الموجات الكهرومغناطيسيه والهوائيات وخطوط النقل

الموجات الكهرومغناطيسية والهوائيات وخطوط النقل

تمهيد -٢
إن من أعظم الاكتشافات التي حققها البشر على مدى تاريخهم بعد اكتشافهم وتوليدهم للطاقة
الكهربائية هو اكتشافهم للموجات الكهرومغناطيسية. ويعود الفضل في ذلك لعالم الفيزياء الاسكتلندي
الشهير جيمس كلارك ماكسويل والذي تكمن عبقريته في مقدرته الفذة على استخدام الرياضيات في صياغة
مختلف أنواع الظواهر الفيزيائية وكذلك استنباط الحقائق الفيزيائية من الصيغ الرياضية. لقد تمكن
ماكسويل في عام ١٨٦٠ م من صياغة جميع القوانين المتعلقة بالكهربائية والمغناطيسية وتفاعلهما مع
بعضهما البعض في أربع معادلات تفاضلية. ولم يتوقف الأمر عند هذا الحد بل استطاع من خلال حل هذه
المعادلات التنبؤ بوجود ما يسمى بالموجات الكهرومغناطيسية والتي تم التحقق من وجودها وإيجاد طرق
وذلك في عام ١٨٨٧ م. (Heinrich Hertz) لتوليدها على يد عالم الفيزياء الألماني هينرتش هيرتز
ومن الجدير بالذكر أنه لولا تطور علوم الرياضيات وخاصة علمي التفاضل والتكامل لما كان بإمكان
ماكسويل صياغة قوانين الكهرباء والمغناطيسية بهذا الشكل المميز ولما كان بإمكانه التنبؤ بوجود
الموجات الكهرومغناطيسية. لقد سهلت الموجات الكهرومغناطيسية عملية نقل مختلف أنواع المعلومات
إلى أي مكان على سطح هذه الأرض بل وتعداها إلى الفضاء الخارجي . فبعد (wireless) بطريقة لاسلكية
سنوات قليلة من اكتشاف وتوليد هذه الموجات بدأ ظهور كثير من الأنظمة اللاسلكية فظهر التلغراف
اللاسلكي في عام ١٩٠٠ م ومن ثم البث الراديوي في عام ١٩١٨ م والبث التلفزيوني في عام ١٩٣٥ م.
ولولا اكتشاف هذه الموجات لبقي البشر مقيدين في نقل معلوماتهم المختلفة بالقنوات السلكية التي تحتم
عليهم التواجد في أماكن محددة حيث توجد أطراف هذه الأسلاك كما هو الحال مع الهواتف السلكية. لقد
مكنت هذه الموجات بناء انظمة اتصالات تكون فيها المرسلات ثابتة والمستقبلات متحركة أو بالعكس أو
يكون كليهما متحركا وهذا لا يمكن إنجازه باستخدام القنوات السلكية إلا على نطاق ضيق جدا. ولذلك أصبح
الاتصال ممكنا مع السفن وهي في عرض البحار والطائرات وهي في جو السماء والمركبات أين ما كان
موقعها والأشخاص وهم في أي واد أو جبل يهيمون. بل أصبح بالإمكان باستخدام هذه الموجات مشاهدة
صور في غاية الوضوح لأسطح كواكب المجموعة الشمسية من خلال كميرات مثبتة على مركبات فضائية
وترسل هذه الصور وغيرها من المعلومات من على بعد مئات الملايين من الكيلومترات. وباستخدام هذه
الموجات أصبح بإمكان البشر التحكم عن بعد بمختلف أنواع الأجهزة والمعدات الموجودة في البيوت
والمكاتب والمصانع وكذلك في الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية والطائرات والصواريخ. ومع التقدم
المذهل في مجال الإلكترونيات والإستغلال الأمثل لترددات الطيف الكهرمغناطيسي بدأ التحول كليا من
القنوات السلكية إلى القنوات اللاسلكية لنقل إشارات المعلومات والتحكم في مختلف المجالات.
