قد يمنح الطباعة ثلاثية الأبعاد قريبًا قطاع الاتصالات دفعة مع مولدات الحزم المدمجة

عرض فريق من جامعة شيآن جياوتونغ في الصين مؤخرًا نماذج أولية لمولدات حزم دوامية ذات زخم زاوي مداري (OAM) مطبوعة ثلاثية الأبعاد. وقد تحسن هذه الأجهزة نقل البيانات في شبكات الجيل الخامس والسادس اللاسلكية، والمسح التصويري، وغير ذلك. إليك ما ينبغي معرفته عن مولدات الحزم المدمجة وقدرتها على تطوير الاتصالات.

متطلبات الجيل الخامس/الجيل السادس

يتواصل السباق عالميًا لإنشاء شبكات موثوقة من الجيلين الخامس والسادس. وتتنافس دول مثل الصين والولايات المتحدة على تطوير الأنظمة اللاسلكية بالموجات المليمترية لتصبح المزود الرئيسي للشبكات مستقبلًا. تستخدم شبكات الجيل الخامس هذه الموجات لزيادة معدل نقل البيانات وتحسين الأداء وتقليل زمن الاستجابة. وتوفر اليوم اتصالات واضحة وفعالة ومقاومة للتداخل حيثما تُستخدم.

مولدات حزم دوامية ذات الزخم الزاوي المداري (OAM)

درس الباحثون طرقًا متنوعة لتوليد تدفقات بيانات عالية السعة. ومن الأساليب الواعدة مولدات الحزم الدوامية ذات الزخم الزاوي المداري (OAM). تولد هذه الأجهزة حزمًا دوامية ضوئية ذات طور حلزوني وتتحكم فيها.
لتوليد حزم ضوئية ملتوية، تتضمن هذه الأجهزة مسارات ضوئية يتغير طولها خطيًا حول محيط الجهاز البصري. وعند بنائها واستخدامها بصورة صحيحة، فإنها تحسن الكفاءة الطيفية وسعة الاتصالات بدرجة كبيرة.

مشكلات الطرق الحالية لإنتاج مولدات حزم دوامية ذات الزخم الزاوي المداري (OAM)

يرى كثيرون أن مولدات الحزم الدوامية تمثل مستقبل اتصالات الجيلين الخامس والسادس، لكن الأجهزة الحالية تواجه مشكلات يجب حلها قبل دمجها في الاستخدام اليومي. فكفاءتها منخفضة ولا تحقق أقصى أداء لتوليد الحزم، كما تعاني قيودًا شديدة في عرض النطاق.

تكاليف تصنيع مولدات الحزم

من العيوب الرئيسية الأخرى ارتفاع تكلفة التصنيع. فهذه الأجهزة تتطلب دقة بالغة، وقد تكون عملية تصنيعها معقدة. وأي خطأ فيها قد يجعل الجهاز عرضة لتداخل غير مرغوب فيه.

دراسة مولدات الحزم

تقدم الدراسة الحديثة¹ المنشورة في مجلة Optics Express التابعة لمجموعة أوبتيكا للنشر طريقة تصنيع جديدة قد تحسن الدقة وتخفض التكاليف. وتعرض أسلوبًا جديدًا لطباعة مولد حزم OAM ثلاثي الأبعاد قادر على إنتاج حزم دوامية عالية السعة.
صمم الباحثون الجهاز ليعمل كنظام هوائيات لاتصالات لاسلكية في نطاق Ka. وهو يجمع مرشح تداخل ومقسم طاقة ومزيح طور وخط نقل وعناصر إشعاع في وحدة مطبوعة واحدة.

مولدات حزم OAM مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

طُبع مولد حزم OAM بتصميم متكامل باستخدام تقنية الصهر الانتقائي بالليزر (SLM). وصنعه الباحثون من سبيكة مع فجوات مملوءة بالهواء، لتقليل الفقد في العوازل الكهربائية أثناء التشغيل.
دمجت المحاولات السابقة لتحسين مولدات الحزم أجهزة طاقة ومزيحات طور متعددة. وأظهرت التجارب أن هذا الهيكل يزيد التداخل والفقد في العوازل الكهربائية. لذلك عُدّت الوحدة المعدنية بالكامل، والمصنوعة من قطعة واحدة، أفضل تصميم لهذه المهام.

