الابتكارات في مجال تحسين أداء الهوائيات

مقدمة: خط الطول التالي في الاتصالات اللاسلكية

وقد تبع تطور الاتصالات اللاسلكية مسارا يمكن التنبؤ به: إذ أن كل جيل جديد يولد معدلات بيانات أعلى بكثير، وبطءا أدنى، وقدرة أكبر على الشبكة، حيث يبدأ العالم في جني فوائد 5 جي، والباحثين والمهندسين في العمل الذي يحدد المواصفات الخاصة بـ 6 جي، والجيل السادس من التصاميم اللاسلكية.

ويمتد الوعد الذي قطعته ست درجات إلى أبعد من سرعة الهواتف الذكية، وسيمكن من زيادة التجارب الواقعية الافتراضية بشكل حقيقي، والاتصالات الفوقية في الوقت الحقيقي، وأسطول المركبات المستقلة التي تتواصل مع بعضها البعض ومع الهياكل الأساسية، والتطبيب عن بعد، والجراحة عن بعد، وشبكة واسعة النطاق من الأشياء (IoT).

فهم الميثامتيريا: رئيس

ما هي الميثامتيريا؟

إن المواد المميتة ذات بنية مصطنعة تُصمم لتظهر خصائص الكهرومغناطيسية غير متاحة بسهولة في المواد التي تحدث بصورة طبيعية، بدلا من الاعتماد على التركيبة الكيميائية لموادها التأسيسية، تستمد الميثاتيريات من ترتيبها الجغرافي الدقيق، وتتكون هذه الهياكل عادة من مجموعات دورية من البنايات الفرعية للبناء، تُعرف باسم خلايا الوحدة أو البطاطا.

والمفهوم الأساسي الذي يقوم عليه سلوك الميثاماتيري هو أن خلايا الوحدة أصغر بكثير من الموجة التي تتفاعل معها الإشعاع الكهرومغناطيسي، مما يسمح بمعاملة المواد على أنها وسيلة فعالة متجانسة ذات بارامترات الكهرومغناطيسية ذاتية كبيرة وقابلية للتحمل يمكن أن تصمم خصيصا لقيم محددة، بما في ذلك القيم السلبية.

Metamaterials against Conventional Antenna Materials

وتُحدِّد المواد الهوائية التقليدية، مثل النحاس والألومنيوم ومختلف المقاطع الفرعية لجهاز الديليكتري، خصائص الكهرومغناطيسية تحددها تركيبتها الكيميائية، وتُوجد في أي تردد من هذا القبيل قدرة هندسية على التمثيل، وقابلية الصلاحية للتشغيل، وقابلية الصلاحية للاستمرار، ويمكن للمهندسين أن يُفضّلوا إلى تحقيق خصائص الأداء المنشودة، ولكن المادة ذاتها توفر درجات حرارة محدودة من الحرية.

تاريخ موجز لتطوير الميتاماتيري

وقد وضعت فيكتور فيسيلاغو الأسس النظرية للميتاماتير في الستينات، واقترح مفهوم مادة ذات قدرة على التصاريح السلبية في وقت واحد وقابلية التحمل، غير أنه لم يكن هناك حتى أواخر التسعينات وأوائل العقد الماضي، أي أن الباحثين مثل جون بيندري وديفيد سميث أظهروا هياكل استيائية عملية في الترددات المجهرية، ومنذ ذلك الحين، انفجرت الميثامات المصغرة التي كانت مصممة في جميع أنحاء العالم.

تحدي أنتينا 6G

لماذا 6G الهوائيات مختلفة بشكل أساسي

ومن المتوقع أن تعمل الشبكات ذات النطاقات المتوسطة والصغيرة أساساً في إطار النطاقات الترددية الفرعية (100-300 GHz) وTahertz (0.3-3 THz) ، وهذه الترددات تمثل أعداداً كبيرة من الإشارات الفموية، أو أكثر مما يترجم مباشرة إلى ارتفاع معدلات البيانات التي تبلغ 6G، غير أن العمل في هذه الترددات يؤدي إلى صعوبات شديدة في مجال نشر الأوكسجين.

