اقرأ في هذا المقال
- ما هو مرشح الترددات اللاسلكية؟
- الأنواع الأساسية لمرشحات الترددات اللاسلكية
- خصائص مرشح الترددات اللاسلكية
- تصنيفات مرشح الترددات اللاسلكية
- لماذا تعتبر مرشحات التردد اللاسلكي مهمة؟
تستخدم المرشحات في العديد من مجالات الإلكترونيات، وأحد المجالات الرئيسية التي يتم استخدامها فيها هو نطاق التردد اللاسلكي أو مجال الترددات الراديوية حيث تُستخدم مرشحات التردد اللاسلكي لإزالة أو قبول الإشارات التي تقع في مناطق معينة من الطيف الراديوي.
ما هو مرشح الترددات اللاسلكية؟
مرشح الترددات اللاسلكية: هو عنصر مهم في التكنولوجيا اللاسلكية حيث تُستخدم مرشحات (RF) مع مستقبلات الراديو بحيث يمكن الاستمتاع بالنوع الصحيح فقط من الترددات أثناء تصفية نطاقات الترددات الأخرى غير المرغوب فيها، كما تم تصميم مرشحات (RF) بطريقة يمكن أن تعمل بسهولة على نطاقات التردد التي تتراوح من تردد متوسط إلى عالي للغاية أي ميغا هرتز وجيجاهيرتز.
ونظراً لخصائصه التشغيلية، فإنّه يستخدم بشكل متكرر في معدات مثل البث الإذاعي والاتصالات اللاسلكية والتلفاز حيث تتكون غالبية المرشحات (RF) من الرنانات المقترنة، والتي يمكن لعامل الجودة الخاص بها تحديد مستوى الترشيح داخل الترددات اللاسلكية، بناءً على تطبيق وحجم المعدات اللاسلكية يوجد هناك العديد من أنواع المرشحات مثل مرشحات التجويف والمرشحات المستوية والمرشح الكهروضوئي والمرشح العازل والمرشح المحوري أي غير مرتبط بالكابل المحوري.
الأنواع الأساسية لمرشحات الترددات اللاسلكية:
هناك أربعة أنواع من المرشحات التي يمكن تحديدها، كما يكون كل نوع مختلف يرفض الإشارات أو يقبلها بطريقة مختلفة وباستخدام النوع الصحيح من مرشح الترددات الراديوية، فيمكن قبول الإشارات المطلوبة ورفض الإشارات غير المرغوب فيها، أمّا الأنواع الأربعة الأساسية لمرشح الترددات اللاسلكية هي:
- مرشح تمرير منخفض: إنّ مرشح تمرير منخفض هو شكل من أشكال الفلتر الذي يسمح فقط من خلال الترددات المنخفضة، حيث عادةً ما يكون مسطحاً اسمياً حتى نقطة القطع ثم ينطلق، كما يعتمد المعدل الفعلي للتدحرج بشكل أساسي على ما يسمى بترتيب المرشح.
- مرشح التمرير العالي: يُعد مرشح التمرير العالي من جوانب كثيرة عكس مرشح التمرير المنخفض حيث يسمح فقط للإشارات التي تكون أعلى من تردد القطع فوق هذه النقطة تكون مسطحة اسمياً، وتحت تردد قطع مرشح الترددات الراديوية تنخفض الاستجابة بمعدل يحدده ترتيب المرشح.
- مرشح تمرير النطاق: يسمح مرشح تمرير التردد اللاسلكي بمرور النطاق فقط عبر الإشارات ضمن ترددات معينة فوق وتحت ترددات القطع، كما سيتم إضعاف الإشارات وضمن النطاق المقبول للترددات الراديوية حيث سيتم تمرير الإشارات من خلاله.
- مرشح رفض النطاق: هو عكس مرشح تمرير النطاق، لأنّه يرفض الإشارات داخل نطاق تردد لاسلكي معين، وغالباً ما يُستخدم هذا النوع من مرشح الترددات اللاسلكية لإزالة الإشارات غير المرغوب فيها التي من المعروف أنّها موجودة في النظام.
خصائص مرشح الترددات اللاسلكية:
- يسمح المرشح للإشارات بالمرور في ما يسمى بنطاق المرور، وهذا هو نطاق الترددات الأقل من التردد المقطوع للمرشح حيث يتم تعريف التردد المقطوع للمرشح على أنّه النقطة التي ينخفض عندها مستوى الناتج من المرشح إلى (50%) أي -3 ديسيبل من مستوى النطاق، بافتراض مستوى إدخال ثابت حيث يشار أحياناً إلى تردد القطع على أنّه نصف الطاقة أو تردد (-3 ديسيبل).
