التعريف بالنظم المتعددة الأطنان وضرورة العزل

إن النظم المتعددة الأطياف، المعروفة على نطاق واسع بتشكيلات متعددة المدخلات، تشكل العمود الفقري للبلاغات اللاسلكية الحديثة، من 4G LTE و 5G NR إلى Wi-Fi 6/6E وما بعده، ومن خلال استخدام عوامل متعددة من قبيلة في كل من جهاز الإرسال والمتلقي، كثيرا ما تستغل هذه النظم التنوع المكاني والانقلابات المكانية المتعددة لزيادة البيانات بشكل كبير من خلال صنع وربطها دون الحاجة إلى طيف أو وسائل إضافية.

وتستكشف هذه المادة الفيزياء الأساسية للتدخل الهوائي في النظم المتعددة الأطقم، والدراسات الاستقصائية التي ثبتت حيازتها، وتناقش أثرها على قياسات النظم، وتتطلع إلى التكنولوجيات الناشئة التي تعد بزيادة تحسين العزلة في الشبكات اللاسلكية في المستقبل.

فهم التدخل في النظم المتعددة الأطنان

التقارب والتوحيد

وينشأ التداخل بين الهوائيات في مجموعة متعددة العناصر أساساً من التصادم غير المتعمد ] - ويتوقف التفاعل الكهرومغناطيسي بين الهياكل المشعة المجاورة، وعندما تتدفق التدفقات الحالية في عنصر هوائي واحد، ينتج مجالاً مشعاً يحفز التيارات والثورات في العناصر المتاخمة، ويغير هذا الانقلاب الافتراضي الفعال.

  • Inter‐element spacing] — coupling strength decays with distance, but in compact devices (e.g., handsets, small —cell base stations) antennas must often be placed less than half a wavelength apart.
  • Antenna type] — printed, microstrip, or monopole antennas exhibit different coupling behaviours based on their geometry and ground-plane interaction.
  • تواتر التشغيل ] - ارتفاع الترددات يعني أن الموجات أقصر، لذا فإن التباعد من حيث الموجات قد يظل ثابتا، ولكن التسامح المادي يصبح أكثر صرامة.
  • Ground plane and chassis modes - the shared ground plane in many MIMO implementations can act as a common conduit for coupling currents, especially at lower microwave frequencies.

أنواع التدخل في وصلات البعثة

وبالإضافة إلى التقارب المتبادل البسيط، يجب أن تُدير النظم المتعددة النواحي أشكالاً عديدة من التدخل:

  • Self-interference] — in full‐duplex systems where the same frequency is concur used for transmit and receive, isolation between the transmit and receive antennas is paramount to avoid saturating the sensitive receiver low-noise amplifier (LNA).
  • Co-channel interference] – from other transmitters in the environment; while not solely a function of antenna design, poor isolation can make the array more susceptible to unwanted signals.
  • Nearfield scattering] — obstacles and dielectric materials close to the antenna array (e.g., a user’s hand on a smartphone) cause pattern distortion and additional coupling paths.

لمسائل عزل الأداء النظامي

إن تدهور الأداء الناجم عن عدم كفاية العزلة الهوائية يتجلى في عدة طرق قابلة للقياس الكمي:

  • Reduced channel capacity] — mutual coupling introduces correlation between the MIMO sub-linknels. When sub- —channels are highly correlated, the spatial multiplexing gain is lost, and capacity approaches that of a singleantenna system.
  • ازدياد حجم ناقلات الأخطاء [EVM] ] - وتتداخل الإشارات المقترنة مع التعديل المقصود، وترفع الحد الأدنى للضوضاء، وتجعل من الصعب على أجهزة الاستلام أن تزيل الرموز بشكل صحيح.
  • Degraded diversity gain] - in diversity schemes (e.g., selection combining or maximal ratio combining), coupling reduces the statistical independence of the fading envelopes, lowering the diversity order.
  • عدم كفاءة الدول - يمكن أن يستوعب جزء من الطاقة المنقولة بواسطة الهوائيات المتاخمة بدلاً من التعرّف إلى الفضاء الحر، مما يقلل من الكفاءة العامة ويزيد من الحمولة الحرارية.

وتختلف أهداف التصميم النموذجية لعزلة الهوائيات بالتطبيق: فبالنسبة للمبادرة المتعددة الجنسيات، كثيرا ما تعتبر عزلة 10-15 دي بي مقبولة، بينما يمكن أن تتجاوز متطلبات العزلة 50 دي بي.

تقنيات عزل الأنتينا الرئيسية

الفصل المادي والتنوع المكاني

أما الطريقة الأكثر وضوحاً للحد من التقارب المتبادل فهي زيادة المسافة المادية بين عناصر الهوائيات، أما بالنسبة للإشارات غير المتصلة بالمجان، فإن العزلة تتحسّن تقريباً بمعدل 20 درناً لكل عقد من الزوال المسافات (بمعدلات الموجة)() ومن الناحية العملية، يجب أن يوازن المصممون العزلة ضد قيود الشكل، وعلى سبيل المثال، في صفيفة واسعة النطاق من طراز MIFMO تدور في فريق يتكون من 60 سم

المواد الدروعية والعابرة

ويمكن أن تحجب الدروع المعدنية التي توضع بين الهوائيات بالقرب من المسافات الأمامية، كما أن وجود جدار عمودي بسيط (يسمى في كثير من الأحيان زعانف أو سياج) بين هوائيين مطبوعين يمكن أن يضيف 5-10 دناني من العزلة، ويستخدم نهج أكثر تقدماً تركيبات التايتروغنطيسية [FG]

الهوائيات المباشرة والصور

ويمكن أن يؤدي استخدام الهوائيات ذات التوجيه العالي، بطبيعة الحال، إلى خفض الطاقة التي تتدفق إلى العناصر المتاخمة، وفي صفائف تدريجية، يمكن أن يكون معامل الأشعة ] وأنماط العناصر متفاعلة؛ وإذا كانت لدى العناصر الفردية صورة ضيقة، فإن الانقلاب المتبادل بين العناصر على الجوانب المقابلة للصفائف أقل بكثير، وعلى سبيل المثال، يمكن إلغاء رقعة ذاتية عالية

شبكات عزل ودائرة الفصل

At the circuit level, engineers can insert passive networks between antenna ports to abolish the coupled signal. A traditional technique is the neutralisation line — a transmission line that feeds a portion of the signal from one antenna to the other with a 180° phase shift, thereby nullling the parasitic coupling:[FimpT]

التنوع في مجال الاستقطاب

ويظهر الاستقطاب الأرثوني عادة انكماشا متبادلا منخفضا، إذ يرتب الهوائيات ذات الاستقطابات الطولية (مثلا الرأسية والأفقية) أو الاستقطابات التعميمية المقابلة (اليد اليمنى واليسار)، يمكن أن يحقق النظام عادة ما يتراوح بين 20 و35 د.ب بين القنوات، شريطة ألا تؤدي البيئة إلى تطهير موجات العزلة بشكل كبير.

الهياكل الأرضية المُحَقَّلة ونُهج مُتَمَتَجَهَا

وتتكون هذه الهياكل الأساسية [الإطارات: 1] المتطورة من أنماط متعمدة مقسمة في الطائرة الأرضية (مثلاً، فتحات دورية أو أشكال غمائية) تعدل التوزيع الحالي ووقف انتشار الموجات السطحية. ويمكن أن توفر تواتراً يتراوح بين 10 و20 من العزلة في صفائف الميكروبات([2]).

الأثر على أداء النظام: المنظور الكمي

وتقاس فعالية أساليب العزل في نهاية المطاف بأثرها على مؤشرات الأداء الرئيسية لرابطة المنظمة البحرية الدولية، ولنبحث العلاقة بين العزلة والقدرة والربط بين الجودة.

قدرات القناة والعزل

وفي قناة ضيقة النطاق MIMO، توفر صيغة شانون - الملتهمة للتضاعف المكاني القدرة القابلة للتحقيق (التحانات/الز)

C = لوجست [ديت (I + (SNR/N) * H]H]]

ويمكن أن يؤدي التقارب المتبادل إلى الربط بين صفوف H، مع تخفيض رتبته الفعلية، حيث يمكن أن يؤدي إلى زيادة القدرة المكانية [[[ [،] [و] [الصفيفة الـ 20]] - التقريب بين الـ 5 و 10 في المائة من أنظمة الرصد والتحقق المستمر] إلى زيادة القدرة المكانية.

