المدونة

دور المكونات السلبية في أنظمة RF والاتصالات

فهم المكونات السلبية في أنظمة RF والاتصالات

تشكل المكونات السلبية اللبنات الأساسية لأنظمة الترددات الراديوية والاتصالات، حيث تمكن من معالجة الإشارات الحيوية دون إدخال تقوية أو تحكم نشط. وعلى عكس المكونات النشطة مثل الترانزستورات أو المكبرات، تعمل العناصر السلبية مثل المقاومات والمكثفات والمحثات بشكل خالٍ من خلال تفاعلات المجال الكهرومغناطيسي. وتشمل وظائفها الأساسية:

• مطابقة المعاوقة : ضمان نقل فعال للطاقة بين مراحل الدائرة.
• تصفية : حجب الترددات غير المرغوب فيها مع الحفاظ على سلامة الإشارة.
• تخزين الطاقة : تخزين الشحنة أو الطاقة المغناطيسية مؤقتًا لأغراض التوقيت والاستقرار.

تُعد هذه المكونات ضرورية لتحديد سلوك الإشارات، خاصة في البيئات ذات التردد العالي حيث يحدد أدنى خسارة إدخال وتطابق المعاوقة الدقيق كفاءة النظام.

توزيع الإشارة ودمجها في شبكات الاتصالات

تلعب المكونات السلبية مثل مقسمات الطاقة دوراً مهماً جداً في شبكات الاتصالات الحديثة من حيث توزيع الإشارات عبر إعدادات متعددة الأنتينات وتلك الوحدات الراديوية الموزعة التي نراها في كل مكان الآن. عندما تدخل إشارة RF إلى محطة قاعدية، هناك عادةً حاجة إلى تقسيمها إلى عدة مسارات مختلفة لتتمكن من الوصول إلى جميع تلك الأنتينات أو تركيبات الخلية الصغيرة دون التأثير على توقيتاتها. يعتمد معظم المهندسين على مُزودات الاقتران الاتجاهية أو مقسمات ويلكينسون لأداء هذه المهمة. يمكن لهذه الأجهزة بالفعل تقسيم الإشارات بنسبة تصل إلى 1:32، كما تنجح في الحفاظ على خسارة الإدخال (insertion loss) أقل من 0.5 ديسيبل وفقاً للقياسات التي أُجريت حول نطاقات التردد 3.5 غيغاهرتز أثناء الاختبارات الميدانية السنة الماضية. إن إلقاء نظرة على طريقة عمل الأنظمة الفرعية RF في البنية التحتية اللاسلكية الحالية يظهر أن هذه المكونات السلبية البسيطة لها تأثير كبير على ما يمكن لشبكات 5G تحقيقه من حيث السعة وزمن الاستجابة، لأنها تجعل من الممكن تنفيذ تقنيات تشكيل الحزمة (beamforming) والتجميع الناقل (carrier aggregation) بدقة. أما التحدي بالنسبة للمصممين فهو العثور على التوازن الصحيح بين مقدار الطاقة التي يمكن لهذ المكونات تحملها مقابل مدى صغرها المطلوب أن تكون عليه، خاصة في المناطق الحضرية المزدحمة حيث تتطلب الترددات ذات الموجات الملليمترية (mmWave) مكونات تناسب المساحات الضيقة للغاية.

كيفية عمل موزعات الطاقة: الوظيفة الأساسية والخصائص الرئيسية

وظيفة موزعات الطاقة في توزيع الإشارة

موزعات الطاقة هي في الأساس مكونات سلبية تُستخدم في جميع أنحاء شبكات الاتصالات. فهي تأخذ إشارة تردد راديوي واردة وتُوزعها على عدة مسارات خرج مع الحفاظ على توازن الممانعة. المهمة الأساسية لهذه الأجهزة هي نشر الإشارات بشكل متساوٍ عبر أجزاء مختلفة من الشبكة بما في ذلك الهوائيات العادية، وأنظمة الهوائيات الموزعة المتطورة التي نطلق عليها اسم DAS، بالإضافة إلى محطات القاعدة أيضًا. عند إعداد شبكات 5G، يحتاج الفنيون غالبًا إلى تقسيم إشارة 3.5 GHz واحدة إلى مسارين أو أربعة مسارات منفصلة بحيث يمكن الوصول إلى مناطق متعددة في وقت واحد. وهذا يساعد مزودي الخدمة على تحسين التغطية دون التسبب في مشاكل تداخل إضافية لاحقًا.

