خصائص انتشار موجة السماء في الاتصالات Sky Wave Propagation

يتراوح مدى التردد المسموح به في حالة انتشار موجة السماء بين “3 ميجاهرتز” إلى “30 ميجاهرتز” حيث تنعكس الموجات الكهرومغناطيسية في النطاق من “3 ميجاهرتز” إلى “30 ميجاهرتز” بواسطة طبقة الأيونوسفير، ومع ذلك يتم اختراق الإشارات التي يزيد ترددها عن “30 ميجاهرتز” على الرغم من الانعكاس، لذلك فإنّ انتشار الموجة الأيونوسفيرية مناسب فقط لهذا النطاق المعين من التردد.

ما هو انتشار موجة السماء في  الاتصالات Sky Wave Propagation؟

انتشار موجة السماء في  الاتصالات “Sky Wave Propagation”: هو نوع من اتصالات الموجات الراديوية التي تنتشر فيها الموجة الكهرومغناطيسية بسبب آلية الانعكاس لطبقة الغلاف الأيوني في الغلاف الجوي، وبسبب الانتشار عبر الأيونوسفير يُعرف أيضاً باسم انتشار الموجات الأيونوسفيرية.

أسباب استخدام انتشار موجة السماء في  الاتصالات:

إنّ انتشار الموجة الأرضية تنتشر فيه الموجة الكهرومغناطيسية عبر سطح الأرض، كما أنّ انتشار الموجة الأرضية مناسب عادةً لإرسال الإشارات الكهرومغناطيسية منخفضة التردد، وعادةً ما يصل إلى “2 ميجاهرتز” أو “3 ميجاهرتز، ومن العيوب الرئيسية الأخرى المرتبطة بانتشار الموجة الأرضية أنّها مناسبة فقط للتشغيل قصير المدى، وذلك لأنّ الموجة المستحثة في انتشار الموجة الأرضية تسبب توهيناً للإشارة المنتشرة.

لذلك، من أجل إرسال الإشارة بأقل توهين، يُفضل أن يتم إرسال الإشارة إلى نطاقات قصيرة فقط في حالة انتشار الموجة الأرضية، لذا فإنّ هذه العوامل اثنين، هما التردد المنخفض لنقل الإشارات والانتشار عن مسافة قصيرة هما العيوب الرئيسية المرتبطة انتشار الموجات الأرضية، وللتغلب على هذين العيبين يتم استخدام انتشار الموجة الأيونوسفيرية.

يسمح بانتشار الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد العالي من طرف إلى آخر على مسافة أكبر من انتشار الموجة الأرضية، كما يتم ذلك من خلال انعكاسات الموجة القادمة من طبقة الأيونوسفير، وبالتالي يشار إليه أحياناً باسم انتشار الموجات الأيونوسفيرية، كما أنّ الأيونوسفير موجود في منطقة الغلاف الجوي العلوي ويتكون من طبقات متأينة.

بشكل عام يتكون الأيونوسفير من “4 طبقات” مختلفة وهي “D” و”E” و”F 1″ و”F 2″، كما توجد هذه الطبقات على ارتفاعات مختلفة من سطح الأرض، وإنّ الأيونوسفير يمتد من “60 كيلومتر” إلى “400 كيلومتر” من سطح الأرض، كما يمثل الشكل التالي هيكل الأيونوسفير:

تحتوي كل طبقة على تركيز مختلف من الذرات بحيث تحتوي الطبقة المتأينة الموجودة بالقرب من سطح الأرض على أكبر عدد من الذرات المحايدة، بينما تحتوي الطبقة الوسطى على تركيز معتدل وتتكون الطبقة الخارجية من عدد أقل من الذرات المحايدة، كما يتضح من الشكل أعلاه أنّ الطبقة “D” موجودة على ارتفاع يتراوح بين “50 كم” و”90 كم” فوق سطح الأرض، بينما توجد “E” و”F 1″ و”F 2″ على ارتفاع “90 كم” إلى “140 كم” و”150 كم” إلى “250 كم” و”250 كم” إلى “400 كم” على التوالي فوق سطح الأرض.

أساسيات انتشار موجة السماء في الاتصالات:

إنّ الموجات الكهرومغناطيسية تنتشر عبر منطقة الغلاف المتأين لكي تنتقل عبر مسافات أكبر، كما أنّ الأيونوسفير يتكون من “4 طبقات” مختلفة وكل طبقة تتكون من عدد مختلف من الذرات، حيث تحتوي الطبقة الخارجية على أقل عدد من الذرات بينما تكون الطبقة الأعمق من الأيونوسفير شديدة الكثافة والسبب في ذلك هو أنّ الغلاف الجوي للأرض يكون أكثر كثافة تجاه سطحه ويصبح أكثر ندرة عند التقدم لأعلى.

كما أنّ الشمس تبعث أشعة كونية قوية، لذلك نظراً لقلة عدد الذرات المحايدة في الطبقة الخارجية تخترق معظم الأشعة الكونية السطح الداخلي للغلاف الجوي دون حتى التفاعل مع الذرات الموجودة هناك، ومع ذلك نظراً لأنّ الطبقة الداخلية أكثر كثافة قليلاً من الطبقة الخارجية، فإنّ التفاعل بين الأشعة الكونية والذرات يحدث هنا.

