في عالم الاتصالات اللاسلكية الذي يتطور بسرعة، لم يعد الهوائي مجرد موصل معدني بسيط. مع إدخال نطاق الموجة المليمترية (mmWave) ، وتقنية MIMO الضخمة في 5G، وتوصيل مليارات أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) ، تطور الهوائي من مكون سلبي مستقل نسبيًا إلى نظام فرعي ذكي متكامل للغاية ضمن بنية الشاملة الواجهة الأمامية لتردد الراديو (RFFE) .
يواجه التصميم الحالي للهوائي ثلاثة تحديات أساسية: تحقيق تغطية متعددة النطاقات في محطات طرفية مصغرة للغاية؛ وتخفيف الخسائر الكبيرة عند الترددات العالية؛ وتمكين التحكم في الشعاع الديناميكي المحدد بالبرمجيات. تعتبر هذه المقالة بمثابة دليل الصناعة الخاص بك، حيث يقوم مهندس هوائي محترف بتحليل هذه التحديات بعمق ويكشف عن كيفية استجابة الصناعة للابتكارات المدمرة.
التحدي الأول: القفزة من Sub-6 جيجا هرتز إلى mmWave ومعضلة التكامل مع MIMO الضخم
تعد زيادة التردد خيارًا لا مفر منه لـ 5G لمتابعة عرض النطاق الترددي العالي للغاية، ولكنها تفرض قيودًا مادية شديدة على تصميم الهوائي.
الصراع بين خسارة المسار وتعويض EIRP عنق الزجاجة المادي: عندما يزيد التردد من Sub-6 جيجا هرتز إلى 28 جيجا هرتز أو 39 جيجا هرتز، تزداد خسارة المسار في الفضاء الحر بشكل تربيعي. يجب على المهندسين التعويض عن هذا التوهين في الإشارة عن طريق زيادة القدرة المشعة المتناحية الفعالة (EIRP) بشكل كبير.
ابتكار الهوائي: MIMO الضخم وتكوين الشعاع: هذه هي الطريقة الفعالة الوحيدة للتغلب على فقدان المسار.
• يستخدم MIMO الضخم مجموعة من مئات عناصر الهوائي لتركيز الطاقة المشعة في فص رئيسي ضيق، وبالتالي تحقيق كسب عالي للصفيف.
• اتجاه الصناعة: أدى هذا بشكل مباشر إلى اعتماد وحدة الهوائي النشط (AAU) على نطاق واسع، والتي تدمج بشكل محكم مضخم الطاقة (PA)، وجهاز الإرسال والاستقبال (TRX)، وعناصر الهوائي. يؤدي هذا إلى القضاء على فقدان الإرسال الذي تقدمه وحدات التغذية التقليدية ويضمن إنتاج الطاقة الإجمالية المشعة (TRP) للنظام العالي.
ح3: 1.2. اقتران عنصر الهوائي وتبديد الحرارة عند الترددات العالية
• الاقتران المتبادل: في صفائف MIMO الضخمة، مع تقلص المسافة بين عناصر الهوائي، يتكثف الاقتران المتبادل. يؤدي هذا إلى انخفاض كبير في كفاءة إشعاع المصفوفة وأداء تكوين الشعاع. حلول العزل، مثل شبكات الفصل أو هياكل فجوة النطاق الكهرومغناطيسي (EBG)، مطلوبة.
• تحدي تبديد الحرارة: يؤدي العدد الكبير من شرائح الترددات اللاسلكية والوحدات المحمية داخل وحدة AAU إلى توليد حرارة كبيرة أثناء التشغيل عالي الطاقة. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى انحراف ثابت العزل الكهربائي لمواد الهوائي، مما يؤدي إلى تفكيك تردد الرنين وتدهور الأداء. المحاكاة الحرارية الكهربائية المشتركة الدقيقة إلزامية.
التحدي الثاني: المفاضلة بين تصغير المحطة الطرفية والتغطية متعددة النطاقات عالية الكفاءة
في المحطات ذات المساحة المحدودة مثل الهواتف الذكية والساعات الذكية، يلزم وجود هوائيات لدعم أكثر من عشرة نطاقات (4G/5G/Wi-Fi/GPS) بأقل حجم ممكن، مما يخلق معضلة ثلاثية كلاسيكية من حيث الحجم والكفاءة وعرض النطاق الترددي .
تضحية الكفاءة: الخسارة المتأصلة في الهوائيات المصغرة
تقنيات التصغير: لتقليص حجم الهوائي إلى lect /10 أو أقل، غالبًا ما يستخدم المهندسون تقنيات مثل التحميل الاستقرائي أو الانحناء الهيكلي.
