هوائيات المواد الخارقة: قابلة للتشوه والطباعة، وتعيد تشكيل مستقبل الاتصالات اللاسلكية

إشارات WiFi المنزلية المتقطعة وعدم القدرة على تصفح صفحات الويب على الهاتف أثناء الحفلة الموسيقية-تقع وراء مضايقات الاتصالات اليومية هذه عنق الزجاجة في تكنولوجيا الهوائي. الآن، تخترق هوائيات المواد الاصطناعية في المختبر هذه القيود بهدوء، وتعيد تشكيل حدود الاتصالات اللاسلكية من خلال الابتكار الهيكلي واختراقات التصنيع، بدءًا من محطات الجيل الخامس الأساسية وحتى الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

[صورة تصميم ناقل أيقونة WIFI__Other_Animation_Design Library_Nipic.com]

I. الثورة الهيكلية: التصميم على المواد

تبدأ الإمكانات التخريبية للهوائيات المصنوعة من المواد الاصطناعية بإعادة تعريف "مصدر الأداء".

على عكس الهوائيات التقليدية التي تعتمد على الخواص الكيميائية للمعادن مثل النحاس والألمنيوم، فإن ميزتها الأساسية تأتي من التصميم الدقيق للبنية الدقيقة-وتحقيق إمكانات معالجة الموجات الكهرومغناطيسية غير الموجودة في الطبيعة من خلال وحدات دورية تم إنشاؤها صناعيًا.

كشف البحث الذي أجراه فريق البروفيسور وانغ هونغ في الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا عن هذا السر: لقد صمموا وحدات من المواد الخارقة ذات هياكل مسامية دورية مثل الفطائر وأقراص العسل، ودمجوا ذلك مع نظرية العزل الكهربائي الفعالة لإنشاء نموذج رياضي يمكنه التنبؤ بدقة بثابت العزل الكهربائي للمادة والتحكم فيه.

تعمل هذه الوحدات الدقيقة-، الأصغر حجمًا والمسافات بين بعضها البعض من الطول الموجي للموجات الكهرومغناطيسية التي تتعامل معها، مثل "نظام ملاحة" مخصص للإشارة، مما يحقق تأثيرات الانحناء والتركيز المستحيلة باستخدام المواد الطبيعية.

تتجلى قوة هذا التصميم الهيكلي بشكل خاص في تغطية نطاق التردد.

تشنغ تسنغ تشيانغ، رائد أعمال في مجال الطباعة ثلاثية الأبعاد ولد في التسعينيات: الأحلام ليست مجرد كلام فارغ_شبكة الطباعة الصينية ثلاثية الأبعاد

نجح الفريق في تغطية النطاق X- بأكمله من 8-12 جيجا هرتز بهوائي مادة ثابتة عازلة متدرجة تم تصنيعه باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما حقق عرض نطاق ترددي يبلغ 6.2 جيجا هرتز، وهو ما يتجاوز بكثير الحد الأعلى البالغ 1.7-4.2 جيجا هرتز للهوائيات التقليدية. في مجال تيراهيرتز الأكثر تطورًا، يمكن أن يؤدي الجمع بين مصفوفة مرنان ذات حلقة مقسمة وبنية فجوة نطاق فوتونية إلى توليد رنين عند نقاط تردد متعددة في نطاق 0.47-1.1 جيجا هرتز، وهو ما يعادل فتح "قنوات" متعددة للاتصالات عالية السرعة في نفس الوقت مع عرض نطاق يمتد إلى 45-51 جيجا هرتز.

ثانيا. تكنولوجيا قابلة لإعادة التشكيل: جعل الهوائيات "تتغير حسب الحاجة"

إذا كان التصميم الهيكلي هو أساس هوائيات المواد الاصطناعية، فإن قابليتها للتشوه وإعادة التشكيل هي أكثر إنجازاتها المذهلة. قام فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتطوير هوائي مصنوع من مواد خارقة يمكن تعديل أدائه من خلال التشوه الجسدي، مما يغير تمامًا حدود الهوائيات التقليدية كونها "نوع واحد وعمر واحد".

