الاتصالات الاسلكية الراديو 5

الجزء الثالث :
ندرس الآن خصائص وسط الانتشار الفيزيائية و تأثيرها على توزع الطاقة الكهرطيسية و انتشارها .

المواصفات و المحددات الفيزيائية لوسط الانتشار – تأثير وسط الانتشار :
مواصفات وسط الانتشار الفيزيائية و هنا نسرد أهمها :

* ثابت العازلية : ع
قد يبدو للوهلة الأولى من خلال التسمية أنه خاص بالمواد العازلة كهربائياً و يميز بين الأوساط المختلفة من حيث الناقلية الكهربائية .. و الحقيقة أن هذا غير صحيح بل هو يعبر عن سماحية انتشار الحقل الكهربائي ضمن الأوساط المختلفة .
و هذا العامل لا يرتبط بوجود حوامل الشحنة الحرة (الالكترونات) ضمن المادة المدروسة بل يتناول فقط مقدار القدرة المختزنة في الوسط على شكل حقل كهربائي .
وحدة القياس : فاراد/ م
و هو يحدد خواص الاستقطاب الكهربائي لمادة الوسط حيث أن الأوساط المختلفة تتميز بثوابت عازلية مختلفة .. ففي حالة المكثفة المستوية مثلاً تتغير سعة المكثف بحسب نوع العازل المستخدمة في هذا الوسط حيث تزداد السعة عند زيادة ثابت العازلية ..
عند تطبيق جهد كهربائي ثابت بين طرفي المكثف المستوي يسري تيار لحظي يشحن لبوسي المكثف بشحنة معينة و تخزن طاقة على شكل حقل كهربائي في العازل بين صفيحتي المكثف حيث يختلف مقدار الطاقة المخزنة بحسب طبيعة العازل المستخدمة ..
و بالتالي يعبر ثابت العازلية عن مقدار الطاقة المخزنة على شكل حقل كهربائي ضمن العازل
ثابت العازلية للخلاء المطلق =
8.85*10e-12 F/m

مثلاً الماء المقطر عازل ممتاز .. و لكن يتمتع بثابت عازلية عالي للغاية إذ أنه أعلى من ثابت عازلية الفراغ بثمانين مرة ..
و هذا ناتج عن الطبيعة القطبية للماء المتمثلة بوجود زاوية 108 درجة بين الذرات في جزيء الماء .



* ثابت النفوذيه المغناطيسية : ف
وحدة القياس : هنري / م
تختلف الأوساط المختلفة من حيث قدرتها على نقل الحقل المغناطيسي .. الهواء ذو ثابت مغناطيسية معين أما الحديد فهو ذو ثابت نافذية عالي .. الكروم ذو ثابت نفوذية أعلى من الحديد

عند عمل ملف أو وشيعة كهربائية و تمرير تيار ثابت ضمن الوشيعة ينشأ حقل مغناطيسي منتظم داخل الوشيعة يسبب جذب المواد الحديدية لداخل الحقل أو قد يتنافر مع حقل مغناطيسي خارجي ..
المهم و بشكل مشابه لحالة الحقل الكهربائي .. تختلف الأوساط المختلفة بقدرة تخزين الطاقة على شكل حقل مغناطيسي فإن كانت مادة القلب للملف المذكور هوائية تكون الطاقة المغناطيسية المتولدة ضئيلة مقارنة مع قلب حديدي للملف ..

ثابت نفوذيه الخلاء المطلق تساوي
4*pi * 10e-7 H/m
pi=3.14

* ثابت الناقلية الكهربائية : ن
وحدة القياس : سيمنس/م
علماً أن السيمنس هو مقلوب الأوم
و يعبر عن توفر حوامل الشحنة في المادة .. حيث أن هذا الثابت يكون مرتفعاً في النواقل و منخفضاً في المواد العازلة
في الأوساط التي تكون ناقليتها النوعية منخفضة مثل التربة الرطبة .. فإن ذلك العامل يسبب استهلاكاً كبيراً في طاقة الأمواج الكهرطيسية على شكل حراري و يسبب تخامدها .

