فهم مزايا الأنتينا المتعددة النطاقات في الأجهزة الحديثة

مقدمة: تزايد أهمية الهوائيات المتعددة النطاقات

ويتوقف الاتصال اللاسلكي الحديث على الهوائيات التي يمكن أن تتعامل مع مجموعات الترددات المتعددة في آن واحد، ونظرا لأن الأجهزة تتقلص في الحجم ومعايير الشبكة، تحول المهندسون إلى تصميمات هوائيات متعددة النطاقات للمحافظة على القدرة على الاتصال الموثوق بها دون التضحية بالأداء، وهذه المواضع تتيح المجال للهواتف الذكية، والأقراص، ومستشعرات التلويث، والمعدات الصناعية التي تعمل في مختلف الشبكات مثل نظام إدارة السجلات والشبكة العالمية، والهاتف، والهاتف، والهاتف، والهاتف، والهاتف، ورقم ٦ زاي، و ٦، و ٦،

إن فهم الهوائيات المتعددة النطاقات يتطلب إدراكا أساسيا لحجم الهوائيات التي تشع وتتلقى موجات الكهرومغناطيسية، ويتردد في نفس الوقت على عناصر مختلفة من حيث طولها المادي وقابليتها للتأثر، ويسمح استخدامات متعددة النطاقات بأن تكون أكثر كفاءة في تصميمها، ويسمح بالاتساعات المتعددة الأطراف بأن تكون أكثر قابلية للتأثر.

ما هي الأنتينا المتعددة البنايات؟

(ب) أي هيكل متعدد النطاقات قادر على نقل أو تلقي إشارات في نطاقين أو أكثر من نطاقات الترددات المستقلة ذات الأداء المقبول في كل فرقة، خلافاً للهائيات ذات النطاق العريض، التي تغطي مجموعة مستمرة من الترددات، تعمل الهوائيات المتعددة النطاقات على نطاقات متفرقة وغير متغطّية، وتشمل الأمثلة المشتركة على ذلك التواريخ التي تدعم النطاقات الإشعاعية المحددة الهدف و5 درجات مئوية.

How Multi-Band Operation Is Achieved

وتتيح عدة أساليب تصميم هيكل هوائي واحد أن يتردد في ترددات متعددة:

• Parasitic elements:] Additional conductive elements positioned near the driven element create secondary resonances. This technique is common in planar inverted-F antennas (PIFAs) for mobile devices.
• Meandered or folded structures:] Bending the conductive trace lengthens the effective electrical path without increasing the physical footprint, enabling lower-frequency resonances in a compact space.
• Slot loading:] cutting slots into a patch or ground plane introduces additional resonant modes, allowing the antenna to cover multiple bands from a single feed point.
• Multimode excitation:] By interesting different current distributions on the same conductor, the antenna can radiate efficiently at harmonics or other natural frequencies.

وكثيرا ما تدمج هذه التقنيات لتحقيق ثلاثة أو أكثر من النطاقات مع إبقاء الهوائي صغيرا بما يكفي ليتم تركيبه داخل وحدة هاتف ذكي أو وحدة إيوت، وتعتمد عملية التصميم عادة على أدوات المحاكاة الكهرومغناطيسية ذات الموجات الكاملة مثل محطة HFSS أو لجنة العلم والتكنولوجيا لتحقيق الحد الأمثل من الهندسة لضمادات الأهداف ولضمان العزلة السليمة عن المكونات المجاورة.

مقارنة مع الهوائيات ذات النطاق العازب والواسعة النطاق

ويُخصص لهوت ذات النطاق العازب لتواتر واحد، مما يتيح قدراً كبيراً من الكفاءة ولكنه محدود من المرونة، وتغطي الهوائيات ذات النطاق العريض طيفاً مستمراً، كثيراً ما يكون بتكلفة منخفضة أو أكبر، ويحقق التوازن بين الهوائيات المتعددة النطاقات: فهي تركز الطاقة المتاحة على ترددات محددة بدلاً من نشرها على نطاق واسع، مما يمكن أن يحسن نسبة الإشارات إلى الترددات في تلك النطاقات.

