UWB THz Reflective-type Linear-to-Circular Polarization Converter using Anisotropic Metallic Grating Embedded in TOPAS Material

في عالم الاتصالات اللاسلكية غير المرئي، تعتبر الطريقة التي تدور بها الإشارة أثناء انتقالها لا تقل أهمية عن الإشارة نفسها. هذا "الدوران"، المعروف باسم الاستقطاب، يحدد كيفية تفاعل الموجة مع الهوائيات والمواد. لعقود من الزمن، كافح المهندسون للتحكم في هذا الدوران، خاصة عند الترددات العالية جدًا المستخدمة في الشبكات فائقة السرعة في المستقبل. غالبًا ما تتطلب الطرق التقليدية لتغيير دوران الموجة معدات ضخمة أو مسارات طويلة لرحلة الإشارة، مما يجعلها غير عملية للأجهزة المدمجة وعالية السرعة في الغد. يستخدم نهج أحدث ما يسمى بالأسطح الميتا (metasurfaces)، وهي أوراق هندسية اصطناعية مكونة من أنماط دقيقة يمكنها ثني وتدوير الضوء وموجات الراديو بطرق لا توجد في الطبيعة. توفر هذه الأسطح المسطحة مسارًا لأجهزة مدمجة يمكنها التحكم في الموجات بدقة متناهية، مما يفتح الباب أمام رادار أفضل، وتصوير أكثر وضوحًا، ونقل بيانات أسرع.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة زنجان في إيران خطوة كبيرة للأمام في هذا المجال من خلال تصميم نوع جديد من الأسطح المسطحة القادرة على تحويل إشارة مستقيمة إلى إشارة دوارة عبر نطاق واسع من الترددات. يركز عملهم على نطاق "ترا هيرتز" (terahertz)، وهو منطقة في الطيف الكهرومغناطيسي تقع بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء. هذا النطاق مطلوب بشدة لأنظمة الاتصالات من الجيل التالي لأنه يمكنه حمل كميات هائلة من البيانات، ولكنه أيضًا صعب التعامل معه لأن القليل من المواد الطبيعية تستجيب له بشكل جيد. صمم الباحثون جهازًا عاكسًا يعمل مثل مرآة متخصصة؛ فبدلاً من مجرد عكس الإشارة، يقوم هذا المرآة بالتقاط موجة تهتز في اتجاه واحد وتعكسها كإشارة تدور في دائرة. هذا التحويل أمر بالغ الأهمية لأن العديد من الأنظمة المتقدمة، مثل روابط الأقمار الصناعية والرادار، تعتمد على الموجات المستقطبة دائرواً لتعمل بموثوقية دون فقدان قوة الإشارة.

يتكون الجهاز نفسه من هيكل متعدد الطبقات تم بناؤه من مواد اختيرت لقدرتها على التعامل مع هذه الترددات العالية. في قاعدته، توجد طبقة صلبة من الذهب تعمل كعاكس مثالي. وفوق هذه القاعدة، تقع طبقة من مادة بلاستيكية شفافة تسمى "توباس" (TOPAS)، المعروفة بكونها شفافة لموجات الترا هيرتز وتمتاز بفقد منخفض جدًا للإشارة. ومنغرس داخل هذه الطبقة البلاستيكية شبكة من الخطوط الذهبية المنقوشة. هذه الشبكة ليست مجرد مشبك بسيط؛ بل هي شبكة "تباينية الخواص" (anisotropic grating)، مما يعني أن خصائصها تتغير اعتمادًا على الاتجاه الذي تنظر منه. صمم الباحثون الشبكة بنمط متكرر محدد لأشكال معدنية صغيرة مدورة بزاوية معينة. عندما تصطدم الإشارة بهذا السطح، تتفاعل الشبكة بشكل مختلف مع أجزاء الموجة المتوافقة مع الاتجاهات المختلفة. هذا التفاعل يخلق تأخيرًا بين جزأي الموجة، مما يجبرهما على الاندماج في حركة دورانية أثناء انعكاسهما عن السطح.

