المدونة

فهم التخفيض في ترددات الراديو ودوره في إدارة الإشارات

تعريف التخفيض في الأنظمة الكواكسيالية لترددات الراديو

في الأنظمة التناظرية ذات السلك المركزي (RF coaxial)، يعني التوهين بشكل أساسي تقليل قوة الإشارة أثناء انتقالها عبر خطوط النقل أو المكونات. نقيس هذا الانخفاض في القدرة باستخدام وحدة الديسيبل (dB). والهدف الأساسي هو الحفاظ على الإشارات عند مستويات آمنة لتجنب إثقال الأجهزة الواقعة في الجزء التالي من الدائرة. ويحدث ذلك عندما تفقد الطاقة في الأجزاء المقاومة للنظام. تقوم مخففات التوهين الثابتة الحديثة بعمل جيد نسبيًا في تقليل قيم الديسيبل بالقدر المطلوب بدقة، كما تحافظ على توافق المعاوقة المناسبة الذي يُعد أمرًا مهمًا جدًا. ولماذا؟ لأن سوء توافق المعاوقة يؤدي إلى انعكاسات تؤثر سلبًا على إشاراتنا. وهذه الأجهزة الحديثة تعمل بكفاءة ضمن نطاق مثير للإعجاب أيضًا، حيث تتعامل مع كل شيء بدءًا من التيار المستمر وحتى الترددات التي تصل إلى حوالي 18 جيجاهرتز دون فقدان فعاليتها.

كيف تؤثر قيم التوهين على قوة الإشارة وسلامتها

للاختيار بين إعدادات التوهين 3dB أو 6dB أو 10dB تأثير حقيقي على مدى وضوح الإشارات مقابل الضوضاء الخلفية وعلى أداء المستقبل بشكل عام. إن استخدام أرقام ديسيبل أعلى يساعد بالفعل في حماية المكونات الحساسة من التحميل الزائد، رغم أن المهندسين بحاجة إلى الانتباه للتجاذبات مثل زيادة فقد الإدخال ومشاكل الحرارة. على سبيل المثال، فإن توهينًا بقيمة 6dB يقلل قوة الإشارة إلى النصف تقريبًا. وهذا أمر مهم جدًا عند العمل مع تشكيلات المضخمات متعددة المراحل حيث نرغب في تجنب مشكلات التشويه غير المرغوب فيها. ووفقًا لما توصل إليه خبراء سلسلة إشارات الموجات الراديوية (RF) مؤخرًا، فإن اصطدام طاقة زائدة بالمدخلات التناظرية يتسبب فقط في حدوث مشاكل. والنتيجة؟ انخفاض قياسات مقدار الخطأ المتجه في مستقبلات الجيل الخامس (5G) بنسبة حوالي 40٪ بناءً على اختبارات الموجة الأخيرة من العام الماضي.

تأثير توهين القدرة على أداء النظام وخطّيته

تتراوح حدود القدرة لمشتتات الإشارة التجارية عادةً بين 1 و100 واط، وتخبرنا هذه الأرقام الكثير عن مدى بقاء الجهاز خطيًا عندما يعمل تحت حمل كبير. إن الحصول على كمية مناسبة من تقليل الإشارة أمرٌ بالغ الأهمية للحفاظ على الحد الأدنى من التشويش. تشير بعض الدراسات إلى أن إضافة مخفف بقيمة 10 ديسيبل يمكن أن يرفع نقاط اعتراض الرتبة الثالثة بنحو 15 ديسيبل في أنظمة تلفاز الكابل. كما يهتم معظم المهندسين أيضًا باستقرار درجة الحرارة. فحتى تغير طفيف بمقدار 1 درجة مئوية فقط يمكن أن يؤثر على قراءة التوهين بمقدار 0.02 ديسيبل. قد لا يبدو هذا كثيرًا، ولكن في تطبيقات مثل معايرة رادار الموجات الملليمترية، حيث تكون الدقة مهمة جدًا، فإن هذه التغيرات الصغيرة هي التي تصنع الفرق بين القراءات الدقيقة والأخطاء المكلفة.

