استخدام الهندسة الفائقة في تصميم الأنتينا لعملية التكاثر المتعدد

استخدام الهندسة الفائقة في تصميم الأنتينا لعملية الترددات المتعددة

وقد زاد الطلب على الهوائيات المتعددة النطاقات، بصورة هائلة، مع انتشار الأجهزة اللاسلكية، حيث تعمل نظم الاتصالات الحديثة من الهواتف الذكية إلى وصلات السواتل عبر نطاقات متعددة الترددات مع الحفاظ على الكفاءة العالية والحد الأدنى من الحجم، وكثيرا ما تواجه التصميمات القديمة تداولا أساسيا بين الأبعاد المادية، وكسر النطاق الترددي، وعدد النطاقات المدعومة من الترددات، وتوفر قياسات هندسية متطورة حلا قويا.

ما هو "فريكتال جيميتري"؟

إن التحلل الجغرافي للخصائص، الذي كان أول ما تم إضفاء طابع رسمي عليه بينوت ماندلبروت في السبعينات، يصف الأنماط المعقدة التي تظهر الترهيب الذاتي عبر مختلف المستويات، وينشأ شكل كسور بتطبيق قاعدة جغرافية متكررة، ويولد هيكلاً يشبه كل مستوى من التكاثر، وهذه الملكية مثبطة في الطبيعة - المنافقات، والفروع الشجرية، ومسارات الاختراق.

How Fractal Antennas Achieve Multi-Band Operation

وتعود الهوائيات التقليدية إلى ظهورها حيث تعادل طولها الكهربائي عدة من الجيل الثاني من الجيل الملوّث، ونصف أو ربعه، وينتج هذا الهائي الكسور، بسبب هيكله الذاتي، نسخا متعددة من الشكل الأساسي على نطاقات مختلفة، ويقابل كل شكل من أشكال التكسير الترددي المختلفة.

ملاءم الحيوانات المحشوة

العملية المتعددة الوحدات بدون عناصر إضافية

وعلى عكس الهوائيات التقليدية المتعددة النطاقات التي تتطلب عناصر منفصلة مشعة أو شبكات مطابقة معقدة، فإن الهوائيات المكسورة تدعم بطبيعتها ترددات متعددة، وهذا ما يبسط النظام العام للهائي ويقلل من تكاليف النسيج.

حجم الاتفاق وكفاءة الفضاء

فطبيعة الكسور التي تملأها الفضاء تتيح للمصممين تحقيق مسار كهربائي أطول في منطقة أصغر، مثلا، يمكن أن يكون ديبول منحنى كويتش أقل بنسبة ٢٥-٤٠ في المائة من ثنائي بول عادي نصف الموجات مع الحفاظ على نفس الترددات المتردية، وهذا التصغير حاسم بالنسبة للأجهزة التي تكون فيها العقارات في أقساط، مثل أجهزة الهاتف الذكية، ومجسات الإيوت، والإلكترونيات القابلة للارتداء.

القدرات الواسعة النطاق والمتعددة النطاق

وهناك العديد من المعالم الجيولوجية المكسورة مثل هيكل غاز سيربينسكي وفلفلفل الجليد في كوتش، التي تظهر عدة فرق مميّزة، بينما توفر أخرى، مثل منحنى هيلبرت، نطاقات واسعة النطاق من العوز تغطي النطاقات الترددية المستمرة، وهذا الاختلاف يجعل الهوائيات المكسورة مناسبة للتطبيقات التي تتطلب انتقائية ضيقة النطاق وتغطية واسعة النطاق.

تحسين ملاءمة حالات إعاقة

لأن الكسور تُدخل مسارات متعددة وشحنات تفاعلية، يمكن أن تُلحَم لتحقيق تطابق جيد بين النطاقات بدون دوائر خارجية، فالجيولوجيا نفسها توفر تحولاً طبيعياً في حالة إعاقة، مما يُسهِّل الانتقال بين خط التغذية والفضاء الحر.

تخفيض التكافل المتبادل في الأري

وعند ترتيب عناصر الكسور في صفائف، يمكن وضع عناصر الكسور على نحو أوثق من العناصر التقليدية مع الحفاظ على مستويات مقبولة من التقارب المتبادل، مما يتيح تشكيلات صفائف الكثيفة لنظم التضليل ونظم الرصد والتحقق.