مقسم الطاقة

يتضمن التصميم الجديد ترشيحًا للكسب لتحسين الدقة والحساسية. وابتكر الفريق مقسم طاقة مرشحًا من مدخل واحد إلى ثمانية مخارج، يجمع خطوط تأخير بثمانية أطوار مع موجهات موجية ملتوية لفصل الإشارات وإرسالها عبر مسارات مخصصة لتقليل التداخل.

تصفية الكسب المتكاملة

إزالة التداخل تحقق عدة أغراض، منها إتاحة عرض نطاق أكبر لنقل مزيد من البيانات بفضل قوة الإشارة الإضافية. كما تتيح ضبط الإشارات المطلوبة بدقة واستبعاد غير المرغوب فيها من المصدر. ثم تُرسل الإشارات إلى مصفوفة هوائيات دائرية لاستكمال محاذاتها.

محاكاة حاسوبية لمولدات الحزم

استخدم الفريق بعد ذلك محاكاة حاسوبية متقدمة لتحسين ضبط المولد. وأتاحت إجراء آلاف الاختبارات للوصول إلى التصميم الدقيق الذي يعزز نقل الإشارات داخل النطاق ويقمع الإشارات خارجه بفعالية.

نتائج دراسة مولدات الحزم

نتائج الدراسة واعدة. فقد يساعد الجهاز الجديد في حل مشكلات الحمل الزائد في أنظمة الاتصالات اللاسلكية المستقبلية. ووجد الفريق أنه يقلل التداخل ويعزز الإشارة الرئيسية ويولد حزم OAM برقم نمط l =+1.

يمكن لهذه الأجهزة المساعدة في حل مشكلات الحمل الزائد عند دمجها في الأبراج. فهي صغيرة ويمكن تركيبها مؤقتًا أو بصورة دائمة خلال التجمعات الكبيرة لتخفيف الحمل الزائد للبيانات على الشبكات ومنعه. ومن شأن هذا النهج تقليل انقطاع المكالمات وبطء اتصالات الشبكة.

وجد الفريق أيضًا أن الهيكل المعدني بالكامل يفيد تشغيل الجهاز. فقد حقق كفاءة إشعاعية وقدرة على تحمل الطاقة أعلى من الطرق التقليدية. وبلغ نقاء الإشارة 80%، وهو تحسن كبير عن الأساليب السابقة. كما تجاوز قمع الإشارات خارج النطاق 30 ديسيبل في الاتجاهات الرئيسية.

التطبيقات المحتملة لمولدات الحزم المدمجة

لهذه التقنية تطبيقات متعددة، منها البنية التحتية للاتصالات اللاسلكية من الجيلين الخامس والسادس. وتحتاج هذه الأنظمة بالموجات المليمترية إلى استبعاد التداخل لضمان أعلى معدلات نقل البيانات.

الاستشعار عن بُعد والتصوير

من الاستخدامات المهمة الأخرى لهذا الجهاز تحسين أنظمة الاستشعار عن بُعد والتصوير. فقد توفر هذه الأجهزة تفاصيل أكثر من الخيارات الحالية، مما يتيح للباحثين إجراء مسح أدق للمناطق المغطاة بغابات كثيفة أو الواقعة تحت الماء أو المدفونة في الصحارى.

الاستخدام العسكري

يساعد استخدام أنظمة رادار الموجات الدقيقة في تحسين تتبع أهداف متعددة. وتعتمد الحروب الحالية على أنظمة صغيرة غير مأهولة، منخفضة التكلفة وسهلة الإنتاج وقابلة للتجهيز لمهام متنوعة. وقد أصبح تتبعها جزءًا أساسيًا من العمليات العسكرية. ويمكن لمولدات الحزم OAM تحسين هذه المهمة، بما قد يسهم في إنقاذ الأرواح.

الفوائد التي تجلبها مولدات الحزم المدمجة إلى السوق

يقدم البحث فوائد عدة، منها انخفاض تكلفة التصنيع مقارنة بالطرق التقليدية التي تتطلب صنع مكونات في مواقع مختلفة ثم شحنها إلى مصنع تجميع. أما الطباعة ثلاثية الأبعاد فلا تتطلب هذه الخطوات الإضافية.

تصفية الكسب المتكاملة

من أبرز المزايا ترشيح الكسب المدمج. فقد تمكن الباحثون من محاكاة الشكل الدقيق لجهازهم لتضخيم الإشارات المطلوبة مع تقليل التداخل عبر القناة. وبما أن الجهاز وحدة واحدة ولا يحتوي على أجزاء متحركة، فإن هذه القدرة تمثل تحسينًا مهمًا.

