A Convolutional MIMO Programmable Metasurface for Co-Directional OAM Multiplexing with Low-Divergence Propagation

تنمو البيانات اللاسلكية بسرعة أكبر من الأنابيب التي تحملها. ولمواكبة ذلك، بحث المهندسون منذ فترة طويلة عن طرق لحشد المزيد من المعلومات في نفس الشريحة من الطيف الراديوي. وتتضمن إحدى الأفكار الواعدة لفّ الموجات الراديوية نفسها. تخيل تيارًا من الماء يتدفق للأمام بشكل مستقيم؛ والآن تخيل نفس هذا التيار وهو يدور أثناء حركته، مثل لولب. في الفيزياء، تُسمى هذه الخاصية الدورانية "الزخم الزاوي المداري". ولأن هذه الموجات الملتوية يمكنها الدوران في اتجاهات مختلفة أو بمعدلات مختلفة، فإنها توفر طريقة جديدة لفصل الإشارات. إذا أرسلت رسالتين على موجات تدور في اتجاهات متعاكسة، فينبغي للمستقبل أن يكون قادرًا على فك تشابكهما، مما يضاعف السعة فعليًا دون الحاجة إلى المزيد من الأجهزة.

ومع ذلك، فإن جعل هذا الأمر يعمل في العالم الحقيقي صعب بشكل مفاجئ. فعندما تنتقل هذه الموجات الدوارة عبر الهواء، فإنها تتوسع طبيعيًا وتفقد شكلها، تمامًا مثل شعاع الضوء الذي يتسع كلما ابتعد عن المصباح. وإذا حاولت إرسال عدة موجات دوارة في وقت واحد، فإنها تميل إلى التداخل والاندماج مع بعضها البعض، مما يجعل من المستح المستحيل التمييز بين الرسائل. علاوة على ذلك، فإن توجيه هذه الموجات نحو اتجاه معين يتطلب عادةً معدات معقدة وباهظة الثمن لكل قناة على حدة. ولسنوات، كافح باحث لإيجاد طريقة لتوليد هذه الموجات الملتوية، وتوجيهها معًا، ومنعها من التوسع، كل ذلك باستخدام جهاز واحد بسيط.

لقد بنى باحث الآن نظامًا يحل هذه المشكلات من خلال التعامل مع توليد الموجات والتحكم في مسارها كجزأين من آلة واحدة منسقة. ويُظهر عمله، الذي يتركز على سطح مسطح وقابل للبرمجة، أنه من الممكن إرسال رسالتين متميزتين عبر موجات دوارة، وتوجيههما نحو اتجاه مختار، والحفاظ عليهما متماسكتين ومركزتين عبر مسافة مفيدة. يعمل النظام عن طريق إنشاء الموجات الدوارة أولاً باستخدام مصفوفة دائرية من الهوائيات، ثم تمريرها عبر ورقة خاصة تعمل مثل عدسة ذكية. هذه الورقة لا تحاول إصلاح كل موجة بشكل فردي؛ بل تطبق مجموعة واحدة مشتركة من التعليمات التي توجه مجموعة الموجات بأكملها معًا.

جوهر هذا النهج الجديد هو جهاز يسمى "السطح الميتا-مادي القابل للبرمجة" (programmable metasurface). فكر في هذا كلوحة مسطحة مكونة من مئات العناصر الصغيرة القابلة للتبديل. في هذه التجربة، استخدم الباحث لوحة مكونة من شبكة تضم 144 عنصرًا من هذه العناصر. يمكن لكل عنصر أن يتحول إلى حالة واحدة من حالتين، ليعمل فعليًا كمفتاح صغير يغير كيفية مرور الموجة الراديوية من خلاله. ومن خلال تشغيل وإيقاف هذه المفاتيح وفق نمط محدد، يمكن للوحة إعادة تشكيل جبهة الموجة للإشارة الراديوية. وقد دمج الباحث هذه اللوحة مع مصفوفة دائرية من ثمانية هوائيات يتم تغذيتها بواسطة شبكة تخلق الحركة الدورانية الأولية. تقوم الهوائيات بتوليد الموجات الملتوية، ثم تتولى اللوحة المهمة فورًا لتوجيهها وتشكيلها.

ما يجعل هذا التصميم ذكيًا هو أن اللوحة لا تحتاج إلى معرفة أي رسالة موجودة على أي موجة. فهي تعامل المجموعة بأكملها ككيان واحد. عندما قام الباحث ببرمجة اللوحة لتوجيه الإشارة، قامت بإمالة مجموعة الموجات بأكملها نحو اتجاه مستهدف، يصل إلى 50 درجة بعيدًا عن الخط المستقيم. والأهم من ذلك، أنها طبقت تأثير تشكيل خاص حافظ على الموجات من التوسع أثناء انتقالها. يعمل تأثير التشكيل هذا عن طريق حصر طاقة الموجات، بشكل مشابه لكيفية تركيز العدسة للضوء، لكنه يفعل ذلك لمجموعة الموجات الدوارة بأكملها في وقت واحد. والنتيجة هي شعاع يظل ضيقًا ومستقرًا عبر مسافة تزيد عن متر واحد، حتى أثناء حمله لتدفقين منفصلين من البيانات.