قيم التوهين القياسية في مشتتات الكوأكسيل الثابتة

مستويات ديسيبل الشائعة: شرح 3 ديسيبل، 6 ديسيبل، 10 ديسيبل، و20 ديسيبل

تستخدم المخففات المحورية الثابتة قيماً قياسية بالديسيبل (dB) توازن بين متطلبات النظام والتصميم العملي. وأكثر القيم استخداماً هي:

• 3ديسيبل : يقلل نصف القوة المدخلة، وهو مثالي للتعديلات البسيطة في مطابقة المعاوقة
• 6dB : يقلل القوة إلى 25% من المستويات الأولية، ويُستخدم بشكل شائع في موازنة خط التغذية للهوائيات
• 10dB : يقلل القوة بنسبة 90%، ويُستخدم بكثرة في معايرة أجهزة الاختبار
• 20 ديسيبل : يحد من المخرج إلى 1% من المدخل، وهو ضروري لحماية المستقبلات الحساسة

أظهر استطلاع أجري في عام 2024 مع متكاملين لأنظمة الترددات الراديوية أن 63% من التركيبات تستخدم مخففات تتراوح قيمتها بين 3 ديسيبل و20 ديسيبل، بما يتماشى مع الأنظمة القياسية الصناعية ذات 50 أوم التي تركز على تقليل اضطراب النسبة الموجية الساكنة (VSWR).

التسلسلات القياسية الصناعية والتطبيق العملي لها

يختار المهندسون قيم التوهين بناءً على تسلسلات لوغاريتمية تسهل تصميم سلاسل الإشارة المتسلسلة. ومن التسلسل النموذجي ما يلي:

تسلسل نموذجي
3dB → 6dB → 10dB → 20dB → 30dB

هذا يسمح بانخفاضات تراكمية تصل إلى 69 ديسيبل عند دمج عدة مخففات — وهو ما يكفي للرادارات عالية القدرة وبنيتها التحتية الخلوية. وعادةً ما تتوافق التصاميم مع معايير الاستقرار الحراري ISO 9001:2015، وتدعم تحمل طاقة تصل إلى 100 واط في موصلات من النوع N صغيرة الحجم.

مخففات ثابتة من النوع N بقيمة 3 ديسيبل: التطبيقات والتكامل

تُستخدم مخففات النوع N بقيمة 3 ديسيبل على نطاق واسع في نشر محطات القاعدة نظرًا لواجهاتها المتينة واستقرار السعة بنسبة 0.1 ديسيبل عبر نطاقات التردد من 0 إلى 8 جيجاهرتز. ويقوم المصنعون الرئيسيون بتحسين هذه المخففات من أجل:

1. معادلة خرج مضخم القدرة في صفائف 5G mMIMO
2. تصحيح نسبة الموجة الثابتة بالجهد (VSWR) في تجميعات الموجهات الموجية
3. توحيد مسار الإشارة أثناء ترقيات شبكات LTE/تحت 6 جيجاهرتز

أظهرت الاختبارات الميدانية استقرارًا في فقد الإدخال بمقدار 0.05 ديسيبل على مدى درجات حرارة تتراوح من -55°م إلى +125°م، بما يتماشى مع مواصفات MIL-STD-202G الخاصة بالمقاومة ضد الصدمات والاهتزازات.