وللتغلب على هذه التحديات، يجب أن تكون لدى 6G هوائيات عدة خصائص رئيسية: ارتفاع المكاسب للتعويض عن فقدان المسارات، والقدرة على تكوين شعاعات ضيقة يمكن توجيهها ديناميا للحفاظ على وصلة، واتساع نطاقها لدعم معدلات البيانات المتعددة الأطراف لكل ثانية، وحجم الارتداد إلى أجهزة الاستخدام ومعدات الهياكل الأساسية، كما أن التكنولوجيات التقليدية التي تستخدم في مواجهة هذه المتطلبات في وقت واحد، على سبيل المثال، توفر شبكات إلكترونية ذات أرباح عالية.

دور الأمتيالات في التصدي لهذه التحديات

وتتيح المقالات مساراً للأمام عن طريق تمكين تصميمات الهوائيات التي تكون في آن واحد متماسكة وكفؤة وقابلة لإعادة التشكيل، وتسمح الخصائص الفريدة للميتاماتيكيات بوظائف حاسمة عديدة: ويمكن استخدامها لخلق عدسات تركز على الإشعاع ذي السعة العالية، وتصميم أسطح تعكس أو تنقل الأمواج بطرق متحكمة، وبناء مواصف مثالية تقل فيها التداخل، وبناء عناصر تكيفية أقل بكثير من الأماكن المروية.

الابتكارات الأساسية في مجال القياس من أجل 6G Antennas

Reconfigurable and Tunable Metamaterials

ومن أكثر مجالات البحث نشاطاً في مجال القياسات بالنسبة إلى ٦ جي هي إعادة التشكيل، وقدرة على تغيير الاستجابة الكهرومغناطيسية للهيكل المميتي تغييراً دينامياً، تفسح المجال أمام مجموعة واسعة من الوظائف، وتشتمل الميثامات القابلة للتداول على عناصر نشطة مثل ديوديور المزاد، وأجهزة التخريب بالأشعة فوق البنفسجية، والنظم الميكانيكية الدقيقة.

وبالنسبة لتطبيقات الهوائي البالغ عددها 6G، فإن الميثاماتيريات القابلة للتعديل تتيح عدة قدرات حرجة، ويتيح إعادة تشكيل الهوائي الواحد العمل على نطاقات متعددة الترددات، وهو أمر أساسي لنظم الاتصال ذات السعة 6 زاي التي يجب أن تدعم التوافق مع شبكات الاتصال ذات النطاق الترددي 5 زاي و 4 زاي، مع الوصول أيضا إلى طيف جديد.

وثمة نهج واعد بوجه خاص ينطوي على استخدام البلورات السائلة كمواد غذائية قابلة للتداول في الهياكل الميتامية، وتظهر البلورات السائلة وجودا كبيرا من حيث التكاثر، ويمكن أن تُستخدم طاقاتها الصنعية ذات القدرة على الارتداد، مما يتيح الاستمرار في التماثيل في الاستجابة للنطاق المميت، بدلا من التبديل الجذاب الذي يوفره الديدان أو الميكروفية.

الممتنعون عن التصويت

والإدارة الفعالة للتدخل والإشعاع الكهرومغناطيسي الضالة أمر حاسم بالنسبة لنظم الهائيات الست، ولا سيما في الترددات التي تقارن فيها الموجات بحجم خصائص الدوائر، حيث توفر الممتصات الميثامائية حلاً بتمكين تصميم هياكل التموين والوزن الخفيف والارتفاع الكفاء التي يمكن إدماجها مباشرة في وحدات الانقلابات المتطايرة التقليدية التي كثيراً ما تعتمد على المواد الضائعة.

وقد أدت التطورات في تصميم الميثاماتيريا إلى هياكل تتجاوز نسبة الاستيعاب 99 في المائة على نطاق الترددات الضيقة، وأكثر من 90 في المائة على نطاق الترددات التي تستخدمها عشرات الجياغهرتز، ويمكن أيضاً هندسة هذه الممتصات للعمل في ترددات محددة عن طريق تعديل المقياس الجغرافي لخلايا الوحدة، حيث تؤدي العناصر المتلازمة ذات السميكة إلى وظائف متعددة.

