انتشار الترددات الراديوية وفقدان مسار إشارة الراديو - RF propagation

تتميز إشارات الراديو بقدرتها على الانتشار عبر مسافات شاسعة حيث تتأثر الإشارات الراديوية بالوسيط الذي تنتقل فيه ويمكن أن يؤثر ذلك على الانتشار الراديوي أو انتشار الترددات الراديوية والمسافات التي يمكن للإشارات أن تنتشر خلالها، كما يمكن لبعض الإشارات الراديوية أن تنتقل أو تنتشر حول العالم في حين أنّ الإشارات الراديوية الأخرى قد تنتشر فقط عبر مسافات أقصر بكثير.

ما هو انتشار الترددات الراديوية – RF propagation؟

انتشار الترددات الراديوية (RF propagation): هو الطريقة التي تتبعها الموجات الراديوية أو تنتشر بواسطتها عندما تنتقل من نقطة إلى أخرى وتتأثر بالوسيط الذي تنتقل فيه وخاصةً طريقة انتشارها حول الأرض في أجزاء مختلفة من الغلاف الجوي، وهو سلوك موجات الراديو أثناء انتقالها من نقطة إلى أخر، مثل الأنواع الأخرى من الموجات فإنّها تخضع لظواهر تشمل الانكساروالانعكاس والحيود والتشتت والامتصاص حيث يمكن أن يكون لها تأثير على مدى وضوح وموثوقية انتقال تلك الموجات.

إنّ فهم تأثيرات الظروف المتغيرة على الانتشار الراديوي له العديد من التطبيقات العملية، من اختيار الترددات للمذيعين الدوليين على الموجات القصيرة إلى تصميم أنظمة هواتف محمولة موثوقة إلى الملاحة الراديوية إلى تشغيل أنظمة الرادار.

العوامل المؤثرة على الانتشار الراديوي:

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على الطريقة التي تنتشر بها إشارات الراديو أو موجات الراديو حيث يتم تحديدها من خلال الوسيط الذي تنتقل من خلاله موجات الراديو والأشياء المختلفة التي قد تظهر في المسار، كما تتحكم خصائص المسار الذي تنتشر به الإشارات الراديوية في مستوى وجودة الإشارة المستقبلة.

تحدث ظاهرة الانعكاس والانكسار والانحراف، كما قد تكون الإشارة الراديوية الناتجة مزيجاً من عدة إشارات انتقلت عبر مسارات مختلفة، وقد تضيف هذه الأشياء معاً أو تطرح من بعضها البعض وبالإضافة إلى ذلك قد تتأخر الإشارات التي تنتقل عبر مسارات مختلفة ممّا يؤدي إلى تشويه الإشارة الناتجة، لذلك من المهم للغاية معرفة خصائص الانتشار الراديوي المحتملة التي يحتمل أن تسود.

تختلف المسافات التي يمكن أن تنتشر عبرها الإشارات الراديوية بشكل كبير، أمّا بالنسبة لبعض تطبيقات الاتصالات اللاسلكية قد تكون هناك حاجة إلى نطاق قصير فقط، فعلى سبيل المثال قد يلزم إنشاء ارتباط (Wi-Fi) عبر مسافة بضعة أمتار فقط، ومن ناحية أخرى فإنّ محطة البث ذات الموجة القصيرة أو وصلة القمر الصناعي ستحتاج إلى موجات الراديو للسفر عبر مسافات أكبر بكثير.

أمّا بالنسبة إلى محطة البث على الموجة القصيرة والوصلة الساتلية، فإنّ خصائص الانتشار الراديوي ستكون مختلفة تماماً، فقد تأثرت الإشارات التي تصل إلى وجهاتها النهائية بطرق مختلفة جداً من خلال الوسائط التي تنتقل من خلالها الإشارات.

