انعكاس وانكسار وحيود موجات الراديو

من الممكن أن تنعكس موجات الراديو بنفس طريقة انعكاس موجات الضوء، ونظراً لأنّ كل من موجات الضوء والراديو هي أشكال من الموجات الكهرومغناطيسية فهما يخضعان لنفس القوانين والمبادئ الأساسية، كما يمكن أن تنكسر موجات الراديو بنفس طريقة انكسار موجات الضوء، ويمكن أن تنحرف إشارات الراديو عندما تنتقل عبر الزوايا الحادة.

انعكاس موجة الراديو – Radio wave reflection:

عندما تواجه موجة راديوية أي موجة كهرومغناطيسية تغيراً في الوسيط، قد ينتشر بعضها أو كلها في الوسط الجديد وينعكس الباقي حيث يسمى الجزء الذي يدخل الوسط الجديد بالموجة المرسلة والآخر بالموجة المنعكسة.

تنتقل موجات الراديو دائماً عبر الفضاء في خط مستقيم، حيث يُعد هناك نوعان من الاستثناءات أحدهما هو أنّ موجات الراديو يتم سحبها وتدور قليلاً بسبب الجاذبية عندما تمر بكتل كبيرة، أمّا الاستثناء الآخر هو أنّ موجات الراديو يمكن أن تنعكس بواسطة مواد معينة، مثل الطريقة التي ينعكس بها الضوء بواسطة المرآة، ودائماً ما تكون الزاوية التي تنعكس فيها الموجة الراديوية من سطح معدني أملس وتسمى أيضاً زاوية الانعكاس مساوية للزاوية التي تقترب بها من السطح التي تسمى زاوية السقوط.

الوسط العاكس لموجات الراديو:

توفر الوسائط الموصلة الأسطح المثلى لعكس موجات الراديو، كما توفر الأسطح المعدنية ومناطق التوصيل الأخرى أفضل الانعكاسات، ومن الملاحظ أنّه بالنسبة للانتشار الأيوني عالي التردد عندما تعود الإشارات إلى الأرض وتعكس مرة أخرى على سطح الأرض، حيث توفر مناطق التوصيل الجيد أفضل الانعكاسات، كما تعطي المناطق الصحراوية إشارات انعكاسية ضعيفة، لكن البحر أفضل بكثير والاختلافات ملحوظة للغاية على الرغم من الاختلافات في طبقة الأيونوسفير ومسار الانتشار الكلي.

الانعكاس المتعدد في موجات الراديو:

في مسارات الإرسال الحقيقية، غالباً ما تنعكس موجات الراديو على مجموعة متنوعة من الأسطح المختلفة، وعلى الرغم من أنّ الانعكاسات الأيونوسفيرية ناتجة بالفعل عن الانكسار إلّا أنّه غالباً ما يمكن اعتبارها انعكاسات، أمّا بالنسبة لإشارات المدى الأقصر مثل الهاتف المحمول أو اتصالات (VHF / UHF) فإنّ الإشارات تخضع للعديد من الانعكاسات، حيث تؤدي هذه الانعكاسات المتعددة إلى وصول الإشارة إلى المُستقبل عبر عدة مسارات، وعادةً ما تؤدي انعكاسات الموجات الراديوية إلى تأثيرات متعددة المسيرات.

تؤدي الانعكاسات المتعددة والتأثيرات المتعددة المسيرات إلى تشويه الإشارة والخبو، أمّا عندما تصل إشارة عبر مسارين يكون أحدهما أطول من الآخر وسيستغرق وقتاً أطول للوصول من الآخر، كما يمكن أن يعني أنّ الإشارات إمّا تضاف معاً إذا كانت في طور أو أنّها تميل إلى إلغاء بعضها البعض، حيث ينتج عن هذا تلاشي أي تحركات للتغييرات أو نقاط ميتة في مناطق معينة إذا تم إصلاح الأسطح العاكسة.