يكمن السر الأساسي لهذا الهوائي في التصميم المبتكر لهندسته. توضح قائدة الفريق مروة العلوي: "الهيكل الخاص للمواد الخارقة يمكن أن يقلل بشكل كبير من تعقيد الأنظمة الميكانيكية." ومن خلال عمليات بسيطة مثل الثني أو التمدد أو الضغط، يمكن للهوائي تغيير تردد الرنين الخاص به، مما يسمح لجهاز واحد بالتوافق مع معايير اتصالات متعددة. تظهر الاختبارات أن تحول تردد الرنين للنموذج الأولي يمكن أن يصل إلى 2.6%، وهو ما يكفي لدعم تبديل سماعات الرأس بين الأوضاع المختلفة، ولا يزال يعمل بشكل طبيعي بعد 10000 تشوه.

تُظهر الأسطح المعدنية القابلة لإعادة التشكيل، المستوحاة من الأوريجامي، إمكانية التحكم الديناميكي. من خلال تحقيق تحويل هيكلي ثنائي الأبعاد-إلى ثلاثي الأبعاد-من خلال التشوه الميكانيكي، فإنه يمكن التبديل بين الاستقطاب الخطي وحالات الاستقطاب الدائري لليد اليسرى- أو اليمنى-، وضبط تردد التشغيل بمرونة ضمن نطاق 8.95-9.8 جيجا هرتز، مما يوفر أسلوبًا جديدًا لتحسين الإشارة في البيئات المعقدة.

ثالثا. من المختبر إلى المنتج: التنفيذ الشامل للتطبيقات لم تعد هوائيات المواد الخارقة مجرد مفهوم مختبري؛ لقد أثبتوا قيمة عملية في مجالات مثل الاتصالات والطب، بل ودخلوا أيضًا المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية.

[الصورة الرئيسية.jpg]

وفي مجال البنية التحتية للاتصالات، أصبحت "مساهماً غير مرئي" في السرعات المرتفعة لشبكات الجيل الخامس. حقق هوائي المواد الثابتة العازلة المتدرجة الذي طوره فريق وانغ هونغ أداءً عالي الكسب يبلغ 14.7 ديسيبل، ليس فقط تحسين مطابقة المعاوقة ولكن أيضًا تعزيز كفاءة الإشعاع واستقرار التردد بشكل كبير.

الصورة 1.png

مقارنة نموذج هيكل المادة الخارقة ومحاكاة ثابت العزل الكهربائي ونتائج الحساب

الصورة 2.png

تحضير المواد الفوقية واختبار ثابت العزل الكهربائي

الصورة 3.png

هوائي رنين عازل يعتمد على ثابت العزل الكهربائي القابل للتصميم

وبعد أن اعتمدت نوكيا ركيزة ذات تقنية مماثلة في محطتها الأساسية 5G في ميونيخ بألمانيا، زادت كفاءة إشعاع الهوائي من 55% إلى 70%، وتوسع نصف قطر تغطية الإشارة بمقدار 2 كيلومتر، وقفزت سرعة الشبكة المقاسة من 800 ميجابت في الثانية إلى 1.2 جيجابت في الثانية.

على جانب الجهاز الطرفي، تم تطبيق هوائي المواد الاصطناعية الذي تم تطويره بشكل مشترك بواسطة Lenovo وجامعة Tsinghua على الكمبيوتر اللوحي YOGA Pad Pro، مما أدى إلى تحسين أداء Wi{0}}Fi 7 في نطاقي 5G و6G بنسبة 10% وزيادة مسافة الاتصال بنسبة 10%، مما يحل تمامًا مشكلة الإشارة لجميع-أجهزة الغطاء الخلفي المعدنية.

لقد فتح تطبيق نطاق تيراهيرتز المزيد من الإمكانيات الجديدة. لقد طور الباحثون هوائيات مصنوعة من مواد خارقة باستخدام نسيج الكابتون والكوارتز كركائز وأنابيب نانوية كربونية أحادية الجدار-كمواد موصلة. تغطي هذه الهوائيات نطاق التردد 0.47-1.1 تيراهيرتز، مما يوفر -حلول عالية الأداء للتصوير الطبي الحيوي، والاختبارات غير المدمرة، ومجالات أخرى. حقق فريق وانغ هونغ أيضًا اختراقات في الإدارة الحرارية للمواد. إن السيراميك القائم على نيتريد البورون-، والمتكلس عند درجة حرارة منخفضة جدًا-تصل إلى 150 درجة، يحقق توصيلًا حراريًا يبلغ 42 وات لكل متر مكعب، مما يحل بشكل فعال مشكلة عنق الزجاجة في تبديد الحرارة للمعدات عالية التردد.

