هوائيات المرنان العازلة Dielectric resonator antennas

عند تشكيل هوائيات مرنان العزل الكهربائي يمكن إثارة أوضاع مختلفة ممّا ينتج عنه نطاق ترددي واسع للمقاومة، أمّا القدرة على إثارة أوضاع الترتيب الأعلى تجعل “DRA” كبيراً كهربائياً فيما يتعلق بتردد الطنين وممّا يؤدي إلى كسب هوائي أعلى، كما يمكن تطبيق هذا النهج على صفائف الهوائي أحادية العنصر أو متعددة العناصر.

ما هو هوائيات الرنان العازلة Dielectric resonator antennas

هوائيات الرنان العازلة “DRA”: هي مواد أساسها السيراميك غير معدنية بطبيعتها، كما أنّها توفر قيم سماحية عالية “εr 10-100” ولها بصماتهم في تطبيقات مختلفة خاصة في طيف الموجات الميكروية والمليمترية “MMW”، ويحرزون تقدماً مشجعاً في نطاق “THz” بسبب خسائر التوصيل المنخفضة وكفاءة الإشعاع الأعلى مقارنة بنظرائهم المعدنية.

مع التقدم في تصنيع النانو اهتمت الهوائيات المعدنية المصممة في نطاق “THz”، وتسمى هذه الهوائيات بالهوائيات الضوئية أو النانتينات، كما تعمل الهوائيات الضوئية عن طريق استقبال الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة أو الضوء وتركيزها على نقطة معينة أو نقطة ساخنة، ونظراً لأنّ معظم الهوائيات مصنوعة من المعدن مع وجود معادن نبيلة كمشعات، فإنّ خسائر التوصيل كبيرة.

وأحد الحلول التي تم تقدمها هو دمج “n-antennas” مع “DRs”، حيث يتم تقديم تصميمين مختلفين يعتمدان على “DR” أحدهما مثلث والآخر سداسي، كما يعمل كلا الهوائيين في نافذة النطاق “C” البصري “1550 نانومتر”، كما يتم تصميم وإجراء التحليل العددي ومحاكاة وتحسين “DR n-antennas” المقترحة، كما أنّه تم أخذ توليف مصفوفة من “n-antennas” المقترحة في تقييم مقدار التوجيهات التي تستخدم “n-antennas” في تطبيقات الشبكة النانوية.

• “DRA” هي اختصار لـ “Dielectric resonator antennas”.

• “MMW” هي اختصار لـ “Millimeter wave”.

أساسيات هوائيات المرنان العازلة

على مدى السنوات القليلة الماضية مع إدخال العديد من الأجهزة المحمولة واللاسلكية لوحظت زيادة في حركة بيانات الهاتف المحمول والإنترنت، تتأثر هذه الزيادة الهائلة أيضاً بالطريقة التي ينشئ بها المجتمع المعلومات ويشاركها ويستهلكها على أساس منتظم، كما تتطلب هذه البيانات والمعلومات الوفيرة أيضاً زيادة وقت التسليم.

يُعد الاتصال عالي معدل البيانات مع الحجم الصغير للجهاز هو المعيار الجديد في التكنولوجيا، حيث يعمل الباحثون والصناعة بوتيرة سريعة لتلبية طلبات المستهلكين، كما تشير التقديرات إلى أنّ معدلات البيانات اللاسلكية تتضاعف كل عام وتقترب بسرعة من السعة المتوفرة لأنظمة الاتصالات السلكية، وبعد هذا الاتجاه هناك حاجة إلى أنظمة تعمل بمعدلات بيانات أعلى.

على الرغم من أنّ الموجات المليمترية والراديو “60 جيجاهرتز” يوفران حالياً حلاً ويتم تنفيذهما في تطبيقات “5G” فإنّه لا يزال يتعين على الباحثين التفكير مسبقاً، حيث يحتوي الطيف الكهرومغناطيسي على الكثير من النطاقات التي يقدمها من حيث عرض النطاق الترددي الواسع، كما يمكن لقسم واحد من الطيف الذي لم يتم استكشافه بالكامل في نطاق تيراهيرتز “THz” تقديم اتصال في مجال تيرابت في الثانية “Tbps” ويمكن تحقيق هذه الروابط “Tbps” خلال السنوات العشر القادمة.

تهدف اتصالات نطاق تيراهيرتز إلى أن تكون تقنية لاسلكية رئيسية لتلبية هذا الطلب المتزايد على الأجهزة التي تتطلب بشكل كبير لعرض النطاق الترددي مع متطلبات معدلات بيانات أعلى، ونظراً لأن نطاق “THz” في مرحلة الاستكشاف المبكرة يجب تصميم الكثير من المراجعات والمعايير الجديدة للأنظمة، والتي تعمل في هذه النطاقات الأعلى من الطيف الكهرومغناطيسي أي نطاق الأشعة فوق البنفسجية ونطاق الأشعة تحت الحمراء، كما يجب وضع اعتبارات خاصة في تصميم جزء الإرسال والاستقبال من نظام “THz”.

