وقد أدى الطلب المتسارع على الاتصالات اللاسلكية السريعة التي تحركها التيار والتنقية والتطبيقات في الوقت الحقيقي إلى ضغوط غير مسبوقة على كفاءة الطيف ومنافذ البيانات، وبرزت صفائف الهوائي ذات القاعدة المزدوجة كتقنية حاسمة للتصدي لهذه التحديات، مما أتاح تدفق البيانات الموازية على نفس النطاق الترددي عن طريق استغلال مزايا الاستقطاب غير المتجانسة.

فهم الهوائيات ذات القدرة المزدوجة

ويمكن أن يُنقل ويتلقى هوائي مزدوج القطب موجات الكهرومغناطيسية ذات توجهين استقطابي أوتوموغين في آن واحد، وتشمل الأزواج المشتركة للأساس الاستقطاب الرأسي/الأفقي (V/H) واللوحة (V/H) و45 درجة، ويمكن أن يدعم الهوائي قناتين مستقلتين للاتصالات على نفس المنعطف المادي والتوزيع الترددي، مما يؤدي إلى زيادة فعالية كفاءة النظام.

مجموعة التنوع الاستقطابي

ويتوقف التنوع الاستقطاب على حقيقة أن الإشارات المستقطبة في شكل إشارات مضللة بشكل كبير تسود بيئات مستقلة جداً من حيث التلاشي والتدخل، وفي سيناريو متعدد الثروات، يمكن تكثيف موجة عمودية من الأقطاب، بينما تظل موجة أفقية مقوَّمة، إذ أن الجمع بين الفرعين في أجهزة الاستقبال، فإن الهوائيات ذات القطبين المزدوجين يوفران قدراً قوياً من الجودة والقدرة على التأشيرة في المناطق الحضرية.

أنواع العناصر المعلن عنها بالدوافع

  • Cros-dipole (turnstile) antennas: Two dipoles arranged at right angles; a traditional design offering wide bandwidth and clean orthogonal patterns.
  • Patch antennas with dual feeds:] Square or circular patches hot at orthogonal edges or with H-shaped slots; compact and suitable for arrays.
  • Aperture-coupled patches:] Feed lines behind a ground plane, using coupling slots to excite two polarizations with high isolation.
  • Waveguide-fed arrays:] Used in high-power or millimeter-wave systems, often with septum polarizers to separate polarizations.

ويعرض كل نوع من العناصر المبادلات في نطاقات النطاقات وحجمها وعزلتها وتكاليف التصنيع، وتزيد التصميمات الحديثة من تعزيز عمليات ثنائي الفينيل متعدد المستويات لدمج العناصر ذات القطبين ذات الدائرة المضبوطة.

تعزيزات البيانات من خلال التصويبات المزدوجة

والدافع الرئيسي لنشر صفائف مزدوجة القطب هو الزيادة الكبيرة في ناتج البيانات دون استهلاك طيف إضافي، ويتم ذلك من خلال آليتين متكاملتين: تعددية وتقوية الأداء المتعدد المدخلات والمتمثلة في الاستقطاب.

الاستقطاب - التعددية

ويمكن لنظام مزدوج القطب باستخدام استقطابين عظاميين كتدفقات مكانية مستقلة أن يضاعف معدل البيانات لربط واحد مقترن في إطار قنوات ملائمة، مثلا، في نظام ذي فتحة خلفية، يمكن أن يدعم زوجين من الهوائيين ذوي القطبين المزدوجين متزامنين 100 ميغابايت، مما يؤدي إلى تحقيق 200 ميغابايت من خلال إنتاج قناة التنفيذ العشرون MHz.

ازدواجية القوة المتعددة الجنسيات

وفي نظم المنظمة البحرية الدولية، توفر صفائف مزدوجة القطب طريقة مدمجة لزيادة عدد القنوات الفضائية المستقلة دون زيادة التناسب في الحجم المادي، كما أن نظاماً من طراز MIMO يستخدم عنصرين من العناصر الهوائية ذات القطبين (أربعة موانئ) يمكن أن يدعما أربعة مسارات مكانية، في حين أن مجموعة واحدة من نفس الحجم المادي ستتطلب ضعف عدد العناصر اللازمة لتحقيق نفس عدد القنوات الجذابة.

Key Metric:] In urban macrocell deployments, dual-polarized arrays have been demonstrated to improve average cell throughput by 60-80% compared to single-polarized equivalents when employing rank-2 transmission schemes.

تحديات التصميم واستراتيجيات التخفيف

ويشمل تطوير صفائف ذات أداء مزدوج التغلب على عدة عقبات تقنية يمكن أن تضعف العزلة والكفاءة والنزاهة النمطية.

العزل عبر القطب

والعزلة بين ميناءي الاستقطاب هي أهم البارامترات، حيث يؤدي ضعف العزلة إلى التسرب (التحدث عبر التوابع) بين المجرىات، مما يقلل من فعالية نظام إعادة التأهيل الوطني والحد من نظام النقل، وتشمل قواعد التصميم النموذجية الحفاظ على عزلة الموانئ إلى الميناء ⁇ 25 درونياً، مع استصواب استخدام 30 إلى 40 درونياً في مخططات عالية المستوى العالي من الجودة.

  • شبكات التغذية المثلى مع البالونات و 90 درجة للهجينات لإلغاء التقاربات المتبادلة
  • Electromagnetic bandgap (EBG) structures between dual-polarized elements to suppress surface waves.
  • Defected ground structures (DGS) that increase isolation by blocking common-mode currents.