إن العوامل الثلاثة المذكورة أعلاه تحدد الخواص الفيزيائية لانتشار الحقل الكهرطيسي
و أهمها
سرعة انتشار الحقل الكهرطيسي ضمن الوسط :
سرعة الانتشار = 1 / جذر (ع . ف)

و هكذا نرى أن سرعة انتشار الأمواج الكهرطيسية في الخلاء تساوي
v=1/sqrt(8.85 * 10e-12 * 4 * 3.14 *10e-7)
v=3*10e8 m/s
و هي سرعة انتشار الضوء في الفراغ ..

نتيجة :
في أي وسط مادي فإن ثوابت العازلية الكهربائية و النفاذية المغناطيسية قد تأخذ قيماً أكبر من هذه القيم الخاصة بالخلاء المطلق .. و هكذا تكون سرعة الانتشار أقل في مثل هذه الأوساط من سرعة الانتشار في الفراغ المطلق .

في الهواء الجاف تكون سرعة انتشار الأمواج الكهرطيسية مقاربة لسرعة الانتشار في الفراغ المطلق

طول الموجة :
يرتبط طول الموجة بالتردد بالعلاقة البديهية التالية
عندما تنتشر الإشارة مقداراً يساوي طولاً موجياً كاملاً
فإن هذا يوافق زمناً مقداره دورة كاملة للتردد
و لما كان التردد هو مقلوب الدور الزمني
و
المسافة = السرعة * الزمن
طول الموجة = السرعة * الدورة الزمنية و بالتالي :

طول الموجة = السرعة / تردد الإرسال

سؤال : ماذا تتوقع أن يحدث لطول الموجة عندما ينفذ في وسط مائي علماً أن ثابت عازلية الماء كبير جداً مقارنة مع الخلاء و يساوي ثمانين ضعفاً ؟؟؟

الجواب : أولاً من القانون الخاص بحساب السرعة فمن الواضح أن سرعة الانتشار ستنقص
و بالتالي سينقص الطول الموجي بنفس النسبة .. و تساوي 0.111 مرة

و هذه النتيجة ممتازة من الناحية التطبيقية حيث أن الغواصات تحتاج لهوائيات إرسال أقصر بكثير من الهوائيات الموجودة في الهواء ..


الممانعة المميزة لوسط الانتشار
تخامد شدة الحقل الكهرطيسي أثناء الانتشار

طبيعة و سط الانتشار (الهواء) من حيث المواصفات الفيزيائية الكهربائية و طبيعة الطقس ..
و طبيعة الأرض من حيث المواصفات الفيزيائية الكهربائية
و طبيعة التضاريس
و حسب طول موجة الانتشار أو التردد

سؤال : نسمع كثيراً عن ممانعة الهواء و ممانعة الكبلات المقدرة بالأوم .. و لكن الهواء عازل و الكبلات مصنوعة من النحاس فمن أين تأتي هذه المقاومة ؟؟؟؟ و ماذا تعني ؟؟؟؟

الممانعة المميزة للهواء :

عندما تصل الإشارة الكهربائية إلى هوائي الإرسال قادمة من منبع التردد العالي عبر كبل النقل يقوم هذا الهوائي بتوليد حقلاً كهرطيسياً ينتشر مبتعداً عن هوائي الإرسال .
و بالتالي فإن القدرة التي يرسلها المولد عبر الكبل تستهلك عند هوائي الإرسال و كأنه عبارة عن مقاومة أومية
بحتة ..
و يمكن فهم ذلك بطريقة أخرى وهي أن الحقل الكهرطيسي الذي يتم إشعاعه بعيداً عن هوائي الإرسال عبارة عن مركبتين متعامدتين حقل كهربائي متناوب و آخر مغناطيسي له نفس التردد .. و متفقان بالطور .
وحدة قياس الحقل الكهربائي فولت / م
وحدة قياس الحقل المغناطيسي أمبير / م

الحقيقة أن حاصل قسمة شدة الحقل الكهربائي / شدة الحقل المغناطيسي ذو وحدة هي فولت / أمبير أي أوم
و هي نفسها المقاومة المكافئة للخلاء (و بشكل مساوي تقريباً الهواء ) و تساوي 377 أوم
وهي تساوي من الناحية العملية
الممانعة الموجية = جذر (ف/ع)
و يمكن التحقق من ذلك بتعويض القيم ن و ع في المعادلة .

