في نشر شبكات 5G التجارية، تعتبر تقنيات “تشكيل الحزمة” (Beamforming) و “Massive MIMO” هي التقنيات التي تسمح للمحطات الأساسية بتقديم بيانات عالية السرعة مباشرة إلى هاتفك الذكي. ولكن كيف تأخذ المحطة الأساسية إشارة تردد راديوي (RF) واحدة عالية التردد وتوزعها بشكل مثالي على العشرات أو حتى المئات من عناصر الهوائي الفردية؟
تكمن الإجابة في مكون تردد راديوي سلبي وموثوق للغاية: مقسم طاقة ويلكنسون.
نقدم حلولاً تصل إلى 40 جيجا هرتز.
التحدي في شبكات تغذية هوائيات 5G
في هوائي المصفوفة الطورية (Phased Array) الخاص بشبكات 5G، يجب أن تقوم شبكة تغذية التردد الراديوي بتوزيع الطاقة بالتساوي على عناصر الإشعاع المتعددة. لضمان توجيه الحزمة بدقة، يجب أن يكون للإشارة التي تصل إلى كل هوائي نفس السعة والطور تماماً.
الأهم من ذلك، يجب أن تمنع الشبكة “التداخل المتبادل” (Crosstalk). إذا قام أحد عناصر الهوائي بعكس الطاقة بسبب عدم التطابق (مثل التداخل البيئي أو التلف)، فلا يمكن السماح لتلك الإشارة المنعكسة بالانتقال للخلف وتعطيل عناصر الهوائي المجاورة. هذا المطلب المتمثل في العزل العالي من منفذ إلى آخر هو بالضبط سبب اختيار المهندسين لتصميم ويلكنسون على المقسمات البسيطة على شكل حرف T.
لماذا مقسم طاقة ويلكنسون؟
مقسم طاقة ويلكنسون هو دائرة ميكروويف سلبية تُستخدم لتقسيم إشارة إدخال واحدة إلى إشارتي إخراج متطابقتين أو أكثر. في نظام RF تجاري قياسي بقوة 50 أوم، يستخدم خطي نقل بطول ربع موجة (غالباً بمقاومة 70.7 أوم) و مقاوم عزل حاسم بقوة 100 أوم يربط بين منفذي الإخراج.
توفر هذه البنية الفريدة ثلاث فوائد هائلة لتطبيقات 5G:
1. توازن ممتاز في الطور والسعة
نظراً لأن مقسم ويلكنسون متماثل تماماً، فإن إشارة RF التي تدخل منفذ الإدخال يتم تقسيمها إلى نصفين متطابقين. تخرج من منافذ الإخراج في نفس الوقت بالضبط (الطور) وبنفس مستوى الطاقة بالضبط (السعة). هذا التناظر هو أساس التشكيل الدقيق للحزم في 5G.
2. عزل عالي بين المخرجات (سحر المقاوم)
عبقرية تصميم ويلكنسون تكمن في مقاوم العزل. في ظل التشغيل العادي، نظراً لأن الجهد الكهربائي عند كلا منفذي الإخراج هو نفسه تماماً، لا يتدفق أي تيار عبر المقاوم. إنه “يختفي” بشكل أساسي ولا يبدد أي طاقة.
ومع ذلك، إذا عكس أحد عناصر الهوائي في مصفوفة 5G إشارة للخلف، فإن تلك الإشارة الشاردة ستصل إلى منفذ الإخراج. بدلاً من التدفق إلى منفذ الإخراج الآخر والتسبب في تداخل، تخلق الطاقة المنعكسة فرقاً في الجهد ويتم امتصاصها بأمان (تتبدد كحرارة) بواسطة المقاوم 100 أوم. هذا يحمي بقية المصفوفة.
3. مقاومة متطابقة في جميع المنافذ
على عكس المقسمات الأبسط، يضمن مقسم ويلكنسون أن تظل المنافذ الثلاثة (مدخل واحد، ومخرجان) متطابقة تماماً مع مقاومة النظام (عادةً 50 أوم). يؤدي هذا إلى تقليل خسارة العودة (Return Loss) ويضمن أقصى نقل للطاقة من مكبر الصوت إلى الهوائيات.
التوسع: شبكة التغذية المشتركة (Corporate Feed Network)
في المحطات الأساسية 5G في العالم الحقيقي، لا يتم تقسيم الإشارة إلى قسمين فقط. يقوم المهندسون بتوصيل مقسمات طاقة ويلكنسون المتعددة في هيكل “شجري”، يُعرف باسم شبكة التغذية المشتركة.
تنقسم إشارة واحدة إلى إشارتين، وتنقسم هاتان الإشارتان إلى أربع، ثم ثماني، وست عشرة، وهكذا. نظراً لأن تصميم ويلكنسون يوفر عزلاً عالياً جداً وفقدان إدخال منخفض، فإن هذا التسلسل يمكن أن يغذي مصفوفة طورية ضخمة مكونة من 64 أو 128 عنصراً بدقة لا تصدق.
الخلاصة
في حين أن المكونات النشطة مثل مكبرات GaN تحظى بمعظم الاهتمام في أجهزة 5G، فإن مقسم طاقة ويلكنسون السلبي هو البطل المجهول. من خلال توفير انقسامات متساوية للطاقة، وتوازن مثالي في الطور، وعزل حاسم، فإنه يضمن أن المصفوفات الطورية التجارية يمكنها تركيز طاقة التردد الراديوي بالضبط في المكان الذي يجب أن تذهب إليه.
الأسئلة المكررة (FAQ)
س 1: هل يمكن استخدام مقسم طاقة ويلكنسون كمُجمِّع (Combiner)؟ نعم. نظراً لأنه جهاز سلبي ومتبادل، يمكن أن يعمل في الاتجاه المعاكس. يمكنك إدخال إشارتين متطابقتين في الطور ومتساويتين في السعة في منافذ الإخراج، وسوف تتحدان بكفاءة في منفذ الإدخال. يُستخدم هذا بشكل متكرر في دوائر استقبال 5G.
س 2: ماذا يحدث إذا تعطل مقاوم العزل؟ إذا تعرض المقاوم للتلف أو تمت إزالته، فسيستمر مقسم الطاقة في تقسيم الإشارة، ولكنه سيفقد كل العزل بين منافذ الإخراج. سوف تتداخل أي انعكاسات من الهوائي بحرية مع القنوات المجاورة، مما يؤدي إلى تدهور أداء الهوائي بشدة.
س 3: هل تُستخدم مقسمات ويلكنسون فقط للانقسامات ثنائية الاتجاه؟ في حين أن الانقسام ثنائي الاتجاه هو لبنة البناء الأكثر شيوعاً وأساسية، يمكن تكييف مفهوم ويلكنسون للانقسامات متعددة الاتجاهات (مثل مقسمات 3 اتجاهات أو 4 اتجاهات) باستخدام تصميمات شعاعية أكثر تعقيداً ومقاومات عزل متعددة.