Integrated Multi-Port SIW Antenna with Self-Quadruplexing Capability and Circular Polarization Features for 6G Communication System

لطالما كانت الاتصالات اللاسلكية لعبة تعتمد على المساحة والكفاءة. ومع تزايد طلب أجهزتنا على المزيد من البيانات والاتصالات الأسرع، يجب أن تصبح الهوائيات التي ترسل وتستقبل هذه الإشارات أصغر حجماً، وأكثر ذكاءً، وقادرة على التعامل مع مهام متعددة في آن واحد. تقليدياً، إذا احتاج جهاز ما للتحدث على أربعة ترددات راديوية مختلفة في وقت واحد، فإنه يتطلب شبكة معقدة من الأسلاك والمرشحات الخارجية للحفاظ على الإشارات من التداخل مع بعضها البعض. وقد أضاف هذا ضخامة وتعقيداً، وهو أمر يمثل مشكلة للأجهزة الأنيقة والمدمجة في المستقبل. لقد عمل المهندسون على إيجاد طريقة لبناء هوائيات يمكنها فصل هذه الإشارات بشكل طبيعي داخل قطعة واحدة مسطحة من الأجهزة، مما يلغي الحاجة إلى تلك المكونات الإضافية. هذا المفهوم، المعروف باسم "تعدد الإرسال الذاتي"، يسمح لهوائي واحد بأن يعمل كأربعة أجهزة راديو متميزة، كل منها مضبوط على تردده الخاص، وكلها تعمل معاً دون أن تعيق إحداها الأخرى.

في دراسة حديثة، ذهب باحثون من كلية جبلبور للهندسة في الهند بهذا المفهوم خطوة أبعد عبر تصميم نوع جديد من الهوائيات لا يتعامل مع أربعة ترددات في وقت واحد فحسب، بل يشكل أيضاً الموجات الراديوية بطريقة محددة لتحسين جودة الإشارة. لقد ابتكروا جهازاً مدمجاً ومسطحاً مبنياً على مادة لوحة دوائر قياسية، باستخدام تقنية تحبس الموجات الراديوية داخل غرفة صغيرة مغلقة مصنوعة من دبابيس معدنية. يسمح هذا التصميم للهوائي بالعمل على أربعة نطاقات منفصلة، وهي نطاقات حاسمة للجيل القادم من الشبكات اللاسلكية. وما يجعل هذا العمل لافتاً للنظر بشكل خاص هو أن الباحثين تمكنوا من منح الهوائي قدرة خاصة تسمى "الاستقطاب الدائري". فبدلاً من إرسال موجات تهتز في مستوى مسطح واحد، يرسل هذا الهوائي موجات تدور أثناء انتقالها، تماماً مثل حركة لولب الفلين (البرغي). وتساعد هذه الحركة الدورانية الإشارة على البقاء قوية حتى لو كان الجهاز المستقبل مائلاً أو مدوراً، وهو أمر شائع في اتصالات الهاتف المحمول.

بدأ الفريق بتجويف مستطيل مسطح محاط بحلقة من الأعمدة المعدنية الصغيرة التي تعمل كجدران لإبقاء الطاقة محتواة. وداخل هذا التجويف، وضعوا أربع رقع إشعاعية مختلفة، كل منها مقصوص بحجم معين لتتجاوب عند تردد مختلف. ومن خلال ضبط طول هذه الرقع بعناية، قاموا بضبط الهوائي ليعمل عند ترددات 5.3 جيجاهرتز، و5.7 جيجاهرتز، و6.8 جيجاهرتز، و7.6 جيجاهرتز. ولضمان عدم تسرب هذه الإشارات الأربع إلى بعضها البعض، اختبر الباحثون "العزل" بين المنافذ، وهي نقاط اتصال الإشارات. ووجدوا أن الإشارات ظلت منفصلة تماماً، بمستوى عزل يتجاوز 30 ديسيبل، مما يعني أن التداخل بين القنوات كان ضئيلاً للغاية. وهذا المستوى العالي من الفصل يعد أمراً بالغ الأهمية ليعمل النظام بموثوقية دون فقدان البيانات أو خلق ضجيج.

ولتحقيق تأثير الموجة الدوارة، قام الباحثون بقطع فتحة فريدة على شكل درج في كل واحدة من الرقع الإشعاعية الأربع. هذا التعديل البسيط غير طريقة تدفق التيار الكهربائي عبر السطح، مما خلق نمطين مختلفين قليلاً من الموجات اللذين اندمجا لتشكيل الدوران الدائري المطلوب. وعندما اختبروا الهوائي، أكدوا أنه ينتج هذا الاستقطاب الدائري عبر جميع نطاقات التردد الأربعة. وقد تم قياس الأداء باستخدام نموذج أولي مبني على مادة لوحة دوائر شائعة، وطابقت النتائج محاكاتهم الحاسوبية بدقة. أظهر الهوائي "كسباً ذروياً"، وهو مقياس لمدى قدرته على تركيز الطاقة في اتجاه معين، تراوح بين 5.12 و6.0 ديسيبل. وتشير هذه الأرقام إلى إشارة قوية وفعالة تتناسب جيداً مع احتياجات الاتصالات الحديثة.

اكتشف الباحثون أيضاً أن التصميم سمح بـ "الضبط المستقل". فإذا احتاجوا إلى إزاحة أحد الترددات للأعلى أو للأسفل، فيمكنهم تعديل حجم رقعة واحدة محددة دون إزعاج الثلاث الأخرى. هذه المرونة تعد ميزة كبيرة للتصنيع، حيث تعني أنه يمكن تخصيص الهوائي بسهولة لمتطلبات الشبكات المختلفة دون إعادة تصميم النظام بأكمله. وتخلص الدراسة إلى أن هذا الهيكل المسطح الواحد يجمع بنجاح بين أربعة نطاقات تشغيل متميزة مع عزل عالٍ واستقطاب دائري، مما يلغي الحاجة إلى مرشحات خارجية ضخمة. ومن خلال إثبات أن مثل هذا النظام المعقد ومتعدد الوظائف يمكن بناؤه في حزمة صغيرة وبسيطة، يقدم هذا العمل حلاً عملياً للأجهزة اللاسلكية المدمجة وعالية الأداء المتوقعة في السنوات القادمة.