وقد أدى التطور السريع لتكنولوجيات الاتصالات اللاسلكية إلى نشوء حاجة ملحة إلى نظم الهوائيات التي يمكن أن تعالج زيادة معدلات البيانات، وانخفاض درجة الرطوبة، وزيادة موثوقية الربط، وقد ظهرت صفائف الهوائي على نطاق الترددات فوق الشبكة، كحجر للشبكات ذات الترددات العالية، والمعايير اللاسلكية المستقبلية، مما يتيح القدرة على العمل على نطاق واسع جداً - من مئات من المواد الميثغرية إلى عشرات من أشكال التزود بالبطاقات العالية.

أساسيات النطاق الترددي الأول - المتوسط

مجموعة من العناصر المشعّة المصممة للحفاظ على تطابق الأداء المستمر، والنمط الإشعاعي، والكسب، والاستقطاب - فوق نطاق التردد الذي يمتد عادة إلى عقد أو أكثر.

ومن الأمور الحاسمة اختيار عنصر التشعير، وتشمل عناصر الأشعة فوق البنفسجية المشتركة الأنينات فيفالدي (المتطاولة) وديبولات الأمعاء والألوان الملوّثة، والقطع المكسورة ذاتية الشكل، والهياكل ذاتية الأشعة المعتدلة، والتصميمات ذاتية المقاييس ذاتية الصبغة الفوقية، مع وجود فترات زمنية مائلة، وتوفر نماذج ممتازة للتصميمات الترددية ذاتية ذاتية.

ويتم اختيار تشكيلات الأشعة على أساس التغطية والتوجيه وعامل الشكل، وتتناسب صفائف الصفوف مع توجيه الشعاع 1D؛ وتوفر صفائف المخطط توجيهاً من طراز 2D، وهي مشتركة في محطات القاعدة ومعدات المستعملين؛ وتتكون صفائف مطابقة من أسطح مكفوفة لأسباب هوائية أو اصطناعية.

تحديات التصميم والحلول

ويطرح تصميم صفائف الهوائيات من طراز UWB عدة تحديات مترابطة تتطلب مبادلات دقيقة وتقنيات متقدمة.

Impedance Matching Across Bandwidth

وكثيرا ما يكون العقبة الأولى في الحفاظ على مستوى منخفض من الترددات العالية، ويتفاوت التبسيط الذاتي لكل عنصر مع التواتر، كما أن الانقلاب المتبادل بين العناصر المتاخمة يزيد من تشوه التطابق، ويستخدم المهندسون شبكات مطابقة للشبكة العريضة، مثل المحولات ذات الترددات الفصلية المتعددة، أو المحولات الجيبية، أو البالونات الموزعة، كما يجب أن تحافظ شبكة التغذية على التماثل بين الكميات.

التقارب والتخفيف

فالتقارب بين عناصر الصفوف يغيّر أنماط العناصر ويزيد من مستويات اللوب الجانبي ويمكن أن يسبب التصويب الكامل للعمى في بعض الزوايا المسحية، أما بالنسبة لصفائف البوليسترات، فإن الأثر يعتمد على التردد ويصعب الغاؤه، وتشمل أساليب التحلل هياكل التصاميم الكهرومغناطيسية التي توضع بين العناصر، والهياكل الأرضية المعيبة، وخطوط التحلل، واستخدام صفائف السطحية ذات التقلبات العالية.

نمط الرواسب

إن وجود نمط ثابت للإشعاع على نطاق الترددات هو أمر أساسي لإيجاد ملامح وتوجيهات موثوقة، فالتغيرات في مركز العنصر، والبيامود، ونسبة الواجهة الأمامية إلى الخلف، هي مشاكل، وتشمل الحلول استخدام قياسات العناصر الثابتة (مثلا، التوازن فيفالدي)، إضافة مديريات طفيلية أو مفكرات في الزوايا، ومسح العدسات الضوئية للنظم الإيكولوجية المتشعبة أو صفائفة المتقلبة.

المواد والتسعير

ويؤثر اختيار المواد تأثيرا مباشرا على عرض النطاق الترددي والخسائر والاستقرار الحراري، إذ أن انخفاض قيمة المواد المصنوعة من بروميد الميثيل مثل روجرز 4003/4350، ومركبات PTFE، وبوليمر البوليمر السائل شائع بالنسبة للصفائف على مستوى اللوحات، كما أن استخدام الترسبات ذات السمعة المنخفضة (الرموز ذات التحلل المزدوج) أو الارتفاع الكبير في الصبغة المضافة.

تصميم شبكة التغذية

ويجب أن توزع شبكة التغذية السلطة على جميع العناصر التي لها مرحلة صحيحة وضخامة على نطاق كامل، كما أن تغذية الشركات (الشبه) هي أكثر أنواع الترددات اتساعاً ولكنها تتطلب الكثير من الأزواج الهجينين وأقساط القوى.

الطلبات الواردة في 5 زاي وما بعدها

صفائف الهوائيات من طراز UWB ليست حلاً وحيداً بل هي أسرة من التكنولوجيات المصممة خصيصاً لمختلف سيناريوهات الـ 5G والنظم المستقبلية من نوع 6G.