القيود المادية: وفقًا لحد تشو ، هناك حد أقصى نظري لعرض النطاق الترددي وكفاءة الهوائيات الصغيرة. للحفاظ على الرنين، غالبًا ما تحتوي الهوائيات المصغرة على عامل جودة عالي جدًا، مما يؤدي إلى عرض نطاق ضيق وخسارة كبيرة في أوم الموصل . وبالتالي فإن كفاءة الإشعاع غالباً ما تقل عن 50%.
ابتكار الهوائي: ثورة في الهيكل والمواد والتصنيع
وللتغلب على هذه المعضلة، تركز الصناعة على المواد وعمليات التصنيع:
السيراميك الثابت عالي العزل الكهربائي: يستخدم في GPS/IoT . وحدات إنها تقلل الحجم بشكل فعال من خلال استخدام εᵣ عالية مع الحفاظ على كفاءة مقبولة.
عمليات LDS/FPC: تسمح هوائيات الهيكلة المباشرة بالليزر (LDS) والدوائر المطبوعة المرنة (FPC) بوضع نمط الهوائي على طول الأسطح المعقدة غير المستوية داخل الجهاز، مما يزيد من استخدام المساحة الطرفية للتعايش متعدد النطاقات.
وحدات ضبط الهوائي (الموالف): تستخدم هذه الوحدات مكثفات/محاثات متغيرة قابلة للبرمجة لضبط مطابقة مقاومة الهوائي والطول الكهربائي ديناميكيًا عبر نطاقات تردد مختلفة. وهذا يضمن بقاء VSWR ضمن النطاق الأمثل (على سبيل المثال، VSWR < 2:1) على الرغم من تغيرات التردد أو تأثيرات المستخدم المحمولة.
·
التحدي الثالث: التحول من الأجهزة السلبية إلى الأنظمة الذكية القابلة للبرمجة
بيئة الاتصالات المستقبلية ديناميكية ومعقدة. يجب أن يتطور الهوائي من قطعة ثابتة من الأجهزة إلى مكون محدد برمجيًا قادر على الاستشعار والتكيف في الوقت الفعلي.
الابتكار المدمر: تكامل الهوائي في الحزمة (AiP) وRFFE
تعريف AiP: تعمل تقنية الهوائي في الحزمة (AiP) على دمج عناصر الهوائي ورقائق RFFE (PA وLNA وTRX) وحتى مكونات النطاق الأساسي داخل نفس الحزمة أو الوحدة. يؤدي هذا إلى التخلص تمامًا من خطوط النقل عالية التردد بين الشريحة وركيزة الحزمة، مما يقلل من فقدان الاتصال البيني.
اتجاه التقارب: يقود AiP تعاونًا عميقًا بين مهندسي الهوائيات ومصممي الرقاقات ومهندسي التغليف، بهدف نهائي هو تحقيق AoC (الهوائي على الرقاقة) ، حيث يتم تنفيذ الهوائي مباشرة على السيليكون.
المبدأ: يعد السطح العاكس الذكي (IRS / RIS) أحد أهم تطبيقات 6G. يستخدم RIS مصفوفة واسعة النطاق Metasurface حيث يتم التحكم في انعكاس مرحلة كل عنصر عن طريق برمجة البرامج. يؤدي ذلك إلى تحويل العاكسات المحيطة (مثل الجدران والزجاج) إلى 'مرايا إشارة' يمكن التحكم فيها.
القيمة: يتغلب RIS بشكل فعال على انسداد إشارات mmWave، ويوجه الطاقة نحو المناطق التي يصعب تغطيتها مباشرة. وهذا يعزز بشكل كبير كفاءة الشبكة وتغطيتها، مما يتيح بيئة لاسلكية قابلة للبرمجة.
الخلاصة وتوقعات الصناعة
تعمل التحديات الأساسية الثلاثة التي يفرضها عصر 5G/IoT - التكامل عالي التردد، والتصغير الشديد، والتحكم الديناميكي - على تسريع انتقال الصناعة نحو الذكاء والتكامل والقدرات المحددة بالبرمجيات.
ويتحول دور مهندس الهوائي من محلل تقليدي للمجال الكهرومغناطيسي إلى متخصص في تكامل الأنظمة متعدد التخصصات . سيعتمد النجاح المستقبلي على إتقان التقنيات المتقدمة مثل AiP و RIS ، وامتلاك مهارات شاملة في الإدارة الحرارية، وعلوم المواد، والتصميم بمساعدة الذكاء الاصطناعي.
تأسست شركة Shenzhen Keesun Technology Co.,Ltd في أغسطس من عام 2012، وهي مؤسسة ذات تقنية عالية متخصصة في أنواع مختلفة من تصنيع الهوائيات وكابلات الشبكة.