GOUS Fractal Geometries Used in Antennas

كوخ كورف (كوك سنوفليك)

ويُبنى منحنى كويتش مراراً باستبدال الجزء الثالث من خط بجزأين متساويين يشكلان زاوية من 60 درجة، وبعد بضع مرات، يصبح الشكل منحنى مُعلقاً وشبهاً بالثلج، ويزيد منحنى كويتش من طول الكهرباء الفعلي دون زيادة النطاق المادي، ويمكن أن يُعاد النظر في عدد أجهزة كولش ديبول بحجم أقل من مستوى المقياس المثالي العادي.

Sierpinski Gasket

إن هيكل شركة سيربينسكي الغازي هو كسر ثلاثي حيث يقسم كل مثلث مساواة إلى أربعة مثلثات صغيرة، ويُحذف المثلث المركزي الملتوي، وهذه العملية متكررة إلى أجل غير مسمى، وينتج هيكلها نمطاً ذاتياً ينتج سلوكاً ثابتاً من حيث الفترة: حيث تردد المدخلات في نطاقات الإشعاع ذات الصلة بعامل التكديس (الغاز الثاني).

هيلبرت كورف

إن منحنى هيلبرت هو كسر مستمر في مساحات الفضاء، حيث تخترق الأفاعي منطقة مساحتها دون أن تعبر نفسها، ويملأ كل تربة المربع بصورة أكثر كثافة، وعندما يستخدم كشرط أو ديبول، فإن الهوائي المسمى هيلبرت يحقق تردداً طويلاً جداً مقارنة ببطاقاته، مما يجعله واحداً من أكثر تصميمات الهوائيات اتفاقاً، ومع ذلك فإن هذا يعني أنّه هو الاختصار.

Minkowski Fractal

ويستخدم كسور مينكوفسكي، المعروف أيضا باسم سجق مينكوسكي أو جزيرة مينكوسكي، مولدا كهربائيا غير منتظم يصيب كل جانب، ويحتوي الشكل الناتج على بعد كسور أعلى من منحنى كوتش ويوفر درجات إضافية من الحرية في معالجة حالات الصعود، وكثيرا ما تستخدم الهوائيات الكسورية في تطبيقات ذات النطاقين المزدوج وسلسلة، حيث تحتاج نسبة التصميم إلى رقابة دقيقة على هذه الحالات.

Cantor Set and Fractal Tree

مجموعة الكانتور هي كسر واحد الأبعاد يتألف من جزء خطي مع الجزء الثالث الأوسط من العزلة، وعندما يطبق على جهاز ديبول، فإن الكانتور يخلق جهازاً متعدد النطاقات يبطل في التوزيع الحالي، كما أن هياكل الأشجار المفترسة تستخدم الفرعين شبيهاً بالأشجار الطبيعية، وكل فرع هو نسخة متطورة من تطبيقات الشجر المدروسة، ينتج مسارات واسعة النطاق.

الاعتبارات والتحديات المتعلقة بالتصميم

التصنيع

وتحتاج الهندسة الفلزية، ولا سيما تلك التي لها الكثير من التكرارات، إلى نسيج دقيق، ويمكن أن تحقق التصويبات والليزر وما إلى ذلك، أو الطباعة بثلاثة دفاتر التفاصيل اللازمة، ولكن هذه الأساليب تزيد التكلفة مقارنة بالنحاس التقليدي الخاطف أو الهوائيات المعدنية المطهرة، أما بالنسبة للإنتاج التجاري الجماعي، فإن تبسيط الكسور إلى التكسير الثاني أو الثالث كثيرا ما يوفر أداء متعدد النطاقات بما يكفي من أجل الحفاظ على التصنيع.

المحاكاة والتعظيم

ويتطلب تصميم الهوائي الكهرمائي الكهرومغناطيسي الكامل الموجات لأن النماذج التحليلية البسيطة غير كافية، وتحتاج التفاصيل الجيولوجية الدقيقة إلى صبغة دقيقة، مما يزيد من الوقت الحسابي، ويمثِّل تحقيق الاستخدام الأمثل لمجموعات الترددات المتعددة مشكلة متعددة الجوانب: وجود مبادلات بين سرعة الفرقة، والاختلال، والكسب، والاتساق في النمط.

