How Frequency-Selective Surfaces Reshape Antenna Bandwidth and System Performance

وتحتاج النظم اللاسلكية الحديثة إلى هوائيات تعمل عبر نطاقات متعددة الترددات، وترفض التدخل، وتحافظ على الأداء المتسق في البيئات الصعبة، وقد ظهرت هذه النظم المتتالية التي تُعدّ أداة قوية لتلبية هذه المتطلبات، وتُعدّ هذه الهياكل الدورية المصممة مرشحات مكانية، وتُحيل بصورة انتقائية أو تعكس موجات الكهرومغنطيسية استنادا إلى الترددات، وتُعَبُها، وزَتَتْها الإشعاعيَتْ.

ما هي التواتر - الوجهات الاصطناعية؟

وتتكون الأسطح التكاثرية من صفائف دورية من نوعين من الشظايا السلوكية أو فتحات الفتحات التي تطبع على جهاز غذائي فرعي، وتتصرف كل خلية في الصفوف كدائرة مترددة، وتظهر إما على متن نطاق التردد أو على نطاق الترددات، وعندما تتفاعل موجة الكهرومغناطيسية من النوع المائي مع المصفوفة، فإن السطح يجسد الطاقة القريبة من الغلاف.

والمبدأ المادي لعملية محطة الفضاء الخارجي مستمد من التفاعل بين الموجة والتيار المحفز على العناصر السلوكية، وفي صدد الصبر، يطابق الازدحام في الفضاء الحر بطريقة تزيد من التفكك أو النقل، ويتيح عدم الصبر، وعدم التطابق في السمع، مرور الموجة أو استيعابها، وهذا السلوك مماثل للشكل المتراكم، ولكن مخططات LC،

ويمكن تصنيف خدمات الدعم الميداني عموماً في فئتين:

  • Band-pass FSS] "ndash; These surfaces transmit signals within a specified frequency range and reflect signals outside that range. they are commonly used as radomes, sub-reflectors, and frequency-selective sub-systems in reflector antennas.
  • Band-stop FSS] "ndash; These surfaces reflect signals within a specified frequency range and transmit signals outside that range and they are employed to suppress interference, reduce radio cross-section, and isolate antenna elements in multi-band spectrums.

ويبدأ تصميم نظام رصد الأرض باختيار مركب من نوع " جيولوجيا مصممة حسب الوحدة " ، وتشمل الأشكال المشتركة الديبول، والجهاز المتقاطع، والثغرة المربع، ومعبر القدس، وخاتم دائري، وتشكيلات مكملة، وتنتج كل مادة من هذه المركبات خصائص مختلفة للارتداد، وحساسية للتوسع، ومواد الترددات الفرعية، وسمكها، وثبات الديكلترا، والتأثير على أداء الخسارة بقوة.

الأثر على باندويدث

ويعد باندويث قياساً حاسماً للهوائيات الحديثة، ولا سيما في التطبيقات التي يجب أن تدعم معايير الاتصال المتعددة، مثل 5G وW-Fi 6E، والاتصالات الساتلية، وشبكات الإنترنت للأشياء، وتسهم هذه الخدمات إسهاماً مباشراً في تعزيز عرض النطاقات من خلال عدة آليات.

توسيع نطاق العمليات عبر العناصر المتعددة المستويات

ومن خلال تصميم صفائف البرمجيات المزودة بأجهزة متعددة الترددات أو الجمع بين عناصر تكميلية، يمكن للمهندسين أن يخلقوا أسطحا تعمل على نطاق الترددات المتلاصقة الأوسع، وعلى سبيل المثال، فإن حزم طبقة أو أكثر من طبقة البرمجيات المفلورة ذات الترددات المكافئة قليلاً يؤدي إلى توسيع نطاق المرور أو التوقف، وهذه التقنية المعروفة بتردد متعدد المستويات أو بقطاعات التسلسل، تتيح لنظام العضانات المستقر.

وفي الممارسة العملية، قد يوفر جهاز استنشاق وحيد من طراز سواتل FSS عرضاً للقطعة من 10 رانداش؛ 20 في المائة، وبإضافة طبقة ثانية ذات نمط مكمل للقدس، يمكن للسطح المشترك أن يحقق عرضين للقطع يتجاوز 40 في المائة، مع الحفاظ على تنورات حادة في حواف النطاق الترددي، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة لسلسلة الترددات المتعددة التي يجب أن تكون محددة في إطار برنامج " UWB " .

