هوائي ذكي

الهوائيات الذكية (المعروفة أيضًا باسم هوائيات المصفوفة التكيفية، ومصفوفات الهوائيات الرقمية ، والهوائيات المتعددة، ومؤخرًا MIMO ) هي مصفوفات هوائيات مزودة بخوارزميات معالجة إشارات ذكية تُستخدم لتحديد خصائص الإشارة المكانية، مثل اتجاه وصول الإشارة، واستخدامها لحساب متجهات تشكيل الحزمة التي تُستخدم لتتبع وتحديد موقع حزمة الهوائي على الجهاز المتحرك/الهدف. يجب عدم الخلط بين الهوائيات الذكية والهوائيات القابلة لإعادة التشكيل ، والتي تتمتع بقدرات مماثلة ولكنها هوائيات أحادية العنصر وليست مصفوفات هوائيات.

تُستخدم تقنيات الهوائيات الذكية بشكل ملحوظ في معالجة الإشارات الصوتية، ورادار التتبع والمسح ، وعلم الفلك الراديوي والتلسكوبات الراديوية ، وفي الغالب في أنظمة الاتصالات الخلوية مثل W-CDMA و UMTS و LTE و5G-NR. ^{[ 1 ]}

تتمتع الهوائيات الذكية بالعديد من الوظائف: تقدير اتجاه الوصول، وتشكيل الحزمة ، وإلغاء التداخل، والحفاظ على معامل ثابت.

يقوم نظام الهوائي الذكي بتقدير اتجاه وصول الإشارة باستخدام تقنيات مثل تصنيف الإشارات المتعددة ( MUSIC )، وتقدير معلمات الإشارة عبر تقنيات الثبات الدوراني (ESPRIT)، وطريقة المصفوفة القلمية ، أو إحدى مشتقاتها. وتشمل هذه التقنيات إيجاد الطيف المكاني لمصفوفة الهوائي/ المستشعر ، وحساب اتجاه الوصول من قمم هذا الطيف. وتتطلب هذه الحسابات موارد حاسوبية كبيرة.

يُعد برنامج Matrix Pencil فعالاً للغاية في حالة الأنظمة التي تعمل في الوقت الحقيقي، وفي ظل المصادر المترابطة.

تشكيل الحزمة هو أسلوب يُستخدم لإنشاء نمط إشعاع مصفوفة الهوائيات عن طريق الجمع البنّاء لأطوار الإشارات في اتجاه الأهداف/الأجهزة المتحركة المطلوبة، وإلغاء نمط الأهداف/الأجهزة المتحركة غير المرغوب فيها/المتداخلة. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مرشح خط تأخير بسيط ذي استجابة نبضية محدودة (FIR) . كما يمكن تغيير أوزان مرشح FIR بشكل تكيفي، واستخدامها لتوفير تشكيل حزمة مثالي، بمعنى أنه يقلل من متوسط ​​مربع الخطأ الأدنى بين نمط الحزمة المطلوب والنمط الفعلي. من الخوارزميات الشائعة خوارزمية الانحدار الأسرع وخوارزمية أقل متوسط ​​مربع . في مصفوفات الهوائيات الرقمية متعددة القنوات، يُستخدم تشكيل الحزمة الرقمي، عادةً باستخدام تحويل فورييه المنفصل (DFT) أو تحويل فورييه السريع (FFT) .

