التصميم العكسي والطباعة ثلاثية الأبعاد لمقسم طاقة ميكروي متعدد المنافذ: إطار تصميم كهرومغناطيسي قابل للتوسع

مكعبات بناء أذكى للإشارات عالية السرعة

تعتمد هواتفنا وأنظمة الرادار والأقمار الصناعية وحتى حسّاسات المصانع على موجات عالية التردد غير المرئية لإرسال وقياس المعلومات. داخل هذه الأجهزة توجد مكونات صغيرة تدير بهدوء كيفية تقسيم الطاقة وتوجيهها عبر مسارات مختلفة. تُظهر هذه الورقة كيف يمكن لأجهزة الحاسوب والطباعة ثلاثية الأبعاد أن تتعاونا لتصميم أحد هذه العناصر الأساسية — مقسم طاقة ميكروي — بطريقة أكثر مرونة، وأكثر قابلية للتكيّف وأسهل في التصنيع من الأساليب التقليدية.

لماذا يهم تقسيم الطاقة

في العديد من أنظمة الراديو والميكروويف، يجب تقسيم إشارة واردة واحدة على عدة مخرجات. على سبيل المثال، تستخدم الهوائيات ذات المصفوفة الطورية العديد من العناصر الصغيرة التي ينتج تجمعها أشعة يمكن توجيهها، وغالبًا ما تحتاج معدات الاختبار لتغذية نفس الإشارة إلى قنوات قياس متعددة. اليوم، يعتمد المهندسون عادة على مجموعة صغيرة من تخطيطات الدوائر القياسية، مثل مقسمات ويلكينسون أو موّحدات خط التفرُّع، والتي طُورَت قبل عقود. تعمل هذه التصاميم المجربة والموثوقة جيدًا للحالات البسيطة، لكنها تصبح غير ملائمة عندما تكون هناك حاجة لعدد كبير من المنافذ، أو عندما تكون المساحة ضيقة، أو عندما يجب أن يتناسب المقسم مع شكل غير عادي داخل نظام أكبر. ينتهي المطورون إلى ربط أجزاء قياسية ببعضها وتعديلها بالتجربة والخطأ، وهو ما يستغرق وقتًا وقد يغفل حلولًا أفضل.

السماح للحاسوب برسم الدائرة

يستبدل المؤلفون عملية الضبط اليدوي هذه باستراتيجية "التصميم العكسي". بدلًا من البدء من شكل دائرة معروف، يبدأون بكتابة ما يريدون أن يقوم به الجهاز: كم يجب أن يخرج من الطاقة في كل مخرج، وكم يجب أن ينعكس إلى الدخل، ومدى عزلة كل منفذ عن الآخر. ثم يسمحون لخوارزمية تحسين بضبط شبكة من المواد داخل منطقة التصميم حتى تظهر محاكاة الحقول الكهرومغناطيسية أن هذه الأهداف قد تحققت. تُعد طريقة رياضية مختصرة تُسمى طريقة المعاكس (adjoint) هذه البحث فعالًا: فهي تستخرج كيف يجب أن يتغير كل بكسل في الجهاز لتحسين الأداء اعتمادًا على عدد قليل من المحاكاة فقط، بدلاً من آلاف. وبما أن الخوارزمية تتحكم في نمط مادي مستمر بدلًا من قالب دائرة ثابت، فيمكنها استكشاف أشكال غير اعتيادية قد لا يخطر ببال مصمم بشري أن يرسمها.

التصميم مع مراعاة المصنَع

وبأهمية كبيرة، صُمم الأسلوب ليحترم كيفية تصنيع الجزء فعليًا. يختار الفريق عملية طباعة تجارية ثلاثية الأبعاد تُعرف باسم Multi Jet Fusion، التي تبني طبقات رقيقة من مسحوق النايلون إلى أشكال صلبة. يدمجون حدود الطابعة مباشرة في قواعد التصميم بفرض حد أدنى لحجم الميزات، والتحكم في حدة دوران الزوايا، وتصفيه التفاصيل الصغيرة التي لا يمكن للطابعة إعادة إنتاجها بشكل موثوق. الجهاز نفسه عبارة عن إدخال نايلوني مسطح بنمط متاهة من المادة العازلة، موضوع بين لوحين معدنيين يوجِّهان حقول الميكروويف. وبما أن نفس كود التحسين يحتاج فقط إلى حدود هندسية بسيطة ووصف مادي أساسي، فيمكن تكييفه مع طابعات أو طرق تشغيل أخرى دون إعادة كتابة الفيزياء الأساسية.

اختبار المقسم الجديد

لإظهار النهج، يصمِّم الباحثون مقسم طاقة بأربعة منافذ يعمل حول 10 جيجاهرتز، وهي حزمة شائعة في نطاق الميكروويف. في المحاكيات، يضبطون النمط الداخلي بحيث تُوزَّع الطاقة الداخلة من منفذ واحد بالتساوي إلى اثنين آخرين بينما يكاد لا يتسرّب شيء إلى المنفذ "العازل" المتبقي. بعد الطباعة وتجميع الجهاز، يقيسون أدائه باستخدام محلل شبكة. تتطابق النتائج الواقعية مع المحاكاة عن كثب: الانعكاسات إلى الدخل منخفضة، والمخرجان يشتركان في الطاقة بشكل متساوٍ إلى حد كبير، والتداخل غير المرغوب فيه في المنفذ المعزول يبقى مكبوتًا جيدًا. يعمل المقسم على عرض نطاق نسبي يقارب 23%، وهو أوسع من العديد من الموصلات الكلاسيكية ذات الأربعة منافذ، رغم أن خسارته أعلى بعض الشيء لأن البوليمر المطبوعة ليس منخفض الفقد مثل المواد الدائرية المتخصصة.

مخطط مرن لأجهزة المستقبل

بينما تركز الورقة على مقسم بأربعة منافذ، يؤكد المؤلفون أن التقدم الحقيقي هو وصفة التصميم نفسها. وبما أن أهداف الأداء تُكتب مباشرة بمصطلحات سلوك الحقل عند المنافذ، ولأن قيود التصنيع تُعالج بطريقة عامة، فيمكن توسيع نفس الإطار لأجهزة ذات منافذ أكثر، أو لنسب مشاركة طاقة مختلفة، أو لأدوار مختلفة تمامًا مثل المرشحات والهوائيات. على المدى الطويل، قد تتعامل نفس الأدوات حتى مع أجزاء قابلة للضبط أو نشطة عن طريق السماح بخواص مادية متغيرة. للقراء خارج هندسة الميكروويف، الرسالة الأساسية هي أن الجمع بين تحسين واعٍ للفيزياء والطباعة ثلاثية الأبعاد العملية يمكن أن يحول حرفة صعبة تعتمد على الحدس إلى عملية قابلة للتوسع والبرمجة لتشكيل كيفية تحرك الموجات عبر الفراغ.

الاستشهاد: Zolfaghary Pour, S., Zhang, H., Liu, P.W. et al. Inverse design and 3D printing of a multiport microwave power splitter: a scalable electromagnetic design framework. Commun Eng 5, 53 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00601-y

الكلمات المفتاحية: التصميم العكسي, مقسم طاقة ميكروي, تحسين معاكس, الطباعة ثلاثية الأبعاد, أجهزة راديو وترددات راديوية متعددة المنافذ