أنواع الانتشار الراديوي:

1. انتشار الفضاء الحر – Free space propagation:

تنتقل موجات الراديو في الفضاء الحر أو بعيداً عن الأشياء الأخرى التي تؤثر على طريقة انتقالها، وإنّ المسافة من المصدر فقط هي التي تؤثر على الطريقة التي تقل بها قوة الإشارة حيث يصادف هذا النوع من الانتشار الراديوي أنظمة الاتصالات اللاسلكية بما في ذلك الأقمار الصناعية حيث تنتقل الإشارات إلى القمر الصناعي من الأرض وتتراجع مرة أخرى، وعادةً ما يكون هناك تأثير ضئيل من عناصر مثل الغلاف الجوي. 

2. انتشار الموجة الأرضية – Ground wave propagation:

عندما تنتقل الإشارات عبر الموجة الأرضية، يتم تعديلها بواسطة الأرض أو التضاريس التي تنتقل عبرها حيث تميل إلى اتباع انحناء الأرض، أمّا الإشارات المسموعة على نطاق الموجة المتوسطة أثناء النهار تستخدم هذا الشكل من انتشار الترددات الراديوية.

3. انتشار الأيونوسفير – Ionospheric propagation:

يُعد انتشار الأيونوسفير بأنّه تعديل الإشارات الراديوية وتتأثر بمنطقة عالية في الغلاف الجوي للأرض حيث يُستخدم هذا الشكل من أشكال الانتشار الراديوي بواسطة أنظمة الاتصالات الراديوية التي ترسل على الموجات (HF) أو نطاقات الموجات القصيرة، وباستخدام هذا الشكل من الانتشار يمكن سماع المحطات من الجانب الآخر من الكرة الأرضية اعتماداً على العديد من العوامل بما في ذلك الترددات الراديوية المستخدمة والوقت من اليوم.

4. انتشار التروبوسفير – Tropospheric propagation:

تتأثر الإشارات بتغيرات معامل الانكسار في طبقة التروبوسفير فوق سطح الأرض مباشرةً، وغالباً ما يكون الانتشار الراديوي في التروبوسفير، كما تُعد بأنّها الوسيلة التي تُسمع بها الإشارات عند الموجات المترية (VHF) وما فوقها عبر مسافات طويلة.

5. انتشار Sporadic E:

عادةً يستخدم هذا النوع من الانتشار على نطاق الموجات المترية (VHF FM) وعادةً في الصيف، كما يمكن أن يتسبب في تعطيل الخدمات أثناء سماع المحطات البعيدة.

5. اتصالات تبعثر النيازك – Meteor scatter communications:

يُستخدم هذا الشكل من الانتشار الراديوي المسارات المتأينة التي تتركها النيازك عند دخولها الغلاف الجوي للأرض، أمّا عندما لا تكون البيانات مطلوبة على الفور فهي شكل مثالي للاتصالات لمسافات حوالي (1500 كيلومتر) حيث يستخدم للتطبيقات التجارية ويستخدمه هواة الراديو خاصةً عند وجود زخات النيازك.

6. الانتشار عبر التسلسل – TEP:

يحدث التكاثر عبر التسلسل في ظل بعض الظروف المميزة ويمكّن الإشارات من الانتشار في ظروف محيطية عندما لا يتم توقع مسارات انتشار أيونوسفيرية طبيعية.

7. الانتشار بالقرب من الموجة السماوية للحدث العمودي – NVIS:

يُعد هذا النوع من الانتشار بأنّه موجات السماء للحدث العامودي أي بزاوية عالية حيث يتم إعادتها إلى الأرض بالقرب منها نسبياً، كما يوفر تغطية محلية في التضاريس الجبلية.

8. التشتت الخلفي للشفق القطبي – Auroral backscatter:

الشفق القطبي والشفق القطبي الجنوبي هُما مؤشران على النشاط الشمسي الذي يمكن بسببه أن يعطل انتشار الأيونوسفير الطبيعي، ونادراً ما يُستخدم هذا النوع من الانتشار في الاتصالات التجارية لأنّه لا يمكن التنبؤ به ولكن هواة الراديو غالباً ما يستفيدون منه.

9. ارتداد القمر EME:

عندما يتم توجيه عمليات نقل الطاقة العالية نحو القمر، يمكن سماع الانعكاسات الخادعة إذا كان للهوائيات مكاسب كافية، كما يمكن لهذا الشكل من الانتشار أن يُمكّن هواة الراديو من التواصل عالمياً عند ترددات (140 ميجاهرتز) وما فوق، باستخدام القمر بفعالية كقمر صناعي عاكس عملاق.