وقد ركزت البحوث الأخيرة على تطوير مستلزمات الامتصاص ذات النطاق العريض التي تحافظ على أداء رفيع في جميع النطاقات الفرعية (100-300 GHz) وهذا أمر صعب لأن الطبيعة المتردية للممتصات الميتامتيرية تنحو إلى تقديم استجابة ضيقة النطاق، وقد أظهرت نُهج مثل خلايا الوحدات المتعددة الصبر، والطبقات المكبوتة، وتصميمات من المؤشرات المتدرجة، وعودا بتوسيع نطاق استيعابها.

Metasurfaces for Beam Shaping and Steering

إن الأوجه المتطايرة هي النظير الثنائي الأبعاد للميتامات التي تتكون من طبقة رقيقة من المفرقعات المتخفية التي تم ترتيبها على سطح الأرض، وهي توفر الكثير من القدرات ذات الصبغة الموجية مثل الميثاتيريات الكبيرة، ولكن مع وجود قدر أقل بكثير من السمات والوزن والتعقيد في النسيج، وتتناسب الأوجية بشكل خاص مع تطبيقات العناصر العضلية، حيث يمكن أن توضع في الميدان.

وفي سياق الـ 6 زاي، تتيح المناظر الميكانيكية النُهج الثورية لتوجيه الشعاع، وتحتاج الهوائيات التقليدية على مراحل إلى تحويل تدريجي لكل عنصر من عناصر الهوائي، مما يؤدي إلى تعقيدات وخسارة غير عملية، ويستخدم مسار الشعاع المرتكز على سطح البحر، على عكس ذلك، سمة واحدة من سمات التفوق (مثلاً من نوع القرن أو من الأنتينا) لتخريب مسارات مكانية مختلفة.

ويمكن تنفيذ مكامن قابلة للثقة في توجيه الشعاع باستخدام أجهزة الاستطلاع، أو أجهزة الاستديو، أو أجهزة القياس المتعددة الأطراف التي تدمج في خلايا الوحدة، وتستخدم تصميمات أكثر تقدماً مواد تغيير سطحية أو بلورات سائلة لمواصلة التنظيف، وقد أظهرت المظاهرات الأخيرة وجود أجهزة متحركة تعمل على أساس سطحي تعمل على ارتفاع مستويات الترددات إلى 1 درجة حرجة من الوصلات.

الميثاماتيريا غير التبادلية للنظم الكاملة الدوبل

ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في الاتصالات اللاسلكية في التدخل الذاتي: عندما يقوم جهاز ما بإرسال وتلقيه في وقت واحد، يمكن أن تحجب الإشارة التي يرسلها عن الضعف، فالتواصل الكامل الذي يبشر بازدواج الكفاءة الطيفية، يتطلب عزلة فعالة بين النقل وتلقي الممرات، وتستعمل النهج التقليدية أجهزة التداول أو الرش، ولكن هذه المكونات هي ذاتية السعة، وكثيرا ما تنطوي على خسارة كبيرة في المضادات التافوية.

إن الميثاماتريات غير التبادلية تكسر المعاملة بالمثل في لورنتس، مما يعني أن نقل موجة من خلال المواد يتوقف على اتجاه الانتشار، وهذا يحدث عادة بإدراج مواد مغناطيسية - آلية (مثل الأسمدة) أو بتطبيق حقل مغناطيسي ثابت، غير أن الابتكارات الأخيرة أظهرت سلوكاً غير متبادل باستخدام أسلوب زمني شبه نسيجي

وبالنسبة للمجموعات الست من الفئة العمرية، يمكن استخدام الميثامترات غير التبادلية لإنشاء متعهدات وأجهزة نقل متكاملة تفصل بين مسارات النقل وتتلقى مسارات ذات عزلة عالية وفقدان منخفض، وعندما تقترن بأوجه قياسية قابلة للتعديل، فإنها تتيح نظماً متداخلة ذاتية المقياس يمكنها أن تنقل وتتلقى في نفس الوقت من قناة التردد، وهي متغيرة في استخدام أجهزة البحث ذات الترددات العالية.

