الهوائي والإلكترونيات المكلفة للتحكم. عبر إعادة استخدام مكتبة صغيرة من الأنماط المصممة مسبقًا ومزجها بالنسب الصحيحة، يمكن خفض عدد وحدات التحكم النشطة بنسبة تصل إلى 75–87.5% مع الحفاظ على أداء توجيه مفيد. هذا الخفض يترجم إلى تكلفة أقل، استهلاك طاقة أقل، وعتاد أبسط — مزايا حاسمة لمحطات قاعدة كثيفة للجيل السادس، مجموعات كبيرة من الأقمار الصناعية، وأنظمة استشعار مدمجة. رغم أن التجارب الحالية تركز على مصفوفات خطية، يمكن توسيع فكرة ضغط المصفوفة نفسها إلى لوحات ثنائية الأبعاد للتوجيه ثلاثي الأبعاد الكامل، ما يشير إلى أجهزة اتصال واستشعار مستقبلية أكثر ذكاءً وكفاءة.

الاستشهاد: Xia, S., Zhao, M., Ma, Q. et al. Dimensionality reduced antenna array for beamforming/steering. Commun Eng 5, 38 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00588-6

الكلمات المفتاحية: تشكيل الحزمة, المصفوفات المرحلية, اتصالات الجيل السادس, روابط الأقمار الصناعية, تصميم الهوائيات