هناك العديد من سيناريوهات الانتشار الراديوي في الحياة الواقعية، وربما تنتقل الإشارات بوسائل متعددة حيث تنتقل موجات الراديو باستخدام نوع واحد من الانتشار الراديوي يتفاعل مع نوع آخر، ومع ذلك لبناء فهم لكيفية وصول الإشارة الراديوية إلى المستقبل، فمن الضروري أن يكون هناك طرق ممكنة للانتشار الراديوي، ومن خلال فهم هذه التفاعلات يمكن فهم التفاعلات بشكل أفضل جنباً إلى جنب مع أداء أي أنظمة اتصالات لاسلكية يتم استخدامها.

أساسيات خسارة مسار الراديو:

يُعد فقدان مسار الإشارة هو في الأساس انخفاض كثافة قدرة الموجة أو الإشارة الكهرومغناطيسية أثناء انتشارها عبر البيئة التي تنتقل فيها حيث يؤثر على جميع الاتصالات اللاسلكية وأنظمة البث، وهناك العديد من الأسباب التي قد تؤدي إلى فقدان المسار الراديوي:

1. فقدان المساحة الحرة – Free space loss:

يحدث فقدان المساحة الحرة عندما تنتقل الإشارة عبر الفضاء دون أي تأثيرات أخرى تخفف من الإشارة التي تبقى تتضاءل مع انتشارها، كما يمكن اعتباره بأنّه إشارة اتصالات الراديو تنتشر كمجال متزايد باستمرار، ونظراً لأنّ الإشارة يجب أن تغطي مساحة أكبر حيث يخبرنا الحفاظ على الطاقة أنّ الطاقة في أي منطقة معينة ستنخفض مع زيادة المساحة المغطاة.

2. الانعراج – Diffraction:

تحدث خسارة مسار الإشارة الراديوية بسبب الانعراج عندما يظهر كائن في المسار، كما يمكن أن تنحرف الإشارة حول الكائن وتحدث خسائر حيث تكون الخسارة أعلى كلما زاد تقريب الكائن، كما تميل إشارات الراديو إلى الانحراف بشكل أفضل حول الحواف الحادة أي الحواف الحادة بالنسبة لطول الموجة.

3. أسباب متعددة – Multipath:

تنعكس الإشارات وستصل إلى المستقبل عبر عدد من المسارات المختلفة، كما قد تضيف هذه الإشارات أو تطرح من بعضها البعض اعتماداً على المراحل النسبية للإشارات، وإذا تم نقل جهاز الاستقبال فسيتغير السيناريو وسيتم العثور على الإشارة المستلمة الإجمالية باختلاف الموضع، كما ستخضع أجهزة الاستقبال المحمولة مثل هواتف الاتصالات الخلوية لهذا التأثير المعروف باسم تلاشي رايلي.

4. خسائر الامتصاص – Absorption losses:

تحدث خسائر الامتصاص إذا مرت إشارة الراديو إلى وسط لا يتسم بالشفافية الكاملة للإشارات الراديوية حيث هناك العديد من الأسباب لذلك منها:

1. المباني والجدران – Buildings and walls:

عندما تمر إشارات الراديو عبر مواد كثيفة مثل الجدران أو المباني أو حتى الأثاث داخل المبنى، فإنّها تعاني من الضعف، كما إنّه قابل للتطبيق بشكل خاص على الاتصالات الخلوية، أمّا في المباني والمنازل وما إلى ذلك تقل الإشارات بشكل كبير حيث يكون توهين الإشارة الراديوية أكثر وضوحاً للنطاقات المتنقلة ذات التردد العالي، فعلى سبيل المثال (2.2 جيجا هرتز) مقابل (800/900 ميجا هرتز).

2. رطوبة الغلاف الجوي – Atmospheric moisture:

في ترددات الموجات الصغرية العالية، يزداد فقدان المسار اللاسلكي نتيجة لهطول الأمطار أو حتى الرطوبة في الهواء، كما قد يختلف فقدان مسار إشارة الراديو وفقاً لظروف الطقس ولكن هذا عادةً ما يكون له تأثير ملحوظ فقط في منطقة الميكروويف.

