A Fully Reconfigurable RF Vector Modulator based Wideband Phase Shifter for NextG Beamforming Phased Array in Satellite Communications (SATCOM)

ملخص تقني: مُعدل متجه تردد راديوي (RF Vector Modulator) قابل لإعادة التشكيل بالكامل كـمزاح طور عريض النطاق لأنظمة تشكيل الحزم (Beamforming) في المصفوفات الطورية لاتصالات الأقمار الصناعية من الجيل التالي (NextG)

بيان المشكلة
يتطلب النشر السريع لكوكبات الأقمار الصناعية غير المستقرة بالنسبة للأرض (مثل Starlink وKuiper) مصفوفات تشكيل حزم متقدمة قادرة على توجيه الحزم إلكترونياً لتعظيم كفاءة الطيف وسعة النظام. وبينما يتم تحسين المصفوفات الطورية التقليدية عادةً للعمل بنطاق واحد (مثل نطاقات Ku أو K أو Ka)، فإن ظهور أنظمة الجيل السادس (6G NextG) يفرض تحدياً كبيراً: وهو الحاجة إلى تشغيل عريض النطاق يمتد من 7.125 جيجاهرتز إلى 24.25 جيجاهرتز (FR-3) وما وراء ذلك.

تواجه تقنيات مزاح الطور (Phase Shifter) الحالية قيوداً محددة في هذا السياق عريض النطاق. فمزاحات الطور ذات الخطوط المبدلة (Switched-line) والخطوط المحملة (Loaded-line) توفر نطاقات ضبط متوسطة ودقة خشنة. أما وحدات التأخير الزمني الحقيقي (TTD)، ورغم فعاليتها في منع ظاهرة "انحراف الحزمة" (Beam-squinting)، إلا أنها تعاني من فقدان إدخال عالٍ، ودقة تأخير منفصلة، ومتطلبات معايرة معقدة. كما أن معدلات الإدخال والتربيع (I-Q) التقليدية التي توفر تحكماً مستمراً في الطور، تعتمد على شبكات ترشيح التربيع الشامل (QAF) أو المزدوجات الهجينة (Hybrid Couplers) لتوليد إزاحات طور قدرها 90 درجة. وتظهر هذه المكونات التقليدية عرض نطاق ترددي محدود، واختلالات في السعة والطور تعتمد على التردد، وفقداناً مفرطاً، مما يؤدي إلى تدهور الأداء عبر طيف النطاقات العريضة من S-band إلى Ku-band المطلوبة لأنظمة اتصالات الأقمار الصناعية (SATCOM) الحديثة.

المنهجية
لمعالجة هذه القيود، يقترح المؤلفون مزاح طور يعتمد على مُعدل متجه تردد راديوي (RFVM) قابل لإعادة التشكيل بالكامل، باستخدام طوبولوجيا مبتكرة لشبكة استجابة نبضية محدودة (FIR) متعددة الفروع العرضية. ويختلف التصميم عن تعديل (I-Q) التقليدي عبر تجنب شبكة (QAF) تماماً.

تتضمن المنهجية الأساسية الخطوات التالية:

