تصميم نظامين متعددي المهام متعددي النطاقات وزمن متعدد النطاقات

في عالم اليوم المترابط، أجهزة متعددة الوظائف مثل الهواتف الذكية، اللوحات، الحواسيب المحمولة، الأدوات الآيوتية،

أساسيات عملية الهوائيات المتعددة البنينات

وتشتت الطاقة الكهرومغناطيسية في الترددات المتردية أو الترددات المتردية، وتُستخدم الأنيتار الوحيدة ذات النطاق الترددي على نطاق ضيق واحد، بينما تُظهر الهوائيات المتعددة النطاقات عدة ترددات، تغطي كل منها نطاقاً مختلفاً، ويتمثل التحدي الرئيسي في ضمان أن تكون لدى الطرف المائي قدرة على التطابق بين الترددات العالية، ودرجة الازدهار، والنمط الإشعاعي في جميع النطاقات المستهدفة دون أي تداول غير مقبول للأداء.

أنواع الحيوانات المتعددة المحظورة

الزبون المزدوج

وتغطي الهوائيات ذات النطاق المزدوج نطاقين متمايزين للترددات، مثل 2 جيهرتز و 5 جيهرتز المستخدمة في وينيفي أو لصوص (مثل 700 ميغاهيرتز و 2.6 غيغاهرتز) وتشمل العمليات المشتركة تعديل الهوائي الملتوي وخط التردد الملتوي الذي يخلق عناصر مضافة أو اثنتان من العناصر المغذية.

Tri —Band and Quad —Band Antennas

وتمتد هذه التصاميم إلى ثلاثة أو أربعة فرق، وهي حاجة في كثير من الأحيان إلى الهواتف الذكية الحديثة التي يجب أن تدعم LTE/5G sub-6 GHz, Wi-Fi dual-band, and GNSS. A common technique is to use a meandered monopole combined with multiple branches, each branch is tuned to a different frequency band via its length and width. Alternatively, a single radiation board can excite multiple harme.

الهوائيات القابلة للثقة

ويمكن أن يتحول الهوائيات القابلة للتداول بصورة دينامية بين النطاقات التي تستخدم عناصر إلكترونية مثل أجهزة الاستديوهات أو المشغلات أو مفاتيح نظام إدارة المعلومات الإدارية المتعدد الأطراف، وبتغيير الطول الكهربائي الفعال أو ردة الفعل على التحميل، يمكن أن تغطي سلسلة واسعة من الترددات ذات تشكيلة مادية واحدة، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للأجهزة اللاسلكية والأجهزة التي تحددها البرامجيات والتي تحتاج إلى التكيف مع مختلف المخصصات الإقليمية ذات الترددات.

النطاق العريض ضد الهوائيات المتعددة المحظورة

ويغطي الهوائي الواسع النطاق مجموعة متواصلة من الترددات (مثلاً، UWB من 3.1 إلى 10.6 GHz)، في حين أن الهوائي المتعدد النطاقات لا يغطي سوى مجموعات محددة من الفصائل، ويعتمد الاختيار على الطلب، وبالنسبة للميدلات الخلوية التي يجب أن تعمل على العديد من النطاقات الضيقة (مثل 700 ميغاهيرتز و850 ميغاهيرتز و1.7 غيزو، 1-9 هرتز)

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميم

Bandwidth

ويجب أن تغطي كل مجموعة من الفرق الترددية المطلوبة بسلسلة من الترددات تكفي لاستيعاب مجموعة الإشارات، بما في ذلك فرق الحراسة، وبالنسبة لفرقة اللوتر النقالي، فإن النطاق الترددي المثالي للفرقة الواحدة تبلغ 10 إلى 20 ميغاهيرتز؛ وبالنسبة لخمسة جي إن آر، يمكن أن تكون 100 ميغاهيرتز أو أكثر، ويحد عامل الجودة الذي يحدد نطاقه الضيق الضيق الكهربي من الكمود.