منخفض التكلفة

طباعة وحدة واحدة أقل تكلفة بكثير من جمع مكونات خارجية إضافية وتجميعها. فالبنية المتكاملة تلغي تكاليف التجميع. وتعني أيضًا إمكانية تصنيع هذه الأجهزة محليًا في مرافق الطباعة ثلاثية الأبعاد أينما دعت الحاجة.

الدقة

الميزة الأساسية لتصميم مولد الحزم هي ضمان المحاذاة الدقيقة للمكونات في كل مرة. وسيكون الوصول إلى هذه الدقة باستخدام أجزاء متعددة تحتاج إلى التجميع صعبًا ويستغرق وقتًا طويلًا. وقد أتاح التصنيع الإضافي للسبائك بالطباعة ثلاثية الأبعاد للفريق إنشاء تصاميم معقدة تحسن نقل الإشارات دون أي أجزاء متحركة.

باحثو مولدات الحزم

ضم الباحثون الرئيسيون جيانشينغ لي ويوانشي تساو من جامعة شيآن جياوتونغ في الصين. ويسعى الفريق الآن إلى توسيع الاختبارات لدراسة قدرات الاختراع عبر ترددات وإشارات مختلفة. والهدف إيجاد توازن مباشر بين نقل الإشارات والمعايير التنظيمية.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من دراسة مولدات الحزم المطبوعة ثلاثيًا

قد تحسن شركات عديدة منتجاتها بدرجة كبيرة بدمج تقنية الدراسة. وتتراوح الجهات المحتملة بين قطاع الاتصالات وشركات الطباعة ثلاثية الأبعاد والجهات العسكرية. وفيما يلي شركتان قد تستفيدان من هذه التطورات خلال الأشهر المقبلة.

1. Materialise NV

دخلت Materialise NV (MTLS ) البلجيكية السوق عام 1990. وأراد مؤسساها ويلفريد فانكران وهيلده إنغيلير إنشاء وجهة متكاملة للشركات الباحثة عن برمجيات التصنيع الإضافي وحلول الطباعة ثلاثية الأبعاد. وهي اليوم مزود سريع النمو للإنتاج المستدام بهذه الطباعة.

منذ تأسيسها، توسعت Materialise في قطاعات متعددة من التصنيع الإضافي. وتقدم الشركة أدلة جراحية وغرسات مطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى جانب النماذج الأولية السريعة. كما أضافت مؤخرًا منصة لخدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد موجهة للمستهلكين، مما يفتح مجالًا لتحقيق إيرادات إضافية.

تراجع سهم Materialise NV تدريجيًا خلال السنوات الخمس الماضية بينما كانت الشركة تطور منتجاتها ونماذجها الأولية. لكن هذا الاتجاه قد ينعكس، إذ نشر محللون توقعات لثلاثة أشهر تشير إلى ارتفاع محتمل بنسبة 60.67% باحتمال 90%. لذلك تواصل الشركة جذب مستثمرين جدد.

2. Frontier Communications Parent Inc

دخلت Frontier Communications Parent Inc السوق عام 1935. وسرعان ما وسع مزود الاتصالات، الذي يقع مقره في تكساس، عملياته لتشمل خيارات متنوعة لنقل البيانات، بما فيها البيانات والإنترنت والفيديو والصوت والأجهزة وحلول الشبكات.

تبلغ القيمة السوقية الحالية للشركة 8.66 مليارات دولار، وتواصل إظهار مؤشرات قوية على الزخم الصعودي. ويظهر سهم FYBR في قوائم توصيات متعددة بسبب إمكانية ارتفاعه ومكانة الشركة القوية.

مولدات الحزم المدمجة – مستقبل الاتصالات

لا تزال اختبارات كثيرة مطلوبة قبل ظهور مولدات الحزم المدمجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد في الأحياء، لكن التقنية أثبتت سلامة مبدئها. وقد تبدأ قريبًا في تحسين ضبط الأنظمة اللاسلكية وزيادة مداها وقدراتها. ويستحق الباحثون التقدير على نهجهم المبتكر لمعالجة مشكلة قديمة في هذا السوق.

تعرّف على تطورات أخرى مثيرة في التصنيع الإضافي الآن.

مرجع الدراسة:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). مولد حزمة OAM مطبوع ثلاثيًا بخصائص تصفية كسب خارج النطاق محسنة. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}