عوامل التصميم والهندسة المؤثرة على أداء المخفف

أساليب الشبكات المقاومة في تصميم المخففات المحورية

تعتمد المخففات المحورية على شبكات مقاومة مصممة بعناية، وغالبًا ما تكون على شكل باي (π) أو تكوينات على هيئة حرف T، لتقليل الإشارات بشكل موثوق. تعمل النوعية من نوع باي بكفاءة عالية مع مقاومات الأغشية الرقيقة، حيث تحقق دقة تبلغ حوالي ±0.3 ديسيبل حتى الترددات التي تصل إلى 18 جيجاهرتز. من ناحية أخرى، يمكن لشبكات الحرف T أن تستهلك طاقة أعلى بكثير، حيث تتحمل ما يصل إلى 200 واط باستمرار، لكنها تضحي بجزء من قدراتها في عرض النطاق الترددي. إن تصميم هذه المكونات أمرٌ معقّد إلى حدٍ ما. يُكرس المهندسون ساعات لا تحصى لضبط مواد المقاومات والترتيبات الفيزيائية لها بهدف تقليل تأثيرات الحث غير المرغوب فيها. يساعد هذا العمل الدقيق في الحفاظ على أداء ثابت لفقدان الإشارة، مع تقلبات تبقى ضمن ±0.1 ديسيبل عبر نطاقات ترددية واسعة، وهو أمر بالغ الأهمية عند التعامل مع أنظمة اتصالات معقدة.

مطابقة المعاوقة وتحسين نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) من أجل استقرار الإشارة

عندما تحدث عدم توافق في المعاوقة في الأنظمة الراديوية الترددية (RF)، فإن ذلك يُنتج موجات واقفة مزعجة تؤثر سلبًا على جودة الإشارة. الخبر الجيد هو أن المخففات عالية الأداء يمكنها الحفاظ على نسب VSWR تحت السيطرة، حيث تحافظ عادةً على هذه النسبة أقل من 1.2:1 طوال نطاق تشغيلها بفضل تكوينات المقاومات المتوازنة. أظهرت بعض الدراسات أن إضافة مخفف بقيمة 6 ديسيبل تقلل من مشكلات الانعكاس بنحو النصف في الأنظمة القياسية ذات 50 أوم، مما يحمي المكونات الحساسة للمستقبل من التلف الناتج عن الانعكاسات العكسية. ولنتائج أفضل، تتمكن النماذج المتقدمة الأحدث من خفض نسبة VSWR إلى أقل من 1.1:1 عند ترددات تصل إلى 40 جيجاهرتز. ويتم تحقيق ذلك من خلال ميزات تصميم ذكية مثل وصلات كواكسيالية ذات أشكال تدريجية وتوزيع المكونات المقاومة بشكل منتشر عبر الجهاز.

استجابة التردد وقيود النطاق الترددي عبر الأنظمة الراديوية الترددية (RF)

تعمل المخففات الثابتة الحديثة عبر نطاق واسع نسبيًا، عادةً من التيار المستمر (DC) حتى حوالي 50 جيجاهرتز. ولكن هناك مشكلة – تبدأ أداءاتها في الانخفاض بمجرد الوصول إلى نقاط القطع التي تعتمد على المادة. خذ على سبيل المثال النماذج العريضة النطاق بقيمة 10 ديسيبل. يمكن لهذه النماذج الحفاظ على استقرار الأداء ضمن ±0.5 ديسيبل حتى 26.5 جيجاهرتز عند استخدام ركائز أكسيد البيريليوم. ومع ذلك، عند دفعها إلى 40 جيجاهرتز، تبدأ بالظهور بعض المشكلات مثل تموج بقيمة 1.2 ديسيبل ناتج عن مشاكل إثارة وضعية الركيزة. هنا تأتي أهمية النسخ العسكرية. فهي تحل هذه المشكلات من خلال تصاميم خاصة مثل هياكل كواكسيالية مفرّغة مقترنة بمبددات حرارية من الماس. يتيح هذا التوليف العمل من التيار المستمر (DC) وحتى 110 جيجاهرتز مع تصنيفات VSWR ممتازة تصل إلى 0.8:1. تجعل هذه الخصائص الأداءية منها مكونات أساسية للأنظمة المتقدمة مثل تشكيلات الرادار ذات المصفوفة الطورية والنشرات الجيل التالي من شبكات 5G في نطاق FR2، حيث تكون سلامة الإشارة مهمة جدًا.

