مرشحات التردد اللاسلكي تدعم تشغيل كل من شبكة ستارلينك وشبكة الجيل الخامس في آنٍ واحد

يُبنى العالم اللاسلكي الحديث في اتجاهين في وقتٍ واحد. فعلى سطح الأرض، تزداد سعة شبكات الجيل الخامس عبر عرض نطاق قنوات أوسع، ونشر محطات قواعد أكثر كثافة، واستخدام تقنية ميمو الضخمة، والاعتماد على أطياف تردديّة ذات تردد أعلى. وفي الفضاء فوق الأرض، توسّع كتل الأقمار الصناعية المدارية المنخفضة (LEO)، مثل ستارلينك، نطاق الاتصال العريض النطاق ليشمل المسافات الطويلة والمواقع التي يصعب الوصول إليها.

تختلف التصاميم المعمارية، لكن كلا النظامين يعتمدان على نفس المبدأ الأساسي في هندسة الترددات الراديوية: إرسال الإشارة المرغوبة بكفاءةٍ مع رفض كل ما قد يؤدي إلى تدهورها.

ولهذا السبب تظل مرشحات الترددات الراديوية أساسيةً في كلٍّ من أنظمة الاتصالات الفضائية واللاسلكية الأرضية. فهي لا تُنشئ عرض نطاقٍ تردديًّا، بل تحدد مدى كفاءة جهاز الإرسال والاستقبال في استغلال عرض النطاق المتاح له. ويحد المرشح المصمم بشكلٍ سليم من الطاقة الخارجة عن النطاق المطلوب، ويقمع التوافقيات والاستجابات غير المرغوب فيها، ويحمي مراحل الاستقبال الحساسة من الإشارات القوية القريبة، ويساعد في تمكين مسارات الإرسال والاستقبال المختلفة من التعايش داخل واجهة الترددات الراديوية الأمامية التي تزداد ضيقًا باستمرار.

لماذا يحتاج كلٌّ من ستارلينك وشبكات الجيل الخامس إلى انتقائية ترددية أفضل

ستارلينك مثالٌ مفيدٌ على كيفية انتقال الإنترنت عبر الأقمار الصناعية نحو سعة أكبر واستخدام أكثر تعقيدًا للطيف الترددي. وفي يناير ٢٠٢٦، أذنت لجنة الاتصالات الفيدرالية الأمريكية لشركة سبيس إكس بتشغيل أقمار صناعية إضافية من الجيل الثاني من ستارلينك، وذكرت أن النظام يمكنه العمل عبر نطاقات التردد كيو-وَ كا-وَ في-وَ إي-وَ دبليو-.

وهذا لا يعني أن تقنية مرشح واحدة تغطي كل نطاقات تردد ستارلينك. بل يُظهر مدى اتساع تحديات إدارة الترددات في شبكات الأقمار الصناعية من الجيل القادم. وللتوضيح، فإن المناقشة هنا تتعلّق بقابلية تطبيق هندسة الترددات الراديوية، ولا تدّعي أن شركة آر إس ويف تزود سبيس إكس أو ستارلينك مباشرةً بمكونات.

قد يحتوي اتصال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية على مراحل ترشيح متعددة. وقد توضع المرشحات أمام مكبرات التضخيم منخفضة الضوضاء لتقليل طاقة الموجات الراديوية غير المرغوب فيها، أو بعد مراحل مكبرات القدرة للتحكم في التوافقيات والإشعاعات خارج النطاق، أو داخل سلاسل تحويل التردد لعزل نطاقات التردد المتوسطة أو الميكروويف المرغوبة.

في معدات البوابة ومعدات الأجهزة الراديوية الطرفية للمستخدمين الأقمار الصناعية، يكون انخفاض فقد الإدخال أمرًا بالغ الأهمية لأن كل جزء صغير من الديسيبل يستهلك جزءًا ثمينًا من ميزانية الاتصال. كما أن الرفض القوي للإشارات خارج النطاق مهمٌ بنفس القدر، لأن الإشارات القوية غير المرغوب فيها قد تُضعف حساسية المستقبل حتى لو كانت تلك الإشارات خارج القناة المستهدفة.