أهم الملاءمات التي تنطوي عليها الأنتينات المتعددة البنادق في الأجهزة الحديثة

وقد تسارع اعتماد الهوائيات المتعددة النطاقات لأنها تحل عدة تحديات ملحة في تصميم الأجهزة، وندرس بالتفصيل كل ميزة.

تعزيز القدرة على الاتصال والتنقل دون تمييز

ويمكن للأجهزة ذات الهوائيات المتعددة النطاقات أن تتحول تلقائياً بين نطاقات الترددات مع تغير ظروف الشبكة، فعلى سبيل المثال، يمكن للهواتف الذكية التي تنتقل من منطقة تغطيها 5G إلى منطقة من مناطق 4G-only أن تهبط إلى درجة حرارة دون فقدان دورة البيانات، وتعتمد هذه القدرة، المعروفة باسم التسليم فيما بين الترددات، على قدرة الهوائي على تلقي إشارات على كلا النطاقين في وقت واحد أو بسرعة كبيرة.

وبالإضافة إلى تشغيل الأنينات المتعددة القنوات الخلوية، يمكن تشغيل شبكة وي-في وبلوتوث في الوقت نفسه، ويستخدم العديد من الحواسيب المحمولة والأقراص الهوائية المتعددة النطاقات التي تغطي 2.4 غيغاهيرتز (Bluetooth and Wi-Fi) و5 جيهرتز (Wi-Fi).

تحسين قوة الإشارة والوثوقية

ونظراً لأن الهوائيات المتعددة النطاقات يمكنها الوصول إلى مجموعات متعددة الترددات، فإنها تستطيع اختيار الفرقة التي لها أفضل خصائص النشر في لحظة معينة، وانخفاض الترددات، مثل 700 ميغاهيرتز، وتوفير نطاق أطول، وتحسين التغلغل عبر الجدران، في حين أن ارتفاع الترددات مثل 3.5 غيغاهيرتز يوفر قدرة أكبر على البيانات في المناطق الحضرية الكثيفة، ويتيح جهازاً متعدد النطاقات للوصلات أن يُثبّت قوّات كلّة من حالات الطوارئ.

وبالإضافة إلى ذلك، كثيرا ما تتضمن الهوائيات الحديثة المتعددة النطاقات تشكيلات متعددة النواتج متعددة المدخلات، وتستخدم البعثة عدة عناصر هوائيات في كل من جهاز الإرسال والاستقبال لتحسين منافذ البيانات وموثوقيتها، وبتصميم صفائف متعددة النطاقات من هذه المنظمة، يمكن أن تحقق الأجهزة التنوع المكاني وأن ترسمها عبر مختلف نطاقات الترددات، مما يزيد من جودة الإشارات.

خفض تعقيدات البرمجيات الحاسوبية الصلبة والوفورات الفضائية

ومن أكثر المزايا إلحاحا بالنسبة لمصممي المنتجات انخفاض عدد المكونات، حيث يحل محل هوائي واحد متعدد النطاقات ما قد يتطلب، لولا ذلك، اثنين أو ثلاثة هوائيات منفصلة ذات نطاق واحد، إلى جانب خطوط نقلها وشبكات مضاهاتها، مما يحرر حيزا ثمينا في أجهزة مدمجة مثل الوتات الذكية والأذن اللاسلكية ومجسات التوحيد المصغرة، ويقلل أيضا من تكاليف التصميم الأمامي.

فعلى سبيل المثال، قد يحتاج جهاز مسموع نموذجي من أجهزة الهاتف الذكية إلى دعم سبعة أو أكثر من مجموعات الخلايا (LTE and NR)، بالإضافة إلى جهاز اللاسلكي 6E، و Bluetooth، وGPS، وNFC. Without multi-band antennas، فإن الجهاز يحتاج إلى عشرات أو أكثر من عناصر الهوائيات، وهو أمر مستحيل ماديا نظرا لضيق الحجم.

