מערך פאצ׳ בצורת Y בעל רווח גבוה ותצורת MIMO עם 8 פורטים עבור שונות תבניתית ביישומי גל‑מילימטר

למה אותות מהירים דורשים אנטנות חכמות יותר

שידור וידאו ברזולוציה על‑גבוהה במיוחד, הרצת מציאות מדומה או ניווט רכבים אוטונומיים—כל אלה תלויים באותות אלחוטיים שמעבירים כמויות עצומות של נתונים, מידית ובאופן מהימן. רשתות דור חמישי (5G) מנסות לענות על הביקוש הזה באמצעות פסי תדר גבוהים מאוד, «גלי‑מילימטר», במיוחד סביב 28 GHz. תדרים אלה מעניקים ספקטרום חדש ורחב אך נתקלים בקלות בחסימות מצד קירות, מבנים ואף גשם. כדי להפוך אותם לשימושיים נדרשות אנטנות קומפקטיות שיכולות גם להגביר את עוצמת האות וגם לכוון אותה לכל כיוון סביב המכשיר. מאמר זה מציג עיצוב אנטנה חדש המתמודד עם שתי המשימות הללו במקביל.

להפוך גלים חלשים לקישורים חזקים

אותות גל‑מילימטר מתנהגים אחרת מאשר גלי הרדיו שנמצאו ברשתות סלולריות קודמות. הם מאבדים עוצמה במהירות עם המרחק, חודרים פחות מחסומים, ורגישים למזג‑אוויר ולצמחייה. כדי לשמור על חיבורים יציבים, תחנות בסיס ומכשירים צריכים לרכז אנרגיה לקרניים צרות ולהיות מסוגלים לכוון אותן אל המשתמשים. אנטנות פאצ׳ פשוטות הן זולות ושטוחות אך בדרך כלל בעלות רווח צנוע וטווח תדרי פעולה צר. עיצובים קודמים ניסו לשפר ביצועים עם שכבות נוספות, מתגים אלקטרוניים או משטחים מורכבים, אך לעתים הפכו למקובעים, צורכי‑אנרגיה גבוהים או קשים להרחבה לתדרים גבוהים מאוד.

יחידת‑בניין בצורת Y לקרניים חזקות יותר

המחברים מתחילים עם פאצ׳ מתכתי זעיר המודפס על לוח מעגלים דק מסוג Rogers 5880, מגובה במישור קרקע מתכתי מלא. האלמנט הבסיסי מוזן מתחתית דרך חיבור קואקסיאלי, מה שמקטין גלים משטחיים בלתי רצויים ומשפר את היעילות. כשלעצמו, הפאצ׳ פועל היטב סביב 28 GHz ומספק רווח בינוני של כ‑7 dBi עם קרן רחבה למדי שמכוונת קדימה ופיזור מוגבל מאחורי הלוח. כדי להעלות את הרווח בלי להגדיל את שטח הרגל, הצוות מארגן שלושה פאצ׳ים כאלה מסביב להאכלה מרכזית באמצעות מפצל בצורת Y, כך שהאנרגיה מתחלקת ומופאזת ביניהם בצורה מבוקרת.

מצרור אחד לקרן לכל הכיוונים

המערך התלת‑אלמנטי בצורת Y מרוכז את האנרגיה הרדיו לתוך קרן ראשית צרה יותר, מה שמעלה את הרווח לכ‑12–13 dBi בערך תוך שמירה על רוחב פס של כ‑800 MHz סביב 28 GHz. התיאוריה מראה שרווח גבוה כזה נובע מהתאבכות בונה כאשר שלושת הפאצ׳ים מקרינים בסינכרון; אותו אפקט גם עושה את העיצוב רגיש יותר לשינויים בתדר, מה שמסביר את פיצול רוחב הפס המתון. כדי להפוך קרן ממוקדת זו לכיסוי מלא של 360°, החוקרים משכפלים ומראים את מערך ה‑Y ליצירת תצורה תחילה עם שני פורטים, אחר‑כך ארבעה פורטים ולבסוף שמונה פורטים המסודרים בפריסה תלת‑ממדית בצורת צלב. כל "פורט" מזין מערך Y המכוון לכיוון שונה, כך שהקרניים שלהם יחד מכסות את כל ה‑360° סביב המכשיר.

שמונה "אוזניים" מאזינות לכל הכיוונים

מערכת השמונה‑פורט המוכנה מתנהגת כטבעת של "אוזניים" היפר‑כיווניות, כל אחת עם רווח חזק ומעט הפרעה לשכנותיה. סימולציות ומדידות על אב‑טיפוס שיוצר ממחישות כי האנטנה משמרת את רצועת היעד 27.6–28.4 GHz, שומרת על בידוד טוב מ‑20 dB בין פורטים (כלומר הערוצים נשארים נקיים), ומספקת רווח מדוד מעל 13 dBi לכל אחת מהשמונה הקרניים. מדדי שונות נוספים מצביעים על כך שדפוסי הקרינה של הפורטים שונים מספיק כדי שניתן יהיה לשלוח ולקלוט מספר זרמי נתונים במקביל, מה שמגביר את האמינות וקצב העברת הנתונים—יתרונות מרכזיים של טכנולוגיית MIMO.

מה המשמעות עבור מכשירי 5G עתידיים

עבור לא‑מומחה, ההישג המרכזי הוא שהמחברים דחסו שמונה קרניים בעלות רווח גבוה ומובחנות ביניהן לתוך אנטנה קטנה יותר מגפרור, המותאמת לפס מילימטר מרכזי של 5G. במקום להסתמך על חלקים נעים או רשתות החלפה מורכבות, העיצוב מנצל גיאומטריה חכמה—מפצל בצורת Y וארגון תלת‑ממדי שקול—כדי לשלב קרניים חזקות וצרות עם כיסוי מלא של 360°. גישה קומפקטית ויעילה זו עשויה לסייע לתחנות בסיס עתידיות, נקודות גישה ואפילו למכשירי קצה מתקדמים לשמור על קישורים מהירים ומהימנים בערים צפופות, במפעלים או ברכבים מחוברים, וכך להפוך את הבטחת ה‑5G המהיר בגלי‑מילימטר לפרקטית יותר בסביבות מציאותיות.

ציטוט: Abaas, A., Awan, W.A., Choi, D. et al. A high-gain Y-shaped patch array with an 8-port MIMO configuration for pattern diversity in mm-wave applications. Sci Rep 16, 8993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35545-y

מילות מפתח: אנטנות 5G, גלי מילימטר, MIMO, כוונון קרן, תקשורת אלחוטית