موجات السماء والتردد الحرج - Skywaves

إنّ فهم الطريقة التي تنتشر بها الإشارات الراديوية (HF) بالفعل يمكن أن تُساعد في استخدام تأثيرات الانتشار الأيونوسفير على أفضل وجه، حيث تُعد الموجات السماوية ومنطقة التخطي وتخطي المسافات ثلاثة مفاهيم رئيسية توضح سبب سماع إشارات الاتصالات اللاسلكية في بعض الأماكن دون غيرها.

ما هي موجات السماء – Skywaves؟

الموجة السماوية (Skywaves): هي الإشارة التي تنتقل بعيداً عن سطح الأرض باتجاه طبقة الأيونوسفير، وعلى عكس الموجة الأرضية فإنّها لا تتبع محيط الأرض ولكنّها بدلاً من ذلك موجهة نحو الأيونوسفير حيث تكون الزاوية بين خط إشارة الموجة السماوية وسطح الأرض عند تلك النقطة ضحلة أو شديدة الانحدار.

تخطي المسافة في موجات السماء:

مسافة التخطي: هي المسافة فوق سطح الأرض بين النقطة التي يتم فيها إرسال إشارة الراديو والنقطة التي يتم استقبالها عند انتقالها إلى طبقة الأيونوسفير وانكسارها مرة أخرى بواسطة طبقة الأيونوسفير.

 العوامل التي تعتمد عليها مسافة التخطي في موجات السماء:

1. التردد – Frequency:

تكرار العملية له تأثير كبير على مسافة التخطي التي يمكن تحقيقها حيث عادةً مع زيادة التردد تكون هناك حاجة لزاوية إشعاع منخفضة لإعادة الإشارات إلى الأرض على مسافة أقصر، كما تميل الترددات الأعلى أيضاً إلى الانعكاس أو الانكسار بواسطة الطبقات أو المناطق الأعلى في طبقة الأيونوسفير ممّا يعني أنّ الترددات الأعلى تميل إلى أن تؤدي إلى تخطي مسافات أطول.

2. ظروف الغلاف الأيوني – Ionospheric conditions:

تلعب ظروف الغلاف الأيوني دوراً رئيساً في تنظيم مسافة التخطي حيث في بعض الظروف عندما تكون مستويات التأين عالية يكون من الممكن للإشارات تحقيق مسافات تخطي قصيرة جداً.

3. زاوية الإشعاع – Angle of radiation:

تتميز زاوية الإشعاع من هوائي الإرسال بأنّه سيكون لها تأثير على مسافة التخطي، حيث ستؤدي زاوية الإشعاع المنخفضة إلى مسافات تخطي أطول كنتيجة للهندسة.

منطقة التخطي في موجات السماء:

منطقة التخطي التي قد تُسمى أيضاً منطقة صامتة أو منطقة ميتة هي منطقة لا يمكن فيها استقبال إرسال لاسلكي، حيث أنّ منطقة التخطي هي المنطقة الواقعة بين النقطة التي لا يمكن فيها سماع إشارات الموجة الأرضية والنقطة التي تعود فيها الموجة السماوية إلى الأرض لأول مرة.

العوامل التي تعتمد عليها منطقة التخطي:

1. تغطية الموجة الأرضية – Ground wave coverage:

إنّ التغطية المحلية حول المرسل تحكمها الموجة الأرضية حيث يعتمد مدى التغطية وبدء منطقة التخطي على التردد المستخدم، كما ستكون تغطية الموجة الأرضية أكبر بالنسبة للترددات المنخفضة أمّا في (MF) قد يمتد إلى (100 ميل) ولكن بالنسبة للترددات الأعلى فعلى سبيل المثال (10 ميجا هرتز) وما فوق قد يمتد فقط لميل أو ميلين.

2. الحد الأدنى لمسافة التخطي في الموجة السماوية – Skywave minimum skip distance:

يتأثر الحد الأدنى لمسافة التخطي بعدد من العوامل بما في ذلك تكرار العملية وحالة الأيونوسفير وزاوية الإشعاع.

موجات السماء والترددات:

إنّ ما يحدث لإشارة الاتصالات اللاسلكية إذا زاد التردد عبر الطيف الترددي والذي يبدأ بإشارة في نطاق بث الموجة المتوسطة، حيث خلال النهار تنتشر الإشارات على هذه الترددات فقط باستخدام الموجة الأرضية ثم يتم امتصاص أي إشارات تصل إلى المنطقة (D)، ولكن في الليل مع اختفاء المنطقة (D) تصل الإشارات إلى المناطق الأخرى ويمكن سماعها على مسافات أكبر بكثير.