الممانعة المميزة لكابلات النقل و توافق الممانعات :

تنتقل الإشارة الكهربائية من المنبع باتجاه النهاية البعيدة للكبل .. و عندما يكون تردد العمل عالياً يكون طول الموجة قصيراً و بالتالي تختلف قيمة الجهد الكهربائي و التيار في لحظة معينة بين النقاط المختلفة للكبل و هكذا يحدث توزع معين للطاقة على طول الكبل .. و غالباً ما يحدث انعكاس للطاقة عند الحمل فلا يكون الاستهلاك عند الحمل مثالياً و تتداخل الأمواج القادمة من المنبع و المنعكسة عن الحمل بهذا الشكل .. و هذه المشكلة تسبب الكثير من المشاكل الفنية لأجهزة الإرسال أهمها :
عدم التمكن من إرسال الطاقة بالقدرة الأعظمية التي يولدها المولد و بالتالي انخفاض طاقة الإرسال ..
وجود الأمواج المنعكسة قد تسبب ضرراً للمرسل بحد ذاته
في بعض أنظمة الشبكات التي تحتاج إلى توافق (مثل شبكات الكومبيوتر )قد يؤدي وجود أمواج منعكسة إلى ضجيج لا يسمح باتمام عملية الاتصال بشكل صحيح ..

سؤال : ما المقصود بتوافق الممانعات بين المولد – المرسل – و الحمل – الهوائي-
المقصود هو انتقال الطاقة من المنبع إلى الحمل دون انعكاس . و بالتالي تحقيق المردود الأعظمي من عملية النقل .
الحالة الأولى : لو كان الكبل طويلاً أو لا نهائي الطول فلن يحدث أي انعكاس
الحالة الثانية : أن يكون الحمل ذو قيمة محددة تسمى الممانعة المميزة .
الحالة الثالثة : استخدام دارات توفيق الممانعات و هي عبارة عن مجموعة من العناصر الكهربائية تشكل شبكة بسيطة تغير من الممانعة المنظورة بين الكبل و الحمل بحيث يحدث التوافق المطلوب .

لكل هوائي إرسال ممانعة مميزة تتحدد من خلال بنيته التصميمية و طبيعة الوسط الذي يتوضع به و هو في معظم الأحيان الهواء
و كذلك كبلات الإرسال تتميز بممانعة مميزة أيضاً تتعلق ببنية الكبل و شكله .
يتم وضع محول أو شبكة توفيق ممانعات بين هوائي الإرسال و كبل نقل الإشارة بحيث يتم نقل الإشارة بالشدة العظمى الممكنة .

الجزء الرابع :
مقارنة و تصنيف الترددات اللاسلكية بحسب التردد و دراسة التطبيقات العملية لهذه الترددات :

هذا الموضوع مثير للاهتمام و من خلاله يمكن استيعاب طبيعة اختيار تردد العمل بحسب الغرض من الإرسال و المسافة المطلوبة و الاستطاعة المتوفرة ..