التطبيقات الرئيسية للمخففات الثابتة للترددات الراديوية في سلاسل الإشارة الواقعية

منع تشبع المستقبل من خلال التخفيف المتسلسل

تحمي المخففات الثابتة للترددات الراديوية المستقبلات الحساسة من قوة الإشارة العالية. يؤدي إدخال مخفف بقيمة 3 ديسيبل أو 10 ديسيبل في الخط إلى جعل الإشارات الواردة ضمن مستويات التشغيل الآمنة. في أنظمة الرادار، حيث يمكن أن تفوق نبضات الإرجاع القدرة على تحمل المكونات الأمامية، يقلل مخفف بقيمة 6 ديسيبل من القدرة بنسبة 75%، مما يتيح تشغيلاً مستقرًا دون التضحية بدقة الإشارة.

معايرة مستوى الإشارة في بيئات الاختبار والقياس

تعتمد أدوات القياس مثل محللات الطيف ومحللات الشبكات على المخففات الثابتة لتحقيق المعايرة الدقيقة. يقوم مخفف بقيمة 20 ديسيبل بمحاكاة خسائر الكابلات الواقعية، ما يسمح بقياسات دقيقة للقدرة. تتبع هذه الممارسة بروتوكولات اختبار MIL-STD-449D، حيث يضمن دقة تخفيف ±0.2 ديسيبل التكرارية عبر أنظمة اتصالات الجيل الخامس والأقمار الصناعية.

تحسين دقة تطابق المعاوقة باستخدام المخففات الثابتة

تحسّن المخففات مطابقة المعاوقة من خلال تقليل الإشارات المنعكسة بين العناصر غير المتطابقة. يحسّن المخفف من نوع N بقيمة 3 ديسيبل نسبة الموجة الثابتة (VSWR) من 1.5:1 إلى 1.2:1 في مضخمات محطات القاعدة، مما يقلل من الموجات الثابتة التي تشوه استجابة التردد. هذه الفائدة تكون ذات قيمة خاصة في صفائف الهوائيات، حيث تؤثر التغيرات في المعاوقة بين العنصر والعنصر على دقة تشكيل الحزمة.

دراسة حالة: نشر مخففات بقيمة 10 ديسيبل في إعدادات محطات القاعدة الخلوية

في نشر شبكة 5G في بيئة حضرية، قام المهندسون بتثبيت مخففات ثابتة بقيمة 10 ديسيبل بين مضخمات القدرة وأجهزة التعدد بالدوبلكس، وحققوا ما يلي:

• انخفاض بنسبة 40٪ في القدرة المنعكسة عند تردد 3.5 غيغاهرتز
• تحسّن معامل التشوه الوекторي (EVM) من 8٪ إلى 3٪ تحت الحمل الكامل
• تمديد عمر مضخم الضوضاء المنخفض بمقدار 18 شهرًا
  حافظ هذا التكوين على الامتثال للجزء 27 من لائحة اللجنة الاتحادية للاتصالات (FCC) مع دعم تعديل 256-QAM لتحقيق سرعات نقل بيانات أعلى.