تحسين منع الحمل

وكثيرا ما يقيد نطاق الترددات الترددية في الهوائيات الارتدادية من جراء المطابقة بين شبكة التغذية والعنصر المشع، وعندما توضع محطة كهرباء صغيرة جدا في منطقة الهوائي القريبة، فإنها تعدل الحمل التفاعلي الذي يراه المشع، ويمكن أن تؤدي خدمة الترددات المصممة تصميما سليما إلى تخفيض عامل الجودة (Q) التردد الهوائي، مما يؤدي إلى توسيع نطاقها الناجع، ولكن هذا نتاج متغير.

وبالنسبة إلى الهوائيات المتطورة، فإن النهج المشترك هو تجسيد جهاز فاسد أو طائرة أرضية انتقائية متكررة، ويخلق هذا الجهاز سلوكاً مؤثراً اصطناعياً على نطاق محدد، مما يتيح للرقعة أن تشع بكفاءة مع انخفاض الصورة، ونتيجة لذلك، فإن النطاق الترددي الأوسع نطاقاً للضغط بالمقارنة مع طائرة أرضية تقليدية مثالية للسلوك الكهربائي، تقوم بإنفاذ برنامج كهرباء ضيق النطاق.

التمكين من العملية المتعددة الوحدات

وفي نظم الهوائي المتعددة النطاقات، تعمل محطة الفضاء الدولية كأجهزة استخلاص فضائية، مما يتيح لفرق الترددات المختلفة أن تتقاسم نفس الفتحة المادية دون تدخل متبادل، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يدمج الهوائي المصور الذي يعمل في كلا النطاقين كو - النطاق وشبكة كاب - النطاق الترددي جهازا ساتليا مزدوجا، وهو جهاز فرعي، ويعكس الترددات المنخفضة بينما يمر بحجم التردد العالي، مما يتيح معالجة تغذيتين مستقلتين.

وبالمثل، يمكن للشبكات المتشابكة التي تستخدم الترددات الكهربائية والكهربائية أن تعزل العناصر المشعّة لفرقة واحدة من شبكة التغذية في أخرى، مع الحفاظ على نمط الإشعاع ونقاء الاستقطاب في جميع نطاقات التشغيل.

تعزيز أداء الهوائيات

وبالإضافة إلى توسيع نطاق الترددات، تسهم خدمات الدعم الميداني في عدة مقاييس رئيسية للأداء تحدد نوعية وموثوقية الصلة اللاسلكية.

التخفيض المتبادل في الأزواج

وفي صفائف الهوائي المتواجدة في الفضاء عن كثب، يؤدي التقارب بين العناصر المتاخمة إلى تدهور نمط الإشعاع، ويزيد من مستويات النسيج الجانبي، ويحد من زاوية المسح المسبق، ويمكن وضع الأشعة المفلورة بين عناصر الصفوف أو طبقة خارقة لقمع انتشار الموجات السطحية التي تسبب الانقلاب، وذلك عن طريق العمل كمرشاة للمسح السطحي المهيمن، مما يؤدي إلى زيادة العناصر المادية دون أن تفصل هذه العناصر.

وقد أظهرت الدراسات حدوث تخفيضات في الـ 15 من الطرازات؛ و25 من الـ دي بي في صفائف رقائق الميكروبات باستخدام جدار متداخل بين العناصر، ويتألف الجدار من قطع عمودية من العناصر السلوكية المطبوعة على طبقة فرعية رقيقة، موجهة نحو رفض الموجة السطحية للطائرة H-plane، وهذه التقنية فعالة بشكل خاص في صفائف مدمجة حيث يقل معدل سرعة العناصر عن نصف موجة.

مستوى الجانب وخطبة الإشعاع

ويمكن استخدام محطة الفضاء الخارجي لتشكل نمط الإشعاع البعيد عن الميدان عن طريق التحكم في حجم ومرحلة الحقول التي تصل إلى الفتحة، وعندما تستخدم هذه المستودعات كرادوم، يمكن لمحطة مائية متفاوتة من حيث المكان أن تلصق النور عبر الفتحة الهوائية، وتخفض مستويات الفول الجانبي مع الحفاظ على التوجيه العالي، ويتحقق ذلك عن طريق تصميم محطة الفضاء الاتحادية مع تفاوت تدريجي في الترددات أو نقلها عبر سطحها.

فعلى سبيل المثال، يمكن للمفكر المظلوم المكون من مركز الصدارة أن يضم مرشدا فرعيا من طراز FSS له صورة إرسال أعلى من المركز، مما يعوض عن جهاز تسجيل الكم الطبيعي للتغذية، ونتيجة لذلك، يكون جهازا لاسلكيا أكثر اتساقا، وأجهزة طرفية أقل، وكفاءة محسنة في استخدام الشعاع، وتستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في محطات أرضية للاتصالات الساتلية، وفي علم الفلك اللاسلكي.

بـاء - الاستقطاب والتمييز عبر الحدود

ويعتمد العديد من نظم الاتصال على الاستقطاب المزدوج أو الاستقطاب الدائري لتكرار القدرة على القناة أو التخفيف من التلاشي، ويمكن تصميم نظام خدمات الدعم المالي على إظهار السلوك الانتقائي الاستقطابي، وإحداث استقطاب واحد، مع رفض الاستقطاب الأول، وتستخدم هذه الممتلكات لخلق مستنقعات استقطابية تفصل قنوات التخدير دون مكونات إضافية من الموجات.

وفي صفائف التصفيق المزدوجة القطب، يمكن أن يؤدي نظام مراقبة البرمجيات الحرة إلى تحسين التمييز بين أجهزة الاستقطاب عن طريق قمع الحقول التي تشع من أطراف الرقائق، وتعمل هذه الأجهزة كمنضب، وتخفف من عنصر الاستقطاب غير المرغوب فيه بحلول 20 من طراز DB، مع إدخال الحد الأدنى من الخسائر في نقاط الاستقطاب العالية المرغوبة.

تخفيض قطاع الرادار

وبالنسبة لتطبيقات الدفاع والفضاء الجوي، فإن خفض التقاطع الراداري للهائي هو أولوية، ويمكن تصميم السكك الحديدية التي تستخدمها محطة الفضاء الأوروبية بحيث تكون شفافة في منطقة الأنتينا - أرسكو؛ وتواتر التشغيل مع إبراز أو استيعاب الطاقة في ترددات أخرى، مما يحول دون تشتيت إشارات الرادار خارج النطاق بالهيكل الهوائي، مما يقلل منصة العامة لشبكة RCS.

وتنتج عن تجميع خدمات الدعم الميداني مع مواد مقاومة أو عناصر نشطة أسطح مكيفة يمكن أن تتغير بين الدول المنخفضة الدخل والدول ذات النقل العالي، وهذه البرمجيات المتجددة التي تشكل مجالا نشطا للبحث عن التكنولوجيا الخفية ونظم الحرب الإلكترونية المعرفية.

اعتبارات التصميم من أجل التكامل الفعال في إطار خدمات الدعم الميداني

ويتطلب تحقيق فوائد أداء خدمات الدعم الميداني اهتماماً دقيقاً بمجموعة من معايير التصميم، ويجب معالجة العوامل التالية خلال مرحلة التصميم والمحاكاة.

وحدة القياس الجيولوجي وتركيب التربة

ويحدّد اختيار قياسات الترسبات الأرضية في الخلايا الترددية، وتواتر الترددات، وحساسية الاستقطاب، وتتيح الحلقات الدراسية والعوالق التعميمية نطاق واسع وتدني الحساسية لزاوية حدوث الإصابة، مما يجعلها شعبية بالنسبة لتطبيقات الغراب، وتزيد صليب القدس من حدة الاندفاع ولكنها أكثر حساسية إزاء التسامح في مجال التصنيع، وتُحدّد الترددات المتردية أساساً بالأبعاد المادية للصفية.

المواد والثكومة

ويدعم نظام الديكلتري العناصر السلوكية ويؤثر على الديموقراطية الفعالة للسطح، وينتج عن الطبق الفرعي الأكثر سمكاً مع انخفاض ثابت الديكليتي عموماً زيادة في عرض النطاق الترددي وانخفاض فقدان الإدخال، ولكنه يزيد أيضاً من درجة الارتداد السطحي؛ ويؤثر على معدل الإصابة بالوباء، وفي تصميمات البرمجيات المتعددة الطوابق، يجب التحكم في التباعد بين الطبقات في إطار مناورات المرغوبة.