Size and Form Factor

فالأجهزة الحديثة أكثر رقاقة وارتباطا، مما يترك حجما محدودا جدا بالنسبة للحيوانات، فعلى سبيل المثال، قد يشغل الهوائي الناطق بالهواتف الذكية حجما يتراوح بين ٥ و ١٠ ملليتر في أعلى الحافة أو أسفلها، ويجب على المصممين استخدام هوائيات صغيرة كهربائية ذات مكثفات عالية الرخصية أو مواد تداخلية من أجل تخفيض الحجم، غير أن تقليل حجمها إلى أدنى حد يضيق عموما نطاقها ويقلل من الكفاءة.

العزل والتقارب

وفي الهوائيات المتعددة النطاقات، كثيرا ما تكون عناصر متعددة الفرز أو عدة مواد غذائية متقاربة، ويمكن أن تؤدي التقاربات المتبادلة العالية إلى تدهور الأداء عن طريق تحويل ترددات الصبر، والحد من المكاسب، وخلق تغيرات غير مرغوب فيها في نمط الإشعاع، وتشمل تقنيات العزل استخدام الهياكل الأرضية المعيبة، والربط الكهرومغناطيسي (BtenG) السطحي، وخطوط العزلة، أو العزلة.

Impedance Matching

وينبغي أن تضاهي الازدحام في مدخلات الهوائيات الارتداد بالنظم (عادة 50 درجة مئوية) في جميع الفرق، ويمكن إضافة شبكات التعبئة التي تستخدم المكونات المقطوعة (الأجهزة المحمولة والموصلات) ولكنها تستحدث خسائر وتشغل منطقة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، ومن الأفضل تصميم قياسات هوائيات الأنتيناسولات نفسها لتوفير تطابق جيد في جميع الترددات المستهدفة.

أنماط الإشعاع والكفاءة

وقد تتطلب كل فرقة نمطاً إشعاعياً مختلفاً، أما بالنسبة للتغطية الخلوية الشاملة، فيمكن أن تؤدي الأنماط الإتجاهية إلى تحسين نوعية الربط، ويجب أن تحتفظ الهوائيات المتعددة النطاقات بمكسب مقبول (نحو 0-3 د-بي) وكفاءة تتجاوز 50 في المائة في جميع النطاقات، وكثيراً ما تتدهور الكفاءة بسبب فقدان الأورام في سلوكيات وثباتها الفرعية، فضلاً عن تخفيفها عن المكونات القريبة).

التقنيات اللازمة لتحقيق العملية المتعددة الحظائر

عناصر التأجير والاختلال الموازي

(ج) الطريقة البسيطة هي إضافة حبوب مفتوحة أو قصيرة المدى إلى جهاز الإشعال الرئيسي، ويخلق هذا الجهاز دوارة ثانية على تردد يحدده طوله الكهربائي، مثلاً، يمكن أن تولد موجة نصف قطرها نصف قطرها نصف قطرها إلى القطب الرئيسي تصميماً أو نطاقاً إضافياً.

التأجير والتلويث

ويطيل تخطي المسار الحالي المسار الكهربائي الفعال، ويخفض التردد المتردد دون زيادة البصمة التي تحملها الهوائي، ويضاف فرعاً متطوراً أطول من الفرع الرئيسي، وينشأ ثانية أقل من ذلك، كما أن طول الشقوق الضيق أو الفتحات في العنصر المشع أو الطائرة الأرضية يؤدي أيضاً إلى ظهور أعداد إضافية من البقايا.

مُراقبان مُزجّان

ويمكن أن تقترن هياكل متعددة الصعود بالقرب أو الاتصال المباشر، فعلى سبيل المثال، يوفر جهاز تخزين خاتم مقترن بجهاز احتكاري مجموعة إضافية، وفي الهوائيات المصفّحة، تُجمع رقعتان من أحجام مختلفة رأسيا مع مُساحة غذائية، وكل رقعة تُعاد إلى تردد مختلف، وتوفر الانقلابات المتبادلة غلافا واحدا.

إعادة التكتم باستخدام المحولات والمعاملات

وكما ذكر، فإن الهوائيات القابلة لإعادة التشكيل تستخدم عناصر نشطة لتغيير الصميم، ويمكن أن يقصر جهاز الاستديو الخاص بشبكة المعلومات عن المعلومات عن الهوائيات، ويغير طوله وبالتالي نطاق عمله، ويوفر أجهزة الاستطلاع المستمر عن طريق التأشيرات المختلفة، ويمكن أن تغطي هذه التقنية نطاقا واسعا جدا من الترددات (مثلا، 700 ميغاهرتز إلى 2.7 غيغازو) مع وجود عنصر واحد من عناصر التسرب.

