انتشار الموجة الفضائية Space Wave Propagation

يُعد انتشار الموجات الفضائية هو نوع انتشار الموجات الراديوية التي تنتشر فيها الموجات الراديوية إمّا مباشرةً من هوائي الإرسال إلى هوائي الاستقبال أو عن طريق الانعكاس من الأرض، وبشكل أساسي في انتشار الموجات الفضائية، يتم تحقيق الإرسال المباشر للإشارة عن طريق اتصال خط البصر.

ما هو انتشار الموجة الفضائية Space Wave Propagation؟

انتشار الموجات الفضائية “Space Wave Propagation”: هو انتشار للموجات الراديوية التي تحدث ضمن مسافة “20 كم” من الغلاف الجوي، أي طبقة التروبوسفير، وتتألف من موجات مباشرة ومنعكسة كما تُعرف هذه الموجات أيضاً باسم انتشار التروبوسفير؛ لأنّها يمكن أن تنتقل مباشرة من سطح الأرض إلى سطح التروبوسفير للأرض، ويُعرف أيضاً باسم انتشار خط البصر، حيث يتم إرسال الإشارات في خط مستقيم من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال.

يتم إرسال الإشارة بين المرسل والمستقبل في منطقة التروبوسفير من الغلاف الجوي، وبالتالي يُشار أحياناً إلى انتشار الموجة الفضائية باسم انتشار الموجات التروبوسفيرية، كما يسمح هذا النوع من انتشار الموجات الراديوية بإرسال إشارات ذات نطاق ترددات كبير جداً، وعادةً يسمح بنقل الإشارات التي يزيد ترددها عن “30 ميجاهرتز”.

أسباب استخدام انتشار موجة الفضاء:

في الأساس اعتمد انتشار الموجات مساحة للتغلب على عيوب المرتبطة انتشار الموجات الأرضيةوموجات السماء، كما أنّ انتشار الموجة الأرضية يؤدي إلى توهين الإشارة بسبب التعادل، وبالتالي فإنّ تردد الإشارة المراد إرسالها يبقى منخفضاً، وأيضاً حتى لا يكون هناك الكثير من توهين الإشارة، تبقى مسافة الانتشار صغيرة، ومع ذلك يسمح انتشار الموجة الأيونوسفيرية بإرسال إشارات بتردد أكبر نسبياً من انتشار الموجة الأرضية مع توهين أقل.

ولكن حتى انتشار الموجة الأيونوسفيرية يفشل عندما تكون هناك حاجة لإرسال إشارات عالية التردد للغاية، وهذا لأنّه في انتشار الموجة الأيونوسفيرية تكون الإشارات تنتقل من خلال انعكاسها من طبقة الأيونوسفير، ولكن بعد هذا النطاق المحدد من التردد وعلى الرغم من خضوعها للانعكاس، تخترق الإشارة الغلاف الجوي، وبالتالي تضيع دون الحصول عليها في الوجهة.

لذلك، يتم استخدام انتشار الموجة الفضائية لنشر إشارات عالية التردد من خلال السماح بالاتصال المباشر بين هوائي الإرسال والاستقبال، حيث في حالة انتشار الموجات الفضائية، تنتشر الإشارة دون أن تنعكس من طبقة الأيونوسفير من طرف إلى آخر في نطاق خط الرؤية، كما أنّ اتصال خط البصر “LOS” يتحقق بين نقطتين خالية من العوائق، كما يتطلب إرسال إشارة عالية التردد اتصال “LOS”، لذلك تكون العلاقة الأساسية بين “f” و” λ” تُعطى على النحو التالي:

F = C / λ

حيث أنّ التردد والطول الموجي يتناسبان عكسياً مع بعضهما البعض، وبالتالي كلما زاد التردد كلما كان الطول الموجي أصغر، ولا يمكن للموجة الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي الصغير أن تخترق بسهولة العائق الموجود في المسار، وبالتالي نظراً لنطاق التردد الذي ينطوي عليه انتشار الموجات الفضائية، فإنّ اتصال “LOS” ضروري، كما أنّ نطاق انتشار الإشارة من طبقة التروبوسفير مقيد بانحناء الأرض.

• “LOS” هي اختصار لـ “Line of sight”.

أساسيات انتشار الموجة الفضائية:

في انتشار الموجات الفضائية، تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية عند وجود مسار اتصال مباشر بين المرسل والمستقبل، وفي بعض الأحيان تنتقل الموجات عن طريق الانعكاس من الأرض، كما تُعرف موجات الراديو ذات الترددات العالية جداً بموجات الفضاء، حيث يسمح التروبوسفير بانتشار مثل هذه الموجات.

