تطوير شبكة النطاق العريض التصويرات للأجهزة اللاسلكية المتعددة المعايير

Understanding Broadband Antenna Arrays

ويستلزم انتشار معايير الاتصالات اللاسلكية طلباً ملحاً على نظم الهوائي التي يمكن أن تعمل بكفاءة عبر نطاقات متعددة، وتعالج صفائف النطاقات العريضة هذه الحاجة بتوفير تغطية واسعة النطاق مع الحفاظ على خصائص أداء متسقة، وخلافاً لتصميمات النطاق الضيقة التي تستهدف ترددات محددة، تدعم هذه الصفوف مجموعة متقاربة من الترددات، مما يجعلها مناسبة للأجهزة التي يجب أن تتعامل مع النطاقات الترددية 2، و3، و4، و6، و6، و4، و1، و5، و4،

مؤسسة الهندسة المعمارية

ويبدأ هيكل صفيفة هوائيات ذات نطاق واسع باختيار عنصر التشعير، وتشمل الخيارات المشتركة الديبلومات المطبوعة، والهوائيات فيفالدي، وعناصر الانحناء، وربط الهوائيات بتقنيات التغذية الواسعة النطاق، ويعرض كل عنصر مبادلات مميزة بين النطاق الترددي، والمكسب، والاستقطاب، والبصمة البدنية، وبالنسبة للأجهزة المتعددة المستويات، فإن تشكيلة الفيفالدي ذات السعة الجذابة الخاصة

ويؤدي هذا المقياس الجغرافي ذاته دورا حاسما في تحديد أداء النظام عموما، إذ أن صفائف الصفراء، وتشكيلات المخططات، وترتيبات مطابقة لكل منها يعرضان درجات مختلفة، ومستويات جانبية، وقدرات المسح، وبالنسبة للأجهزة المحمولة، فإن صفائف المخططات التي تضم أربعة إلى ثمانية عناصر مشتركة، وتوازن التنوع المكاني مع استهلاك الطاقة، والقيود الحرارية، ويجب اختيار فترات التقلبات بين الترددات المختلفة بعناية لتجنب استخدام أقل تقنيات المقاييس.

Impedance Matching Across Frequency

ومن أكثر جوانب تصميم صفائف النطاق العريض صعوبة الحفاظ على تطابق جيد في جميع نطاقات التشغيل، وتتفاوت المدخلات التي تُعزى إلى فرادى العناصر بتواترها بسبب الصمود الذاتي وآثار الارتداد، ويستخدم المهندسون عدة استراتيجيات لمعالجة هذا، فالتوازنات المتناهيجة في المضائق الدقيقة، مثلا، توفر انتقالا سلسا من خطوط نقل غير متوازنة إلى تغذية متوازنة، مما يؤدي إلى تحولات واسعة النطاق مقاومة.

التحديات الرئيسية في مجال التصميم والحلول الهندسية

إن وضع صفائف هوائيات عريضة النطاق للأجهزة المتعددة المعايير ينطوي على مجموعة من التحديات المترابطة التي تتطلب مبادلات دقيقة، وتفصل الفروع التالية الصعوبات الرئيسية والاستراتيجيات الهندسية المستخدمة للتغلب عليها.

Bandwidth Versus Gain Trade-Off

وهناك قانون أساسي في نظرية الهوائي هو العلاقة بين نطاق الترددات والمكسب، إذ إن زيادة نطاق الترددات المتوسطة تؤدي عادة إلى تخفيض الكسب الأقصى لأن الطاقة المشععة تنتشر عبر نطاق أوسع، وهذا أمر يثير إشكالية خاصة في الأجهزة الصغيرة التي تحد من الاختلال بسبب قيود عوامل التكاثر، ويعالجه المهندسون باستخدام أساليب الارتداد المتعددة في إطار واحد.

التقارب والتخفيف

فالتقارب بين عناصر الصفوف هي مشكلة مستمرة تؤدي إلى تطابق الارتدادات، وتزيد من الترابط بين القنوات، وتشوه أنماط الإشعاع، وفي صفائف الاتفاقات التي يكون فيها التباعد بين العناصر صغيرا بالضرورة، يمكن أن تصل الوصلات إلى مستويات تتراوح بين 10 ثنائيات أو أكثر، وقد وضعت عدة تقنيات للحد من الانقلاب، وتستحدث خطوط العزلة تحولاً تدريجياً بين العناصر المتاخمة لإلغاء الإشارة العزلة.

تقلص الأجهزة النقالة

فالتوجه نحو أجهزة الإلكترونيات المخففة والخفيفة يفرض قيودا شديدة على صفائف الهوائيات، وقد لا يستوعب هاتفاً ذكياً إلا 10-15 ملم من التطهير من أجل تكامل الهوائي، ويستلزم تحقيق عملية النطاق العريض في نطاق صغير تقنيات مبتكرة للتقليل من حجمها، كما أن قياسات التقلبات الشديدة، وشكلات التحميل الديوي تقلل بشكل فعال من حجم العناصر الكهربائية مع الحفاظ على أداء واسع النطاق.