5G New Radio Sub-6 GHz and mmWave Bands

أما بالنسبة لمجموعات الترددات الفرعية من 5G-6 GHz (مثلاً، رقم 77، رقم 78، رقم 79، من 3.3 إلى 5 GHz)، فإن صفائف البوليسترات من طراز GMO، وهي عبارة عن مجموعة صغيرة من أجهزة الترددات ذات الحجم الترددي (Gandi) موزعة على نحو (Stwid) ومزودة بأجهزة مصغرة بحجم (020 DB)

رادار والاستشعار

وتستخدم صفائف من طراز UWB في الرادار الآلي (24 GHz short-range, 77 GHz long-range) حيث توفر الترددات الواسعة النطاق حلا جيدا، وبالنسبة لتعايش 5G-Rdar، يمكن للصفائف من طراز UWB أن تخدم مهام الاتصال والاستشعار (التواصل والرادار المشترك، ومقياس الحركة) في الرادار، والإطار الترددي المنخفض (0.5-4، والتصميم المتوازن GHz)

الموقع الداخلي الصحيح

وتعتمد نظم توقيت الارتحال والاحتلال الزمني على صفائف الأشعة فوق البنفسجية من أجل الدقة في تقدير التأخير، ويمكن للنظم أن تحقق أخطاء في التمركز تقل عن 10 سم.

شبكة الاستشعار اللاسلكية وشبكة ايوت

وتجذب صفائف البوليسترات المتعددة البيوت إلى أجهزة متدنية الطاقة، عالية الجودة من حيث البيانات، لأن هذه الأجهزة يمكن أن تعمل بطريقة منفجرة مع دورات منخفضة من الرسوم، وتخفض المدة القصيرة من النبضات غير المستعملة (الثانية الفرعية) استهلاك الطاقة وتتيح إمكانية الوصول المتعدد الشُعب إلى مختلف المستويات، وتحسن الصفائح الإدارية من ميزانيتها، مما يتيح إمكانية زيادة القدرة على نقلها، ويجري تطوير صفائف مرنة ومتطابقة مطبوعة على أجهزة البلاستيكية أو نسيجية.

دراسة حالة: توسيع نطاق التصوير المرحل لخمسة جيغا من محطة القاعدة

ويستخدم تصميم نموذجي لمحطة قاعدية قوامها ٥ جي في إطار فرقة ال ٧٧ )٣,٣-٤,٢ غيغاهيرتز( صفيفة ذات سعة ٤٦ درجة مئوية مزدوجة، وكل عنصر متراكم ومربوط بعلامات متزامنة مع مجموعة متطورة من المقاييس )٥,٥(

الاتجاهات المستقبلية

ويشير مسار تطوير صفائف الهوائيات في يو دبليو بي إلى زيادة التكامل والاستخبارات وقابلية التردد.

Reconfigurable and Agile Arrays

وستتضمن الصفوف المقبلة عناصر قابلة للتسوية إلكترونيا (المفاعلات، والأقسام الدبابيس، والآلية المتعددة الأطراف لإدارة مصائد الأسماك) لتغيير نطاق التشغيل أو شكل الشعاع، كما تتيح صفائف القابلية للثقة في الترددات الترددية فرصة واحدة لتغطية النطاقات المتعددة 5G، مثل المستودعات الفرعية 6 GHz و mmWave.

الأشعة المحسنة السطحية

ويمكن وضع هياكل مخططات متطورة ذات خلايا وحدة تحتية مصممة أمام صفائف من طراز UWB أو دمجها لتحسين نطاق توجيه الشعاع، أو الحد من الانقلابات المتبادلة، أو تحقيق تركيز شبيه بالحساسية، كما أن خلايا المقاييس توفر كفاءة عالية في نقل الأوجه ويمكن أن تصمم الصورة النهائية للمسح دون عدسة مائل، لأغراض الأشعة فوق البنفسجية، يجب أن تكون متداخلة بين أسطحات.

التصميم والتصنيف المرتجلين

وتستخدم خوارزميات التعلم الماكنة في تصميم عناصر صفائف البوليفين البوليفي باستكشاف مساحات كبيرة من البارامترات لتحقيق أقصى قدر من الاتساع والنمط، وتستخدم شبكات النزعة الجامدة لخلق ملامح جديدة فيفالدي، ويمكن للشبكات العصبية العميقة، من ناحية الالتقاء، أن تحل محل الأساليب التقليدية للربط بين الترددات والمواقف.

تقنيات التكاثر المتقدمة

وأصبح التصنيع الإضافي (الطباعة 3D) قابلاً للتطبيق لإنتاج صفائف من البوليسو الغربية ذات قياسات جغرافية معقدة مثل التمرينات أو التحلل أو التدرجات، ويتيح طباعة الجينات السامة على مضارب فرعية مرنة صفائف مطابقة للطائرات الآلية، والملابس المزروعة، والتطبيقات الآلية.

التكامل مع 6G: Terahertz Arrays

أما فيما يتعلق بشبكات الترددات التي تتجاوز 5 جي، فإن 6 زاي تهدف إلى استخدام الترددات من 100 غيهرتز إلى 1 ثيس، وفي هذه الترددات، فإن نطاقات السلاسل التي تتكون من عشرات الجياغهرتز متاحة، وستعتمد صفائف البوليسترات المتطورة على البلاستيك المحتوي على الترميز أو على الترميزات المحتوية على الترميز (AiP) على أصناف محدودة من المكسب.

خاتمة

ولا غنى عن صفائف الهوائي على نطاق واسع لتلبية احتياجات 5G والنظم اللاسلكية المستقبلية من النطاق الترددي والقدرة، ويتطلب تصميمها توازناً دقيقاً في القياسات الأرضية، واختيار المواد، وتقنيات التغذي، وتقنيات التفكيك لتحقيق أداء متماسك واسع النطاق، ومع توسع التطبيقات من الاتصالات السريعة إلى الاستشعار العالي الاستبانة وتحديد المواقع بدقة، فإن الجيل القادم من صفائف الطباعة سوف يصبح قابلاً لإعادة تشكيله.

Further Reading:]