تم اقتراح العديد من حلول الهوائيات الأمامية التي تعتمد على هياكل إشعاع التصحيح لتطبيقات الموجات المليمترية، حيث تتميز الهوائيات بالحجم الصغير والوزن المنخفض والتكلفة المنخفضة ويمكن دمجها بسهولة على الرقاقة، ومع ذلك بسبب الخسائر في الموصلات وكذلك مواد الركيزة العازلة للكهرباء فإنّ هذه الهوائيات تعاني من كفاءة إشعاع منخفضة “<10%” وكسب منخفض “<0dBi” وسلوك ضيق النطاق.

تعتبر فئة هوائيات الرنان العازلة “DRAs” مرشحاً واعداً لاستبدال الهوائيات التقليدية خاصةً عند ترددات الموجات المليمترية وما بعدها، كما يُرجع هذا بشكل أساسي إلى حقيقة أنّ “DRA” لا تعاني من خسائر التوصيل وتتميز بكفاءة إشعاع عالية عندما يتم تحفيزها بشكل صحيح.

مزايا هوائيات المرنان العازلة DRAs

• بالمقارنة مع الهوائيات المعدنية التقليدية والتي يتناسب حجمها مع الطول الموجي للمساحة الحرة “λ0″، تتميز “DRAs” بعامل شكل أصغر خاصةً عند اختيار مادة ذات ثابت عازل عالي نسبياً “εr” للتصميم.

• نظراً لعدم وجود مواد موصلة تتميز المناطق “DRA” بكفاءة إشعاع عالية عند اختيار مادة عازلة منخفضة الخسارة، وهذه الخاصية تجعلها مناسبة جداً للتطبيقات على ترددات عالية جداً.

• يمكن أن تتميز “DRAs” بعرض نطاق ترددي كبير للمقاومة إذا تم اختيار أبعاد الرنان وثابت العزل الكهربائي للمادة الأساسية بشكل صحيح.

• يمكن تحمس “DRAs” باستخدام تقنيات مختلفة مفيدة في التطبيقات المختلفة وتكامل الصفيف.

• يمكن التحكم بسهولة في خصائص الكسب وعرض النطاق والاستقطاب في “DRA” باستخدام تقنيات تصميم مختلفة.

خصائص هوائيات المرنان العازلة

واحدة من الخصائص المتأصلة في “DRAs” هي عدم وجود خسائر التوصيل، وهذه الخاصية تجعل “DRAs” مناسباً لترددات الموجة “mm”، ومع ذلك عند ترددات المليمترات يتم تقليل أبعاد الهوائي بشكل كبير ممّا يمثل تحدياً للتصميمات القائمة على السيراميك بسبب هشاشة وصعوبة التصنيع.

أمّا عند الترددات العالية يلزم وجود تفاوتات تصنيعية أفضل نظراً لصغر حجم عنصر الهوائي، وباستخدام مواد البوليمر المصممة هندسياً، طورت شركة “Antenna” منهجيات تصميم وعمليات تصنيع يمكن تطبيقها لتحقيق هياكل هوائي ثلاثية الأبعاد عريضة النطاق.

علاوة على ذلك فإنّ اعتماد “DRAs” مدفوعاً بأنماط ترتيب أعلى له ميزة تحسين قابلية التصنيع عند ترددات الموجات المليمترية، وفي واقع الأمر بالنسبة إلى تردد طنين معين “f0” يكون حجم “DRA” الذي يعمل على وضع ترتيب أعلى أكبر بكثير عادةً بترتيب واحد من حيث الحجم أو أكثر، ومقارنةً بتردد نفس “DRA” عند التردد “f0” على الوضع الأساسي ذي الصلة، لذلك يكون لتفاوتات التصنيع تأثير نسبي أقل على أوضاع الترتيب الأعلى.

تتطلب معالجة المتطلبات الملحة لأنظمة اتصالات الجيل التالي من الجيل الخامس تطوير حلول الهوائيات غير التقليدية، وفي هذا الصدد يمكن لمقاربات التصميم الهجين التي تعتمد على الجمع بين “DRA” والهوائيات المشعة أو الفتحة أن توفر عدداً من الفوائد، حيث في الواقع ومن خلال ضبط هوائي رقعة أو فتحة مشعة ومرنان عازل مدمج “DR” بطريقة تجعل ترددات الرنين ذات الصلة شبه متدهورة، يمكن تحقيق سلوك النطاق العريض بسهولة.

وهذا مفيد لتغطية “60 جيجاهرتز” كاملة غير مرخصة نطاق التردد من “57 جيجاهرتز” – “65 جيجاهرتز” وكما يتم تشغيل هوائي مرنان عازل، وعلى شكل حلقة هجين في وضع ترتيب أعلى بواسطة رقعة دائرية ذات شريط صغير يتم تغذيتها بدورها بفتحة طنين.