الاتصالات الراديوية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الاتصالات الراديوية

اتصالات راديويه

RF Communication - Communication radiophonique

الاتصالات الراديوية

محمدد الحسين

خصائص الاتصالات الراديوية

المجالات الترددية في الاتصالات الراديوية

انتشار الموجات الكهرطيسية

أنواع الانتشار

المخطط الصندوقي لنظام اتصال راديوي

احتلت الاتصالات الراديوية radio communications في العصر الحاضر أهمية كبيرة لما قدمت للإنسان في حياته اليومية من خدمات كثيرة وعظيمة، إذ سهلت له الاتصال بالآخرين من دون الحاجة إلى أسلاك تربطه بهم، كما هو حال الاتصالات السلكية. إضافة إلى ذلك أتاحت الخدمات العامة الممثلة بالبث الإذاعي والتلفزي المحلي والعالمي. ومن جهة أخرى فإن للاتصالات الراديوية أهمية خاصة في الملاحة الجوية والبحرية لإرشاد الطائرات والسفن في رحلاتها، وتطبيقات واسعة في مجال السواتل والتحكم من بُعد في الأجهزة المختلفة، والاستشعار من بُعد، ودراسة الغلاف الجوي الأرضي.

يُطلق اسم اتصالات الفضاء على الحركة الراديوية بين محطة أرضية وساتل، أو بين محطة أرضية ومسبار فضائي space probe ، أو بين السواتل ذاتها أو بين المسبارات الفضائية، كما يُطلق الاسم نفسه على الاتصالات بين المحطات الأرضية عن طريق السواتل أو الأقمار (الكواكب) الطبيعية (كالقمر أو المريخ أو الشمس ونحوها). وينصب الاهتمام الآن على الاتصالات الراديوية مع المركبات الفضائية بوساطة الأمواج المتناهية القصر ذات الترددات العالية جداً (UHF) ultra-high frequencies.

يُستفاد في هذه الاتصالات من الموجات الراديوية المباشرة المنتشرة انتشاراً حرّاً، والتي تمر بالإيونوسفير بمسارات مستقيمة عملياً.

الشكل (1) : تمثيل موجة كهرطيسية

خصائص الاتصالات الراديوية:

تُستخدم الاتصالات الراديوية وسيطاً لنقل الموجات الكهرمغنطيسية التي تنتشر في الجو المحيط بالكرة الأرضية، وتنتشر هذه الموجات - التي تسمى أيضاً الموجات الراديوية - بسرعة الضوء

تتألف الموجة الكهرطيسية من حقلين: حقل كهربائي وحقل مغنطيسي متعامدين، أحدهما مع الآخر وعموديين على اتجاه الانتشار. ويبّين الشكل (1) أن نصف القدرة الكهربائية للموجة تكون محتواة على شكل حقل كهربائي والنصف الآخر على شكل حقل مغنطيسي .

الخواص الرئيسية للموجة الراديوية هي: التردد، والشدة، واتجاه الانتشار، ومستوى الاستقطاب. تتغير شدة الموجة الراديوية المتولدة من تيار متناوب مع تردد التيار، وتسمى المسافة التي تقطعها الموجة خلال دور واحد بطول الموجة (λ)، ويُعطى بجداء سرعة انتشار الموجة الراديوية (V) بزمن دور واحد للموجة المتناوبة (T):

الوصف: 49180.png

(1)

حيث :

f : تردد التيار المتناوب، ويعطى بالعلاقة : الوصف: 35055.png = f

إن سرعة انتشار الموجة الراديوية تساوي سرعة انتشار الضوء:

لذا طول الموجة : الوصف: 35154.png

وإذا قيس التردد بواحدة الميغا هرتز فإنه يمكن حساب طول الموجة من العلاقة:

الشكل (2): المجالات الترددية

المجالات الترددية في الاتصالات الراديوية:

يبيّن الجدول (1) خصائص الموجات الراديوية ومميزاتها ومجال استخدامها بحسب ترددها.

الاستخدامات الرئيسية	خواص الانتشار	مجال طول الموجة m	مجال التردد	الصنف
اتصالات لمسافات بعيدة جداً	تخامد ضعيف في كل أوقات اليوم أو السنة، خواص الوثوقية عالية	30000 - 10000	10 – 30 kHz	ترددات منخفضة جداً VLF
اتصالات لمسافات بعيدة،كخدمات بحرية ومساعدة ملاحية	خواص الانتشار في الليل مشابهة للـ VLF ولكن بموثوقية أقل، الامتصاص أثناء النهار أكبر من الموجات VLF	10000 – 1000	30 – 300 kHz	ترددات منخفضة LF
إذاعات، اتصالات بحرية، ملاحة، اتصالات هاتفية بين المواني والسفن	تخامد قليل في الليل وعالٍ في النهار	1000 – 100	300 – 3000 kHz	ترددات متوسطة MF
اتصالات لمسافات بين المتوسطة والبعيدة	الاتصالات لمسافات بعيدة يعتمد اعتماداً رئيسياً على اليونوسفير. وتختلف شروط الاتصال بحسب أوقات النهار والفصول والتردد	100 – 10	3 – 30 MHz	ترددات عالية HF
اتصالات لمسافات قصيرةتلفاز تعديل ترددي، رادار، ملاحة جوية	فقط للاتصالات بخطوط مستقيمة بين نقطتين، ولا تتعلق شروط الانتشار باليونوسفير.	10 – 1	30 – 300 MHz	ترددات عالية جداً VHF
اتصالات لمسافات قصيرة، تلفاز،رادار...	كما في الحالة السابقة	1 – 0.1	300 – 3000MHz	ترددات فوق العالية UHF
رادار، ملاحة، محطات تقوية راديوية	كما في الحالة السابقة	0.1 – 0.01	3000 – 30000MHz	الموجات المكروية SHF

الجدول (1): خصائص الموجات الراديوية ومميزاتها

انتشار الموجات الكهرطيسية:

تنتشر الموجات الراديوية في الفضاء الحر على شكل موجات كهرطيسية ترتبط فيما بينها بعلاقات رياضية أساسية أربع، تسمى معادلات ماكسويل Maxwell:

حيث:

E(r,t) كثافة شدة الحقل الكهربائي وتقدر بـ v/m

H(r,t) كثافة شدة الحقل المغنطيسي وتقدر بـ A/m

B(r,t) كثافة التدفق المغنطيسي (T).

D(r,t) كثافة التدفق الكهربائي (C/m2) .

P(r,t كثافة الشحنات الكهربائية (C/m3).

J(r,t) كثافة التيار الكهربائي (A/m2).

يعتمد نظام الاتصال الراديوي أساساً على الهوائيات antenna المتوفرة في جهاز الإرسال، وأيضاً في جهاز الاستقبال.

الشكل (3): انتشار الأمواج الكهرطيسية

ويُعدّ ربح gain الهوائي من المحدِّدات المهمة، إذ يُعطى بالعلاقة التالية:

حيث G: ربح الهوائي. λ: طول الموجة بالمتر. f: التردد بالهرتز. A_e : فتحة الهوائي وتُقدر بـ c.m²: سرعة الضوء وتساوي تقريباً

يشع الهوائي الموجة الكهرطيسية في جميع الاتجاهات، ويتجه جزء من هذا الإشعاع نحو الأرض حيث تقوم مقام عاكس كبير للأمواج الراديوية، فتعكس هذه الأمواج كما ينعكس الضوء على المرآة. ونتيجة ذلك تندمج الموجات المنعكسة مع الموجات الخارجة من الهوائي مباشرةً، فيتغير منحني إشعاع الهوائي. ويعتمد ذلك على عدة عوامل، منها:

1- ارتفاع الهوائي عن سطح الأرض.

2- وضع الهوائي (رأسي أو أفقي).

الشكل (4): انعكاس الموجات الكهرطيسية في الجو

ولكن هذا المنحني يتغير؛ لأن الأرض ليست مثل المرآة المصقولة ولكنها سطح عاكس ضبابي أي غير واضح.

ينتج مما سبق أن معظم القدرة التي تشع من الهوائي تتجه إلى الأعلى باتجاه السماء. يوجد في الغلاف الجوي طبقة عاكسة تسمى طبقة الإيونوسفير ionosphere. و هي طبقة من الغلاف الجوي تقع على ارتفاع يقارب 60 إلى 150 ميلاً عن سطح الأرض، ولهذه الطبقة تأثير المرآة تماماً في الأمواج الكهرطيسية إذ تقوم الشمس بتأيين هذا الغلاف للكرة الأرضية إلى جزيئات مشحونة كهربائياً، وتتجمع على شكل طبقات عديدة منفصلة بعضها عن بعض في المنطقة السابق ذكرها.

يُعكس هذا الإشعاع مرة أخرى للأرض مسافة تختلف بحسب زاوية الإرسال، ويسمى ذلك بالقفزات الموجية. يمكن أن تصل هذه الموجات إلى مسافات شاسعة بهذه الطريقة، ولكن لسوء الحظ هذه الطبقة من الغلاف الجوي تعمل عاكساً جيداً للترددات الأقل من 30 MHz.

أما الترددات الواقعة فوق هذا التردد فلا يعمل العاكس بانتظام، ولكنه يعمل على نحو متقطع. تتعلق المسافة التي تقطعها الترددات الأعلى من 30 MHz بأشعة الشمس، لذلك فهي تعمل عمل العاكس مع الترددات العالية في الصيف غالباً، ويمكن أن تصل إشارتها إلى آلاف الأميال.

أنواع الانتشار:

يمكن تصنيف الموجات بحسب طريقة انتشارها كما يلي:

1- الموجات الأرضية ground waves:

تنتشر هذه الموجات عند خروجها من جهاز الإرسال بالقرب من سطح الأرض، أو موازية له، إلى أن تصل إلى المستقبل.

2- الموجات السماوية sky waves:

تنتشر هذه الموجات عند خروجها من جهاز الإرسال للأعلى إلى أن تنعكس عند اصطدامها بطبقة الإيونوسفير حتى تصل إلى المستقبل، ويمكن عندئذٍ تعريف منطقة التخطي (القفز) skip distance، وهي المنطقة الواقعة بين جهاز الإرسال ونقطة الاستقبال في الموجات السماوية. وتكون زاوية الموجة wave angle الزاوية بين الموجة السماوية وسطح الأرض. وتعرّف المنطقة المحجوبة (الميتة) skip zone بأنها المسافة بين نهاية الموجة الأرضية ونقطة استقبال الموجة السماوية.

المخطط الصندوقي لنظام اتصال راديوي:

يسمح كل خط اتصال راديوي من حيث المبدأ بوصل نقطتين بعيدتين جغرافياً، كما هو موضح في الشكل (5).

يشبه هذا الخط في الاتصالات السلكية خط اتصال مؤلفاً من 4 أسلاك، أي زوجين من الأسلاك: زوج للاتصال من المرسل إلى المستقبل، وآخر للاتصال من المستقبل إلى المرسل.

يجري انتشار الموجة الراديوية بين المحطتين المتباعدتين المراد الوصل بينهما، ويستدعي ذلك في كثير من الأحيان وجود محطة أو عدة محطات تقوية لتحقيق إعادة تقوية القدرة التي تحملها الموجة الراديوية كي تستطيع الانتشار إلى مسافات أبعد، وتُستقبل في محطات تقوية أخرى إن لزم الأمر أو إلى المحطة النهائية. وتُستخدم إذاً لكل خط اتصال راديوي التجهيزات التالية :

- تجهيزات الإرسال.

- خط النقل )الإرسال.(

- تجهيزات محطة أو عدة محطات تقوية.

- تجهيزات الاستقبال.