يواجه الجيل الخامس من شبكات الاتصالات مشكلةً مرتبطةً في بيئة تشغيلٍ مختلفةٍ تمامًا. وتشمل مواصفات مجموعة مشروع شراكة الجيل الثالث (3GPP) تشغيل النظام الجديد (NR) حتى تردد 7.125 غيغاهيرتز، فضلاً عن نطاقات التردد FR2 مثل النطاق n258 الذي يتراوح بين 24.25 و27.5 غيغاهيرتز والنطاق n257 الذي يتراوح بين 26.5 و29.5 غيغاهيرتز. ولذلك، يجب أن تعمل محطات القاعدة وأجهزة التكرار والوحدات الإذاعية والمعدات اللاسلكية الموزَّعة في طيفٍ متزايد التزاحم، مع الحفاظ على متطلبات الانبعاثات وأداء المستقبلات ومتطلبات التعايش.

والنتيجة هي طلبٌ مستمرٌ على مكونات الترددات الراديوية التي تجمع بين انخفاض الفقد، وقدرة ملائمة على التعامل مع القدرة الكهربائية، ورفض حاد للترددات غير المرغوب فيها، واستقرار في استجابة التردد، وأبعادٍ مدمجة.

تقنيات مرشحات مختلفة لأجزاء مختلفة من سلسلة الترددات الراديوية

لا توجد بنية واحدة لمرشحات تُعتبر مثلى لكل تردد وعرض نطاق ومستوى قدرة وكفاءة رفض وحدّ أقصى ميكانيكي. أما الميزة العملية لامتلاك مجموعة واسعة من مكونات الترددات الراديوية فهي القدرة على اختيار البنية الأنسب لنظام التشغيل الفعلي.

تَعْمَلُ شَرِكَةُ جِيَاشِينغ رُويْشَانغ لِلتِّكْنُولُوجِيَا الالِكْتْرُونِيَّة المَحْدُودَة (آر إس ويف) في بَحْثِ وَتَطْوِيرِ وَإِنْتَاجِ وَبَيْعِ مُكَوِّنَاتِ السِّيرَامِيكِ المِيكْرُوْمُوْجِيَّة مُنْذُ عَامِ ٢٠١٥. وَيَشْمَلُ مَجْمُوعَةُ مُنْتَجَاتِهَا مِنْ أَجْزَاءِ السِّيرَامِيكِ المِيكْرُوْمُوْجِيَّةِ: المُرَشِّحَاتِ الدِّيالِكْتْرِيكِيَّةِ المِيكْرُوْمُوْجِيَّةِ، وَالمُضَاعِفَاتِ السِّيرَامِيكِيَّةَ، وَالمُرَشِّحَاتِ الـ RF LC، وَالمُرَشِّحَاتِ التَّجَوِيفِيَّةَ، وَأَجْنِحَةِ السِّيرَامِيكِ، وَأَجْنِحَةِ أنظُمَةِ التَّمَوْقُعِ العَالَمِيَّةِ (GNSS). وَتَذْكُرُ الشَّرِكَةُ أَنَّ مَجْمُوعَةَ مُنْتَجَاتِهَا الأَوْسَعَ تَغْطِي التَّرَدُّدَاتِ مِنْ التَّرَدُّدِ الصِّفْرِيِّ (DC) حَتَّى ٣٠ غِيغَاهِرْتْز، وَيُمْكِنُ تَعْدِيلُهَا وَتَخْصِيصُهَا لِمُتَطلَّبَاتٍ تَطْبِيقِيَّةٍ مُعَيَّنَةٍ.