رابعا. اختراق التصنيع: الانتقال من التصميم الدقيق إلى الإنتاج الضخم، كانت التطورات في تكنولوجيا التصنيع محركًا رئيسيًا في جلب هوائيات المواد الاصطناعية من المختبر إلى السوق. إن نضج تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد جعل من التكرار الدقيق للبنى المجهرية المعقدة أمرًا ممكنًا.

استخدم فريق وانغ هونغ تكنولوجيا الطباعة المباشرة-ثلاثية الأبعاد لإعداد عينات ثابتة للعزل الكهربائي، والتحكم في الخطأ بين القيم المقاسة والمتوقعة في حدود 5%. يمهد هذا التصنيع عالي الدقة-الطريق لإنتاج هوائي مخصص. ومع ذلك، اتخذ فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجا مختلفا، حيث طور عملية تجمع بين القطع بالليزر والرش الموصل، إلى جانب أدوات التصميم المخصصة. يمكن للمستخدمين تخصيص الهوائيات حسب احتياجاتهم الخاصة، مما يقلل بشكل كبير من حاجز التصنيع.

وفي التطبيقات الصناعية، حقق هذا الابتكار في عملية التصنيع فوائد أكثر أهمية. تستخدم محطات ZTE الأساسية وحدات تبديد الحرارة المركبة من المواد الاصطناعية، وتستخدم تصميم هيكل ثلاثي الطبقات من فيلم PI والجرافين لتثبيت درجة حرارة الرقاقة عند 72 درجة، مما يقلل من توهين سرعة الشبكة من 18% في الحلول التقليدية إلى 3%. أدى نموذج المحطة الأساسية لشركة Huawei، بعد اعتماد مواد مركبة قائمة على PI-، إلى خفض وزنها من 80 كجم إلى 56 كجم، مما أدى إلى خفض تكاليف النقل بنسبة 25% مع زيادة مقاومة الصدمات بنسبة 40%. توضح هذه الاكتشافات أن التطبيق-الواسع النطاق لهوائيات المواد الاصطناعية له أساس واقعي.

خامساً: الرؤية المستقبلية: الهوائيات كـ "وحدات تفاعلية ذكية"
مع تطور 5G وتقدم أبحاث 6G، تتحول هوائيات المواد الخارقة من أجهزة إرسال واستقبال الإشارة السلبية إلى "أجهزة ذكية" يمكنها التكيف بشكل فعال مع بيئتها. يعمل الباحثون على تكنولوجيا هوائي المواد الاصطناعية ثلاثية الأبعاد لتحسين متانة ومرونة الهيكل، وتمكينه من التكيف مع سيناريوهات الاستخدام الأكثر تعقيدًا.

أصبحت قابلية إعادة التشكيل وقابلية الضبط اتجاهات تطوير واضحة. يمكن بالفعل دمج هوائيات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا القابلة للتشوه في العناصر اليومية: يمكن للستائر الذكية ضبط الإضاءة عبر الهوائيات، ويمكن لسماعات الرأس تبديل أوضاع إلغاء الضوضاء-، وفي المستقبل، قد تتحقق فكرة "ثني الهاتف لتعزيز الإشارة". على مستوى المحطة الأساسية، تعمل أفلام PI المفلورة على تقليل ثابت العزل الكهربائي للمادة إلى 2.8@100 جيجا هرتز، مما يمهد الطريق لاتصالات 6G تيراهيرتز.

من النماذج الهيكلية في المختبر إلى التطبيقات العملية في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، اخترقت هوائيات المواد الاصطناعية، بمنطقها المبتكر المتمثل في "الهيكل يحدد الأداء"، سقف أداء الاتصالات اللاسلكية. عندما يجتمع التصميم الدقيق مع التصنيع المتقدم، فإن مشاكل الإشارة التي ابتلينا بها ذات يوم سوف تتبدد تدريجيًا، ويلوح في الأفق عالم لاسلكي أسرع وأكثر استقرارًا.

!