3. الغطاء النباتي – Vegetation:

في الغابة الكثيفة، وجد أنّ الإشارات حتى عند الترددات المنخفضة تنخفض بشكل كبير حيث يوضح أنّ الغطاء النباتي يمكن أن يؤدي إلى مستويات كبيرة من فقدان المسير الراديوي، كما يمكن للأشجار وأوراق الشجر أن تخفف من إشارات الراديو، خاصةً عندما تكون رطبة.

5. التضاريس – Terrain:

التضاريس التي تنتقل فيها الإشارات سيكون لها تأثير كبير على الإشارة حيث أنّ التلال التي تسد المسار ستضعف الإشارة إلى حد كبير، ممّا يجعل الاستقبال مستحيلاً في كثير من الأحيان، أمّا عند الترددات المنخفضة سيكون لتكوين الأرض تأثير ملحوظ، فعلى سبيل المثال في نطاق الموجة الطويلة وجد أنّ الإشارات تنتقل بشكل أفضل عبر التضاريس الأكثر توصيلاً، وعلى سبيل المثال الممرات البحرية أو فوق المناطق المستنقعية أو الرطبة حيث تعطي الأراضي الرملية الجافة مستويات أعلى من التوهين.

6. الغلاف الجوي – Atmosphere:

يمكن أن يؤثر الغلاف الجوي على مسارات إشارات الراديو.

1. الأيونوسفير – Ionosphere:

عند الترددات المنخفضة، خاصةً التي تقل عن (30 – 50 ميجاهرتز) يكون للأيونوسفير تأثير كبير حيث يعكس أو ينكسر إلى الأرض، ومع ذلك عند المرور عبر بعض المناطق وخاصة المنطقة (D) وبدرجة أقل المنطقة (E)، كما يمكن أن تعاني الإشارات من التوهين بدلاً من الانعكاس أو الانكسار ويمكن أن يؤدي ذلك إلى خسارة كبيرة في المسير الراديوي.

2. التروبوسفير – Troposphere:

عند الترددات التي تزيد عن (50 ميغا هرتز) وأكثر، يكون لطبقة التروبوسفير تأثير كبير حيث تنكسر الإشارات إلى الأرض نتيجة لتغير معامل الانكسار، أمّا بالنسبة للبث (UHF) يمكن أن يمتد هذا التغطية إلى ما يقرب من الثلث وراء الأفق، وقد يعني الانكسار أحياناً أنّ الإشارة التي تصل عادةً إلى منطقة معينة قد تنكسر بعيداً عنها.

تقنيات توقع خسارة المسار الراديوي:

1. الطرق الإحصائية – Statistical methods:

تعتمد الطرق الإحصائية للتنبؤ بخسارة مسار الإشارة على الخسائر المقاسة والمتوسط ​​لأنواع نمطية من الوصلات الراديوية حيث يتم إدخال هذه الأرقام في نموذج التنبؤ القادر على حساب الأرقام بناءً على البيانات، كما يمكن استخدام مجموعة متنوعة من النماذج حسب التطبيق حيث يستخدم هذا النوع من النهج عادة لتخطيط الشبكات الخلوية وتقدير تغطية وصلات راديو متنقل خاص (PMR) ولتخطيط تغطية البث.

2. النهج الحتمي – Deterministic approach:

يُعد هذا النهج المستخدم لتنبؤ بخسارة مسار الإشارة الراديوية والتغطية القوانين الفيزيائية الأساسية كأساس للحسابات حيث يجب أن تأخذ هذه الأساليب في الاعتبار جميع العناصر داخل منطقة معينة، وعلى الرغم من أنّها تميل إلى تقديم نتائج أكثر دقة إلّا أنّها تتطلب الكثير من البيانات الإضافية والقوة الحسابية، ونظراً لتعقيدها فإنّها تميل إلى استخدامها للروابط قصيرة المدى حيث يقع مقدار البيانات المطلوبة ضمن الحدود المقبولة.