Bi-Anisotropic and Chiral Metamaterials

وتظهر الميثاماتوريات الثنائية التي تتناغم بين الحقول الكهربائية والمغنطيسية، مما يعني أن الحقل الكهربائي يمكن أن يحفز على الاستقطاب المغناطيسي والعكس صحيح، كما أن الميثاتيريا الشطرية هي فئة فرعية من المواد ذات النيسترومتين التي تفتقر إلى التماثل المرآة، مما يؤدي إلى انتشار حساسية شديدة وصورة، وهذه الخواص الغريبة تفتح درجات إضافية من الحرية لتصميم التنامي.

وفي هذه المنطقة، يمكن استخدام الميثامترات الثنائية القطبية لتحقيق الاستقطاب الاستقطابي - التقلبات العمودية في استقطاب دائري، أو تناوب طائرة الاستقطاب بواسطة زاوية خاضعة للمراقبة، وهذا أمر هام لأن الاستقطاب الدائري أقوى من التدخل المتعدد التعاطف وعدم التسرب، التي تشكل شواغل هامة في بيئات الانتشار المعقدة التي يتوقع أن تنجم عن عقد 6G.

وعلاوة على ذلك، تتيح الميثامترات الثنائية المدارية تصميم الهوائيات ذات القطع الرادارية المخفضة للتطبيقات السائلة، وكذلك الهوائيات التي يمكن أن تشع وتستوعب في آن واحد في ترددات أو استقطابات مختلفة، وفي حين أنه لا يزال من المتوقع أن تؤدي نظم الدفاع ذات المقاييس الثنائية الأثر دورا متزايد الأهمية في نظم الاتصالات المتقدمة ذات النطاق الترددي العالية، ولا سيما في مجال الاتصالات الساتلية المتخصصة.

الآثار العملية على أداء النظام

تعزيز معدل انتشار الأسلحة

أما الفائدة الأكثر إلحاحاً من الهوائيات المتطورة التي تبلغ 6 زاي فهي القدرة على الوصول إلى النطاق الترددي الهائل المتاح في الترددات الثلاثية واستخدامه، وقد أظهرت الهوائيات التي تستخدم في الاختبارات المتطورة أن معدلات الترددات التراكمية الثانية تتجاوز 50 في المائة بالمعدلات القصوى للزوارق، مقارنة بنسبة 5-10 في المائة بالنسبة للوعود التقليدية.

خفض حالات الطوارئ وقابلية التحمل

وتستهدف الشبكات المتوسطة حالات التأخر من نهاية إلى نهاية دون الثانية الواحدة من الألفية، مع بعض التطبيقات التي تتطلب وجود تأخيرات تصل إلى 0.1 من الثانية، كما أن تحقيق هذه التأخيرات المنخفضة لا يتطلب معالجة سريعة فحسب، بل أيضاً تحقيق سرعة في مواءمة وتتبع مسارات الأشعة، ويمكن أن تؤدي إلى تقليل حالات التأخير التي تحدثها الكائنات الحية في المنطقة الوسطى إلى الحد الأدنى من المقاييس التي يمكن أن تُستخدم فيها أجهزة التبديل السريعة وموثوقية الحركة.

كفاءة الطاقة ومصانع الاستمارة

ويمكن أن تحقق الهوائيات القابلة للاختبارات المميتة مكاسب وكفاءة أكبر من التصميمات التقليدية، مما يقلل من الطاقة اللازمة لميزانية وصل معينة، وهذا أمر مهم للغاية بالنسبة للأجهزة التي تعمل بالبطارية مثل الهواتف الذكية، وأجهزة الاستشعار الضوئية، والأجهزة القابلة للارتداء، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحجم المدمج للهوائيات الميتامتيرية يتيح الاندماج في عوامل صغيرة، مما يتيح إمكانية الاتصال بأجهزة قياسية ذات وزن متعدد الأطراف في الأماكن التي تكون فيها أقساطات.