معايير اختيار المخففات الراديوية المحورية المثلى لأداء مثالي

سعة تحمل القدرة وكفاءة التبديد الحراري

يجب أن تكون المخففات المحورية عالية التردد قادرة على التعامل مع طاقة النظام دون التأثير على جودة الإشارة. تختلف سعة الطاقة بشكل كبير أيضًا - فبعضها لا يمكنه تحمل سوى 0.5 واط في التطبيقات الهادئة، بينما تصل بعض الأنواع الأخرى إلى 1,000 واط في الأنظمة الثقيلة وفقًا لبيانات باستيرناك من العام الماضي. وعند التعامل مع مستويات الطاقة العالية هذه، يُضيف المصنعون عادةً مشتتات حرارية من الألومنيوم أو أحيانًا أنظمة تبريد بالهواء القسري للحفاظ على درجة الحرارة ضمن الحدود الآمنة. وقد يؤدي عدم الالتزام بذلك إلى حدوث مشكلات مثل توافقيات غير مرغوب فيها، أو تأثيرات تشويه تداخلية غريبة، أو ما هو أسوأ من ذلك، تلف مادي فعلي للدوائر التي تتبع المخفف في سلسلة النظام.

أنواع الموصلات (مثل N-Type، SMA) والمتانة البيئية

نوع الموصل المختار يُحدث فرقًا حقيقيًا من حيث أداء المعدات وموثوقيتها على المدى الطويل. من بين الخيارات الشائعة موصلات من نوع N التي تعمل حتى حوالي 18 جيجاهرتز، وموصلات SMA القادرة على التعامل مع ترددات تصل إلى 26.5 جيجاهرتز. توفر هذه الموصلات توازنًا جيدًا بين الترددات الإشارية التي يمكنها تحملها والمتانة الفيزيائية. عند التعامل مع ظروف قاسية مثل تلك الموجودة في أبراج الخلايا الخارجية أو على الطائرات، غالبًا ما يلجأ المهندسون إلى مخففات مصنوعة بحواف من الفولاذ المقاوم للصدأ ومحمية بتقنية إغلاق IP67. تكون هذه التصاميم أكثر مقاومة بكثير للعوامل البيئية بما في ذلك تلف المياه، ودخول الأتربة، والتقلبات الحرارية التي تتراوح من ناقص 40 درجة مئوية وحتى زائد 125 درجة مئوية.

توافق نطاق التردد في أنظمة 5G والميكروويف الحديثة

يجب أن تتطابق المخففات مع النطاقات التشغيلية للأنظمة المتقدمة. على سبيل المثال:

• شبكات 5G FR2 (24–52 جيجاهرتز) يتطلب نسبة VSWR أقل من 1.5:1
• الاتصالات الميكروويفية (6–42 جيجاهرتز) يتطلب توهينًا مسطحًا (تغير ±0.3 ديسيبل)
  الموصلات الأكبر مثل 7/16 دين تدعم طاقة أعلى ولكنها تحد من النطاق الترددي، مما يجعل اختيار المادة الأساسية — مثل أكسيد البيريليوم — عاملًا رئيسيًا في الاستقرار العريض النطاق.

الأسئلة الشائعة

ما هو التوهين الراديوي (RF attenuation)؟

يشير التوهين الراديوي إلى تقليل قوة الإشارة أثناء انتقالها عبر خطوط أو مكونات النقل في الأنظمة الراديوية ذات التوصيل المتماسك. وهو عامل مهم لإدارة سلامة الإشارة والسلامة العامة.

كيف يؤثر التوهين على أداء النظام؟

يؤثر التوهين على أداء النظام من خلال التحكم في مستويات قوة الإشارة، ومنع تشبع المكونات الحساسة، والحفاظ على جودة الإشارة في أنظمة الاتصالات.

ما هي القيم الشائعة للتوهين المستخدمة؟

تشمل القيم الشائعة للتوهين 3 ديسيبل، و6 ديسيبل، و10 ديسيبل، و20 ديسيبل، وكل منها يخدم تطبيقات مختلفة مثل مطابقة المعاوقة، وتقليل القدرة، ومعايرة معدات الاختبار.

لماذا تُعد مطابقة المعاوقة مهمة في الأنظمة الراديوية (RF)؟

تُعد مطابقة المعاوقة مهمة لمنع انعكاسات الإشارة التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور جودة الإشارة وحدوث تشويه في الأنظمة الراديوية (RF).