تَكُونُ المُرَشِّحَاتُ السِّيرَامِيكِيَّةُ الدِّيالِكْتْرِيكِيَّةُ المِيكْرُوْمُوْجِيَّةُ خَاصَّةً مُلَائِمَةً لِوَاجِهَاتِ ٥ جِي وَاللاَّسِلْكِيَّةِ المُكَثَّفَةِ. وَيُحَدِّدُ مَصْنِعُ آر إس ويف نِطَاقَ تَرَدُّدٍ لِهَذِهِ الفَئَةِ مِنَ المُنْتَجَاتِ يَتَمَدَّدُ مِنْ ٤٠٠ مِيجَاهِرْتْز إِلَى ٧ غِيغَاهِرْتْز. فَتُمَكِّنُ مَوَادُ السِّيرَامِيكِ عَالِيَةِ الثَّابِتِ الدِّيالِكْتْرِيكِيِّ مِنْ صُنْعِ رَنَّانَاتٍ أَصْغَرَ حَجْمًا فِيَزِيَائِيًّا، وَيُمْكِنُ لِلمَوَادِ قَلِيلَةِ الفَقْدٍ وَالمُسْتَقِرَّةِ ثَرْمِيًّا أَنْ تُسَاعِدَ فِي الحَفَاظِ عَلَى خَصَائِصِ الإِشَارَاتِ الرَّادِيُوِيَّةِ بِطَرِيقَةٍ مُتَوَقَّعَةٍ. وَيَذْكُرُ مَصْنِعُ آر إس ويف بَيْنَ تَطْبِيقَاتِ هَذِهِ المُرَشِّحَاتِ: أَبْرَاجَ قَوَاعِدِ ٥ جِي وَ٥ جِي-أَ، وَالتَّوَاصُلِ السَّاتِلِيِّ، وَالرَّادَارِ، وَوَحَدَاتِ الإِرْسَالِ وَالاسْتِقْبَالِ (T/R)، وَمُعَدَّاتِ وَاي فَاي، وَالمُكَرِّرَاتِ.

هذه التركيبة جذّابة لمعدات الترددات الراديوية التي تقتصر فيها مساحة لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، لكن لا يمكن التنازل عن الانتقائية الترددية.

وتقدّم شركة RSWave أيضًا مرشحات ثنائية الاتجاه سيراميكية ميكروويفية تغطي نطاق التردد من ٤٠٠ ميغاهرتز إلى ٦ غيغاهرتز. ويجمع المرشح الثنائي الاتجاه بين مسارات الإرسال والاستقبال الانتقائية ترددياً، بحيث يمكن لمسارات إشارات مختلفة أن تشترك في هوائي واحد مع الحفاظ على العزل الضروري. أما بالنسبة لمعدات الشبكات الخاضعة لقيود صارمة في الحجم، فإن دمج وظائف الترشيح وتوجيه الإشارات يبسّط البنية العامة لواجهة الترددات الراديوية الأمامية.

من نطاق ٥ جي الأولي (FR1) إلى روابط الأقمار الصناعية الميكروويفية

وبالنسبة لتغطية ترددية أوسع أو مستويات طاقة أعلى أو متطلبات أكثر صرامة في نطاق التوقف، فإن المرشحات المكوَّنة من عناصر L وC والمرشحات المجوفة توفر مساراً هندسياً بديلاً.

عائلة منتجات مرشحات الترددات الراديوية LC ومرشحات التجويف من شركة RSWave مُحدَّدة للاستخدام في نطاق الترددات من التيار المستمر حتى ٣٠ جيجاهرتز، ويمكن هندستها لتكون بتكوينات تمرير منخفض أو تمرير عالٍ أو تمرير نطاق أو إيقاف نطاق. ومن الأمثلة المنشورة على صفحة منتجات الشركة ترد ترددات مركزية تبلغ حوالي ٢,٦ جيجاهرتز و٣,٥ جيجاهرتز و٣,٨ جيجاهرتز و٤,٥ جيجاهرتز، بينما يمكن تخصيص ترددات أخرى وفقًا لمتطلبات النظام.

وتكتسب هذه النطاقات الترددية أهمية خاصةً في بنى الاتصالات اللاسلكية الحديثة. وفي الوقت نفسه، فإن توسيع المجموعة المنتجية لتشمل الترددات الميكروويفية يفتح فرصًا في تطبيقات مختارة مثل أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية وروابط الميكروويف والرادارات والتطبيقات الراديوية عالية التردد.

تُعَدُّ مرشحات التجويف مفيدةً جدًّا في الحالات التي تتميَّز فيها متطلبات الفقد المنخفض عند الإدخال، والجودة العالية (Q)، والرفض القوي للإشارات خارج النطاق، وقدرة التحمُّل على القدرة الراديوية فوق أولوية الحجم المادي الأدنى. ويمكن لتجاويف الرنين المصمَّمة بدقة أن توفِّر الانتقائية المطلوبة في محطات القاعدة، والمعدات الأرضية للأقمار الصناعية، وروابط الاتصالات الميكروويفية، وغيرها من الأنظمة الراديوية الحساسة الأداء. وتُحدِّد شركة RSWave على وجه التحديد محطات قاعدة الاتصالات المتنقِّلة والأقمار الصناعية للاتصالات باعتبارها من التطبيقات الرئيسية لتكنولوجيا مرشحات التجويف لديها.