لاختبار ما إذا كان هذا يعمل بالفعل لأغراض الاتصال، أرسل الباحث تيارين مستقلين من المعلومات الرقمية. حيث تم ترميز أحد التدفقات على موجة تدور في اتجاه واحد، والتدفق الآخر على موجة تدور في الاتجاه المعاكس. وقد أرسل هذه الإشارات في وقت واحد عبر النظام. وفي طرف الاستقبال، تم التقاط الإشارات وفصلها مرة أخرى إلى تدفقاتها الأصلية. كانت النتائج واضحة: نجح النظام في تسليم كلا الرسالتين دون أن تختلط إحداهما بالأخرى. كانت جودة البيانات المستلمة عالية جدًا، وكانت الأخطاء منخفضة لدرجة أنها لم تكن ملحوظة تقريبًا. وحتى عندما قام الباحث بتغيير زاوية التوجيه لتوجيه الشعاع في اتجاهات مختلفة، حافظ النظام على قدرته على إبقاء الرسالتين متميزتين وقابلتين للاسترداد.

وقاس الباحث أيضًا مدى قدرة النظام على الحفاظ على فصل القناتين عن بعضهما البعض. ووجد أن الإشارة المخصصة لإحدى القناتين كانت أقوى من الإشارة غير المرغوب فيها من القناة الأخرى عند المستقبل بمقدار 15 ديسيبل على الأقل. وهذا المستوى من الفصل قوي بما يكفي لضمان عدم تداخل الرسائل مع بعضها البعض. وأكدت التجارب أن الموجات حافظت على هيكلها الدوراني طوال الرحلة. فحتى بعد توجيهها وتشكيلها بواسطة اللوحة القابلة للبرمجة، لا تزال الموجات تحمل البصمة الفريدة لدورانها الأصلي، مما يسمح للمستقبل بتحديدها وفك تشفيرها بشكل صحيح.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في كيفية إدارة حركة المرور اللاسلكية في المستقبل. فمن خلال تنسيق إنشاء الموجات مع التحكم في مسارها، أظهر الباحث أنه من الممكن استخدام سطح واحد قابل لإعادة التشكيل للتعامل مع مهام معقدة كانت تتطلب سابقًا أنظمة متعددة ومنفصلة. لقد أثبت النظام قدرته على التعامل مع قناتين في وقت واحد، لكن التصميم يشير إلى أنه يمكنه دعم قنوات أكثر من ذلك. والمفتاح هو أن السطح المشترك لا يدمر الهوية الفردية للموجات؛ بل يوجهها بشكل جماعي مع الحفاظ على اختلافات جوهرها.

أُجريت التجارب عند تردد 5 جيجاهرتز، وهو نطاق شائع يُستخدم في الاتصالات اللاسلكية الحديثة. وكان النموذج الأولي المادي عبارة عن لوحة بحجم ورقة كبيرة تقريبًا، مع دمج الهوائيات والإلكترونيات في إعداد مدمج. وتحقق الباحث من نتائجه من خلال قياسات دقيقة للمجالات الراديوية في بيئة محكومة، مؤكدًا أن الموجات تصرفت تمامًا كما توقعت نماذجه. كما اختبر النظام عبر مجموعة من المسافات، موضحًا أن الشعاع المركز ظل مستقرًا ضمن منطقة محددة مصممة لتقليل التوسع.

بينما يقتصر العرض الحالي على قناتين ومسار رؤية مباشرة، فإن المبدأ الأساسي يقدم طريقة جديدة للتفكير في الشبكات اللاسلكية. فهو يشير إلى أن الأنظمة المستقبلية يمكن أن تستخدم أسطحًا ذكية لإدارة كيفية انتقال البيانات ديناميكيًا، وتوجيه الإشارات حول العوائق أو تركيزها على مستخدمين محددين دون الحاجة إلى عدد هائل من الهوائيات التقليدية. إن نجاح بنية التغذية والفتحة المشتركة هذه يظهر أن توليد أنماط الموجات المعقدة والتحكم في انتشارها يمكن توحيدهما في منصة واحدة فعالة. ويوفر هذا النهج مسارًا فعالًا من حيث الأجهزة للارسال القابل لإعادة التشكيل، حيث يمكن لنفس الجهاز التكيف مع احتياجات مختلفة ببساطة عن طريق تغيير إعداداته الإلكترونية.

لا تدعي الدراسة أنها حلت كل مشكلة في الاتصالات اللاسلكية. فقد أشار الباحث إلى أن النظام يعمل بشكل أفضل عندما يكون لدى المرسل والمستقبل رؤية واضحة لبعضهما البعض، وأن الأداء يعتمد على دقة المفاتيح وحجم اللوحة. كما أوضح أنه بينما عملت قناتان بشكل جيد، فإن التوسع ليشمل العديد من القنوات الأخرى سيتطلب تحسينات إضافية في كيفية فصل الموجات. ومع ذلك، فإن التجربة تثبت أن المفهوم سليم. فهي تظهر أنه من خلال التعامل مع مصدر الإشارة والسطح الذي يشكلها كنظام واحد منسق، يمكننا تحقيق مستوى من التحكم في الموجات الراديوية كان من الصعب الوصول إليه سابقًا.

في النهاية، يوفر هذا العمل مثالًا ملموسًا على كيفية الجمع بين المواد المتقدمة والإلكترونيات الذكية للتغلب على الحدود الفيزيائية للموجات الراديوية. إنه يتجاوز فكرة مجرد توليد موجة ملتفة ويركز على الرحلة بأكملها لتلك الموجة، مما يضمن وصولها إلى وجهتها سليمة ومتميزة عن جيرانها. وبالنسبة لأي شخص يتطلع إلى فهم مستقبل البيانات اللاسلكية، فإن هذا البحث يسلط الضوء على مسار تصبح فيه الموجات نفسها أكثر ذكاءً، موجهة بواسطة أسطح يمكنها إعادة تشكيل الهواء الذي تسافر عبره. إن القدرة على توجيه وتركيز إشارات دوارة متعددة باستخدام ورقة واحدة قابلة للبرمجة تفتح الباب أمام شبكات اتصال أكثر كفاءة ومرونة.