يمكن أن تؤدي التأخيرات في بعض مسارات الإشارة إلى تشويه التشكيل، أمّا بالنسبة إلى الصوت فإنّه يمكن أن تبدو الإشارة مشوهة حرفياً اعتماداً على نوع التعديل المستخدم أي تعديل التردد، كما يمكن أن يصبح الصوت معطلاً للغاية عند استقبال إشارات متعددة، وبالنسبة للإشارات الرقمية يمكن أن يؤدي ذلك إلى تلف البيانات حيث قد تتأخر البيانات من أحد المسارين مقارنةً بالمسار الآخر وعدم قدرة جهاز الاستقبال على التمييز بين بداية وتوقف بتات البيانات.

انكسار موجات الراديو – Radio Wave Refraction:

بنفس الطريقة التي تنكسر بها موجات الضوء، يمكن أن تتعرض موجات الراديو للانكسار، حيث تحدث الحالة الكلاسيكية للانكسار عند حدود وسيطين، وعند الحدود ستنعكس بعض الموجات الكهرومغناطيسية وسيدخل البعض إلى الوسط الجديد وينكسر.

يمكن توضيح ذلك بشكل أفضل من خلال وضع عصا مستقيمة عبر سطح بركة ثابتة، حيث يمكن رؤية كل من الانعكاس والموجات المنكسرة حيث يتبع انكسار الموجة الراديوية نفس التأثيرات تماماً كما يحدث للضوء.

تغييرات تدريجية في معامل الانكسار:

بدلاً من الحد المفاجئ لوسائط مختلفة، غالباً ما تنكسر موجات الراديو في المناطق التي يتغير فيها معامل الانكسار تدريجياً، وقد يحدث هذا عندما تنتشر موجات الراديو عبر الغلاف الجوي، حيث تحدث تغييرات طفيفة في معامل الانكسار، أمّا عادةً ما وجد أنّ معامل انكسار الهواء أعلى بالقرب من سطح الأرض وينخفض ​​قليلاً مع الارتفاع، وفي هذه الحالة تنكسر موجات الراديو باتجاه منطقة ذات معامل انكسار أعلى وهذا يوسع النطاق الذي يمكنهم السفر خلاله.

انكسار موجات الراديو في المناطق المتأينة:

تنكسر الموجات الراديوية في مناطق التأين مثل الأيونوسفير، حيث أنّ الأيونوسفير هي منطقة في الغلاف الجوي العلوي حيث يوجد تركيز كبير من الأيونات والإلكترونات الحرة، وذلك في المقام الأول نتيجة لتأثير إشعاع الشمس على الروافد العليا للغلاف الجوي.

يتم تحفيز الإلكترونات الموجودة في طبقة الأيونوسفير بواسطة موجات الراديو ويتم تحريكها نتيجة لذلك تميل إلى إعادة إشعاع الإشارة، ونظراً لأنّ الإشارة تنتقل في منطقة تزداد فيها كثافة الإلكترونات فكلما تقدمت في المنطقة تنكسر الإشارة بعيداً عن منطقة كثافة الإلكترون الأعلى، أمّا في حالة الإشارات التي تقل عن (30 ميغا هرتز) غالباً ما يكون هذا الانكسار كافياً لثنيها مرة أخرى إلى الأرض، حيث يبدو أنّ المنطقة تعكس الإشارة.

الميل لهذا الانعكاس يعتمد على التردد وزاوية السقوط، ومع زيادة التردد وجد أنّ مقدار الانكسار يتناقص حتى يتم الوصول إلى التردد حيث تمر الإشارات عبر المنطقة ثم إلى المنطقة التالية، وفي النهاية يتم الوصول إلى نقطة حيث تمر الإشارة عبر الطبقة (E) إلى الطبقة التالية فوقها، كما تتغير حالة الأيونوسفير باستمرار وبالتالي فإنّ درجات الانكسار التي يتم مواجهتها ستتغير باستمرار.

حيود موجة الراديو – Radio Wave Diffraction:

تميل الموجة الراديوية التي تواجه عائقاً بشكل طبيعي إلى الانحناء حول العائق كالانحناء الذي يسمى الانعراج حيث ينتج عنه تغيير في اتجاه جزء من طاقة الموجة من مسار خط البصر الطبيعي.