قد يتشابه بعض أقسام التجهيزات السابقة على طول خط الاتصال، كالهوائيات مثلاً، وقد يختلف بعضها الآخر ولا يتوفر إلا في نقاط محددة، كالمعدِّل في جهة الإرسال، وإعادة الكشف في جهة الاستقبال، ومكبِّرات التردد المتوسط في محطة التقوية. وتجدر الإشارة إلى أثر سيئ يلحق بالموجة المرسلة، وهو الضجيج، كما هو مبين في الشكل (6). وفي أغلب الأحيان يُقسم الضجيج إلى ضجيج خارجي وآخر داخلي ناجم عن التجهيزات. ومن الآثار السلبية أيضاً التي تصيب الموجة الراديوية المرسلة: التداخل الراديوي وأحياناً التشويش، ومن ثمّ تشوه الإشارة. وتعدّ هذه العوامل ملوِّثات تضر بأنظمة الاتصالات الراديوية

لشكل (5): المخطط الصندوقي لنظام اتصال راديوي

الشكل (6): تمثيل الضجيج

السواتل:

اعتمدت الاتصالات اللاسلكية البعيدة المدى حتى ستينيات القرن العشرين على انعكاسات الإشارة المنعكسة، فكانت تتخامد بسرعة تجعل الاتصال ذا نوعية سيئة.

اقترح العلماء في عام 1945 م استخدام السواتل لزيادة فعالية الاتصالات اللاسلكية حيث يُرى الساتل من منطقة شاسعة من الأرض.

تُقسم السواتل إلى نوعين أساسيين:

* السواتل غير الفعالة passive satellites:

كان أول ساتل للاتصالات هو إيكو 1 (Echo 1) الذي أُطلق عام 1960 م، وهو بالون معدني بقطر كبير 32 متراً مغطى برقائق الألمنيوم، ولم يكن يحوي أي دارات إلكترونية، وإنما يضم فقط عاكس إشارات، مثل المرآة. وكان يدور حول الأرض بارتفاع 1610 كيلو مترات، وله زاوية انعكاس واسعة.

تعكس هذه السواتل الإشارة الموجهة إليها ولكن بقوة أخفض.

* السواتل الفعالة active satellites :

وهي محطات تقوية تستقبل الإشارات من المحطات الأرضية وتكبّرها مئات المرات، ثم تعيد إرسالها باتجاه محطات أرضية أخرى.

تستخدم هذه السواتل تردد استقبال من المحطات الأرضية يسمى الوصلة الصاعدة uplink، وتستخدم أيضاً ترددات للإرسال نحو الأرض تسمى الوصلة النازلة downlink.

تتبع حركة السواتل حول الأرض قوانين كِبلر Kepler التي تحدد حركة الكواكب. وتنص هذه القوانين على أنه كلما كان الساتل واقعاً في مدار أعلى تحرك (ظاهرياً) بسرعة أبطأ.

وعلى سبيل المثال يدور الساتل (Echo 1) في مدار منخفض قدره 1610 كيلو مترات، وله سرعة عالية إذ يدور حول الكرة الأرضية خلال ساعتين. وهكذا كان على هوائيات المحطات الأرضية أن تتابع حركة الساتل بسرعة، وإلا فإنها تفقد أثره. أما السواتل التي تدور على ارتفاع 36000 كيلو متر فإنها تحتاج إلى مدة قدرها 23 ساعة و56 دقيقة لإنجاز دورة كاملة حول الأرض. وإذا كان الساتل فوق خط الاستواء فإنه يتم دورة كاملة خلال 24 ساعة .

وثمة أنواع تغطي منطقة معينة فقط لا تتحرك منها، مثل سواتل البث التلفزي، وهي تحوي محركات تصحِّح اتجاهها لتتحرك بسرعة دوران الأرض نفسها فتبدو ثابتة في الجو. ويستطيع المهندسون توجيه هوائيات الساتل إلى أي نقطة بإرسال إشارات تحكم خاصة. يزداد عدد المحطات الأرضية بسرعة، ومعظمها مزوّد بهوائي على شكل صحن يمكن تحريكه في الاتجاهات كافة، ويصل قطره إلى 30 متراً.

وصفوة القول: تُعدّ الاتصالات الراديوية بتطبيقاتها المتعددة محط اهتمام العديد من المهتمين في مجال الاتصالات والإلكترونيات بفضل تطبيقاتها المدنية والعسكرية الواسعة.

مراجع للاستزادة:

S. G. Glisic, Advanced Wireless Communications and Internet, John Wiley and Sons, 2011.

L. J. Ippolito, Satellite Communications System Engineering, John Wiley and Sons, 2008.

G. Maral, M. Bousquet and Z. Sun, Satellite Communications System, John Wiley and Sons, 2011.