تعزيز المعايير الناشئة التي لا تُعرف بعد

وتتطور التكنولوجيا اللاسلكية بسرعة، إذ إن المعايير الجديدة مثل الواي فاي 7 (802.11be) و6G موجودة بالفعل على الأفق، مما يتيح لمجموعات الترددات الجديدة مثل 6 جيهرتز للاستخدام غير المرخص به، ويمكن أن تستوعب الأطقم المتعددة النطاق المصممة بمحاذاة الترددات الكبيرة هذه النطاقات الجديدة دون الحاجة إلى إعادة تصميم الأجهزة، وتستخدم بعض التصميمات المتقدمة المتعددة النطاقات عناصر قابلة للتعديل أو غير قابلة للتعديل (مثل هذه).

وهذه القدرة على التكيف مهمة بصفة خاصة بالنسبة للنشرات الطويلة الأجل مثل أجهزة الاستشعار الصناعية للوقود أو معدات الشبكات الذكية، حيث يكون استبدال المعدات كل بضع سنوات باهظ التكلفة، ويمكن أن يتم تحديث جهاز مجهز به هوائي متعدد النطاقات لدعم الترددات الجديدة، مما يجعله خيارا أكثر استدامة.

تطبيقات عبر الأجهزة الحديثة

وتظهر الهوائيات المتعددة النطاقات في مجموعة من المنتجات التي تزداد اتساعاً، وتفصل الفروع التالية كيفية استفادة فئات الأجهزة المختلفة من القدرات المتعددة النطاقات.

السماعات الذكية والطاولات

إن الهواتف الذكية هي أكثر منابر الطلب بالنسبة للهوائيات المتعددة النطاقات، ويجب عليها أن تدعم مجموعة عالمية من النطاقات الخلوية (التي غالباً 30+ نطاقات عبر 2G/3G/4G/5G)، ومعايير متعددة في الواي، وبلوتوث، وشبكة الملاحة الساتلية، ولتحقيق ذلك، تستخدم أجهزة الاتصال الرئيسية مزيجاً من أجهزة التصوير الضوئي المتعددة النطاق، وأجهزة الاتصال اللاسلكي ذات الترددات في آن واحد

وتتوفر لدى الجداول، التي تحتوي على مساحات أكبر، مساحة أكبر لمصفوفات الهوائيات، ولكنها لا تزال تعتمد على تصميمات متعددة النطاقات لتجنب الحزمة، كما أن كثيرا من الأقراص تدعم الشبكة العالمية 6 هاء على نطاق التردد 6 GHz إلى جانب التركة 2-4/5 GHz، مما يتطلب وجود هوائيات تغطي كامل الطيف غير المرخص به من 2.4 إلى 7.125 GHz.

شبكة الإنترنت للأشياء والملابس

ويجب أن توازن أجهزة الإيوت بين الطاقة المنخفضة الحجم والصغرى والوصلات عبر مختلف البروتوكولات مثل زيغبي وثريد وبلوتوث منخفض الطاقة وشبه 1 GHz LoRaWAN. ويتيح هذا النوع من الهوائيات جهازا واحدا للتبديل بين هذه البروتوكولات حسب احتياجات الطلب، فمثلا يمكن أن يستخدم جهاز استشعار منزلي ذكي BLE للتشكيل المحلي ثم يعود إلى لورانج واين

وتواجه المحركات مثل المحركات الذكية ومتعقبات اللياقة قيوداً شديدة الحجم، ويجب أن تغطي الهوائيات التابعة لها مجموعات من الـ (LTE-M) الخلوية أو (NB-IoT) من أجل التوصيل الذاتي، وكذلك (بلو توث) من أجل تعقب المواقع، ويستخدم المهندسون تصميمات متطورة ومتعددة الصمود، إلى جانب تركيب هذه اللصوصية (2.4 في المائة).