س : ما هي المسارات المحتملة للأمواج الكهرطيسية بين هوائي الإرسال و الاستقبال ؟؟

الموجة المباشرة : يكون هناك خط نظر بين هوائي الإرسال و الإستقبال و تكون هي الأمواج الأساسية في حالة الأمواج قصيرة جداً و الميكروية ..
الموجة المنعكسة عن الأرض : من هوائي الإرسال باتجاه سطح الأرض و من ثم يحدث انعكاس باتجاه هوائي الاستقبال
الموجة المنعكسة عن طبقات الجو المتأينة – الأمواج السماوية
الموجة الأرضية : و هي التي تساير انحناء الأرض و تكون بشكل أساسي عند الأمواج الطويلة و المتوسطة حيث تخامد الأمواج بسبب هذا العامل مع قطع المسافات بسبب خواص الناقلية الغير مثالية للأرض



الأمواج الطويلة

طبعاً الصعوبة الكبرى في التعامل مع هذه الترددات أنها تحتاج إلى بناء هوائيات عملاقة للإرسال و الإستقبال و قد لا يكون ذلك عملياً في كثير من التطبيقات و لكن هناك إيجابيات لهذا المجال الترددي تجعل منها ذات أهمية خاصة .

تتميز الإشارة المشعة منها أنها تستطيع أن تجول من هوائي الإشعاع مبتعدة عنه و تدور مع سطح الكرة الأرضية بتخامد قليل نسبياً بحيث أن هذه الإشارة قد تدور حول الكرة الأرضية دورة كاملة دون أن تتلاشى الإشارة
طبعاً الأمواج الطويلة قادرة على تجاوز الحواجز و التضاريس و الانتشار بمختلف الظروف بشكل ممتاز .
النتيجة : هذه الأمواج ممتازة للاتصالات البعيدة جداً

الغواصات :
إن الوسط المائي الناقل في البحار خصوصاً يسبب تخامداً شديداً للإشارات الكهرطيسية المنتشرة من سطح الماء باتجاه الأعماق ..
و يزداد التخامد مع زيادة تردد الإشارة باطراد .. و هكذا فإن استخدام الأمواج الطويلة هو الحل الأمثل للاتصال مع الغواصات
طبعأً الهوائيات المستخدمة لهذا النوع من الاتصالات ليست عمودية .. بل هي أفقية موازية لسطح البحر ..
و يبرز هنا سؤال : كيف يمكن تزويد الغواصات بهوائيات طويلة تتناسب مع طول الموجة الطويلة هذه ؟؟
الجواب : لحسن الحظ عند اختراق الموجات الكهرطيسية وسطاً ناقلاً مثل مياه البحر فإن طول الموجة يتقلص بحيث يقل طول الهوائي اللازم ..

الأمواج المتوسطة :

طبعاً الهوائيات العمودية اللازمة تكون أقصر من الناحية العملية من سابقتها و مع ذلك فهي طويلة بشكل كبير ..

تنتشر هذه الأمواج مع سطح الأرض و تدور مع تحدب الأرض لمسافة معينة حيث تتخامد تتدريجياً
و تستطيع الدوران حول الحواجز و التضاريس الصغيرة ..
و عملياً فهذه الأمواج ذات تخامد قليل نسبياً
تستخدم في الراديو AM على الأمواج MW و لكن للتخلص من طول الهوائي العمودي الكبير في علمية الاستقبال
فقد تم استخدام مركبة الحقل المغناطيسي بدلاً عن مركبة الحقل الكهربائي لاستخلاص الإشارة
حيث يتكون هوائي الاستقبال من ملف ملفوف على قضيب من مادة فيريتية
علماً أن الفيريت يتميز بنفاذية مغناطيسية جيدة و مقاومة كهربائية عالية بنفس الوقت .
و نرى أن الراديو MW لا يلزمه هوائي عمودي و ذلك لتعذر تحقيقه من الناحية العملية نظراً للطول الكبير جداً المطلوب لمثل هذا الهوائي .
بل الهوائي ذو الملف يعتمد على فكرة مركبة الحقل المغناطيسي للحقل الكهرطيسي حيث يوضع محور الهوائي موازياً لهذه المرطبة أي عمودياً على اتجاه الانتشار و بشكل أفقي (طبعاً هوائي الإرسال عمودي)
و هكذا يخترق الحقل المغناطيسي المتناوب الفيريت و يتركز ضمنه نظراً للنفاذية المغناطيسية المرتفعة للفيريت و يتولد بين طرفي الملف جهد كهربائي يتناسب مع إشارة الحقل المطبقة ..
و لولا خواص العازلية العالية للفيريت لتولدت تيارات اعصارية ضمن قلب الملف سببت تخميد الطاقة التي تحملها الإشارة بشكل كبير ..