(Wave Equation) ٢ معادلات ماكسويل والمعادلة الموجيه -٢
ذكرنا في الباب الأول أن عالم الفيزياء والرياضيات الاسكتلندي الفذ جيمس كلارك ماكسويل
١٨٧٩ م) قد تمكن في عام ١٨٦٠ م من صياغة جميع القوانين -١٨٣١) (James Clerk Maxwell)
المتعلقة بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية وتفاعلهما مع بعضهما البعض ومع الشحنات والتيارات
الكهربائية التي تنتجها في أربع معادلات تفاضلية فقط. فالمعادلة الأولى ما هي إلا قانون جاوس بشكله
التفاضلي والذي مفاده أن أي شحنة كهربائية نقطية في الفضاء لا بد أن تولد حولها مجالا كهربائيا تنطلق
خطوطه من مكان الشحنة ويكون هذا المجال ساكنا لا يتغير مع الزمن إذا كانت الشحنة ساكنة ومتغيرا مع
الزمن إذا كانت متغيرة. أما المعادلة الثانية فما هي إلا قانون جاوس للمغناطيسية بشكله التفاضلي والذي
ينص على أنه لا وجود للشحنات المغناطيسية وعليه فإن خطوط المجال لا بد وأن تكون منغلقة على
نفسها. أما االمعادلة الثالثة فما هي إلا قانون فارادي للحث حيث قام ماكسويل بتحويله من شكله التكاملي
إلى شكله التفاضلي أو النقطي ومفاد هذه المعادلة أن المجال المغناطيسي المتغير مع الزمن يولد حوله
مجالا كهربائيا تتناسب قيمته وتوزعه في الفضاء مع معدل تغير كثافة المجال المغناطيسي مع الزمن وكذلك
اتجاهه في الفضاء. أما المعادلة الرابعة فهي شكل معدل لقانون أمبير فبعد أن قام ماكسويل بتحويله من
displacement ) شكله التكاملي إلى شكله التفاضلي أضاف إليه حدا جديدا أطلق عليه اسم تيار الإزاحة
وهذه الإضافة هي من أهم إسهامات ماكسويل في مجال الكهرومغناطيسية حيث مكنته من التنبؤ (current
بوجود الأمواج الكهرومغناطيسية. وبإضافة تيار الإزاحة لمعادلة أمبير أصبح مفاد معادلة ماكسويل الرابعة
أن التيار الكهربائي أو المجال الكهربائي المتغير مع الزمن يولد حوله مجالا مغناطيسيا تتناسب قيمته
وتوزعه في الفضاء مع قيمة واتجاه التيار وكذلك مع معدل تغير شدة المجال الكهربائي مع الزمن واتجاهه
في الفضاء. وفي عام ١٨٦٥ م تمكن ماكسويل من خلال دمج المعادلات الثالثة والرابعة وههما قانون
فارادي وقانون أمبير المعدل الحصول على معادلة تفاضلية من الدرجة الثانية وعندما حل هذه المعادلة تبين
له أن المجالات الكهربائية والمغناطيسية لا بد وأن تنتشر على شكل موجات في الفضاء وبهذا فقد أثبت
electromagnetic ) وتنبأ من خلال التحليل الرياضي البحت وجود ما يسمى بالموجات الكهرومغناطيسية
ويمكن لنا من خلال تمعن معادلات ماكسويل وبدون حلها أن نستشف ونستنتج معظم ظواهر .(waves
الكهرومغناطيسية وخاصة حقيقة وجود الموجات الكهرومغناطيسية ففي حالة وجود شحنات كهربائية
) فإن المعادلة الأولى تؤكد وجود مجال كهربائي ساكن فقط ولا وجود للمجال المغناطيسي r ساكنةفقط (
(J) حيث أن الطرف الأيمن من المعادلة الرابعة يساوي صفر. وفي حالة وجود تيار كهربائي ثابت فقط
فإن المعادلة الرابعة تؤكد وجود مجال مغناطيسي ساكن فقط ولا وجود للمجال الكهربائي حيث أن الطرف
الأيمن من المعادلة الأولى يساوي صفر. وفي حالة وجود شحنات كهربائية متغيرة فقط فإن المعادلة
الأولى تؤكد وجود مجال كهربائي متغير وهذا المجال الكهربائي المتغير سيولد مجالا مغناطيسيا متغيرا كما
هو واضح من المعادلة الرابعة حيث أن الحد الثاني من طرفها الأيمن لا يساوي صفر. إن هذا المجال
المغناطيسي المتولد من المجال الكهربائي الذي ولدته الشحنة الكهربائية ابتداءا سيولد بدوره مجالا
كهربائيا جديدا حوله كما هو واضح من المعادلة الثالثة وهكذا تتوالى هذه السلسلة حيث يقوم كل من نوعي
المجال بتوليد الأخر حسب المعادلتين الثالثة والرابعة وبهذا سيمتلئ كامل الفضاء بهذه المجالات الكهربائية
والمغناطيسية المتفاعلة والتي أطلق عليها ماكسويل اسم الموجات الكهرومغناطيسية. إن مثل هذه
الموجات يمكن أن نحصل عليها أيضا من تيار كهربائي متغير فقط كما هو واضح من المعادلة الرابعة حيث
سيولد هذا التيار مجالا مغناطيسيا متغيرا يقوم بدوره بتوليد مجال كهربائي متغيير تبعا للمعادلة الثالثة