اختيار نقطة التغذية

ويؤثر موقع التغذية تأثيراً كبيراً على تطابق الوصلات عبر النطاقات، وبالنسبة لجهاز الغاز في سيربينسكي، فإن التغذية الدوائية في البيكس هي نموذجية، ولكن قد يلزم توفير تغذية موجة مصغرة أو زراعية لتصميمات المخططات، وينبغي وضع التغذية في مرحلة تبرز التوزيع الحالي المتصف بالنفس لجميع النطاقات المرغوبة، وكثيراً ما يساعد بثها في إحداث تطابق أو عملية انتقال واسعة النطاق.

الآثار الفرعية

ونظراً لأن الهوائيات الكسورية كثيراً ما تطبع على المقاطع الفرعية للتغذية، فإن الرخصة الفرعية والسمكة تؤثر على ترددات الترددات وثباتات الترددات، وتُحدث زيادة في حجم الاستهلاك، وتُقلص أيضاً نطاق الترددات وتزيد من الخسائر في الموجات السطحية، وتُفضَّل المواد الفرعية المنخفضة (مثلاً، روجرز، وشركة PTFE) على زيادة الترددات العامة.

فقدان الأوكسجين والكفاءة

فالطرق الطويلة المزروعة في الهوائيات الكسورة، ولا سيما في تصميمات هيلبرت وكوك، تزيد من مقاومة الموصلات، وفي ارتفاع الترددات، يزيد تأثير الجلد من المقاومة، وهذا يمكن أن يضعف كفاءة الإشعاع، ولا سيما بالنسبة للحيوانات الصغيرة، وكثيرا ما يؤدي استخدام موصلات النحاس أو الفضة وطبقات المعادن السميكة إلى تخفيف هذه الخسائر، وبالنسبة للهوائيات الصغيرة الكثوبة، قد تكون الكفاءة أقل من ٥٠ إلى ٧٠ في المائة.

مقارنة مع التقنيات القديمة المتعددة البنادق

وتشمل النُهج التقليدية لعملية متعددة النطاقات الهوائيات المُعَبَّرة، والأقطاب المحجوبة، والعناصر الطفيلية المقترنة، ومصفوفات الموجات الفصلية، وتستخدم هذه المركبات على نطاق واسع في الهواتف النقالة، ولكنها تتطلب شقاً أو فروعاً منفصلة لكل مجموعة، وتزداد تعقيداً وحجماً، وتستخدم أجهزة الاستنشاق ذات النطاقات المتوسطة أفران متمايزة لخفض الصوت، ولكنها عادة ما تكون مُعدّة.

تطبيقات الهوائيات الفاتحة

أجهزة الاتصال اللاسلكية

وتستخدم الهوائيات الفاحشة في أجهزة توجيه ويف، ووحدات بلوتون، ودونغلز LTE، وقدرتها على تغطية 2.4 غيغاهيرتز و5 فرق GHz WLAN في آن واحد تجعلها جذابة بالنسبة لمراكز الوصول ذات النطاقين المزدوج، وبعض المنتجات التجارية تدمج شركة Sierpinski أو Koch monopoles على مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من أجل إنقاذ الفضاء.

الهواتف النقالة وأجهزة الطاولات

وقد اعتمد العديد من صناعات الهواتف الذكية تصميمات كسورية أو شبه أخفقية لمحنها الداخلي، ويتيح انخفاض الحجم الحصول على بزل من السائل المنبعث من الخنازير ومزيد من المساحة للبطاريات والكاميرات، كما تساعد الهندسة الفجلة على تخفيف التفاعلات مع الفوضى المعدنية واليد البشرية، حيث يمكن تيار التيار الذاتي أن يحافظ على الأداء في وجود الأجسام القريبة.

الاتصالات الساتلية والفضاء

وتستخدم الهوائيات الفاحشة في محطات طرفية ساتلية ذات مدار منخفض ومختبرات فضائية عميقة لأنها يجب أن تعمل في ترددات متعددة (مثل النطاق الترددي S-band, X-band, Ka-band) بينما تُبقي على قيود شديدة على الكتلة والحجم، كما أن شكل تصفية الفضاء يوفر قدرا من التنوع الاستقطابي.