أجهزة التصفيق والأجهزة ذات النطاق العريض المتنقلة

وتتزايد تواتر استخدام الحواسيب المحمولة والحواسيب المحمولة في شكل وحدات من الشبكة العالمية لشبكة الاتصالات الخلوية على الدوام، وتحتاج هذه الوحدات إلى هوائيات متعددة النطاقات تغطي النطاقات 4G و 5G الخلوية، وغالبا ما تكون مدمجة في منطقة الشاشة أو الخلية، كما تحتاج أجهزة التليفزيون المتحركة إلى معالجة الموقع الشبكي " وي - فاي " ، الذي يعمل على نطاق الترددات اللاسلكية المتعددة.

السيارات والهاتف

وتطالب المركبات بزهور الهوائيات التي تعمل عبر إذاعة AM/FM، وDAB، وGPS، والراديو الساتلية، والزنزانة (4G/5G)، وV2X (المركبات إلى كل شيء)، وW-Fi.

وتعتمد وحدات مكافحة التلفازات في السيارات الحديثة على هوائيات خلوية متعددة النطاقات للحفاظ على الاتصال حتى عندما تنتقل المركبة عبر الأنفاق أو المناطق الريفية، وتتأكد القدرة على التحول بين 700 ميغاهرتز و1.9 غيهرتز و2.6 غيغاهرتز من أن نظم الاتصالات الطارئة (eCall) وبيانات الملاحة في الوقت الحقيقي لا تزال متاحة.

الاعتبارات والتحديات المتعلقة بالتصميم

وفي حين أن الهوائيات المتعددة النطاقات توفر فوائد عديدة، فإن تصميمها ليس تافها، ويجب على المهندسين أن يبحروا في مجموعة معقدة من المفاضلات.

عزل الفرق والترابط المتبادل

وعندما تعمل الهوائيات في مجموعات متعددة في وقت واحد، فإن الانقلاب بين هذه الفرق يمكن أن يتدهور الأداء، فعلى سبيل المثال، قد يؤثر تواتر الارتداد البالغ 2.4 غيغاهيرتز على نمط التردد 5 جيهرتز أو يسبب تحولات غير مرغوب فيها، ويستخدم المصممون تقنيات مثل التصفير، والهياكل الأرضية المعيبة، والتفصيل الدقيق للعناصر الطفيلية لعزل النطاقات، وفي صفائف من البعثة، فإن التوحيد بين أجهزة الاصطناعية.

Impedance Matching Across Bands

ويختلف استخدام الهوائي بالتواتر، إذ أن تصميم شبكة مطابقة تعمل عبر عدة مجموعات دون خسائر مفرطة هو مهرجان هندسي هام، ويمكن لدوائر المطابقة التي تستخدم أجهزة تكييف أو محمولة أن تتكيف مع مختلف النطاقات، ولكنها تضيف تعقيدا وفقدانا في بعض الحالات، وكثيرا ما تكون شبكات مطابقة متعددة النطاقات، مثل السلاسل المصممة على نطاق واسع، أو شبكات الوصلات التي تستخدمها الشبكة، هي أفضل.

نمط الإشعاع وثبات الغاز

ويحافظ الهوائي المثالي المتعدد النطاقات على نمط إشعاعي مماثل ويكسب في كل نطاق تشغيلي، غير أنه نظراً إلى تواتر الاعتماد على التوزيعات الحالية، كثيراً ما تحدث تشوهات نمطية، فعلى سبيل المثال، قد يكون لدى نظام PIFA الأمثل لـ 2.4 غيهرتز نمط توجيهي أكثر عند 5 جيهرتز، ويجب على المهندسين أن يختبروا نماذج أولية لضمان تغطية احتياجات التطبيق المحمول.

Size and Form Factor Constraints

ومع أن الأجهزة تصبح أكثر رقاقة، فإن حجم الهوائي يتقلص، إذ أن الهوائي المتعدد النطاقات المصمم لسمك سميك من عيار 7 ملم سيواجه مفاضلات بين كفاءة النطاق المنخفض والأداء ذو النطاق العالي، وتتطلب عملية منخفضة التردد (أقل من 1 غزالة) طولا كهربائيا كبيرا، مما يرغم المصممين على استخدام الموز، أو أكياس الشحن، أو تيارات التخريب من أجل تحقيق الارتداد.