التقارب والتحلل من أنماط السلوك

وفي تشكيلة من المصفوفات، يمكن للجمع بين العناصر أن يغير أنماط الإشعاع ونقاء الاستقطاب الفعال لكل عنصر، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة في زوايا المسح الضوئي الواسعة، وقد أتاحت تقنيات مثل شبكات التفكيك التي تستخدم خطوط التحييد، أو أجهزة التزييف القائمة على الفتحة، أو صفائف أجهزة إعادة الصمود القريبة من الحقول، التخفيف من حدة التقدم الذي تحقق مؤخرا في التر الأمثل بواسطة الأجهزة التي تعمل على التكوين)١٥(.

Bandwidth and Impedance Matching

وكثيرا ما تكون عناصر الصفوف ذات المقاييس المزدوجة أكثر تضييقا في عرض النطاق الترددي من نظرائها الذين يرتدون أحادي القطب بسبب الحاجة إلى تغذية نمطين من أساليب الارتحال، وتستخدم تصميمات النطاق العريض رقائق مغلفة، أو تقارب في الفتحات متعددة، أو هوائيات للمتفجرات التغذوية، بالنسبة لخمسة من مجموعات الـ (NR) في إطار النطاق الترددي 3-5 إلى 5.0

معايرة وصراخ

وفي الصفوف العملية، تتسبب سمات التصنيع والعوامل البيئية في اختلالات بين قنوات الاستقطاب، ومن الضروري وجود خوارزميات ذات معايرة قوية لمواءمة الاستجابات على نطاق واسع، كما أن العيار فوق الجو باستخدام الأزواج الذين يُجرى عليهم اختبارات مبنية أو أساليب مشتركة تستند إلى الانقلابات، يُعتمد بشكل متزايد في نظم ضخمة من نظم الرصد المتعدد الوسائط حيث يكون الترسب اليدوي غير قابل للانقراض.

المعمارات المتقدمة لنظم الجيل القادم

وتتطور الصفوف ذات الأقطاب المزدوجة إلى ما يتجاوز نظما ×2 بسيطة نحو عناصر متكاملة من الميكروفونات الضخمة، ومسح الموجات المليمترية، وأسطح ذكية قابلة لإعادة تشكيلها.

Massive MIMO with Dual Polarization

وفي ٥ زاي وما بعده، تستخدم محطات القاعدة صفائف كبيرة )مثل ٦٤ x ٤٦٢ من العناصر ذات الاقطاب المزدوج( لدعم التضخيمات العالية التوجيه والتضاعف المكاني، ويتيح نظام × xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx2 من كل عنصر مادي خدمة موانئ هوائية افتراضية، مما يزيد من درجة حرارة التصفيف الرقمي، ويتيح الانتقال المتزامنا الى ٦٤.

صواريخ ذات عيار مزدوج

وفي ترددات أعلى من 24 جيهرتز، يتقلص الموجات، ويسمح بوجود عدد كبير من العناصر في منطقة صغيرة، وتواجه صفائف مدافع مصفحة ذات عيار مزدوج تحديات فريدة بسبب زيادة الخسائر في الأوراميات، وتشديد التفريغ، والحساسية إزاء الطفيليات الطفيلية.

التكامل مع البلدان الجزرية النامية

كما أن المصفوفات الحديثة ذات المقياس المزدوج مصممة بالاشتراك مع رقائق التضليل التي تشمل متحولين ومحفزين منفصلين لكل استقطاب، ويجب أن يعالج النظام الككتار والتكافل بين مساري الإشارة، كما أن مجموعات متقدمة تجسد صفيفة الهوائيات وعلامات الترميز التي يقوم بها المركز الدولي على نفس المتشابكة، مما يقلل من الخسائر في الترابط بين الدول الأعضاء ويتيح الوقت الحقيقي.

الاستقطاب المزدوج القابل للثقة

وقد تتطلب الشبكات اللاسلكية المقبلة قدرة دينامية على الاستقطاب - القدرة على التحول أو تعديل حالة الاستقطاب باستمرار )مثلا من خط إلى دائري، أو بين زوايا مختلفة من الزوايا العنيفة( على أساس كل نظام من النظم، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام أجهزة الاستقطاب أو المشغلات أو أجهزة القياس المتعددة الأطراف المدمجة في الهيكل الغذائي، مثلا، مما يمكن أن يؤدي إلى تكيف سريع بين القوادة ذات السعة القصوى)٥٤(.

خاتمة

وتشكل صفائف الهوائي المزدوجة القدرة على الاستقطاب تكنولوجيا أساسية لتلبية الطلب غير الملموس على زيادة إنتاج البيانات اللاسلكية، ومن خلال مضاعفة الكفاءة الاستبدادية من خلال تعددية التذبذبات وتمكينية، وتشكيلات عالية التردد من أجهزة الرصد، فإن هذه الصفائف تشكل بالفعل جزءا لا يتجزأ من محطات الأساس التي لا يوجد فيها مقياس للجدول، والارتقاء بالمستوى المكثف، والاتصالات الساتلية.

For further reading, consult the IEE standards on antenna polarization (]IEE Antenna Standards), a comprehensive survey on dual-polarized MIMO systems (]Survey of Dual-Polarized Antennas for 5G), and the latest designa