Wideband MIMO Beampattern Synthesis using Adaptive Frequency Modulated Waveforms

تعتمد أنظمة الرادار والاتصالات الحديثة غالبًا على مصفوفات من الهوائيات، حيث تعمل عناصر متعددة معًا لإرسال الإشارات إلى العالم. عندما ترسل هذه العناصر الإشارة نفسها تمامًا، فإنها تعمل مثل شعاع كشاف قوي واحد. ومع ذلك، فإن هناك نهجًا أكثر تقدمًا يسمى "تعدد المدخلات وتعدد المخرجات" (MIMO)، والذي يسمح لكل هوائي بإرسال إشارة فريدة ومتميزة. هذا الاختلاف يمنح النظام حرية أكبر بكثير في تشكيل إرساله، مما يسمح للمهندسين بإنشاء أنماط معقدة من الطاقة يمكنها التركيز على أهداف محددة مع تجاهل غيرها. لعقود من الزمن، أتقن الباحثون هذا التشكيل للإشارات التي تشغل جزءًا ضيقًا من طيف الترددات اللاسلكية. ولكن مع دفع التكنولوجيا نحو استخدام نطاقات أوسع وأوسع من الترددات لحمل المزيد من البيانات ورؤية المزيد من التفاصيل، تتغير القواعد. فعندما تمتد الإشارات عبر نطاق واسع من الترددات، تبدأ الأساليب البسيطة المستخدمة للإشارات الضيقة في الفشل، مما يتسبب في تشويه أنماط الطاقة المصاغة بعناقة وتلاشي حدتها.

يكمن التحدي في كيفية تفاعل هذه الإشارات الواسعة مع المصفوفة الفيزيائية. في النظام الضيق، يعتمد اتجاه الشعاع بشكل أساسي على توقيت الإشارات. أما في النظام الواسع، فيعتمد الاتجاه أيضًا بشكل كبير على التردد المحدد للموجة الصوتية أو الراديوية. فالتواتر العالي قد يوجه الشعاع في اتجاه واحد، بينما قد يوجه التردد المنخفض الشعاع في مكان آخر قليلاً. وعندما تجمع كل هذه الأجزاء معًا، تكون النتيجة غالبًا شعاعًا فوضويًا ومشتتًا ليس مفيدًا جدًا. ولإصلاح ذلك، يحتاج المهندسون إلى تصميم مجموعة من الإشارات الفريدة التي، عند دمجها عبر نطاق التردد بأكمله، لا تزال تنتج شعاعًا نظيفًا وحادًا. والصعوبة تكمن في أن هذه الإشارات يجب أن تكون أيضًا فعالة في الإرسال، مما يعني أنها لا يمكن أن تتقلب بشكل جامح في القدرة، ويجب أن تظل محصورة بدقة ضمن نطاق التردد المخصص لها لتجنب التداخل مع المستخدمين الآخرين.

في هذا العمل، عالج الباحثون في مركز الحرب تحت البحرية التابع للبحرية (Naval Undersea Warfare Center) هذه المشكلة من خلال تصميم طريقة جديدة لتوليد هذه الإشارات عريضة النطاق. لقد ركزوا على نوع معين من الإشارات يسمى "موجة ترددية جيبية متعددة النغمات". تخيل إشارة يتغير حدة صوتها بنمط سلس وإيقاعي، يشبه صوت صفارة الإنذار، ولكنها مبنية من مزيج دقيق من عدة نغمات مختلفة. تعامل الباحثون مع المعاملات الرياضية التي تحدد إيقاع هذه النغمات كأنها "مقابض" يمكنهم تدويرها. ومن خلال ضبط هذه المقابض، استطاعوا نحت سلوك الإشارة عبر كامل طيف الترددات. كان الهدف هو إيجاد مجموعة محددة من التعديلات التي تجبر الشعاع عريض النطاق على الالتزام بشكل مرغوب فيه، حتى مع تغير التردد.

اختبر الفريق نهجهم باستخدام محاكاة حاسوبية لمصفوفة خطية مكونة من عشرة مستشعرات. بدأوا بمجموعة من الإشارات التي تعمل بشكل مثالي في نظام ضيق النطاق ولكن من المعروف أنها تفشل عند زيادة عرض النطاق إلى مدى واسع جدًا، وتحديدًا عرض نطاق كسري قدره 0.5. وعندما مرروا هذه الإشارات الأولية عبر نموذج النطاق العريض، كانت النتائج مطابقة لما توقعوه تمامًا: اتسع الشعاع الرئيسي، وأصبحت الفصوص الجانبية فوضوية، وتشتتت الطاقة. تسببت الترددات المنخفضة في الإشارة في انتشار الشعاع، بينما تسببت الترددات العالية في حدوث تموجات وعدم استقرار في مركز الشعاع.

ولحل هذه المشكلة، طبق الباحثون عملية تحسين (Optimization). قامت هذه العملية بتعديل معاملات إيقاع الإشارة بشكل منهجي، بحثًا عن تكوين جديد يقلل الخطأ بين الشعاع عريض النطاق الفعلي والشعاع المثالي الحاد الذي أرادوه. قام الكمبيوتر بتعديل الإشارات مع الالتزام بقاعدتين صارمتين: يجب أن تظل القدرة الإجمالية لكل إشارة ثابتة، ويجب أن تظل الإشارات ضمن حدود التردد المخصصة لها. وبعد تشغيل عملية التحسين، أظهرت النتائج تحسنًا واضحًا؛ حيث أنتجت المجموعة الجديدة من الإشارات شعاعًا أقرب بكثير إلى الشكل المطلوب. أصبح الانتقال بين الشعاع الرئيسي والمنطقة المحيطة به أكثر حدة، وانخفضت الفصوص الجانبية غير المرغوب فيها بشكل كبير، كما تم تنعيم التموجات في مركز الشعاع.

كان مفتاح هذا النجاح هو أن الإشارات الجديدة قمعت بشكل طبيعي مكونات التردد المحددة التي كانت تسبب التشوه. فقد قللت الإشارات المُحسّنة من تأثير الترددات المنخفضة التي تسببت في انتشار الشعاع على اتساع، وقللت من الترددات العالية التي كانت تخلق التموجات. ومن خلال القيام بذلك، حافظ النظام على عرض شعاع ثابت عبر نطاق الترددات بأكمله. وقد أثبت الباحثون أن هذه الطريقة تعمل مع نطاقات عريضة جدًا، وهو مجال تعثرت فيه التصميمات السابقة غالبًا. وبينما تعتمد الطريقة الحالية على حل عددي قياسي ليس الأسريد الممكن بعد، إلا أن الدراسة تثبت أنه من الممكن تركيب هذه الإشارات المعقدة وعريضة النطاق بشكل مباشر. ويشير العمل إلى أنه من خلال التصميم الدقيق للبنية الداخلية للإشارات، يمكن للمهندسين إنشاء أنظمة رادار واتصالات تكون دقيقة للغاية وفعالة طيفيًا، وقادرة على العمل في البيئات المزدحمة دون أن تفقد تركيزها.