اعتبارات التصنيع والتقسيم

تقنيات التكاثر لأغراض التأشيرات

وتستلزم تصميمات الهوائيات المميتة الانتقالية من النماذج الأولية للمختبرات إلى منتجات قابلة للتطبيق تجاريا تقنيات تصنيعية قابلة للتقسيم وفعالة من حيث التكلفة، وفي الترددات الثلاثية، تكون خلايا الميثاتيريا ذات أبعاد على ترتيب عشرات الميكرونات، مما يجعلها قابلة للتأثر بعمليات التسعير الجزئي، وتقنيات التخصيب شبه المتجانسة القياسية، بما في ذلك التصويري، والتصوير الإلكتروني، وما إلى ذلك

وتهدف النُهج الصناعية الناشئة إلى خفض التكاليف وزيادة الإنتاج، ويمكن لطباعة وفرز الأعلام السلوكية أن ينتج أنماطا قياسية على المضبوطات الفرعية المرنة، مما يتيح اختلاقات منخفضة التكلفة وكبيرة المناطق، كما أن التراكم والكتابة بالليزر يتيحان قدرات لا تُقنع، وسريعة على تصميم العبوات، كما أن المقاييس القابلة للتشكيل، وإدماج الأجهزة النشطة (الدياد، والأساليب المتوسطة، والبلورات).

اختيار المواد والاعتماد عليها

ويحد من اختيار المواد اللازمة لعمليات القياس الثلاث عدة عوامل: انخفاض الخسارة في الترددات الثلاثية، والتوافق مع عمليات الصنع، والموثوقية الطويلة الأجل، وتعتمد المعادن مثل الذهب والنحاس والألمونيوم على الهياكل السلوكية، مع وجود معايير دقيقة للتحليل ومقاومة للتآكل ولكنها مرتفعة التكلفة.

توجيهات البحوث المستقبلية

خدمات الصحة الذاتية والسكن

كما أن المواد التي تسترشد بالنظم البيولوجية، ومواد التطعيم الذاتي يمكن أن تصلح الضرر تلقائيا، وتعيد التشغيل بدون تدخل خارجي، وبالنسبة للمحيطات المميتة التي تنشر في بيئات قاسية، فإن قدرات التعافي الذاتي يمكن أن تعزز بشكل كبير الموثوقية وحياة الخدمات، كما أن الباحثين يستكشفون البوليمرات ذاتية التلقين، والمركبات المتحركة التي يمكن أن تعيد الاستمرارية الكهربائية بعد عمليات التصدع أو الخد.

الأنائيات المتعددة الجنسيات

إن النظم المستقبلية ذات الـ 6G ستتطلب هوائيات يمكنها أن تؤدي وظائف متعددة في وقت واحد: الإشعال والاستشعار والتصفية والتوسع بل وحتى تجهيز الإشارات، وترمي الميثاتيريا المتعددة الوظائف إلى إدماج هذه القدرات في هيكل واحد، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يكون جهاز اتصال قابل للاشتعال مميت بمثابة جهاز شعاعي وسطح متسارع، مما يوقف التدخل في نطاق الترددات الخارجية، وينقل على نحو فعال في إشارات الترددات.

التكامل مع تكنولوجيات الصور والكاانتوم

وقد تؤدي هذه المقاييس إلى ارتفاع الترددات، وإلى الحد بين الأجهزة الإلكترونية والزجاجات الضوئية، وإلى سد الفجوة بين النظم الميكرويفية والبصرية، وقد تجمع النظم الستيغا في المستقبل بين المكونات الإلكترونية والصورية لتوليد الإشارات، والتعديلات، والكشف، ويمكن أن تكون السمات الوسيطة بمثابة واجهة بين هذه المجالات، مما يتيح الانقلاب الفعال بين أجهزة الاستشعار عن طريق الموجات الضوئية، فضلا عن ذلك.

خاتمة

أما فيما يتعلق بتشكيلات الميثاماتيريا، فإن معظم الملامح الحديثة من تصميمات الهوائيات من أجل 6G لاسلكية، ومن المعالم التي يمكن إعادة تشكيلها، ومن خلال شبكات توجيه الشعاع إلى مواقد ذات كفاءة عالية، ومن شأنها أن تؤدي إلى إيجاد حلول لتحديات أكثر إلحاحا في مجال الاتصالات، ومن ثم فإن القدرة على تصميم خصائص الكهرومغنطيسية تتيح للمصممين أن يتخلصوا من القيود التي تنجم عن ذلك.

For further reading on the fundamentals and latest research in metamaterials for 6G, consider exploring the following resources: the comprehensive review by the Nature journal on 6G metamaterials, the ]IEE Transactions on Antennas and Propagation for cutting-edge research