العوامل الحرارية والبيئية

ويجب أن تعمل الهوائيات داخل البيوت أو الأجهزة الصناعية في المناطق الخارجية عبر درجات الحرارة الواسعة وفي وجود الرطوبة أو الغبار، ويمكن أن تتغير خصائص الديكل في طبقة التهوية الفرعية وأي سكن وقائي بدرجة حرارة، وأن تدمر الهوائي، وكثيرا ما تشمل التصميمات المتعددة النطاقات مواد معادلة لدرجات الحرارة أو التصحيحات اللازمة للحفاظ على التشغيل.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا الأنتينا المتعددة البنينات

وفي المستقبل، ستشكل عدة تطورات الجيل القادم من الهوائيات المتعددة النطاقات.

الهوائيات التي لا يمكن تحصينها أو إعادة الثقة بها

إن إدماج النظم الميكانيكية الدقيقة والتحولات ذات الصلصة في إطار الترددات المتوسطة يتيح للمحيطات إعادة تشكيل صمودها أو نمطها على ذبابة، مما يتيح لهائي واحد تغطية مجموعة واسعة جدا من الفرق ذات الأداء العالي، عن طريق التحول بين مختلف التشكيلات، وقد ظهرت بالفعل في نماذج البحوث وبعض الأجهزة ذات النهضة العالية.

التكامل مع الميثامتيريا وتصميمات آي

ويمكن للهياكل المتطورة أن تنتج سلوكا متعدد النطاقات في آثار صغيرة جدا من خلال استجابات هندسية الكهرومغناطيسية غير موجودة في طبيعتها، وبالإضافة إلى ذلك، تستخدم خوارزميات التعلم الآلي لتحقيق الحد الأمثل من قياسات هندائية للأداء المتعدد النطاقات، واستكشاف أماكن تصميم يمكن أن يغض عنها المهندسون البشر، ويمكن أن تلبي هذه التصميمات التي يقودها المعهد في آن واحد قيودا متعددة النطاقات والكفاءة والمستوى المسمى " سعودي " .

Sub-6 GHz and mmWave Coexistence

وسيدمج في النظم المستقبلية 5G وما بعدها التغطية بمجموعات من المواد الفرعية 6 GHz التي تحتوي على مليمترات (MmmWave) ويمكن أن تشمل وحدة واحدة هوائياً متعدد النطاقات من طراز Sub-6 وصفيفة مرحلية من أجل مركب مميت، إذ أن الجمع بين هذه الأنواع في نظام هوائي واحد هو مجال بحث نشط، وتستخدم بعض التصميمات فتحات مشتركة أو أسطح مصفحة ذات تردد لتزويد جهاز الموجات متحركة من طراز MWa

AI-Driven Network Selection

وبوجود هوائيات متعددة النطاقات، يمكن للجهاز أن يبلغ عن النطاقات المتاحة للشبكة، التي تختار بعد ذلك التركيبة المثلى، وستدير الخوارزميات في كل من الجهاز والشبكة تحويلات للقطع، وموازنة الحمولة، والتخفيف من حدة التدخل في الوقت الحقيقي، مع استغلال كامل للقدرات المتعددة النطاقات.

خاتمة

(ب) أن تكون هناك عوامل متعددة الأطراف في الشبكة، وأن تكون هذه العوامل أكثر قدرة على العمل في إطار النطاقات المتعددة، وأن تكون أكثر قدرة على الوصول إلى هذه الأجهزة، وأن تكون أكثر قدرة على الوصول إلى هذه المستويات، وأن تكون هذه العوامل أكثر ملاءمة، وأن تكون أكثر قدرة على الوصول إلى النطاقات، وأن تكون هذه البيانات أكثر دقة.