وهكذا دواليك. لقد تحققت نبوءة ماكسويل بوجود الموجات الكهرومغناطيسية على يد عالم الفيزياء
١٨٩٤ م) وذلك في عام ١٨٨٧ م حيث تمكن من -١٨٥٧) (Heinrich Hertz) الألماني هينرتش هيرتز
توليد الموجات الكهرومغناطيسية باستخدام أشكال بسيطة من الهوائيات. ومنذ أن صاغ ماكسويل قوانين
الكهرومغناطيسية في معادلاته الأربع لم يتم إضافة إلا الشيء القليل إلى علم الكهرومغناطيسية النظري. أما
في المجال التطبيقي فقد تم استخدام هذه المعادلات بشكل كبير من قبل المهندسين الكهربائيين لحل كثير من
المسائل كانتشار الموجات في الأوساط المختلفة كخطوط النقل ومرشدات الموجات والألياف الضوئية وفي
تصميم هوائيات الإرسال والإستقبال وفي تطبيقات أخرى لا حصر لها.
(Electromagnetic Spectrum) ٣ الطيف الكهرومغناطيسي -٢
يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من ثلاثة أجزاء
(radio spectrum) رئيسية وهي الطيف الراديوي
الذي يمتد من الصفر حتى ٣٠٠ جيغاهيرتز والمستغل

بأكمله في أنظمة الاتصالات الراديوية وطيف الأشعة

المرئية وما تحت الحمراء والذي يمتد من ٣٠٠
جيغاهيرتز إلى ثلاثة ملايين غيغاهيرتز والمستغل
جزئيا في أنظمة الاتصالات الضوئية وأجهزة الرؤيا
الليلية وطيف الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية
والكونية والتي يتعذر استخدامها لصعوبة توليدها
ولخطورتها على الكائنات الحية إلا في بعض
التطبيقات الطبية والصناعية كاستخدام الأشعة السينية
في تصوير الأجسام الحية واختبار المواد. ونظرا
للتباين الكبير في خصائص الموجات
الكهرومغناطيسية الراديوية من حيث طرق توليدها
وانتشارها وأنواع الهوائيات المستخدمة فيها فقد تم
تقسيمها إلى عدة مناطق وهي الترددات مفرطة
(extremely low frequency ELF) الإنخفاض
٣ إلى ٣٠ هيرتز) والترددات فائقة الإنخفاض )
٣٠ إلى ٣٠٠ ) (super low frequency SLF)
ultra low ) هيرتز) والترددات بالغة الإنخفاض
٣٠٠ إلى ٣٠٠٠ هيرتز) ) (frequency ULF
very low frequency ) والترددات المنخفضة جدا
٣ إلى ٣٠ كيلوهيرتز) والترددات ) (VLF
٣٠ إلى ٣٠٠ ) (low frequency LF) المنخفضة
medium ) كيلوهيرتز) والترددات المتوسطة
٣٠٠ إلى ٣٠٠٠ كيلوهيرتز) ) (frequency MF
٣ إلى ) (high frequency HF) والترددات العالية
٣٠ إلى ٣٠٠ ميغاهيرتز) ) (very high frequency VHF) ٣٠ ميغاهيرتز) والترددات العالية جدا
٣٠٠ إلى ٣٠٠٠ ميغاهيرتز) والترددات فائقة ) (ultra high frequency UHF) والترددات بالغة العلو
extremely ) ٣ إلى ٣٠ جيغاهيرتز) والترددات مفرطة العلو ) (super high frequency SHF) العلو
٣٠ إلى ٣٠٠ جيغاهيرتز). لقد أحدث اختراع العنصر الإلكتروني المسمى ) (high frequency EHF
(Lee Deforest) على يد المهندس الكهربائي الأمريكي لي ديفورست (triode valve) بالصمام الثلاثي
في عام ١٩٠٦ م ثورة في أنظمة الاتصالات الكهربائية. فإلى جانب استخدام هذا العنصر في المضخمات
electronic ) فقد تم استخدامه في المذبذبات الإلكترونية (electronic amplifiers) الإلكترونية
التي تقوم بتوليد الترددات اللازمة لحمل إشارات المعلومات. لقد تم استخدام هذه المذبذبات (oscillators
في العشرينيات من القرن العشرين لتوليد الترددات المنخفضة والمتوسطة ثم العالية في الثلاثينيات ثم
العالية جدا وبالغة العلو في الأربعينات. وتستخدم اليوم الترانزستورات كبديل عن هذه الصمامات لتوليد
الترددات في جميع أجزاء الطيف الراديوي إلا أن الصمامات لا زالت مستخدمة لتوليد الترددات في الأنظمة
ذات القدرات العالية كما في محطات البث الإذاعي والتلفزيوني وفي أنظمة الرادار. وتواجه مصممي أنظمة
الاتصالات الراديوية أو اللاسلكية مشكلة توفير الترددات اللازمة لأعداد كبيرة ومتزايدة من أنظمة
الاتصالات المختلفة كأنظمة البث الإذاعي والتلفزيوني والهواتف اللاسلكية والخلوية وأنظمة الأقمار
الصناعية وأنظمة الرادار وأنظمة الاتصالات العسكرية والمدنية وأنظمة الملاحة الجوية والبحرية والبرية.