حيث تتداخل متطلبات أنظمة الأقمار الصناعية المدارية المنخفضة (LEO) وأنظمة الجيل الخامس (5G)

ورغم أن بوابة شبكة ستارلينك (Starlink) ووحدة الإرسال والاستقبال الراديوية الخاصة بالجيل الخامس (5G) لا تستخدمان سلاسل إشارات راديوية متطابقة، فإن المهندسين العاملين على كلا النوعين من الأنظمة يواجهون عدة أولويات تصميمية مشتركة.

الأول هو التحكم في التداخل. يجب أن يتلقى المستقبل القناة المقصودة دون أن يُحمَّل بشكل زائد بواسطة مرسلات قريبة أو ترددات ترددية أو إشارات غير مرغوب فيها تتولد داخليًّا. ويقلل الرفض الكافي عبر المرشحات من العبء الواقع على المزجات والمضخِّمات والمحوِّلات التناظرية إلى الرقمية الواقعة لاحقًا في السلسلة.

الثاني هو الخسارة عند الإدخال. ففي المستقبل، قد تؤدي الخسارة المفرطة قبل مضخم الضوضاء المنخفضة إلى تدهور أداء النظام من حيث الضوضاء. أما في المرسل، فإن الخسارة غير الضرورية تحوِّل طاقة التردد اللاسلكي القيِّمة إلى حرارة. وفي كلٍّ من بنى الأقمار الصناعية وبنى الاتصالات الخلوية من الجيل الخامس (5G)، يساعد الحد من الخسائر القابلة للتفادي في الحفاظ على هامش الاتصال وكفاءة النظام.

الأولوية الثالثة هي الاستقرار الحراري والبيئي. يمكن أن تتعرض معدات الراديو الخارجية لتغيرات كبيرة في درجة الحرارة، بينما قد تعمل محطات الأقمار الصناعية الأرضية باستمرار في بيئات مكشوفة. ويمكن أن يؤدي الانجراف المفرط في التردد إلى تحويل استجابة المرشح بعيدًا عن القناة التشغيلية المقصودة. ولذلك تصبح تقنيات السيراميك العازل للميكروويف جذّابةً عندما يحتاج المهندسون إلى الموازنة بين الأبعاد المدمجة والأداء الكهربائي المستقر.

الأولوية الرابعة هي التكامل. وتستمر معدات الشبكات في التقلص في الحجم وازدياد الكثافة الوظيفية. ويمكن للمرشحات والمضاعفات السيراميكية دعم التجميعات المدمجة، بينما تظل تصاميم التجويف مهمةً عندما يكون الأداء الكهربائي أكثر أهميةً من حجم العبوة.

وبالتالي فإن التصميم الناجح للترددات الراديوية ليس مسألة إيجاد «أفضل مرشح نظري». بل هو مسألة مواءمة البنية التحتية، والمادة، والعبوة، والواجهة، وعرض النطاق، والرفض، والخسارة، والتسامح مع سلسلة الإشارات الراديوية الكاملة.

كيف يندمج نظام RSWave في تطوير واجهة الإرسال والاستقبال الراديوية

بالنسبة لمهندسي الترددات الراديوية ومشتري المكونات، فإن المواصفات المدرجة في الكتالوج ليست سوى نقطة البداية فقط.

غالبًا ما تتطلب المشاريع الفعلية ترددًا مركزيًّا معينًا، أو عرض نطاق معين، أو هدفًا محدَّدًا لفقدان الإدخال، أو ملف رفض معين، أو نسبة الموجة الراكدة الجهدية (VSWR)، أو تكوين موصل معين، أو مخطط تخطيطي (footprint) معيَّن، أو مستوى طاقة محدَّد، أو شرط بيئي معيَّن. وتؤكد شركة RSWave أن مرشحاتها LC ومرشحاتها التجويفية ومرشحاتها السيراميكية الميكروويفية ومرشحاتها المزدوجة (duplexers) قابلة للتخصيص، بدعمٍ من قدرات المحاكاة وتصميم المنتجات.

وهذا مهمٌّ لأن أكثر المرشحات الراديوية فائدة ليس بالضرورة تلك التي تمتلك أعلى قيمة إعلانية لمستوى الرفض.