المخرجات المتعددة/النواتج المتعددة الأطراف (Multiple Arrays)

وفي نظامي ميمو 5G وWINFi MIMO، تستخدم الهوائيات المتعددة لتحسين معدلات البيانات، ويمكن تصميم كل عنصر هوائي لفرقة محددة أو يمكن أن يكون واسع النطاق، وبالنسبة للمتعددي النطاقات MIMO، كثيرا ما توضع الهوائيات في مكان متباعد أو في مكان بعيد لتحقيق الترابط المنخفض، وقد تستخدم تنوع الاستقطاب أو تنوع النمط.

التحديات والحلول العملية

الإدماج مع المساكن المعدنية

ويشتمل العديد من الأجهزة الحديثة على ظهور أو أطر معدنية يمكن أن تزيل الهوائيات، ومن أجل التخفيف من ذلك، يستخدم المصممون الهوائيات المسروقة التي تقطع في الفصائل المعدنية، أو تغذيات التقلبات الرأسية، أو تطهيرات أرضية منفصلة، مثلاً، يمكن أن يستخدم هاتف مُعدَّل الفلزات الإطار المعدني نفسه كعنصر مشع بقطع متعددة لتحديد المسارات الحالية.

معدل الامتصاص المحدد (سار)

(ج) يجب أن تستوفي الهوائيات المتعددة النطاقات حدود التوقيف (مثل 1.6 دبليو/كغ في الولايات المتحدة) وكثيراً ما تكون الكفاءة العالية في النطاقات الدنيا متطابقة مع ارتفاع مستوى البحث العلمي، وتشمل تقنيات التصميم لخفض كمية المواد المفقودة (إدخال خفض في التصريف)، باستخدام تصميمات الهوائيات التي تبعد الإشعاع عن المستخدم، وتعمل في طاقة إنتاجية أقل، وفي أجهزة ذات عدّة، يمكن استخدام التكّل الفعلي لأجهزة الترددات الاصطناعية.

التداخل بين العناصر الداخلية

ويمكن أن تعطل البطاريات والكاميرات والمتحدثون والكابلات أداء الهوائيات، وأفضل الممارسات هي وضع الهوائيات في المناطق ذات الحد الأدنى من المعادن واستخدام الطائرات الأرضية كدروع. ويمكن وضع مواد التفريغ بين مكونات الهوائي والمصابيح، كما أن المحاكاة الكاملة للموجات بما في ذلك جميع الهياكل الداخلية الرئيسية أمر أساسي للتنبؤ بأداء العالم الحقيقي.

تطبيقات الأجهزة المتعددة الجنسيات

السماعات الذكية والطاولات

هذه الأجهزة يجب أن تدعم مجموعة من النطاقات المُتَعَبَّدة: مجموعات خلوية متعددة (2G/3G/4G/5G)، وجهاز WFi- dual, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BDou)، وأحياناً أجهزة الهاتف الرئيسية المتوسطة تستخدم ما يصل إلى 10-12 هوائياً، والكثير منها متعدد النطاقات(10).

الأجهزة المتفجرة

وتحتاج أجهزة الاستشعار ووحدات القياس إلى هوائيات منخفضة التكلفة ومدمجة للبروتوكولات مثل لورا (868/915 ميغاهيرتز)، وجهاز رصد الأرض (700-900 ميغاهيرتز)، وزيغبي (2.4 غيرتز)، وبلوتووث، وكثيرا ما تسمح الهوائيات المتعددة النطاقات بجهاز واحد للعمل في مختلف المناطق ذات الترددات المختلفة، مثلاً، جهازاً من أجهزة التصايل المضغوطة يغطي 868 ميغاهيرتز و2-4

المصاريف القابلة للزراعة

Smartwatches and fitness bands have extremely constrained space (often less than 1 cm3 for the antenna). They must support Bluetooth, GPS, and sometimes cellular. A popular solution is a reconfigurable antenna using a varactor that can- shift between 1.5 GHz (GPS) and 2.4 GHz (Bluetooth) with a simple control voltage.