يمتد التروبوسفير من “10 كم” إلى “20 كم” فوق سطح الأرض، وهكذا يحدث انتشار الموجات الفضائية في منطقة تبلغ حوالي “20 كيلومتراً” في منطقة الغلاف الجوي، كما تُسمى أحياناً خط الاتصال البصري وذلك لأنّ مثل هذه الموجات عالية التردد تتطلب مسيراً مباشراً للانتشار، كما يمثل الشكل التالي انتقال الموجات الفضائية:

يتم وضع هوائيات الإرسال والاستقبال في نطاق، حيث يوجد الاثنان على مسافة مرئية فيما يتعلق ببعضهما البعض، لذلك في هذه الحالة يتم استقبال الإشارة المنبعثة من هوائي الإرسال مباشرة بواسطة هوائي الاستقبال في حالة عدم وجود أي عائق في المنطقة الموجودة بين الهوائيين، وذلك لأنّ الأطوال الموجية الصغيرة للغاية ستعاني من ضعف في وجود عائق في مسار الانتشار.

لكن هناك عيب في حالة انتشار الموجة الفضائية، وهي كيفية تحديد نطاق إرسال الإشارة وكيف يمكن اكتشاف النطاق الذي يجب فصل الاثنين عنده أثناء التثبيت على سطح الأرض، لذلك يرتبط نطاق إرسال الإشارة بارتفاع الهوائيات المعنية، وللحصول على خط رؤية مناسب للانتشار فوق سطح الأرض، يجب أن يكون اتجاه الهوائيات بحيث لا يجب أن تتفاعل الموجة المنتشرة مع انحناء الأرض.

ومع ذلك، بالنسبة للهوائيات منخفضة الارتفاع للغاية، تنعكس الأمواج على الأرض في ظل ظروف معينة والموجة المنعكسة يستقبلها الهوائي في الطرف الآخر، لذلك للحصول على اتصال “LOS” مباشر بين الهوائيين، يجب وضع وحدتي الهوائي في الاتجاه الصحيح على الأرض.

كشف المدى في انتشار الموجات الفضائية:

في هوائي إرسال واحد بارتفاع “h t”، ينشر الإشارة إلى مدى معين على الأرض.

فمثلاً إذا كان “x” يحدد النطاق بين هوائيات الإرسال ومركز الأرض عند الانحناء، حيث يتم استقبال الإشارة و”R” هو نصف قطر انحناء الأرض، كما سنطبق نظرية فيثاغورس في المثلث أعلاه، لذلك سيكون:

² (R + h t ) =  x ² + R ²

R ² + 2 R h t  + h t ² = X² + R ²

حيث أنّ ارتفاع الهوائي أقل مقارنة بنصف قطر الأرض، لذلك يمكن إهمال “h t ²” من المعادلة أعلاه ولذلك لمزيد من التبسيط، يمكننا أن نحصل على:

2R h t = x ²

x = √ 2 R h t

لذلك، يمكن أن يكون نطاق إرسال الإشارة يظهر اعتماداً على ارتفاع الهوائي الذي يرسل الإشارة وبالتالي يمكن استنتاج أنّه إذا كان مدى الانتشار معروفاً، فيمكن عندئذٍ تحديد الارتفاع المقابل لهوائي الإرسال، وباستخدام العلاقة:

2R h t = x ²

h t = x² / 2 R

كما أنّ الإشارة المرسلة يجب أن يتم استقبالها بواسطة هوائي آخر على الأرض، لذا فإنّ ما يجب أن يكون لارتفاع هوائي الاستقبال من أجل الحصول على اتصال “LOS”، ولذلك ، ضع في الشكل التالي:

هنا يتم وضع هوائيين على سطح الأرض، واجعل ارتفاع هوائيات الإرسال والاستقبال “h t” و”h r” على التوالي، كما أنّ المدى من نقطة مشتركة على الانحناء إلى هوائي الإرسال والاستقبال هو “x t” و”x r” ثم بشكل فردي سيكون لدينا:

x t = √ 2 R h t

x r = √ 2 R h r

لذلك، عند الجمع بين المعادلتين السابقتين، سيكون لدينا النطاق المسموح به بين هوائيين لاتصالات “LOS”، ولذلك فإنّ:

x r + x t = √ 2 R h t + √ 2 R h r

وبعد ذلك، فإنّ هذه المعادلة توفر النطاق الذي يسمح بالاتصال “LOS” لارتفاعي الهوائيات، أمّا في حالة انتشار الموجات الفضائية لنطاق واسع للغاية من انتشار الإشارة، يجب وضع هوائيات متعددة في الهندسة على مسافات محددة بطريقة تسمح لكل هوائي بالاتصال “LOS” مع الهوائيات المجاورة له، كما أنّ الصيغة العامة للمساحة معطاة بالصيغة “πr 2″، منذ هنا النطاق هو “2 ساعة”، وبعد لك فإنّ المنطقة من حيث المساحة التي يغطيها هوائي الإرسال تُعطى على النحو التالي:

A = π 2 h t R

وعند إهمال “π”، يكون:

A = 2 h t R

كما أنّ مساحة الهوائي وارتفاعه يتناسبان طردياً مع بعضهما البعض، وبالتالي كلما زاد ارتفاع الهوائي زادت المساحة التي يغطيها.

تطبيقات انتشار الموجات الفضائية:

نظراً لأنّ هذا النوع من الانتشار يسمح بتشغيل تردد كبير، وبالتالي يجد تطبيقات في اتصالات الأقمار الصناعيةوالرادار، وما إلى ذلك إلى جانب تطبيقات ربط الميكروويف.