يجب أن يراعي التصميم الناجح النظام كاملاً: عرض نطاق الإشارة المطلوب، والمشوشات المجاورة، وطاقة خرج المرسل، وحساسية المستقبل، ومطابقة المعاوقة، والقيود المفروضة على لوحة الدوائر المطبوعة أو القيود الميكانيكية، ودرجة حرارة التشغيل، وإمكانية تكرار عملية التصنيع. ولذلك فإن التواصل التقني المبكر بين مُصمِّم نظام الموجات الراديوية والمصنِّع المتخصص في المرشحات يمكن أن يقلل من خطر الحاجة إلى إعادة التصميم في مراحل لاحقة من المشروع.

بالنسبة لمعدات الجيل الخامس العاملة عند ترددات أقل من ٧ جيجاهرتز، يغطي نطاق مرشحات رسويف المصنوعة من السيراميك عالي الأداء في مجال الميكروويف العديد من المناطق الترددية المهمة المستخدمة في شبكات الهواتف الخلوية والشبكات الخاصة. كما يمتد نطاق مرشحاتها الأخرى من النوع LC والمرشحات التجويفية حتى ٣٠ جيجاهرتز، ليشمل الجزء السفلي من نطاق الجيل الخامس FR2 وكذلك الطيف الميكروويفي المرتبط بالاتصالات عبر الأقمار الصناعية وأنظمة الترددات العالية الأخرى.

ويجعل هذا التغطية الواسعة للطيف هذا النطاق من المرشحات ذا صلةٍ للمهندسين الذين يعملون على تطوير البنية التحتية اللاسلكية الأرضية، وروابط الاتصالات الميكروويفية، وبعض أنظمة الاتصالات الراديوية بين الأقمار الصناعية والأرض.

التَّرشيح هو عامل تمكينٍ هادئٌ للبنية التحتية المتصلة

يختبر المستخدمون خدمة ستارلينك وشبكات الجيل الخامس من حيث السرعة والتغطية وزمن الانتقال. أما مهندسو الترددات اللاسلكية فيرون صورةً أكثر تعقيدًا: فكل اتصال لاسلكي مفيدٍ ناتجٌ عن تعاون الهوائيات والمُضخِّمات والمذبذبات والمُخاليط والمحوِّلات والمُضاعِفات والمكونات السلبية داخل بيئة طيفية مضبوطة بدقة.

وتُعَد مرشحات الترددات اللاسلكية من أقل المكونات ظهورًا في هذه السلسلة، لكن دورها أساسيٌّ.

وبينما تضيف شبكات الجيل الخامس سعةً إضافيةً، وتتوسَّع أنظمة الأقمار الصناعية المنخفضة المدار في استخدامها للطيف، يزداد الطلب على تحديد الترددات بدقة، وانخفاض فقد الإدخال، وارتفاع العزل، وقمع التداخل، والأداء المستقر — لا أن ينخفض هذا الطلب.

توفر شركة RSWave مرشحات خزفية ذات عوازل ميكروويفية، ومرشحات خزفية ثنائية الاتجاه، ومرشحات LC، ومرشحات تجويفية، تغطي تطبيقات تمتد من الترددات دون الغيغاهيرتز إلى نطاق الميكروويف. وتوفّر هذه الحلول مسارات تقنية متعددة لمصمِّمي واجهات الإرسال والاستقبال الراديوية (RF). والمبدأ الأساسي هو الهندسة الخاصة بالتطبيق: أي اختيار بنية المرشح المناسبة، ثم تحسينها وفق النطاق التشغيلي الفعلي، وبيئة التداخل، ومتطلبات القدرة، وحجم العبوة، والواجهة النظامية.

من وحدات الإرسال اللاسلكي الأرضية لشبكة الجيل الخامس (5G) إلى وصلات المحطات الأرضية للأقمار الصناعية في المدار المنخفض حول الأرض (LEO)، تبدأ الاتصالات الموثوقة قبل وصول الإشارة إلى الهوائي بوقتٍ طويل.

وتنطلق هذه العملية بالتحكم في الطيف الكهرومغناطيسي — وهذه بالضبط هي النقطة التي تُحقِّق فيها تقنيات الترشيح الراديوية المصمَّمة بدقة قيمتها المضافة.