لاختبار تصميمهم، أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لمعرفة كيفية سلوك الجهاز عبر طيف واسع من الترددات. ووجدوا أن الجهاز يعمل بشكل استثنائي عبر نطاق فائق العرض، مما يعني أنه يمكنه تحويل الإشارات بفعالية عبر نطاق ضخم من الترددات بدلاً من قناة واحدة ضيقة. في اختباراتهم الأولية، نجح الجهاز في تحويل الإشارات الخطية إلى دائرية عبر نطاق يتراوح من 5.3 إلى 19.65 تير هيرتز. ويمثل هذا عرض نطاق ترددي كسري قدره 115 بالمائة، وهو مقياس لمدى اتساع نطاق التشغيل بالنسبة للتردد المركزي. ولوضع هذا في المنظور، يمكن للجهاز التعامل مع نطاق من الترددات يزيد عن ضعف النطاق الذي يقع في منتصفه. قام الباحثون بعد ذلك بتحسين التصميم، عبر تعديل حجم الشبكة وسُمك الطبقات البلاستيكية لتحسين الأداء للترددات الأقل من 10 تير هيرتز. وفي هذه الحالة المحسنة، حافظ الجهاز على أدائه العالي من 2.85 إلى 10.35 تير هيرتز، محققًا عرض نطاق ترددي كسري قدره 115 بالمائة في هذا النطاق الأدنى أيضًا.

تعد القدرة على العمل حتى عندما لا تصطدم الإشارة بالسطح بشكل مباشر ميزة حاسمة في هذا التصميم. في التطبيقات الواقعية، تصل الإشارات غالبًا من زوايا مختلفة، وتفشل العديد من الأجهزة في العمل بشكل صحيح عندما تتغير الزاوية. اختبر الباحثون جهازهم من خلال محاكاة إشارات تصطدم بالسطح بزوايا مختلفة، تصل إلى 60 درجة بعيدًا عن المركز. وأظهرت النتائج أن الجهاز استمر في إنتاج إشارة دورانية نظيفة حتى عند هذه الزوايا الحادة. هذا الاستقرار حيوي للاستخدام العملي، مما يعني إمكانية استخدام الجهاز في الأنظمة التي قد يتغير فيها اتجاه الإشارة، مثل المركبات المتحركة أو الأقمار الصناعية. الهيكل بأكمله مدمج للغاية، حيث أن الوحدة المتكررة للنمط هي مجرد جزء ضئيل من طول موجة أدنى تردد يتعامل معه الجهاز. هذا الحجم الصغير يسمح بتجميع العديد من هذه الوحدات لتشكيل أسطح أكبر لمهام معقدة مثل توجيه حزم الطاقة دون أجزاء متحركة.

تقارن الدراسة هذا التصميم الجديد بالمحاولات الأخيرة الأخرى لإنشاء أجهزة مماثلة لنطاق الترا هيرتز. وبينما حققت التصاميم الأخرى عرض نطاق واسع أو زوايا جيدة، إلا أنها غالبًا ما تعتمد على هياكل متعددة الطبقات ومعقدة يصعب تصنيعها. يحقق التصميم المقدم هنا نطاق تشغيل أوسع واستقرارًا أفضل في الزوايا مع استخدام شبكة منقوشة بسيطة أحادية الطبقة. ويشير الباحثون إلى أن هذه البساطة تجعل الجهاز أسهل في البناء ومن المحتمل أن يكون أرخص في الإنتاج. تؤكد عمليات المحاكاة أن الجهاز يمكنه كبح أنماط الإشارة غير المرغوب فيها، مما يضمن انتشار الموجة المنعكسة المطلوبة فقط. يشير هذا المستوى من التحكم إلى أن الجهاز يمكن أن يكون مكونًا رئيسيًا في تقنيات المستقبل، بما في ذلك أنظمة الرادار المتقدمة التي تحتاج إلى إخفاء وجودها، وهوائيات توجيه الحزم لشبكات الجيل السادس (6G)، وأنظمة الاتصالات المتطورة للفضاء والدفاع. يوضح العمل أنه من خلال الهندسة الدقيقة لهندسة شبكة معدنية بسيطة، يمكن إتقان السلوك المعقد لموجات الترا هيرتز، وتحويل ظاهرة فيزيائية صعبة إلى أداة موثوقة لمستقبل الاتصال.