A Dual-band Miniaturized Self-Isolating Uniplanar MIMO Antenna for 5G/Ku/K Bands

في عالم الاتصالات اللاسلكية غير المرئي، تنتقل الإشارات كتموجات من الطاقة التي يجب التقاطها وفصلها وفهمها بواسطة الأجهزة لتقديم اتصال واضح. عندما يصمم المهندسون الهوائيات للأجهزة الحديثة، فإنهم يواجهون تحديًا مستمرًا: كيف يمكن حشد وحدات استقبال وإرسال متعددة في مساحة ضيقة دون أن تتداخل مع بعضها البعض. فإذا كانت هذه الوحدات قريبة جدًا من بعضها، فإنها تبدأ في "التحدث" مع بعضها البعض، مما يخلق فوضى ضوضائية تؤدي إلى تدهور جودة المكالمة أو سرعة البيانات. وتصبح هذه المشكلة أكثر صعوبة مع تقلص حجم الأجهزة ومع انتقال الترددات المستخدمة للاتصالات إلى مستويات أعلى، لتصل إلى النطاقات المخصصة لشبكات الجيل الخامس (5G)، والاتصالات الفضائية، وأنظمة الرادار. ولحل هذه المشكلة، غالبًا ما يضيف الباحثون أجزاءً إضافية معقدة لحجب التداخل، لكن هذه الإضافات تجعل الجهاز عادةً أكبر حجمًا وأكثر صعوبة في التصنيع. والهدف هو إيجاد طريقة لإبقاء الوحدات قريبة من بعضها مع ضمان بقائها صامتة تجاه بعضها البعض، كل ذلك ضمن طبقة واحدة مسطحة يمكن تصنيعها بسهلولة.

لقد طور فريق من الباحثين تصميمًا جديدًا للهوائي يلبي هذه المتطلبات باستخدام ترتيب ذكي لأربع وحدات متطابقة على لوحة مسطحة واحدة. هذا الجهاز، الذي تبلغ أبعاده 30 في 30 مليمترًا، صغير بما يكفي ليتسع داخل هاتف ذكي أو مستشعر محمول، ومع ذلك فهو قادر على التعامل مع مجموعتين مختلفتين تمامًا من الترددات في وقت واحد. تغطي إحدى المجموعتين نطاق 3 إلى 5 جيجاهرتز، وهو أمر ضروري لشبكات الهاتف المحمول من الجيل التالي، بينما يمتد النطاق الآخر من 12 إلى 23 جيجاهرتز، وهو نطاق يُستخدم للاتصالات الفضائية، والرادار، ووصلات البيانات عالية السرعة. وما يجعل هذا التصميم فريدًا هو أنه يحقق مستوى عاليًا من الفصل بين أجزائه الأربعة دون استخدام أي مكونات حجب إضافية. فبدلاً من إضافة هياكل معقدة لوقف التداخل، قام المهندسون بتشكيل المستوى الأرضي المعدني في منتصف اللوحة لتوجيه الإشارات طبيعيًا بعيدًا عن بعضها البعض. هذا النهج "ذاتي العزل" يسمح للهوائيات الأربعة بالجلوس قريبًا جدًا من بعضها البعض مع الاستمرار في الأداء كما لو كانت بعيدة عن بعضها.

قام الباحثون ببناء نموذج أولي لهذا الهوائي على مادة لوحة دوائر قياسية واختبروه بصرامة لمعرفة مدى كفاءة عمله. ووجدوا أن الجهاز يعمل بنجاح عبر طيف واسع، حيث يغطي نطاقات الهاتف المحمول المنخفضة والنطاقات الفضائية الأعلى في آن واحد. وعندما قاموا بقياس مدى تداخل الهوائيات مع بعضها البعض، أظهرت النتائج انخفاضًا كبيرًا في تسرب الإشارات غير المرغوب فيه. ففي نطاق التردد المنخفض، انخفض التداخل إلى مستويات تتراوح بين سالب 12.5 وسالب 34 ديسيبل، وفي نطاق التردد الأعلى، انخفض أكثر ليصل إلى ما بين سالب 20 وسالب 40 ديسيبل. وتشير هذه الأرقام إلى أن الهوائيات معزولة فعليًا عن بعضها البعض، مما يسمح للنظام بالتعامل مع تدفقات بيانات متعددة بوضوح. كما أثبت التصميم كفاءة عالية، حيث حول معظم الطاقة الكهربائية إلى موجات راديو مع فقدان ضئيل جدًا، وحافظ على قوة إشارة قوية عبر كامل نطاق تشغيله.

ولضمان سلامة التصميم وعمليته للاستخدام في العالم الحقيقي، قام الفريق بمحاكاة كيفية سلوك الهوائي عند إمساكه باليد البشرية أو وضعه داخل غلاف جهاز. وقاموا بحساب كمية الطاقة التي سيفرغها الهوائي في الأنسجة البشرية، وهو مقياس يُعرف باسم معدل الامتصاص النوعي. وأظهرت النتائج أنه حتى عند إمساك الهوائي مباشرة مقابل الجلد، فإن امتصاص الطاقة يظل ضمن الحدود الآمنة التي وضعتها الهيئات التنظيمية. علاوة على ذلك، اختبروا أداء الهوائي عندما يكون محاطًا بأجسام كبيرة أو موضوعًا داخل صندوق، محاكيين بذلك البيئة داخل الهاتف أو المركبة. واستمر الهوائي في العمل بشكل موثوق في هذه الظروف، محافظًا على قدرته على إرسال واستقبال الإشارات دون أن يتأثر بالمواد القريبة منه. وهذا يشير إلى أن التصميم قوي بما يكفي لدمجه في الإلكترونيات الاستهلاكية اليومية دون الحاجة إلى درع خاص أو تعديلات معقدة.

تناول التحليل النهائي الجودة الإجمالية للاتصال الذي يمكن أن يوفره الهوائي. ومن خلال فحص كيفية عمل الوحدات الأربع معًا، أكد الباحثون أن النظام يوفر تنوعًا ممتازًا، مما يعني أنه يمكنه دمج الإشارات من زوايا مختلفة لإنشاء رابط أقوى وأكثر موثوقية. وأظهرت البيانات أن النظام يمكنه التعامل مع البيئات المعقدة حيث ترتد الإشارات عن الجدران والعوائق، وهي مشكلة شائعة في المدن وداخل المباني. ويحقق التصميم كل هذا مع بقائه مدمجًا وبسيطًا في التصنيع، باستخدام طبقة واحدة من المواد بدلاً من مجموعة معقدة من اللوحات. ومن خلال إثبات أن هوائيًا صغيرًا ومسطحًا يمكنه التعامل مع النطاقات المزدوجة مع عزل عالٍ وسلامة، يقدم هذا العمل مسارًا عمليًا لمستقبل الأجهزة اللاسلكية، مما يسمح لها بأن تكون أصغر، وأسرع، وأكثر قدرة دون التضحية بالأداء.