ويعود السبب في هذه المشكلة للعدد المحدود من الترددات المتاحة في الطيف الكهرومغناطيسي ولكون جو
الأرض وسطا مشتركا تنتشر فيه جميع الترددات التي تبثها الأنظمة اللاسلكية مما يمنع إعادة استخدام
نفس التردد في نفس المنطقة تجنبا لتداخل إشارات الأنظمة المختلفة. وقد استخدمت أنظمة الاتصالات
معظم مناطق الطيف الراديوي باستثناء الترددات بالغة العلو التي حال دون استخدامها تأثرها الكبير
بالأحوال الجوية بسبب قصر طول موجتها ولكن مع تزايد الطلب على استخدام الأقمار الصناعية وشح
الترددات المتاحة فقد بدأ باستخدام هذه الترددات في بعض التطبيقات. يتم تخصيص الترددات للمستخدمين
International ) من قبل هيئات تنظيم قطاع الاتصالات الوطنية بالتعاون مع الاتحاد الدولي للاتصالات
الذي يحدد الترددات المتاحة لأنظمة الاتصالات المختلفة والذي (Telecommunication Union ITU
عادة ما يسمح بإعادة استخدام نفس التردد شريطة عدم وجود تداخل بين الأنظمة المختلفة وذلك بالاستفادة
من التباعد الجغرافي وقدرة البث المحدودة واستخدام طرق تعديل وتشفير واستقطاب مختلفة. ولقد تم
تخصيص أجزاء من الطيف الراديوي لبعض التطبيقات المهمة بشكل دائم كتخصيص جزء من الترددات
المتوسطة ( ٥٤٠ إلى ١٧٠٠ كيلوهيرتز) للبث الإذاعي متوسط الموجة بواقع تسعة كيلوهيرتز لكل
محطة وجزء من الترددات العالية للبث الإذاعي قصير الموجة وجزء من الترددات العالية جدا (من ٨٨
إلى ١٠٨ ميغاهيرتز) للبث الإذاعي بتعديل التردد بواقع مائتي كيلوهيرتز لكل محطة وأجزاء من الترددات
العالية جدا ( من ٥٤ إلى ٨٨ ومن ١٧٤ إلى ٢١٦ ميغاهيرتز) وجزء كبير من الترددات فوق العالية
٤٧٠ إلى ٨٢٤ ميغاهيرتز) للبث التلفزيوني بواقع ستة ميغاهيرتز لكل محطة. أما أنظمة اتصالات )
الأقمار الصناعية والأمواج الدقيقة والرادارات فتستخدم الترددات التي تمتد من واحد إلى مائة جيقاهيرتز.