موزعات الطاقة مقابل المُجمّعات في تطبيقات الاتصالات

يخلط الناس بينها، لكن موزعات الطاقة وموحداتها تقوم في الواقع بمهام معاكسة. تقوم الموزعات بأخذ إشارة تأتي من مصدر واحد وإرسالها إلى عدة نقاط مختلفة في نفس الوقت. أما الموحدات فتعمل بشكل معاكس، حيث تأخذ الإشارات من مصادر متعددة وتوحدها في مسار إخراج واحد. بعض طرازات الموزعات يمكن استخدامها كموحدات عند الحاجة، خاصة تلك التي تتمتع بقدرات ثنائية الاتجاه. خذ على سبيل المثال المُقَسِّم الهجين، حيث تسمح هذه الأجهزة باندماج الإشارات من إرسالين منفصلين عند نقطة توصيل هوائي واحدة. الشيء المهم هنا هو أنها تحافظ على عزل الإشارات عن بعضها البعض. هذا الأمر مهم للغاية في الأماكن التي تتكدس فيها إشارات لاسلكية كثيرة مثل المناطق الحضرية الكبيرة، لأنه إذا لم يتم ذلك، ستبدأ كل تلك الإشارات بالتدخل مع بعضها البعض.

المقاييس الرئيسية للأداء: نسبة التوزيع، خسارة الإدخال، والعزل

ثلاثة مقاييس تحدد كفاءة الموزع:

• نسبة الانقسام : يصف توزيع الإخراج (على سبيل المثال، 1:2 للتقسيم المتساوي).
• خسارة الإدخال : تقليل قوة الإشارة عبر الجهاز، عادةً ما يتراوح بين 0.1–3 ديسيبل في الوحدات عالية الجودة. تشير الدراسات الصناعية إلى أن الخسائر التي تقل عن 1 ديسيبل تحسّن كفاءة استهلاك الطاقة في الشبكة بنسبة 12–18% (معهد بونيمون، 2023).
• عزل : يمنع تسرب الإشارة بين منافذ الإخراج، حيث تتجاوز قيمة العزل 20 ديسيبل في النماذج المميزة لتجنب التداخل في الأنظمة متعددة الحمولة.

تؤثر هذه المعلمات بشكل مباشر على موثوقية الشبكة، خاصة في نشر شبكات 5G ذات الموجات الملليمترية حيث تكون سلامة الإشارة بالغة الأهمية.

أنواع ومقايضات التصميم الخاصة بموزعات القدرة الراديوية

موزعات القدرة الراديوية (RF) هي مكونات سلبية بالغة الأهمية في إدارة سلامة الإشارة في الأنظمة الهاتفية، حيث يرتبط أداؤها بشكل مباشر باختيارات التصميم. فيما يلي استعراض لأهم اختلافاتها ومفاضلات التصميم التقنية وأثرها التشغيلي.

الأنواع الشائعة لموزعات القدرة: موزع ويلكينسون، الموزع الاتجاهي، والموزع المقاوم

تؤدي الثلاثة أنواع الرئيسية لموزعات القدرة الراديوية أدوارًا مختلفة تمامًا:

• موزعات ويلكينسون يستخدمون محولات ربع الموجة لتقسيم الإشارات مع الحفاظ على عزل الموانئ، مما يجعلهم مثالية للتطبيقات عالية التردد مثل صفوف هوائيات الجيل الخامس. تبرز دراسة عام 2024 حول أنظمة RF انخفاض خسائر إدخالها (عادة < 0.3 ديسيبل) وقدرتها على التعامل مع مستويات الطاقة تصل إلى 100 واط.
• أجهزة تقسيم الاتجاه خطوط نقل مقترنة بالرافعة المالية لتوجيه إشارات انتقائية التردد، غالبا ما تستخدم في تقسيم التردد.
• أجهزة تقسيم المقاومة توفير عرض النطاق الترددي الواسع والحجم المدمج ولكن التضحية العزلة (غالبا < 20 ديسيبل) ، والحد من استخدامها لمعدات الاختبار منخفضة الطاقة.