- إنّ نطاق توقف المرشح هو في الأساس نطاق الترددات التي يرفضها المرشح حيث يتم اعتباره بداية من النقطة التي يصل فيها المرشح إلى مستوى الرفض المطلوب.
- المرشح المثالي، سواء كان مرشح تمرير منخفض أو تمرير مرتفع أو مرشح تمرير النطاق لن يُظهر أي خسارة داخل نطاق التمرير أي الترددات التي تقل عن تردد القطع، ثم فوق هذا التردد في ما يسمى نطاق التوقف حيث سيرفض المرشح جميع الإشارات، أمّا في الواقع لا يمكن تحقيق مرشح تمرير مثالي وهناك دائماً بعض الخسارة داخل نطاق التمرير ولا يمكن تحقيق الرفض اللانهائي في نطاق التوقف، وهناك أيضًا انتقال بين نطاق التمرير ونطاق التوقف حيث ينخفض منحنى الاستجابة بعيداً مع ارتفاع مستوى الرفض مع انتقال التردد من نطاق التمرير إلى نطاق التوقف.
تصنيفات مرشح الترددات اللاسلكية:
يمكن تصميم المرشحات لتلبية مجموعة متنوعة من المتطلبات، وعلى الرغم من استخدام نفس التكوينات الأساسية للدائرة حيث تختلف قيم الدائرة عندما تكون الدائرة مصممة لتلبية معايير مختلفة، أمّا في تموج النطاق الانتقال الأسرع إلى التدحرج النهائي وأعلى رفض خارج النطاق هي بعض المعايير التي تؤدي إلى قيم دارة مختلفة حيث يتم إعطاء أسماء هذه الفلاتر المختلفة، كما يتم تحسين كل منها لعنصر أداء مختلف ويتم إعطاء ثلاثة أنواع شائعة من المرشحات أدناه:
1. مرشح Constant – k:
يتميز مرشح ثابت (k) بميزة أنّه من السهل جداً حساب قيم المكونات المختلفة حيث يتيح ذلك إمكانية تصميمها بسهولة مع الحد الأدنى من المعرفة النظرية حول الرياضيات كما هو الحال في العديد من المرشحات الأخرى، ومع ذلك فإنّ أدائها لا يتطابق تماماً مع أداء أنواع المرشحات الأخرى، وعلى الرغم من أنّه يُعد مناسباً للعديد من التطبيقات.
2. مرشح Butterworth:
يوفر هذا النوع من المرشحات الحد الأقصى من تسطيح النطاق، وعلى الرغم من أنّه يوفر توهيناً أقل لنطاق الإيقاف من مرشح (Chebyshev)، ومع ذلك فهو قادر أيضاً على توير أداء أفضل لتأخير المجموعة وبالتالي تقليل التجاوز.
3. مرشح بيسيل:
يوفر هذا المرشح الاستجابة المثلى للطور داخل النطاق وبالتالي يوفر أيضاً أفضل استجابة للخطوة، وغالباً ما يتم استخدامه حيث تتضمن الإشارات موجات مربعة، وما إلى ذلك حيث يتم الحفاظ على الشكل بشكل أفضل على الإطلاق.
4. مرشح Chebyshev:
يوفر هذا المرشح انطلاقاً سريعاً بعد الوصول إلى تردد القطع لكن هذا على حساب في شكل التموج، وكلما زاد تموج النطاق الذي يمكن تحمله زادت سرعة التدحرج.
5. مرشح Elliptic:
هذا المرشح المعروف أيضاً باسم مرشح (Cauer) لديه مستويات كبيرة من التموج داخل النطاق وخارجه، وكلما زادت درجة التموج الذي يمكن تحمله زادت حدة الانحدار.
هناك العديد من الأنواع أو النماذج المختلفة لمرشحات الترددات اللاسلكية لكن هذه الأنواع المذكورة أعلاه هي بعض من أكثرها شيوعاً، وعلى الرغم من وجود العديد من الأنواع المختلفة الأخرى لمرشحات (RF) حيث تُعد مرشحات التردد اللاسلكي عنصراً أساسياً في جميع تصميمات التردد اللاسلكي تقريباً.
المرشحات مطلوبة داخل الأنظمة وكذلك على المدخلات والمخرجات، أمّا باستخدام المرشحات يتم تمكين الإشارات الصحيحة للوصول إلى الأجزاء المطلوبة من الدائرة وبهذه الطريقة يتم الحفاظ على دقة الإشارة النهائية وفقاً لأعلى المعايير حيث يتم تقليل التداخل والحفاظ على أداء النظام على أعلى مستوى ممكن حيث تتم انتاجهم داخل أجهزة استقبال الراديو لتوفير الانتقائية، فضلاً عن تمكين النطاق الصحيح من الترددات فقط من دخول الأجزاء الأخيرة من المجموعة.