الاستقرار غير القانوني

ويحافظ نظام رصد الحالة على رده على الترددات على مجموعة واسعة من زوايا الإصابة، وفي الممارسة العملية، تتحول تردد الترددات إلى زاوية ارتفاع معدلات الإصابة، بسبب تغير طول المسار الفعال عبر خلية الوحدة، ويمكن التقليل من هذا التحول باستخدام قياسات جغرافية مغلقة (مثل الحلقات والثوابت) كثيرا ما تكون لها عمليات توزيع جارية متماثلة، واستخدام شوارع سميكة تقلل من أثر الموجة ال ٦٠.

التسامح السافر واختيار المواد

وتُستحوذ العناصر السلوكية عادةً على رباط النحاس أو حمض الألومنيوم الذي يُهيمن على طبقة فرعية من البوليمرات المنخفضة الضياع، وبالنسبة للتصميمات العالية التردد (فوق 30 جيهرتز)، فإن سميكة وسلوك الموصل وخصبة الحواف تصبح كبيرة، ويفضل أن تحافظ العمليات السائلية أو البوليتوغرافية الضوئية على الدقة البُعدية، ويجب أن تكون البرمجيات الفرعية مستقرة على درجة الحرارة والرطوبة 4؛

التكامل مع العناصر النشطة

وتشتمل هذه المكونات النشطة على قواعد بيانات تصميمية إضافية: يجب إدماج شبكات التحيز دون إزعاج الأداء في إطار إدارة عمليات حفظ السلام، كما يجب أن يُحسب التأثير الديناميكي للمفاتيح وقياسها في محاكاة الترددات الكاملة، وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن نظم التعبئة الفعالة تتيح إمكانية الوصول إلى المواد المشعة دون إزعاج الأداء في إطار إدارة مصائد الأسماك.

تطبيقات الصناعات عبر الحدود

وقد أدت تعارض نظام الخدمات المالية إلى اعتمادها في طائفة واسعة من النظم التجارية ونظم الدفاع.

الاتصالات الساتلية

وفي حمولات السواتل، تستخدم محطة الفضاء الأوروبية كأجهزة لاستقبال الترددات وأجهزة استقطاب، ويمكن أن تدعم الهوائيات المفردة في آن واحد الطوابق C-band, Ku-band, وشبكة كاب-الشبكة عن طريق إدراج مجموعة من أجهزة الاستنشاق ذات النطاق الترددي المتعدد، مما يقلل من عدد الهوائيات المطلوبة على المركبة الفضائية، ويوفِّر حجماً من الكتلة وحجماً فرعياً من نوع كوستر.

5G and Wireless Infrastructure

تستخدم محطات القاعدة من الجيل الخامس (خمسة آلاف) صفائف ضخمة من أجهزة التصوير المغنطيسي تعمل في 3.5 جيهرتز و 28 جيهرتز و 39 من فرق الترددات الكهربية يمكن دمجها في الصلصة المتحركة إلى التصفية من مجموعات الخلايا المتاخمة، وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء ومنافذ البيانات، بالإضافة إلى أن عناصر الأشعة المحتوية على الأشعة الضوئية تخفض الانقلابات في الزواياميسين.

الرادار المتمتع بالحكم الذاتي

وتحتاج نظم الرادار الآلية العاملة في 24 جيهرتز و 77 غيهرتز و 79 جيهرتز إلى رفالات شفافة في إشارة الرادار، مع رفض التدخل من أجهزة الاستشعار الأخرى ووصلات الاتصالات، وترمي هذه الدراما إلى تجاوز نطاق الرادار مع انخفاض الخسارة، مع إطفاء إشارات الوي فاي وبلوتوث التي يمكن أن تفسد البيانات الرادارية، وهذا أمر حاسم بالنسبة للتشغيل الموثوق به لضبط التموطيفيزيئيدي.