وعلاوةً على ذلك، فإنّ هذا التفاعل بين الأشعة الكونية والذرات يزداد بشكل كبير في الطبقة “E” من الأيونوسفير، حيث تحتوي هذه الطبقة على عدد أكبر من الذرات، ومع ذلك عند اختراق هذا المستوى داخل الغلاف الجوي للأرض، تقل شدة الأشعة الكونية إلى حد كبير، ومن ثم يتفاعل عدد قليل جداً من الأشعة الكونية مع الطبقة الأعمق من طبقة الأيونوسفير على الرغم من أنّ هذه الطبقة أكثر كثافة من الطبقات الأخرى، كما يظهر هذا بوضوح في الشكل الموضح التالي:

لذلك، عندما تتفاعل الأشعة الكونية مع الذرات الموجودة في طبقات الغلاف الأيوني، تنبعث الإلكترونات من غلاف التكافؤ للذرة، وهكذا يحدث التأين، وبما أنّ التفاعل يكون أعلى في حالة الطبقات الوسطى من الغلاف الجوي، فإنّ التأين سيكون أعلى في تلك الطبقة نفسها، وبالتالي فإنّه يحتوي على أكبر عدد ممكن من الجسيمات المشحونة، وكلما تم إرسال إشارة كهرومغناطيسية من هوائي، فإنّها تعاني من انعكاس من طبقة الأيونوسفير وتعود إلى سطح الأرض ويستقبلها هوائي الاستقبال.

إنّ الموجات الكهرومغناطيسية تتكون من مجالات كهربائية ومغناطيسية، وأيضاً للجسيمات المشحونة الموجودة في طبقات الأيونوسفير مجالها الكهربائي الخاص، لذلك عندما يُسمح بنشر “EMW” عبر الغلاف الجوي للأرض، يتفاعل مجال “EMW” والجسيمات المشحونة مع بعضها البعض، وهذا يؤدي إلى انعكاس الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة الغلاف الجوي.

كما أنّ “TIR” يحدث في الغلاف الجوي، حيث أنّه عندما ينتشر الضوء من وسط كثيف إلى أكثر ندرة بزاوية مساوية أو أكبر من الزاوية الحرجة، فإنّه ينعكس مرة أخرى باتجاه نفس الوسط، كمت يشار إلى هذا باسم انعكاس داخلي إجمالي ، وبطريقة مماثلة عندما ينقل هوائي الإرسال الموجة الكهرومغناطيسية بزاوية معينة أي تساوي أو أكبر من الزاوية الحرجة، وبعد ذلك بسبب التأين على الغلاف الجوي للأرض فإنّها تنعكس مرة أخرى باتجاه سطح الأرض، حيث يؤدي هذا إلى استقبال الإشارات المنعكسة بواسطة هوائي الاستقبال.

كما أنّ المجال في طبقة الغلاف الجوي يجب أن يكون كبيراً بما يكفي للسماح بانعكاس الموجات الكهرومغناطيسية خلاله، وهذا لأنّه قد يكون من الممكن ألّا تنعكس الموجة عالية التردد في المنطقة السفلية من الأيونوسفير، ومع ذلك مع الحركة الصعودية حتى الموجة عالية التردد ستنعكس بسبب درجة التأين الأعلى، لذلك يمكن أن تكون الموجة منخفضة التردد تنعكس على الطبقة السفلية والموجة عالية التردد تنعكس على الطبقة العليا.

ولكن بعد تردد معين مسموح به وبشكل عام “30 ميجاهرتز”، تخترق الموجة على الرغم من انعكاسها منطقة الغلاف الجوي وتضيع، ومن ثم فإنّ انتشار الموجة الأيونوسفيرية مناسب لمدى التردد من “3 ميجاهرتز” إلى “30 ميجا هرتز”، ولكن بالنسبة لتردد الإشارة الذي يزيد عن “30 ميجاهرتز”، يتم استخدام انتشار الموجة الفضائية، كما يُعطى التردد الحرج في حالة انتشار الموجة الأيونوسفيرية على النحو التالي:

Fc = 9 √ N max

كما أنّ التردد والطول الموجي يتناسبان عكسياً مع بعضهما البعض، وأنّ التردد المنخفض سيكون طول الموجة، كما أنّ الإشارة ذات الطول الموجي المنخفض تنتشر لمسافة أعلى، وبالتالي يمكن إرسال إشارة انتشار الموجة الأيونوسفيرية إلى مسافة أكبر، وبهذه الطريقة يزيل انتشار الموجة الأيونوسفيرية العيوب المرتبطة بانتشار الموجة الأرضية.

عامل مهم لانتشار الموجات الأيونوسفيرية هو مسافة التخطي، وتعرف مسافة التخطي بأنّها الحد الأدنى للمسافة على سطح الأرض من حيث يتم إرسال الإشارة واستقبال الإشارة المنعكسة من الأيونوسفير كما تعطى من قبل:

D skip = 2 h √ ((f MUF ²/ f c) – 1)

حيث أنّ “h” تشير إلى الارتفاع الذي حدث فيه الانعكاس، وتمثل “f MUF” الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام، كما تشير “f c” إلى التردد الحرج، وأمّا “D skip” هو مسافة التخطي.

ملاحظة:“EMW” هي اختصار لـ “Electromagnetic Wave” و”TIR” هي اختصار لـ “Total internal reflection”.

مزايا انتشار الموجات السماء:

• إنّه يدعم انتشار المسافات الكبيرة.

• يُعد مدى التردد من العملية هو إلى حد كبير ارتفاع.

• التوهين بسبب الظروف الجوية أقل.

عيوب انتشار الموجة السماء:

• يتطلب الانتشار لمسافات طويلة هوائيات كبيرة الحجم.

• نظراً لوجود طبقة الأيونوسفير بالقرب والبعيد أثناء الليل والنهار على التوالي، هناك اختلاف في إرسال الإشارات في النهار والليل.

تطبيقات Sky Wave Propagation:

يتم استخدام انتشار الموجة السماوية على نطاق واسع في الاتصالات المتنقلةوالأقمار الصناعية؛ لأنّها تحتاج إلى ظروف جوية مناسبة.