يتم استخدامها داخل أجهزة الإرسال لضمان عدم إرسال الإشارات غير المرغوب فيها أو الزائفة، كما تُستخدم مرشحات (RF) للتأكد من أنّ منتجات الخلط المطلوبة من الخلاطات تنتقل إلى المراحل التالية.
لماذا تعتبر مرشحات التردد اللاسلكي مهمة؟
تُستخدم مرشحات (RF) لفرز ترددات الإشارة حيث يمكن لمرشحات التردد اللاسلكي تصفية الضوضاء أو تقليل تداخل الإشارات الخارجية التي قد تؤثر على جودة أو أداء أي نظام اتصال، كما قد يؤدي عدم وجود مرشحات (RF) المناسبة إلى التأثير سلباً على نقل ترددات الإشارة ممّا قد يؤدي في النهاية إلى الإضرار بعملية الاتصال.
لهذا السبب تلعب مرشحات التردد اللاسلكي دوراً مهماً في نظام الاتصالات اللاسلكية، مثل القمر الصناعيوالرادار والنظام اللاسلكي المحمول وغير ذلك، حيث تتضح أهمية مرشحات التردد اللاسلكي عندما يتعلق الأمر بعمليات المركبات الجوية غير المأهولة (UAS)، كما يمكن أن يؤثر عدم وجود نظام ترشيح مناسب على أنظمة الطائرات بدون طيار بأكثر من طريقة، مثل:
- يمكن تقليل نطاق الاتصال إلى التداخل الناجم عن العوامل البيئية الخارجية حيث يمكن أن يؤدي توافر أطنان من إشارات التردد اللاسلكي في الغلاف الجوي إلى إحداث فوضى في نظام اتصالات الطائرات بدون طيار، حيث تشمل الإشارات المارقة من المنصات الأخرى ونشاط إشارة (Wi-Fi) الكثيف وأنظمة الاتصالات الأخرى العاملة في نطاق أنظمة الطائرات بدون طيار.
- يتسبب الانقطاع من أنظمة الاتصال الأخرى في حدوث خلل في قناة اتصال الأنظمة (UAS) التي تقلل أو تحد من نطاق الاتصال لهذه الأنظمة.
- يؤثر التداخل أيضاً على استقبال إشارات (GPS) لنظام (UAS) وبالتالي زيادة احتمالات الأخطاء الفادحة في تتبع نظام تحديد المواقع العالمي، أمّا في أسوأ السيناريوهات قد يؤدي ذلك إلى فقد كامل لاستقبال إشارات (GPS).
مع وجود مرشحات (RF) الصحيحة في مكانها، يمكن بسهولة حظر التداخلات الخارجية إلى جانب انقطاع الإشارة الناتج عن نظام الاتصال المجاور، ممّا يحافظ على جودة ترددات الإشارة المطلوبة مع تصفية جميع ترددات الإشارة غير المرغوب فيها بسهولة، بالإضافة إلى ذلك تلعب مرشحات التردد اللاسلكي دوراً مهماً في بيئة الهاتف الخلوي، أمّا عندما يتعلق الأمر بالهواتف المحمولة فإنّها تتطلب قدراً معيناً من النطاقات لتعمل بشكل صحيح.
مع عدم وجود مرشح (RF) المناسب لن يُسمح للنطاقات المختلفة بالتواجد معاً في وقت واحد ممّا يعني أنّه سيتم رفض نطاقات معينة، مثل النظام العالمي للملاحة عبر الأقمار الصناعية (GNSS) والسلامة العامة و(Wi-Fi)، كما تلعب مرشحات (RF) دوراً مهماً من خلال السماح لجميع النطاقات بالتواجد معاً في نفس الوقت.
بشكل عام تكون المرشحات خفيفة الوزن ويمكن أن تساعد في تحسين أداء ترددات الإشارة، أمّا في حالة فشل مرشحات (RF) في توفير الأداء المتوقع، يمكنك عندئذٍ استكشاف العديد من الخيارات الأخرى أحدها إضافة مكبر للصوت إلى تصميمك أي من مكبر (Trellis ware) إلى أي مضخمات طاقة (RF) أخرى، كما يمكنك تحويل ترددات الإشارة المنخفضة إلى ترددات أعلى وبالتالي تعزيز الأداء العام لتصميمات الترددات اللاسلكية.