إذا زاد تردد الإشارة، يتم الوصول إلى نقطة حيث تبدأ الإشارة في اختراق المنطقة (D) وتصل الإشارات إلى المنطقة (E) حيث تنعكس في هذه المنطقة وتعود عبر المنطقة (D) ثم تعود إلى الأرض على بعد مسافة كبيرة من جهاز الإرسال.

مع زيادة التردد بشكل أكبر، تنكسر الإشارة بشكل أقل بواسطة المنطقة (E) وفي النهاية تمر عبرها ثم تصل إلى منطقة (F1) وهنا قد تنعكس عائدة عبر المنطقتين (D وE) للوصول إلى الأرض مرة أخرى، ولأنّ المنطقة (F1) أعلى من المنطقة (E) فإنّ المسافة التي سيتم الوصول إليها ستكون أكبر من تلك الخاصة بانعكاس المنطقة (E).

أمّا مع استمرار ارتفاع تردد إشارة الاتصالات اللاسلكية، فإنّها ستمر في النهاية عبر منطقة (F1) وإلى منطقة (F2) حيث تكون هذه المنطقة أعلى المناطق في طبقة الأيونوسفير والمسافات التي تم الوصول إليها باستخدام هذا هي الأكبر، وكدليل تقريبي تبلغ أقصى مسافة للتخطي للمنطقة (E) حوالي (2500 كم) و(5000 كم) لمنطقة (F2).

ما هو التردد الحرج – Critical Frequency؟

التردد الحرج (Critical Frequency): يُعد بأنّه رقم مهم يعطي إشارة إلى حالة الأيونوسفير وانتشار (HF) الناتج، حيث يتم الحصول عليها عن طريق إرسال نبضة إشارة مباشرة إلى الأعلى ثم ينعكس مرة أخرى ويمكن استقباله بواسطة جهاز استقبال على نفس موقع جهاز الإرسال.

يقاس الوقت لإعطاء إشارة إلى ارتفاع الطبقة عندما تنعكس النبضة مرة أخرى على الأرض، أمّا مع زيادة التردد يتم الوصول إلى نقطة، حيث ستمر الإشارة عبر الطبقة مباشرة ثم إلى المرحلة التالية أو إلى الفضاء الخارجي حيث يسمى التردد الذي يحدث عنده التردد الحرج.

تُسمى المعدات المستخدمة لقياس التردد الحرج بالمسبار الأيوني، كما إنّه يشبه في كثير من النواحي مجموعة رادار صغيرة ولكن بالنسبة لنطاقات (HF)، وعند باستخدام هذه المجموعات يمكن إنشاء مخطط للانعكاسات مقابل التردد حيث يُعطي هذا مؤشراً على حالة الأيونوسفير لتلك المنطقة من العالم.

الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام  – MUF:

عند إرسال إشارة باستخدام الانتشار بالموجات الديكامترية (HF) فإنّه يوجد على مسار معين حد أقصى للتردد يمكن استخدامه، حيث ينتج هذا عن حقيقة أنّه كلما زاد تردد الإشارة ستمر عبر طبقات أكثر وتنتقل في النهاية إلى الفضاء الخارجي، ونظراً لأنّه يمر عبر طبقة واحدة فقد يتم فقد الاتصال لأنّ الإشارة تنتشر بعد ذلك على مسافة أكبر ممّا هو مطلوب، وأيضاً عندما تمر الإشارة عبر جميع الطبقات سيتم فقد الاتصال.

يُعد التردد الذي تبدأ عنده الاتصالات اللاسلكية بالفشل باسم الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام (MUF)، حيث يكون بشكل عام ثلاثة للمنطقة (F) إلى خمسة للمنطقة (E) مرات الحرجة وهو صحيح بالنسبة لزوايا الحدوث المنخفضة، وعلى الرغم من توفر طرق أكثر دقة لتحديد هذا الرقم.

يُعد الحد الأقصى للتردد القابل للاستخدام (MUF) الذي يسمح بالتشغيل المقبول للخدمة الراديوية بين مطاريف معينة في ظل ظروف عمل محددة ويمكن مشاهدة نسق تشغيلي لأقصى تردد قابل للاستخدام في المناسبات، كما يركز هذا الشكل من (MUF) على القبول التشغيلي لدائرة، وهذا يعني أنّ عوامل مثل الهوائي ومستويات القدرة وما شابهها تؤخذ في الاعتبار وتعطي مؤشراً بشأن إمكانية الاتصال الحقيقي في محطة معينة.