الغضب والثقة

In OFDM-based systems (LTE, 5G NR, Wi‐Fi), the error vector magnitude (EVM) is a composite measure of in‐channel interference, noise, and distortion. Isolation improvements directly lower the interference component. For a 64 —--QAM modulation (commonly used in 5G and Wi-Fi 6), an EVM degradation of only a few percent can pushd

اعتبارات التصميم العملي

ويجب على المهندسين أن يقيّموا فوائد كل أسلوب من أساليب العزلة من القيود العملية:

  • Size and form factor] — physically large decoupling structures (e.g., shield walls) are often infeasible in portable devices. Neutralisation lines and DGS are more compact.
  • ()Bandwidth ] - وكثير من شبكات التزييف السلبية ضيقة بطبيعتها، وقد تكون فعالة فقط أكثر من بضعة في المائة من النطاق الترددي للقطع، وبالنسبة للنظم التي تغطي قطاعات متعددة (مثل 700 MHz-6 GHz في 5G sub-6)، قد يلزم وجود دوائر متعددة للتزيين أو مكونات غير قابلة للتشفير.
  • Compplexity and cost] - techniques digital isolation techniques require additional RF chains and processing power. In cost-sensitive consumer devices, analog passive methods are preferred.
  • Mutual coupling vs. radiation efficiency] - بعض أساليب الدرع أو الاستيعاب يمكن أن تقلل من كفاءة الإشعاع عموماً عن طريق ضخ الطاقة.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) and Metasurfaces

(ب) إن الظواهر البيئية المتعددة الأطراف التي يمكن التحكم فيها، والتي تُعتبر أيضاً مساحات كبيرة من الأسطح الذكية - هي صفائف خطية سلبية أو شبه سلبية يمكن أن تشكل بيئة التكاثر (10) عن طريق تعديل المرحلة وضخ الإشارات المجسدة بصورة دينامية، وفي حين أن هذه الظواهر لا تؤدي مباشرة إلى تغيير مسارات العزلة نفسها، فإن " RIS " يمكن أن تُوضع في مكان قريب من إلغاء الظواهر متعددة.

تعليم الآلات من أجل الفصل الإيجابي

ويجري حالياً استكشاف خوارزميات التعلم من الآلات - ولا سيما التعلم من التعزيزات العميقة - لشبكات العزلة النغمية الدينامية في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، يمكن لعامل السحب من مادة السحب من مادة السحب من المشغل أن يعدل من قدرة أجهزة الاستصلاح على العزلة، حيث تؤدي مزيج اليدين إلى تغيير البيئة المحيطة بالميدان القريبة.

المواد المتقدمة والتكامل

New dielectric materials with tailored permittivity and loss tangent can be used as substrates that inherently reduce coupling. Liquid polymers (LCP) and [FL-T:2]lowtemperature co-fired ceramics (LTCC) allow the integration into dequerate prech

توحيد المعايير والنظرة التنظيمية

ونظراً لأن استخدام الطيف يصبح كثيفاً وأكثر تنافراً (مثلاً، فرقة غ هرتز غير مرخصة في وينيفي 7، التقاسم الثانوي في 5 زاي)، فإن الهيئات التنظيمية مثل لجنة المنافسة الحرة والمبادرة الخاصة بقطاع الكهرباء (FCC) و(ETSI) تفحص بشكل متزايد الانبعاثات البعيدة النطاق والحدود المفروضة على التدخل، وستكون العزلة الهوائية الآلية عاملاً رئيسياً في تلبية هذه المتطلبات دون المساس بمعدلات القياسية (30).

خاتمة

إن عزلة الهوائيات ليست رفاهية اختيارية في نظم متعددة الأطقم؛ بل هي شرط أساسي لتحقيق الأداء النظري الذي وعدت به نظرية البعثة، فمن الفصل المادي البسيط إلى الفصل المتطور والإلغاء الرقمي التكييفي، فإن مجموعة أدوات أساليب العزلة لا تزال تتوسع، وكل طريقة تأتي بمجموعة من المبادلات ذاتية في الحجم والتواتر والتعقيد والتكلفة.

وفي المستقبل، فإن تقارب الأسطح الذكية القابلة لإعادة تشكيلها، والتعلم الآلي، والتكامل المتقدم، سينتج عن ذلك نظم عزل دينامية قادرة على التكيف مع الظروف السائدة في الوقت الحقيقي، وسيكون المهندسون والباحثون الذين يتقنون هذه التقنيات مؤهلين تماما لدفع حدود القدرة اللاسلكية والموثوقية في طيف مزدحم بشكل متزايد، ومن خلال الاستثمار في تصميم عزلة قوي اليوم، نرسي الأساس للشبكات العالية والمنخفضة المتفاعلة غدا.