تُحدث تقنية space-time-coding metasurfaces ثورة حقيقية في مجال الاتصالات اللاسلكية من خلال تمكين الإرسال المتعدد عالي الأبعاد عبر فتحة واحدة مدمجة. وفي دراسة رائدة نُشرت في تاريخ 09 مارس 2026 في مجلة Light: Science & Applications، تم تقديم تقنية سطح خارق غير متزامن ثنائي الاستقطاب (DASM) مصمم لمعالجة الزخم الزاوي المداري (OAM). يعالج هذا التطور بشكل مباشر تحديات التكامل وقابلية التوسع التي طالما أعاقت الأنظمة التقليدية القائمة على تقنية OAM، والتي تعتمد عادةً على مكونات بصرية معقدة وسلاسل ترددات راديوية زائدة عن الحاجة.
يُعد هذا البحث وثيق الصلة بمهندسي الاتصالات، وعلماء فيزياء الكم، ومهندسي الشبكات اللاسلكية. من خلال الجمع التآزري بين تقنية OAM، والاستقطاب، والإرسال المتعدد بتقسيم التردد، يوفر إطار عمل DASM مساراً عملياً لزيادة سعة الاتصالات اللاسلكية بشكل كبير. بالنسبة للمتخصصين في هذا القطاع، يعني هذا القدرة على تصميم شبكات فائقة السرعة تدعم تدفقات بيانات مستقلة متعددة مع الحد الأدنى من التداخل، مما يلغي تماماً الحاجة إلى مُعدِّلات خارجية ضخمة ومعقدة.
بنية DASM ومعالجة الزخم الزاوي المداري
يعتمد جوهر إطار عمل الاتصالات عالي الأبعاد المقترح على مصفوفة مصممة بدقة بنسبة 12 × 12 من الذرات الخارقة العاكسة. ووفقاً لفريق البحث، بقيادة الباحث Chenfeng Yang وزملائه، يتم تثبيت صمامين ثنائيين من نوع positive-intrinsic-negative (PIN) في فتحات النمط المعدني العلوي لكل ذرة خارقة. يتيح هذا التكوين الخاص للأجهزة التحكم المستقل في الموجات الكهرومغناطيسية (EM) على طول كل من الاستقطابين السيني والصادي. وبالنسبة لكل استقطاب، يمكن تبديل حالة طور الانعكاس ديناميكياً بين "0" و "π" مع الحفاظ على سعة ثابتة، مدفوعة بإثارات الجهد الخارجي.
لتحقيق معالجة مستقلة للشعاع عبر ترددات متعددة، قام الباحثون بتقسيم فتحة السطح الخارق إلى منطقتين متميزتين. تعمل كل منطقة كمُعدِّل مستقل للموجات الكهرومغناطيسية، مما يولد مجموعات منفصلة من التوافقيات الترددية. تتغلب آلية التحكم غير المتزامنة هذه بنجاح على التحدي المتأصل المتمثل في التشابك الترددي في الأسطح الخارقة القياسية، مما يسمح بالإرسال المتزامن للحزم الدوامية بترددات حاملة مختلفة. يستخدم النظام تسلسلات التشفير الزمكاني المنفذة عبر شريحة FPGA لتوليد حزم OAM متعددة الأنماط في الوقت الفعلي.
تم إثبات الجدوى العملية لهذه التقنية من خلال اختبارات صارمة. أكدت النتائج التجريبية أن تقنية DASM تتيح معالجة معقدة لواجهة الموجة لتوليد حزم دوامية ديناميكياً مع العديد من أنماط OAM في حالات استقطاب خطي (LP) مختلفة. وعلاوة على ذلك، أثبت الفريق بنجاح أن تقنية DASM تدعم قنوات متعددة من اتصالات Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)، مما يثبت قدرتها على تشفير معلومات الطور والسعة مباشرة على الحزم.
رأيي التقني
يمثل إدخال تقنية DASM نقطة انعطاف حاسمة للإرسال المتعدد عالي الأبعاد. من خلال دمج مصفوفة بنسبة 12 × 12 بنجاح مع صمامات PIN الثنائية المزدوجة لإدارة حالات الطور "0" و "π" عبر الترددات المقسمة، ينقل هذا البحث تقنية OAM من الفيزياء النظرية إلى الهندسة العملية. إن القدرة على دعم قنوات اتصالات QPSK المتعددة بدون مُعدِّلات خارجية هي الإشارة الأكثر أهمية هنا؛ فهي تثبت أن شبكات الجيل السادس وما بعدها يمكنها تحقيق معدلات بيانات هائلة باستخدام أجهزة أصغر بكثير وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. ومع تزايد الطلب على الكفاءة الطيفية، من المرجح أن تصبح الأسطح الخارقة القابلة للبرمجة هي الأجهزة الأساسية للبنية التحتية للاتصالات في الجيل القادم.
الأسئلة الشائعة
ما هو الزخم الزاوي المداري (OAM) في هذا السياق؟
تقنية OAM هي خاصية أساسية للموجات الكهرومغناطيسية تتميز بواجهة طور حلزونية. تكون أنماط OAM المختلفة متعامدة بشكل متبادل، مما يسمح لها بحمل تدفقات بيانات مستقلة دون التداخل مع بعضها البعض.
كيف تتعامل تقنية DASM مع ترددات مختلفة في وقت واحد؟
يتم تقسيم السطح الخارق مادياً إلى منطقتين متميزتين. تعمل كل منطقة كمُعدِّل مستقل يتم التحكم فيه بواسطة تسلسلات غير متزامنة، مما يسمح بتوليد توافقيات ترددية منفصلة دون تشابك.
ما هي حالات الطور التي تستخدمها صمامات PIN الثنائية؟
تقوم صمامات PIN الثنائية بتبديل حالة طور الانعكاس بين "0" و "π" لكل من الاستقطابين السيني والصادي، مما يتيح التحكم الدقيق في الموجات الكهرومغناطيسية.