الحرب الإلكترونية والدفاع

وتستخدم المنصات العسكرية محطة الفضاء الأوروبية لتقليل التقاطع الراداري، والاتصالات الودية من إشارات التشويش العدائية، وتمكين الهوائيات المتعددة النطاقات التي تلائم نقطة انطلاق محدودة، ويجري حاليا تطوير خدمات الدعم المالي الناظرة التي يمكن أن تتحول بين دول النطاقات المتسربة والتوقيف في ثواني صغيرة من أجل نظم المكافحة الإلكترونية التي يجب أن تستجيب للتهديدات السريعة التغير، وغالبا ما تدمج هذه الأسطح في صلب مركبات جوية غير مأهولة.

الاتجاهات المستقبلية

وتتقدم تكنولوجيا خدمات الدعم الميداني على جبهات متعددة، مدفوعة بمطالب الجيل القادم من النظم اللاسلكية وعلوم المواد الجديدة.

Metamaterial-Inspired FSS

ويوفر الميثامتريا ممتلكات غير موجودة في المواد الطبيعية، مثل الرخصة السلبية والقابلية السلبية للارتطام، وبإدماج هياكل فرعية لأجهزة التردد في خلايا وحدات القوات المسلحة، أنشأ الباحثون أسطحاً ذات تنانير حادة للغاية، وزوارق على نطاق واسع، بل وكسباً نشطاً، ويمكن لهذه الأجهزة المميتة أن تقلل حجم السطح عن طريق ترتيب من أجهزة الإدخال الكهربائية.

السطح القابل للتسويق والثقة

ويسمح إدماج المواد القابلة للتسوية مثل البلورات السائلة والخصيتين والغرافيين في تصميمات خدمات الدعم الميداني بتعديل الاستجابة للتواتر بصورة كهربائية أو بصرية، ويمكن أن يتحول تواتر التردد السائل إلى 10 سنوات؛ 20 في المائة مع بعض فولت التحيز، مما يجعلها مناسبة للأجهزة اللاسلكية المعرفية التي يجب أن تتكيف مع تغير مدى توافرها في المختبرات.

الصناعة التحويلية

ويتيح الطباعة وطباعة القبر ثلاثية الأبعاد نسيج محطة الفضاء الخارجي على مبانٍ ومرنة، ويتيح إمكانيات جديدة للهوائيات المتطابقة التي تتبع شكل جناح الطائرات أو جهاز قابل للارتداء، ويقلل التصنيع الإضافي من وقت القيادة وتكاليف التطوير الأولي، ويتيح إنشاء هياكل معقدة متعددة الطوابق يصعب إنتاجها مع العمليات التقليدية وما إلى ذلك، مما سيعجل باعتماد المنتجات التجارية في شكل عوامل الإنتاج.

تصميم معونة للتعلم

ويمكن أن يُتوقع من خوارزميات التعلم في الآلات، ولا سيما الشبكات العصبية، الاستجابة الكهرومغناطيسية لمقياس هندسي معين من الخلايا المحتوية على الموجات الكاملة المتكررة، مما يتيح الاستقطاب السريع على آلاف المرشحين للتصميم، ويُستخدم هذا النهج بالفعل في تصميم نظام المعلومات المسبقة عن البضائع مع تحديد فترات الاستقرار المحددة.

خاتمة

وقد تطورت الأسطح الآخذة في التواتر من فضول مختبري إلى أداة هندسية عملية تعالج مباشرة نطاقات الأنائيات الحديثة والتحديات التي تواجه الأداء، وهي تتيح، من خلال العمل كمرشحات مكانية، التشغيل المتعدد النطاقات، وتقليص الانقسامات المتبادلة، وتشكيل أنماط الإشعاع، وتحسين نقاء الاستقطاب عبر مجموعة واسعة من الترددات، ويكمن مفتاح النجاح في تكامل النسيج في التصميم الدقيق للوحدة.

ومع أن النظم اللاسلكية تدفع نحو ارتفاع الترددات، واتساع نطاق الترددات، والعملية التكيّفية، فإن تكنولوجيا الترددات الفلورية ستواصل التقدم من خلال المفاهيم الميتامية، والمواد غير القابلة للتداول، وأساليب التصميم القائمة على البيانات، وسيكون المهندسون الذين يفهمون مبادئ ومبادلات خدمات الدعم الميداني مؤهلين بشكل جيد لإنشاء نظم عتيقة وفعالة وشفوية للجيل القادم من تطبيقات الاتصالات والاستشعار والدفاع.