الأمواج القصيرة :

من المناسب استخدام هوائي عمودي لمثل هذا الإشارات نظراً لأن طول أمواجها يمكن من استخدام هوائيات مناسبة و موافقة لها .. و هذا ممتاز .
و لكن تظهر مشكلة كبيرة عند انتشار هذه الإشارات موازية لسطح الأرض تتمثل في كون التربة ناقل ذو مقاومة معينة ..
فعند انتشار الأمواج بشكل موازي لسطح الأرض تتولد في التربة تيارات تحريضية ناشئة عن الحقلين الكهربائي و المغناطيسي تسري هذه التيارات في مقاومة التربة الطبيعية و تستهلك طاقة الأمواج المنتشرة مسببة في تخامدها بشكل كبير.. و يتناسب هذا الأثر مع زيادة التردد الإشارة أو تقصير طول الموجة ..
كما أن الأمواج القصيرة تعاني من مشكلة كبيرة في تجاوز العقبات و التضاريس حيث تتكسر الأمواج و تتبعثر بسهولة بسبب مثل هذه العوامل ..
و هكذا يتبين أن تحقيق الاتصال بين نقطتين على سطح الأرض باستخدام الموجة السطحية الموازية لانحناء الأرض يكون غير مناسباً إن زادت المسافة بين النقطتين

س : لماذا يتم حرف الهوائي العمودي بزاوية ما عند الأمواج القصيرة ؟؟؟ خصوصاً راديو الـ FM
نعم للاستقبال الأفضل يتم تمييل الهوائي عن الوضع العمودي بزاوية مناسبة لحقيق الاستقبال الأعظمي .
في الحقيقة أن انتشار مركبة الحقل الكهربائي عمودية على سطح الأرض و مركبة الحقل المغناطيسي موازية لسطح الأرض حيث أن الأرض ذات ناقلية كهربائية معينة يسبب توليد تيارات أرضية و بالتالي حقلاً كهرطيسياً آخر على شكل رد فعل للمركبة المولدة … و من الناحية العملية تكون مركبة الحقل الكهربائي المتولدة موازية لسطح الأرض و بنفس اتجاه الانتشار و هكذا يكون عند نقطة الاستقبال مركبتين للحقل الكهربائي الأولى عمودية و هي الأساسية القادمة من هوائي الإرسال و الأخرى موازية لسطح الأرض بنفس اتجاه الإرسال و هكذا يمكن الاستفادة من المركبة الأفقية المتولدة بجمعها مع المركبة الأساسية لتحقيق الاستقبال الأمثل و ذلك بتمييل الهوائي بزاوية مناسبة ..



الانتشار بالانعكاس عن طبقات الجو العليا (الأمواج السماوية ) :
إن الارتفاع بعيداً عن سطح الأرض يظهر لنا أن بنية الجو تختلف معنا بشكل ملحوظ
حتى أن الجو قد تم تقسيمه لطبقات لكل منها خصائص فيزيائية مختلفة
و بعيداً في طبقات الجو العليا تسقط أشعة الشمس حاملة معها أشعة فوق بنفسجية و أشعة كونية مختلفة تسبب تأيناً في الجو المتخلخل أساساً .. مما يكسب هذه الطبقات مواصفات ناقليه كهربائية .
عندما تسقط أمواج كهرطيسية صادرة عن منبع على سطح الأرض إلى طبقات الجو المتأينة ينفذ شيء منها للفضاء الخارجي و ينعكس شيء منها عائداً لسطح الأرض ..
و تختلف نسبة الأمواج المخترقة للأمواج المنعكسة بحسب زاوية الورود من ناحية و حسب التردد من ناحية ثانية .
إن الأمواج المنعكسة عن طبقات الجو تعود للأرض إلى مناطق بعيدة للغاية عن منطقة الإرسال ما وراء الأفق .. و قد تتكرر عملية الأنعكاس مراراً حيث تعود الأمواج إلى سطح الأرض و تنعكس مجدداً للسماء بشكل متكرر مراراً و قد يتشكل ما يشبه دليل الموجة وفقاً لهذه الحالة ..