أقل تردد قابل للاستخدام – LUF:

نظراً لتقليل تردد الإرسال فقد تكون هناك حاجة إلى مزيد من الانعكاسات من الأيونوسفير وتزداد الخسائر من الطبقة (D)، ممّا يعني هذان التأثيران أنّ هناك تردداً ستفقد فيه الاتصالات اللاسلكية بين محطتين حيث يُعرَّف أقل تردد قابل للاستخدام (LUF) على أنّه التردد الذي تنخفض فيه الإشارة إلى ما دون الحد الأدنى من القوة المطلوبة للاستقبال المرضي.

من هذا يمكن أن نرى أنّ (LUF) يعتمد على المحطات في أي من طرفي المسير، كما تؤثر الهوائيات وأجهزة الاستقبال الخاصة بهم وقدرات المرسل ومستوى الضوضاء في المنطقة المجاورة وما إلى ذلك على LUF، ويكون نوع التعديل المستخدم له تأثير لأنّ بعض أنواع التعديل يمكن نسخها بنقاط قوة أقل من غيرها أي إنّ (LUF) هو الحد العملي الذي لا يمكن دونه الحفاظ على الاتصال بين محطتي اتصالات راديو معينتين.

يُعد من الضروري استخدام تردد أقل من (LUF) فيجب إجراء كسب قدره (10 ديسيبل) كدليل تقريبي لتقليل (LUF) بمقدار (2 ميجاهرتز)، كما يمكن تحقيق ذلك من خلال طرق تشمل زيادة قدرات المرسل وتحسين الهوائيات، ولقد وجد أنّ (LUF) يزيد فعلياً في فترات النشاط الشمسي العالي، حيث ينشأ هذا بسبب المستويات المتزايدة للإشعاع الشمسي التي تؤدي إلى مستويات أعلى من التأين في الطبقة (D).

وهذا بدوره يزيد من مستوى التوهين الناتج عن هذه الطبقة، ممّا يعني أنّه في ذروة دورة البقع الشمسية هناك تدهور في أداء نطاقات التردد المنخفض للاتصالات طويلة المدى.

تردد العمل الأمثل – Optimum working frequency:

لتتمكن من إرسال إشارات إلى موقع معين، من المحتمل أن يكون هناك عدة مسارات مختلفة يمكن استخدامها، أمّا في بعض الأحيان قد يكون من الممكن استخدام إمّا الطبقتين (E) أو (F) وأحياناً قد تنعكس الإشارة أولاً من واحدة ثم الأخرى حيث كلما زاد التردد كان ذلك أفضل، وذلك لأنّ التوهين الناتج عن الطبقة (D) أقل.

وعلى الرغم من أنّ الإشارات قد تكون قادرة على الانتقال عبر الطبقة (D)، إلّا أنّها لا تزال تعاني من مستويات كبيرة من التوهين، ونظراً لأنّ التوهين ينخفض ​​بمعامل أربعة لمضاعفة التردد المستخدم فإنّ هذا يوضح مدى أهمية ذلك.

كذلك من خلال زيادة التردد من المحتمل أن يتم استخدام طبقة أعلى في الأيونوسفير، وقد يؤدي هذا إلى عدد أقل من الانعكاسات المطلوبة، ونظراً لأنّه يتم تكبد الخسائر عند كل انعكاس وفي كل مرة تمر الإشارة عبر الطبقة (D)، فمن الواضح أنّ استخدام تردد أعلى يساعد.

عند استخدام الترددات الأعلى فيصبح من الضروري التأكد من أنّ الاتصالات لا تزال موثوقة، أمّا في ضوء الحالة المتغيرة باستمرار للأيونوسفير فإنّ القاعدة العامة هي استخدام تردد أقل بحوالي (20%) من التردد (MUF)، كما يجب أن يضمن هذا بقاء الإشارة أقل من (MUF) على الرغم من التغييرات قصيرة المدى، ويجب أن نتذكر أنّ التردد (MUF) سيتغير بشكل كبير وفقاً للوقت من اليوم وبالتالي سيكون من الضروري تغيير التردد بشكل دوري لمراعاة ذلك.