من بين الأنواع الرئيسية للهوائيات الذكية، نجد هوائيات الحزمة المُبدَّلة وهوائيات المصفوفة التكيفية. تتميز أنظمة الحزمة المُبدَّلة بتوفر عدة أنماط شعاع ثابتة. ويتم تحديد الشعاع المطلوب استخدامه في أي لحظة بناءً على متطلبات النظام. أما المصفوفات التكيفية، فتسمح للهوائي بتوجيه الشعاع إلى أي اتجاه مطلوب مع إلغاء الإشارات المتداخلة في الوقت نفسه. ^{[ 2 ]} ويمكن تقدير اتجاه الشعاع باستخدام ما يُعرف بطرق تقدير اتجاه الوصول (DOA). ^{[ 3 ]}

في عام ٢٠٠٨، بدأت الإدارة الوطنية للاتصالات والمعلومات في الولايات المتحدة الأمريكية جهودًا مكثفة لمساعدة المستهلكين في شراء أجهزة استقبال البث التلفزيوني الرقمي . ^{[ ٤ ]} ومن خلال هذه الجهود، تعرف الكثيرون على مفهوم الهوائيات الذكية لأول مرة. وفي سياق الإلكترونيات الاستهلاكية، يُعرَّف "الهوائي الذكي" بأنه الهوائي الذي يتوافق مع معيار واجهة EIA/ CEA-909 .

في عام 2017، كشفت صناعات الفضاء الإسرائيلية عن هوائي مصفوفة تكيفية يسمى ADA ، وذكرت أنه يعمل بالفعل وسيتم تركيبه على "المنصات الرئيسية" التي تستخدمها قوات الدفاع الإسرائيلية .

قبل الانتقال النهائي إلى البث التلفزيوني الرقمي ATSC في الولايات المتحدة في 11 يونيو 2009، تم طرح نموذجين من الهوائيات الذكية في السوق:

• RCA ANT2000 – لم يعد متوفرًا لدى تجار التجزئة
• DTA-5000 – من إنتاج شركة فوناي إلكتريك ، ويتم تسويقه تحت العلامة التجارية "DX Antenna"، ويرتبط أحيانًا بالعلامة التجارية سيلفانيا ؛ لم يعد متوفرًا لدى تجار التجزئة

وهناك نموذجان يسببان ارتباكاً لدى المستهلكين:

• على الرغم من أن جهاز Apex SM550 قادر على الاتصال بمنفذ CEA-909 لغرض الحصول على الطاقة الكهربائية، إلا أنه ليس هوائيًا ذكيًا حقيقيًا. ^{[ 5 ]}
• تُعد سلسلة هوائيات Channel Master 3000A وCM3000HD SMARTenna هوائيات تقليدية متعددة الاتجاهات ومضخمة، وليست هوائيات ذكية قابلة للتوجيه . ^{[ 6 ]}
• ADA - هوائي تكيفي من إنتاج مصنع MLM التابع لصناعات الفضاء الإسرائيلية ^{[ 7 ]}

• الهوائي (الراديو) - جهاز يرسل ويستقبل الموجات الراديوية 
• معالجة المصفوفات – مجال بحثي في ​​معالجة الإشارات 
• تاريخ الهوائيات الذكية
• المصفوفة الطورية – مصفوفة من الهوائيات تُنشئ شعاعًا قابلًا للتوجيه 
• CEA-909 – معيار ANSI للهوائيات الذكية 8VSB/ATSC 
• واي ماكس - معيار النطاق العريض اللاسلكي 
• دمج التنوع
• هوائي نشط – هوائيات كهربائية 
• هوائي قابل لإعادة التشكيل - هوائي قادر على تعديل تردده وخصائص إشعاعه ديناميكيًا 
• مصفوفة هوائيات رقمية – هوائي ذكي مزود بتقنية تشكيل الحزمة الرقمية متعددة القنوات 

• صن، تشين؛ تشنغ، جون؛ أوهيرا، تاكاشي (2008). دليل التطورات في تقنيات الهوائيات الذكية للشبكات اللاسلكية . مصدر مرجعي رئيسي (  الطبعة الأولى). آي جي آي غلوبال . رقم ISBN 978-1599049885.(584 صفحة)

• مجموعة أبحاث الهوائيات الذكية، مؤرشفة بتاريخ 20 أكتوبر 2013 في أرشيف الإنترنت بجامعة ستانفورد
• مجموعة أبحاث الأجهزة المحمولة واللاسلكية في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا