أساسيات أشعة الميكروويف في الاتصالات

يمكن لأجهزة التلفاز الخاصة نقل المحتوى المفضل باستخدام أشعة الميكروويف، حيث تشتهر أجهزة الميكروويف بين قنوات الأمن المحلية والوطنية، فعلى سبيل المثال تُستخدم الموجات الدقيقة البنية التحتية لتوجيه الصواريخ للتحكم في سرعة صواريخها وكذلك المعلمات.

ما هي أساسيات الميكروويف؟

معظم التطبيقات المعروفة تكون في نطاق من “1 جيجاهرتز” إلى “40 جيجاهرتز”، كما تُعد الموجات الدقيقة مناسبة للإرسال اللاسلكي، من بروتوكول “LAN” اللاسلكي القديم و”Bluetooth” لإشارات ذات نطاق ترددي أعلى، كما تُستعمل موجات الميكروويف بشكل كبير في أنظمة الرادار، حيث يُستعمل الرادار إشعاع الميكروويف لمعرفة المدى والمسافة والمعلمات الأخرى لأجهزة الاستشعار وتطبيقات النطاق العريض المتنقل.

تُستعمل تقنية موجات الميكروويف في الراديو للبث والاتصالات السلكيةواللاسلكية نظراً لطولها الموجي الصغير والموجات الاتجاهية الأقل حجماً، ولذلك فهي أعلى استخداماً ممّا ستصبح عليه في الأطوال الموجية الأكبر أي الترددات القليلة وقبل بدأ إرسال الألياف البصرية، كما تُستعمل أفران الميكروويف بشكل عام في الهواتف للاتصالات بعيدة المدى “Long distance communication”.

تُعد العديد من التطبيقات الأخرى التي تستعمل فيها موجات الميكروويف هي علاجات طبية، كما يُستعمل تسخين الميكروويف لتجفيف المنتجات ومعالجتها، وفي المنازل لإعداد الطعام أي أفران الميكروويف.

• “LAN” هي اختصار لـ “Local Area Network”.

تطبيقات أشعة الميكروويف:

يشيع استخدام فرن الميكروويف لأغراض الطهي دون استخدام الماء، كما تعمل الطاقة العالية للميكروويف على تدوير الجزيئات القطبية للماء والدهون والسكريات في المواد الغذائية، حيث يتسبب هذا الدوران في الاحتكاك الذي ينتج عنه تكوين حرارة، وهذه العملية تسمى التسخين العازل، كما تكون الإثارة من الميكروويف متكاملة تقريباً بحيث يسخن الطعام بشكل موحد.

يُعد الطبخ في فرن الميكروويف سريع ونشيط وآمن، حيث يحتوي فرن الميكروويف على محول عالي الجهد يمرر الطاقة إلى “Magnetron”، وكذلك غرفة “Magnetron” ووحدة تحكم “Magnetron” ودليل موجي وغرفة الطهي والطاقة في فرن الميكروويف لها تردد “2.45 جيجاهرتز” بطول موجة “12.24 سم” كما ينتشر الميكروويف على شكل دورات متناوبة بحيث تصطف الجزيئات القطبية وأحد طرفيها موجب والآخر سلبي وفقاً للدورات المتناوبة، حيث تسبب هذه المحاذاة الذاتية دوران الجزيئات القطبية.

تصطدم الجزيئات القطبية الدوارة بجزيئات أخرى وتحركها، كما يكون التسخين الناجم عن الميكروويف أكثر كفاءة عندما يكون النسيج يتضمن على نسبة عالية من الماء نظراً لوجود جزيئات ماء حرة للدوران، كما تعرض الدهون والسكريات والمياه المجمدة حرارة أقل للعزل الكهربائي بسبب توفر عدد أقل من جزيئات الماء الحرة، كما يقوم الميكروويف بطهي الجزء الخارجي من الطعام أولاً ثم الجزء الداخلي المماثل للطبخ العادي باستخدام اللهب.

مكان الطهي في فرن الميكروويف عبارة عن قفص فاراداي يمنع أشعة الميكروويف من التسرب إلى البيئة، كما يعمل الباب الزجاجي للفرن في رؤية الجزء الداخلي للفرن، وقفص فاراداي وكذلك الباب محمي بشكل جيد باستعمال شبكة موصلة للحفاظ على الحماية المطلوبة، كما تكون الثقوب الموجودة في الشبكة أصغر حجماً بحيث لا يتمكن الميكروويف من الهروب عبر الشبكة.

الكفاءة الكهربائية لفرن الميكروويف عالية؛ لأنّ الفرن يقلب جزءاً فقط من الطاقة الكهربائية، كما يستهلك الفرن النموذجي “1100 طاقة كهربائية” لإنشاء “700 واط” من طاقة الميكروويف، كما يتم هدر “400 واط” المتبقية كحرارة في المغنطرون، والطاقة الإضافية مطلوبة لتشغيل المكونات الأخرى للفرن، مثل المصباح ومحرك القرص الدوار لمروحة التبريد.

نطاق أشعة الميكروويف:

توجد أفران الميكروويف في الطرف الأعلى من الطيف الراديوي، لكنّها تتفاوت عادةً عن موجات الراديو بناءً على التكنولوجيا التي تستعملها، كما تنقسم الموجات الدقيقة إلى نطاقات فرعية بناءً على أطوالها الموجية التي توفر معلومات مختلفة، ونطاقات تردد الموجات الدقيقة هي كما يلي:

1- نطاق “L”:

نطاقات “L” لها نطاق تردد بين “1 جيجاهرتز” إلى “2 جيجاهرتز” وطول موجتها في المساحة الحرة هو “15 سم” إلى “30 سم”، كما تُستعمل نطاقات الموجات هذه في وسائل النقل وهواتف “GSM” المحمولة وفي التطبيقات العسكرية، ويمكن استعمالها لقياس رطوبة التربة في الغابات المطيرة.

• “GSM” هي اختصار لـ “Global System for Mobile”.

2- نطاق “S”:

نطاق “S”: هي موجات الميكرويف التي تحتوي على نطاق تردد بين “2 جيجاهرتز” إلى “4 جيجاهرتز” ومدى طولها الموجي “7.5 سم” إلى “15 سم”، كما يمكن استخدام هذه الموجات في منارات الملاحة والاتصالات الضوئية والشبكات اللاسلكية.

3- نطاق “C”:

النطاق “C”: هي موجات اليكروويف التي يتراوح مداها بين “4 جيجاهرتز” إلى “8 جيجاهرتز” ويتراوح طولها الموجي بين “3.75 سم” و”7.5 سم”، كما تخترق الموجات الدقيقة ذات النطاق “C” التكوينات والغبار والدخان والثلج والمطر للكشف عن سطح الأرض، ويمكن استخدام هذه الموجات الدقيقة في الاتصالات اللاسلكية بعيدة المدى.

4- نطاق “X”:

نطاق “X”: هو نطاق التردد للموجات الدقيقة “S-band” هو “8 جيجاهرتز” إلى “12 جيجاهرتز” بطول موجة يتراوح بين “25 مم” إلى “37.5 مم”، كما تُستخدم هذه الموجات في اتصالات الأقمار الصناعية واتصالات النطاق العريض والرادارات والاتصالات الفضائية وإشارات راديو الهواة.

5- نطاق “Ku”:

نطاق “Ku”: هو النطاق الذي يحتل نطاق التردد بين “12 جيجاهرتز” إلى “18 جيجاهرتز” ويبلغ طولها الموجي ما بين “16.7 مم” إلى “25 مم”،  كما تُشير كلمة “Ku” إلى “Quartz-under”، وتُستخدم هذه الموجات في الاتصالات الساتلية لقياس التغيرات في طاقة نبضات الميكروويف ويمكنها تحديد سرعة واتجاه الرياح بالقرب من المناطق الساحلية.

6- نطاق “K” و”Ka”:

يتراوح مدى التردد لموجات النطاق “K” بين “18 جيجاهرتز” إلى “26.5 جيجاهرتز” ويتراوح طول هذه الموجات بين “11.3 مم” و”16.7 مم”، وبالنسبة للنطاق “Ka” يتراوح مدى التردد من “26.5 جيجاهرتز” إلى “40 جيجاهرتز” ويحتل طول الموجة ما بين “5 مم” إلى “11.3 مم”، كما تُستخدم هذه الموجات في اتصالات الأقمار الصناعية والملاحظات الفلكية والرادارات، وتتيح الرادارات في نطاق التردد هذا معلومات قصيرة المدى وعالية الدقة وكميات عالية من البيانات بمعدل تجدد النشاط.

7- نطاق “V”:

نطاق “V”: هو النطاق الذي يبقى للتوهين العالي، وتطبيقات الرادار محدودة بمدى قصير من التطبيقات ونطاق التردد لهذه الموجات هو “50 جيجاهرتز” إلى “75 جيجاهرتز”، كما يتراوح الطول الموجي لهذه الموجات الدقيقة بين “4.0 ملم” و”6.0 ملم”، وهناك بعض النطاقات الأخرى مثل “U” و”E” و”W” و”F” و”D” و”P” لها ترددات عالية جداً تُستخدم في العديد من التطبيقات.

إشعاع الميكروويف وتأثيره على الصحة:

الإشعاع: هو طاقة تأتي من مصدر وتنتقل عبر وسط أو مكان ما، كما سيتم إنتاج إشعاع التردد اللاسلكي بواسطة العديد من الأجهزة مثل أجهزة إرسال التلفاز والراديو وسخانات الحث والسخانات العازلة للكهرباء ويتم إنتاج إشعاع الميكروويف بواسطة أجهزة الرادار وهوائيات الأطباق وأفران الميكروويف.

بسبب إشعاع الميكروويف، قد ترتفع درجة حرارة الجسم، وهناك خطر أكبر للتلف الحراري للأعضاء التي تعاني من ضعف التحكم في درجة الحرارة، مثل عدسة العين، ونظراً لأنّ الطاقة الإشعاعية التي يمتصها الجسم تختلف باختلاف التردد، فإنّ قياس معدل الامتصاص أمر صعب للغاية.

مزايا تقنية الميكروويف:

• لا يتطلب أي اتصال كابل.

• يمكنهم حمل كميات كبيرة من المعلومات بسبب ترددات التشغيل العالية.

• يمكننا الوصول إلى المزيد من قنوات الأرقام.

• شراء أرض بتكلفة منخفضة، كما يحتل كل برج مساحة صغيرة.

• تتطلب الإشارات عالية التردد أو الطول الموجي القصير هوائياً صغيراً.

عيوب تقنية الميكروويف:

• التوهين بالأشياء الصلبة، من الطيور والمطر والثلج والضباب.

• إنّ بناء أبراج طويلة مكلف للغاية.

• ينعكس من أسطح مستوية مثل الماء والمعدن.

• مشتت ويعمل انقسام حول أجسام صلبة.

• ينكسر بواسطة الغلاف الجوي، ممّا يتسبب في إسقاط الحزمة بعيداً عن المستقبل.