هذا التغيير يجعل من الممكن تلقي الطاقة حول حواف العائق أو على مسافات أقل من أعلى نقطة في العائق، وعلى الرغم من أنّ طاقة التردد الراديوي المنعرجة عادة ما تكون ضعيفة إلّا أنّه لا يزال من الممكن اكتشافها بواسطة جهاز استقبال مناسب، كما يمتد التأثير الرئيسي للانعراج النطاق الراديوي إلى ما بعد الأفق المرئي، وفي بعض الحالات باستخدام طاقة عالية وترددات منخفضة جداً يمكن عمل موجات الراديو لتطويق الأرض عن طريق الانعراج.

نظراً لأنّ موجات الراديو تخضع للانحراف، فهذا يعني أنّه يمكن استقبال إشارة من جهاز إرسال من جهاز إرسال على الرغم من أنّه قد يكون مظللاً بجسم كبير بينهما، ومن الضروري إلقاء نظرة على مبدأ (Huygen) كما ينص هذا على أنّه “يمكن اعتبار كل نقطة على مقدمة موجة كروية مصدراً لجبهة موجة ثانوية”.

على الرغم من وجود منطقة ظل خلف العائق مباشرةً، فإنّ الإشارة ستنحرف حول العائق وتبدأ في ملء الفراغ، كما وجد أنّ الانعراج يكون أكثر وضوحاً عندما يصبح العائق أكثر حدة ويشبه حافة السكين، أمّا بالنسبة للإشارة الراديوية فإنّه يعتمد تعريف حافة السكين على التردد ومن ثم الطول الموجي للإشارة.

بالنسبة للإشارات ذات التردد المنخفض فقد توفر سلسلة التلال الجبلية حافة حادة بدرجة كافية، حيث لن ينتج عن التل الأكثر تقريباً مثل هذا التأثير الملحوظ، كما وجد أنّ إشارات التردد المنخفض تنحرف بشكل ملحوظ أكثر من الإشارات ذات التردد العالي، ولهذا السبب فإنّ الإشارات الموجودة على نطاق الموجة الطويلة قادرة على توفير التغطية حتى في التضاريس الجبلية، حيث لا يمكن للإشارات على الموجات المترية (VHF) وما فوقها.

قد يكون التأثير مهماً أيضاً للإشارات عالية التردد حيث قد تحتوي قطع الأثاث في المنزل على حافة حادة بما يكفي لتمكين رؤية الانعراج، وقد يوفر هذا تغطية أفضل قليلاً لعناصر مثل الهواتف المحمولة أو لأنظمة (Wi-Fi).

التطبيق المتزايد للأغراض الراديوية المختلفة للموجات الكهربائية فائقة القصر التي تقل عن 10 أمتار، وفي طول الموجة قد أعطى حافزاً جديداً لمشكلة حساب شدة المجال على مسافات من المرسل بحيث يكون تأثير الأيونوسفير ضئيلاً، كما تم تقديم حل مشكلة حيود الموجات الكهربائية حول الأرض لأول مرة على أساس سليم من قبل (GN Watson) في عام 1918م، ولكن هذا التحليل تضمن افتراضات في حين أنّها صالحة تماماً للموجات الطويلة والمتوسطة المستخدمة في الاتصالات اللاسلكية حيث لا يمكن تبريرها للموجات فائقة القصر.

على سبيل المثال، عند الأطوال الموجية الطويلة قد يُفترض أنّ موصلية الأرض كبيرة بلا حدود للأغراض التحليلية ولكن نظراً لانخفاض طول الموجة من خلال 10 أمتار وتحت أقل، فإنّ القيمة الفعلية للتوصيل وكذلك ثابت العزل الكهربائي لـ التربة التي تنتشر فوقها الموجات لها تأثير مهم على شدة المجال على مسافة من المصدر، وعلاوة على ذلك لم يعد يُفترض أنّ ارتفاع جهاز الاستقبال فوق سطح الأرض يمثل جزءاً صغيراً من الطول الموجي، عندما يكون الأخير متراً أو مترين فقط.