٤ انتشار الموجات الكهرومغناطيسية -٢
تتكون الموجة الكهرومغناطيسية من
مجال كهربائي وآخر مغناطيسي متعامدان على
بعضهما البعض في الفضاء ويتغيران بشكل
دوري مع الزمن وبحيث تنتشر الموجة باتجاه
يتعامد مع اتجاهي المجالين الكهربائي
والمغناطيسي حسب قاعدة معينة. وتنتشر
الموجات الكهرومغناطيسية في الأوساط المختلفة
بسرعة ثابتة تتحدد من قيم السماحية الكهربائية
والنفاذية المغناطيسية (permittivity)
للوسط المعني حيث تساوي معكوس الجذر التربيعي لحاصل ضرب السماحية في (permeability)
النفاذية. وتبلغ سرعة الانتشار في الفضاء الحر ثلاثمائة ألف كيلومتر في الثانية تقريبا وهي نفس سرعة
الضوء في الفراغ والذي ما هو إلا أحد أشكال الموجات الكهرومغناطيسية كما اكتشف ذلك ماكسويل. إن
سرعة أنتشار الموجات في أي وسط لا يمكن أن تزيد عن سرعتها في الفراغ لأن قيم السماحية والنفاذية
لهذه الأوساط أعلى من قيمهما في الفراغ. وعندما تنتشر موجة كهرومغناطيسية في وسط ما فإن المسافة
والتي تساوي حاصل تقسيم (wavelength) بين قمتين من قممها مقاسة بالأمتار يسمى طول الموجة
إن نسبة شدة المجال الكهربائي إلى شدة المجال .(frequency) سرعة إنتشار الموجة على ترددها
والتي (intrinsic impedance) المغناطيسي في الموجة الكهرومغناطيسية يسمى المعاوقة المتأصلة
تساوي الجذر التربيعي لحاصل قسمة النفاذية على السماحية للوسط الذي تنتشر فيه هذه الموجة. ويعرف
بأنه الإتجاه الذي يشير إليه مجالها الكهربائي في الفضاء وعند (wave polarization) إستقطاب الموجة
إذا كان (vertical polarization) إتخاذ سطح الأرض كمرجع فإن الموجة تكون عامودية الإستقطاب
إذا (horizontal polarization) إتجاه مجالها الكهربائي عاموديا على سطح الأرض وأفقية الإستقطاب
كان إتجاه مجالها الكهربائي موازيا لسطح الأرض. وتسير الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ أو في
أي وسط متجانس على شكل خطوط مستقيمة ولكنها قد تتعرض لظواهر عدة عند انتقالها من وسط إلى
والتشتت (diffraction) والحيود (refraction) والإنكسار (reflection) وسط وهي ظواهر الإنعكاس
فعند إنتقال موجة كهرومغناطيسية من وسط إلى وسط بينهما حد منتظم غير متعرج فإن .(scattering)
جزءا من هذه الموجة سينعكس راجعا في الوسط الذي جاء منه وبحيث تساوي زاوية الإنعكاس زاوية
السقوط بينما ينفذ الجزء المتبقي من الموجة الساقطة إلى الوسط الثاني ويسير فيه بشكل منكسر حيث
لكلا الوسطين (refractive index) تتحدد زاوية الإنكسار من زاوية السقوط وكذلك معاملات الإنكسار
وإذا ما سقطت موجة على وسط ذي سطح متعرج فإن الإنعكاس لن .(Snell’s Law) حسب قانون سنل
يكون في اتجاه واحد بل في اتجاهات متعددة وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة التشتت. وعندما تسقط موجة
على جسم له أبعاد تقل عن طول الموجة فإن هذه الموجة لن تتأثر كثيرا بوجود هذه الجسم بل ستحيد عنه
وتكمل مسارها وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة الحيود. وجدير بالذكر أن جميع المعادن لا تسمح بالموجات
الكهرومغناطيسية بالنفاذ من خلالها بل تعكسها كليا إلى الوسط الذي جاءت منه وعليه فإنه لا يمكن
إستقبال أو إرسال هذه الموجات من داخل مباني جدرانها وأسقفها من المعادن. وبما أن معظم أنظمة
الاتصالات الكهربائية تعمل على سطح الأرض الكروية الشكل وكذلك ضمن الغلاف الجوي المحيط بها والذي
تتغير خصائصه بشكل مستمر مع تغير الليل والنهار وتغير الفصول فإنها تتعرض في الغالب إلى عدد من
الظواهر بعضها ذا فائدة كبيرة لبعض أنظمة الاتصالات وبعضها الآخر يقلل من حسن أدائها. ومن هذه
الظواهر انعكاس الأمواج عند ارتطامها بالأرض وبعض طبقات الغلاف الجوي مما يؤدي إلى تغيير اتجاه
انتشارها ومنها انكسار الأمواج عند انتقالها من طبقة إلى طبقة أخرى في الغلاف الجوي وهناك ظاهرة
الحيود حيث تقوم بعض الأمواج بتخطي بعض العوائق الطبيعية وتكمل مسارها وهناك الفقد الناتج عن
امتصاص مكونات الغلاف الجوي لبعض طاقة الأمواج وهناك التبعثر الناتج عن ارتداد جزء من الموجة
عند ارتطامها بمنطقة غير متجانسة في
الغلاف الجوي.

Be the first to comment

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*