النظم العسكرية ونظم الرادار

وتحتاج نظم الاتصالات العسكرية إلى هوائيات متفرقة متعددة النطاقات يمكن أن تعمل عبر الترددات العالية جدا/التردد العالي جداً للقوات البرية وشبكة S/C-band للوصلات الجوية، ويمكن إدماج التصميمات الفطرية في أسطح المركبات أو جلدات الطائرات، وتستخدم نظم الرادارات صفائف الكسور للتغطية العريضة وتحسين حلها.

شبكة الإنترنت للأشياء والتكنولوجيا القابلة للزراعة

وتحتاج أجهزة الاستشعار بالأشعة المتقطعة، واللوحات الذكية، والزواحف الطبية إلى هوائيات صغيرة يمكن أن تتواصل على مستويات متعددة (مثلاً، BLE، Zigbee، LoRa). وتوفر الهوائيات الفطرية، ولا سيما منحنى هيلبرت، حلاً مدمجاً يمكن أن يُدمج في نسيج أو يطبع على مضارب مرنة للملابس.

الاتجاهات المستقبلية

Reconfigurable Fractal Antennas

ومن خلال إدماج مفاتيح التبديل أو المشغلين أو أجهزة الرصد المتعددة الأطراف في هياكل كسرية، يقوم الباحثون بإنشاء هوائيات كسرية قابلة لإعادة تشكيلها يمكن أن تنقل نطاقات تشغيلها إلكترونيا، مما يتيح لهائي واحد تغطية نطاق الترددات الواسعة عند الطلب، وهو مثالي للإذاعة المعرفية والإذاعة المحددة البرامجيات.

نانوسكال فراشتال أنائيون

وفي تيرارتز والترددات البصرية، يمكن تقسيم الجيولوجيا المكسورة إلى أبعاد نانووية باستخدام الجسيمات النانوية أو الفلزية، وهذه الهوائيات ذات الفخ النانو تنطوي على إمكانية الاستشعار، وجني الطاقة، والاتصال عبر الفائقين.

التكامل الميتامي

ويمكن أن تؤدي أنماط الكسور المختلطة مع خلايا وحدات الميتامتيريا (مثل أجهزة إعادة الصمغ المقسمة) إلى خلق هوائيات ذات خصائص قياسية سلبية ذات أثر رجعي، مما يتيح حتى حجماً أصغر ودرجة أعلى من التوجيه، وتجري البحوث حالياً لترسيخ عناصر كسر في الأوجه المميتة لتدشين الشعاع.

AI-Driven Design Optimization

ويجري تدريب خوارزميات التعلم الماكنة للتنبؤ بالاستجابة الكهرومغناطيسية لجديات الكسور الجديدة، مما يقلل كثيرا من الوقت اللازم لتصميم هوائي متعدد النطاقات، ويمكن للشبكات العصبية أن تحدد بارامترات كسر (رقم التكرير، معامل التدرج، نسبة الجانب) لمقاييس الأداء مثل الترددات الصوتية، وزوارق النطاق، والمكاسب.

3D and Conformal Fractal Antennas

ويتيح التصنيع الإضافي طباعة الهوائيات الكسورية على السطح المكشوف، مثل صمامات الطائرات أو أسطح المركبات، كما أن الكسور الثلاثة الأبعاد (مثلاً، عواطف الغضب) تتيح قدراً أكبر من ملء الأماكن، مما يتيح إمكانيات جديدة للهوائيات الحجمية ذات الأداء على نطاق واسع.

خاتمة

وقد انتقلت الهندسة المميتة من فضول رياضي إلى أداة عملية في هندسة الهوائيات، مما يتيح التشغيل المتعدد النطاقات في مجموعات مدمجة ذات أهمية ملحوظة، ومن تركيبة سيربينسكي المعروفة جيدا إلى منحنى هيلبيرت، فإن الهوائيات المكسورة تعالج الطلب المتكرر على النظم اللاسلكية الأصغر والأذكى والأدق.