1. طوبولوجيا FIR العرضية: يتم تقسيم إشارة التردد الراديوي المدخلة إلى عدة فروع (مقاطع عرضية). يطبق كل فرع أوزان كسب فردية وتأخيرات زمنية محددة، ثم تُعاد تجميع الإشارات لتخليق المخرج.
2. انتشار الإشارة عبر مسارين: بخلاف تمثيلات FIR أحادية السلسلة، يستخدم الـ RFVM المقترح بنية ثنائية المسار (المسار 1 والمسار 2). حيث يتم تقسيم إشارة الإدخال إلى مسارين متكاملين ينتقلان عبر نفس مجموعة فروع التأخير الموزونة قبل إعادة دمجهما.
3. التحكم العام في الطور: يقدم النظام دالة نقل معممة محددة بمعلمتين للتحكم: عامل ضبط طور مستمر ($\alpha$)، ومحدد قطبية زاويّة منفصل ($\gamma$). ومن خلال التلاعب بهاتين المعلمتين، يحقق النظام إزاحة طور مستمرة بمقدار 360 درجة عبر أربعة أرباع.
4. تخليق المعاملات: يتبع توزيع كسب الفروع قانون معاملات التوافقي الفردي المستوحى من توسيع متسلسلة فوريه المنفصلة. ويتم اشتقاق المعاملات الفعالة من إسقاط فوريه لاستجابة السعة المستهدفة، مما يسمح بتخليق حالة الطور المطلوبة مع الحفاظ على استجابة السعة.
5. التنفيذ الدائري: يتكون التنفيذ العتادي من ثلاث وحدات وظيفية: تقسيم الإشارة (باستخدام Baluns عريضة النطاق ومقسمات قدرة ويلكينسون)، وتعديل الإشارة (باستخدام مضخمات كسب متغيرة ومفاتيح SPDT لتوجيه الإشارات عبر مسارات تأخير محددة)، وإعادة دمج الإشارة.

النتائج الرئيسية والأداء
تقدم الورقة تحليلاً نظرياً واستجابات ترددية مشتقة لتنفيذ RFVM مكون من 5 فروع (N=2):

• تغطية عريضة النطاق: يستهدف التصميم النطاق الترددي من S-band وصولاً إلى Ku-band (من 2 جيجاهرتز إلى 18 جيجاهرتز).
• قدرة إزاحة الطور: يوضح التحليل النظري القدرة على تحقيق إزاحة طور كاملة بمقدار 360 درجة، مقسمة إلى أربعة أرباع قابلة للاختيار (Q1: 0°–90°, Q2: 90°–180°, Q3: -180°–-90°, Q4: -90°–0°).
• الحفاظ على السعة: ضمن عرض النطاق الفعال، يشير النموذج النظري إلى أن التصميم يحافظ على استجابة السعة. وبالنسبة لتردد مركزي قدره 20 جيجاهرتز وعرض نطاق لحظي (IBW) أقل من 500 ميجاهرتز (نموذجي لـ SATCOM)، يقتصر أقصى انحراف للسعة داخل النطاق ($\Delta\delta_{mag}$) على 1.18 ديسيبل، ويقتصر انحراف الطور ($\Delta\delta_{ph}$) على 3.9 درجة.
• القابلية للتوسع: يشير التحليل إلى أن زيادة عدد أزواج التوصيلات (N) يقلل من انحراف الجذر التربيعي المتوسط (RMS) داخل النطاق وتأثيرات الرنين (ظاهرة جيبس)، مما يقترب من استجابة موجة مربعة مثالية مع عرض نطاق فعال أوسع.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذا العمل يقدم نهجاً جديداً لإزاحة الطور عريضة النطاق يخفف من القيود الترددية المتأصلة في طرق توليد التربيع التقليدية. ومن خلال استخدام شبكة FIR عرضية مع تحويل إشارة تفاضلي، يتجنب الـ RFVM المقترح قيود عرض النطاق والفقد المرتبط بشبكات QAF أو المزدوجات الهجينة.

تضع الورقة هذا التصميم كعنصر تمكين حاسم لأنظمة اتصالات الأقمار الصناعية (SATCOM) من الجيل السادس (NextG)، حيث يعالج تحديداً الحاجة إلى توجيه حزم مستمر وعريض النطاق عبر نطاقات طيف واسعة دون التدهور في الأداء الناتج عن عدم توازن السعة وأخطاء الطور في معدلات (I-Q) التقليدية. ويخلص المؤلفون إلى أن هذه الطوبولوجيا توفر حلاً مرناً لمعالجة إشارات التردد الراديوي عريضة النطاق في الوقت الفعلي في أنظمة المصفوفات الطورية. وقد تم تحديد العمل المستقبلي في دمج هذا الـ RFVM في رابط إرسال واستقبال لتشكيل الحزم عريض النطاق لإجراء تقييمات على مستوى النظام عبر الهواء (OTA).