إذاً من أهم فوائد الأمواج القصيرة الانتشار بالأمواج السماوية المنعكسة عن طبقات الجو
و التي توفر مسافة اتصال كبيرة للغاية ..

سؤال : كيف يتم توجيه الهوائي العمودي إلى السماء بهذا الشكل ؟؟
الحقيقة أن الهوائي المقام لا يتم توجيهه إلى السماء
لكنه يحاط بجزء منه في الأسفل ببرج معدني ذو شبك موصول بالأرض .. و بالتالي يصبح الإرسال الأفقي معدوماً و تشع الأمواج نحو الأعلى بزاوية إرسال تتحدد بحسب تصميم برج التحجيب و ارتفاع الهوائي ..


سؤال : نستطيع استقبال الأمواج القصيرة السماوية (بعيدة المصدر) في بعض أوقات اليوم و لا نستطيع في أوقات أخرى .. لماذا ؟؟
السبب هو أن الطبقات المتأينة تختلف من حيث المواصفات و التشكل بحسب أوقات النهار المختلفة و يتعلق ذلك بحالة تعرض الطبقات للشمس من عدمه ..
و هكذا تظهر بعض الطبقات و تختفي مما يؤثر على ظروف الانتشار ..
كما أن استبقبال الإشارات السماوية عرضة بشكل كبير للضجيج و شوشرة العوامل الجوية المختلفة ..


الأمواج القصيرة جداً (الترددات العالية جداً )
و الأمواج الفائقة القصر (الترددات فوق العالية)
طول الموجة قصير للغاية و بالتالي تكون مسافة الانتشار قليلة نسبياً
كما أن الهوائيات المستخدمة لهذه الاتصالات تكون أصغر حجماً من سابقاتها .
الترددات العالية جداً تصلح لتمرير معلومات ذات حزمة عريضة مثل معلومات الصورة التلفزيونية ..
يتم الإرسال بواسطة هوائيات متوضعة على ارتفاعات عالية بحيث تؤمن خط نظر بين هوائي الإرسال و هوائي الاستقبال
في حالة الإرسال التلفزيوني يستخدم هوائيات ذات قطبية أفقية بدلاً عن الهوائيات ذات القطبية العمودية .



الأمواج الميكروية (الديسيمترية و السنتيمترية )

هي أمواج ذات ترددات عالية للغاية
تمتاز بمسارات انتشار مستقيمة على الغالب حيث يتوفر خط نظر بين المرسل و المستقبل
تستخدم بشكل كبير في تحقيق الاتصالات بين الأبراج المتوضعة على رؤوس الجبال لتحقيق وصلة ميكروية
مثلاً تستخدم لنقل المعلومات الهاتفية بين المقاسم و محطات الأقمار الصناعية
أو تستخدم بالإرسال الفضائي القادم من الأقمار الصناعية للأرض حيث تنتشر الأمواج الميكروية بوجود خط نظر مباشر بين المرسل و المستقبل .

بما أن تردد العمل عالٍ للغاية فهذا يتيح استخدام عرض حزمة إرسال عريضة على نفس الحامل الترددي و بالتالي حجم كبير في نقل البيانات .


الشيء الجميل الذي أود إضافته أن الاستمرار في رفع التردد يصل بنا إلى ما يعرف باسم الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة الحرارية و من ثم الطيف المرئي تدرجاً من الأحمر و وصولاً إلى البنفسجي و نخرج بعدها إلى الأشعة الفوق بنفسجية و هي غير مرئية و تحمل طاقة كبيرة قد تؤذي الخلايا الحية ..

الصورة المرفقة
screen.width-300)this.width = (screen.width-300)" border=0>

--------------

شكرا جزيلا