الإدارة الحرارية في سيناريوهات عالية القوة

فالأجهزة المتعددة المعايير غالبا ما تحتاج إلى نقلها على مستويات عالية من الطاقة، ولا سيما في تشغيل جهازي الخلايا وشبكة الإنترنت، وتشتت عناصر الطائفة وشبكة التغذية، مما يمكن أن يغير الممتلكات الكهربائية والأداء المتدهور، وتتسبب الخسائر في آثار النحاس والخسائر الديموائية في المصانع الفرعية في توليد حرارة يجب إدارتها، وتسمح أدوات المحاكاة الحرارية للمهندسين بالتنبؤ بقنوات الدقيقة وتصميم هياكل السلوك الحراري.

التطورات التكنولوجية

وقد أدت عمليات الانجاز الأخيرة في المواد والمحاكاة والإلكترونيات القابلة لإعادة التشكيل إلى تقدم كبير في حالة الفن في صفائف الهوائي ذات النطاق العريض، وهذه الابتكارات تتيح مستويات الأداء التي كانت غير قابلة للاستدامة في السابق في عوامل شكلية مدمجة.

Metasurfaces and Metamaterials

ويمكن أن تؤدي هذه العوامل، التي تتكون من هياكل مسببة للترددات دون الإشعاعية، إلى مراقبة غير مسبوقة على الموجات الكهرومغناطيسية، حيث تُرفع طبقة سطحية فوق أو متاخمة لصفيفة هوائية، إلى تكييف قدرة المهندسين على التفوق على المستوى العالمي، وإلى تطابق الاختناق بين أجهزة الموجات المتوسطة ذات الوجه الواسع النطاق وأجهزة الأشعة المتحرك.

عناصر قابلة للثقة وموحدة

فالعناصر التي يمكن أن تغير دينامية تواترها التشغيلي أو الاستقطاب أو نمط الإشعاع هي أداة قوية للأجهزة المتعددة المعايير، وتُستخدم في جميع أجهزة الاستديوان، وأجهزة الاستطلاع، ومفاتيح البرمجيات المتوسطة الحجم، وأجهزة التحويل ذات النطاقات المتوسطة، لتغيير التوزيع الحالي على الهوائي، وتحويل مساره، وتربط الدوائر المتكاملة الحديثة بين هذه المتغيرات وبين شبكات التكييف القائمة على أساس التحكم.

تقنيات المحاكاة والتأهيل

إن أدوات المحاكاة الكهرومغناطيسية ذات الموجات الكاملة، مثل استوديو الموجات الدقيقة التابعة للجنة العلم والتكنولوجيا، ومحطة HFSS، وشبكة الترددات الكهربائية، لا غنى عنها في تصميم صفائف حديثة، وتتيح للمهندسين إمكانية وضع نماذج متطورة من حيث التكوين، ومواد، وآثار التقارب ذات الدقة العالية، غير أن حفز صفائف واسعة النطاق من التفاصيل الجيولوجية الدقيقة كثيرا ما يكون مكثفا من الناحية الحسابية.

التأشيرات والتكامل بين البعثة

ويُعد الجمع بين صفائف النطاق العريض وتجهيز إشارات متعددة النواتج متعددة المدخلات، حجر الزاوية في النظم اللاسلكية الحديثة، ويتيح التصفيق الرقمي التحكم المستقل في كل عنصر من عناصر الصفائف، ويتيح إبطال مفعول المقاييس، والتضاعف المكاني، وتركيب التنوع، أما بالنسبة للصفائف العريضة النطاقات، فلا بد أن تعتمد الأوزان على الترددات لتعويض التفكك التدريجي للصور عبر خطوط النطاق الترددي.

تطبيقات الأجهزة المتعددة المعايير

وتوزع صفائف الهوائيات ذات النطاق العريض عبر مجموعة واسعة من الأجهزة اللاسلكية المتعددة المعايير، التي لها متطلبات وقيود محددة، وتخفض القدرة على دعم مجموعات الترددات المتعددة مع مجموعة واحدة من العناصر، وتوفر المساحة، وتبسط عملية التحقق من التصميم.

السماعات الذكية والطاولات

وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن تدعم الهواتف الذكية الحديثة 2G/3G/5G، وW-Fi 6E (2.4 و5 و6 GHz)، وBlutooth، وGPS، وNFC-all في حجم معوق للغاية، ويمكن أن تتيح صفائف النطاقات الترددية تغطية واسعة النطاق تبلغ 700 ميغاهيرتز بمجموعات واحدة من أجهزة الإشعال.

IoT and Smart Home Devices

وفي كثير من الأحيان، تعمل أجهزة الإنترنت (IoT) على بروتوكولات متعددة مثل Zigbee, Z-Wave, Thread, Bluetooth Low Energy, and Wi-Fi HaLow.() ويمكن أن تحل صفيفة واحدة من أجهزة التهوية ذات النطاق العريض محل عدة أنواع من البطاريات ضيقة النطاق، وأن تبسط تصميم المنتجات وتخفض التكلفة، وبالنسبة للمراكز المنزلية الذكية، يمكن لمجموعة من الترددات 4 إلى العناصر أن توفر التنوع المكاني ودرجة المحسنة من أجل الربط الشبكية.