التطبيقات الآلية

وتحتوي المركبات على هوائيات متعددة: هوائيات خلوية صغيرة جداً، وأجهزة اتصال ساتلية، وأجهزة لاسلكية، وأجهزة لاسلكية، وأجهزة لضبط المواقع، وأجهزة لضبط أجهزة التفريغ ذات النطاقات المتعددة، وأجهزة التدخُّل في المركبات ذات النطاقات المتعددة، وأجهزة التدخُّل في المركبات ذات النطاقات العالية، وأجهزة التصنيف ذات النمط الحرج.

الاتجاهات المستقبلية في تصميم الأنتينا المحظورة المتعددة

AI —Driven Optimization

وتستخدم الخوارزميات المصممة للتعلم المختلط على نحو متزايد لتحقيق الاستخدام الأمثل لأجهزة قياس الهوائي المتعددة النطاقات، وبإطعام شبكة عصبية ذات نتائج محاكاة، يمكن للمصممين أن يجدوا بسرعة تشكيلات تلبي الأهداف المتعددة - النطاق، والحجم، والكفاءة، والعزلة دون التكرار اليدوي الشامل، وهذا أمر فعال بشكل خاص بالنسبة للأصوليات المعقدة مثل الحيوانات المنوية القابلة لإعادة التشكيل التي لها مفاتيح عديدة.

Metamaterials and Artificial Magnetic Conductors

Metamaterial —inspirnas using split —linkators, complementary split rings, or high-impedance surfaces can achieve multi-bandial and electrically small footprints. For example, a metamaterial loading can introduce a negative permeability that creates an additional resonance without increasing size. These structures are being investigated for 5G mmWave bands where conventional dielectrics

نظم الهوائيات الكاملة والمتكاملة

وستدعم الأجهزة المقبلة الإرسال والاستقبال في نفس التردد (في النطاق الكامل) وهذا يتطلب هوائيات ذات عزلة عالية بين الموانئ المرسلة والمستقبلة، وهي في كثير من الأحيان أفضل من 80 درناً.() وسيؤدي الهوائيات المتعددة النطاقات ذات الازدواج في الضبط أو دمج أجهزة التداول دوراً، كما أن الهوائيات تدمج بشكل متزايد مع العرض (الهوائيات النظيفة) أو مع سلوكيات التي تستخدم في توفير المواد الفضائية.

5G mmWave and Sub−6 GHz Co —Design

وينبغي أن تغطي الأجهزة العاملة بالشبكة العاملة بالشبكة الفرعية 6 GHz (FR1) و mmWave (FR2, 24-40 GHz) وعادة ما تتألف الهوائيات التي تحمل طوافاً متعددة الأطقم من صفائف متدرجة ذات عناصر مائلة تختلف تماماً عن النطاقات الفرعية 6 GHz antennas.

Energy Harvesting and Self-Powered Antennas

ويمكن أيضاً أن تكون الهوائيات المتعددة النطاقات محصولات للطاقة، حيث تُستحوذ على طاقة من نوع RF من عدة مجموعات في آن واحد، وهذا جذاب بالنسبة لأجهزة متفجرة ذات طاقة منخفضة، والتصميمات التي تجمع بين الهوائي والمصحح وشبكة المطابقة لـ 900 ميغاهيرتز و2.4 غيغاهيرتز قيد التطوير، ويجب أن تكون له كفاءة عالية في الترددات عند عرض الوصلات الصحيحة إلى جهاز الاسترجاع.

خاتمة

إن تصميم الهوائيات ذات النطاق المزدوج والمتعددة النطاقات للأجهزة المتعددة الوظائف هو تخصص متعدد الأوجه يتطلب فهما عميقا لنظرية الكهرومغناطيسية وعلوم المواد وتكامل النظم، حيث أن هذه الأجهزة لا تزال تتقلص وتضيف معايير أكثر سلكا، فإن الضغط على مهندسي الزعانف سيزداد فقط، ومن حسن الحظ أن أوجه التقدم في أدوات المحاكاة، والعناصر القابلة لإعادة التشكيل، وتقنيات المطابقة الفعالة توفر حلولا قوية.