نظم الانتقائية الآلية

وتحتاج المركبات المُنقَلة إلى هوائيات للهواتف الخلوية، و C-V2X، و Wi-Fi، و GPS/GNSS، وأجهزة لاسلكية، ودخول غير مُحدد، ويمكن أن تغطي صفائف النطاقات العريضة التي تُقام على السطح أو في وحدة الزعانف من سمك القرش 400 ميغاهيرتز إلى 7 جيهرتز، وتدعم جميع هذه الخدمات بفتحة واحدة.

الهياكل الأساسية اللاسلكية والخلايا الصغيرة

وتعتمد محطات قاعدية، وخلايا صغيرة، ونظم هوائيات موزعة على صفائف النطاق العريض لخدمة مشغلي متعددين ومعايير من لوحة واحدة، وتغطي مجموعة نموذجية من أجهزة الترميز ذات الترددات العالية تتراوح بين 690 و 2690 ميغاهيرتز، مع ما يتراوح بين 8 و 16 عنصرا، وتوفر قدرات واسعة النطاق من أجهزة إمغنوم متعددة، وتتيح النطاقات الواسعة النطاق نفس المجموعة لخدمة 2 جي و 3G و 4G، وفي الوقت، تبسيط عملية اقتناء المواقع ذات الترددات.

المستقبل

ولا يزال مجال صفائف الهوائيات ذات النطاق العريض يتطور بسرعة، ويقوده الطلب غير الملموس على ارتفاع معدلات البيانات، وانخفاض معدل الرطوبة، والربط بين الشبكات، وعد العديد من الاتجاهات البحثية بإعادة تشكيل قدرات الأجهزة المتعددة المعايير.

ميليميتر-وايف و Sub-THz Arrays

وتتجه النظم اللاسلكية إلى ارتفاع الترددات حيث تصل نسبة الـ 5G RFR2 إلى 44 GHz، وتستكشف 6G من المقاييس ذات الكفاءة إلى 140 GHz وما بعدها، وفي هذه الترددات، تصبح صفائف الهوائيات صغيرة للغاية، مع وجود أحجام عناصر على نظام المطاحن.

نظم هوائيات محددة ومعرفية

ويكتسب مفهوم الهوائيات المحددة للبرامج، حيث تخضع معايير التشغيل تماماً للبرمجيات، انتصاباً، حيث تستخدم النظم المعرفية للتعلم الآلي لتحس البيئة الكهرومغناطيسية وتكيف تشكيلة الصفوف في الوقت الحقيقي، مثلاً يمكن للمجموعة أن تكتشف التدخل في صفائف معينة من الأجهزة المحتوية على الترددات وتتجه إلى المصدر بينما تحافظ على التغطية في أماكن أخرى، وهذه القدرة قيمة بشكل خاص في نطاقات غير خاضعة للرقابة.

التكامل مع تسخير الطاقة والطاقة اللاسلكية

ويمكن أن تجمع الأجهزة اللاسلكية المقبلة بين مهام الاتصالات ونقل الطاقة داخل نفس صفيفة الهوائيات، وقد تؤدي صفائف النطاقات العريضة التي تدعم نقل البيانات وجمع الطاقة من مصادر الترددات المتوسطة إلى تمكين أجهزة الاستشعار التي لا تعمل بالبطارية، وتيسر البنية التحويل من أجل نقل الطاقة اللاسلكية بكفاءة على مسافة، مع الحفاظ في الوقت نفسه على وصلات البيانات.

تصميمات الأري المُلهمة بيولوجياً ونيورومورفيكية

فالطبيعة توفر الإلهام لتصميمات صفائف الهوائي الفعالة، فالعين المركبة للحشرات، مثلا، تستخدم قنوات بصرية متعددة لتحقيق مجال واسع من النظر بحساسية عالية، وبالمثل، تستخدم صفائف الهوائيات الحيوية الحيوية عناصر غير نظامية تباع في فترات المباعدة بين الزمن والمستوى غير الرسمي للتوزيع، وذلك لتحقيق مسح واسع النطاق دون الحاجة إلى أجهزة تحويل ذات حجم حراري.

خاتمة

إن تطوير صفائف الهوائي ذات النطاق العريض من أجل الأجهزة اللاسلكية المتعددة المعايير يمثل تقاربا في الهندسة الكهرومغناطيسية، وعلم المواد، وتجهيز الإشارات الرقمية، وهذه الصفائف تتيح تشغيل الأجهزة بطريقة سلكية أكثر هدوءا عبر عدد متزايد من النطاقات والمعايير، وتبسيط تصميم المنتجات مع تحسين الأداء، وتتطور التحديات المتمثلة في الحفاظ على نطاق الترددات، والحد من الانقلاب المتبادل، والاندماج في عوامل الشكل المدمجة من خلال تقنيات مبتكرة