خسارة الإدراج والعزلة: التأثير على كفاءة الشبكة

فقدان الإدراج (23 ديسيبل في أجهزة التقسيم التجارية) يقلل مباشرة من سعة شبكة الإنترنت ، في حين أن العزل غير الكافي (> 30 ديسيبل هدف لـ 5G) يسبب تسرب الإشارة بين الموانئ. على سبيل المثال، فقدان 1 ديسيبل في صف MIMO الضخم 64T64R يمكن أن يقلل من معدل تسليم حافة الخلية بنسبة 15 20٪، وفقًا للتجارب الميدانية الأخيرة.

التفاوضات في التصميم: الحجم المدمج مقابل العزل العالي ومعالجة الطاقة

غالبًا ما يُجبر تقليل حجم المقسمات (Splitters) المستخدمة في المحطات الصغيرة المهندسين على قبول تقليل بنسبة 10–15% في القدرة على تحمل الطاقة أو انخفاض في العزل بمقدار 5–8 ديسيبل. تساعد المواد المتقدمة مثل GaN-on-SiC في تخفيف هذه الخسائر، مما يسمح بتصنيع مقسمات ويلكنسون (Wilkinson Splitters) أصغر بنسبة 40% دون التأثير على الأداء عند 2.4 GHz في نشر شبكات الموجات الملليمترية الحديثة.

تطبيقات مقسمات الطاقة في شبكات الجيل الخامس (5G) والبنية التحتية اللاسلكية الحديثة

مقسمات الطاقة في محطات الجيل الخامس الأساسية والخلايا الصغيرة

يُعتبر موزعو الطاقة من المكونات الأساسية لأي تجهيز لشبكة 5G، حيث يساعدون في توزيع الإشارات بشكل صحيح عبر أنظمة هوائيات MIMO الكبيرة التي نراها في كل مكان الآن. في الوقت الحالي، تعتمد معظم محطات القاعدة على هذه الموزعات لتقسيم الإشارات ذات التردد العالي بحيث توزع بالتساوي على حوالي 64 أو حتى 128 نقطة هوائية مختلفة. هذا يساعد في الحفاظ على تغطية متسقة عبر منطقة معينة، ويضمن توجيه الحزم الإشارة بدقة إلى المواقع المطلوبة. وفيما يتعلق بالخلايا الصغيرة المُثبتة في المدن المزدحمة، تصبح الإصدارات المدمجة من هذه الموزعات مهمة للغاية. فهي تقلل من مشاكل فقد الإشارة مع البقاء ضمن المساحات الضيقة مثل قمم أعمدة الإنارة أو مثبتة على جدران المباني، حيث تكون المساحة محدودة بالنسبة لطواقم الاتصالات التي تحاول إعداد كل شيء.

التركيب العملي في شبكات 5G ذات الموجات الملليمترية

تعاني ترددات الموجات المليمترية أعلى 24 جيجا هرتز فعلاً من مشاكل انتشار مثل امتصاصها من قبل الغلاف الجوي وعدم تمكنها من الانحراف بشكل جيد حول العوائق. ولتلك الحزم الترددية العالية، يلجأ المهندسون إلى مقسمات القدرة التي تساعد في تقليل فقد الإشارة من خلال تقسيم الإشارات لتلك الهوائيات ذات المصفوفة الطورية التي يمكنها بالفعل توجيه أشعتها إلى المواقع التي تحتاجها. خذ على سبيل المثال محطة قاعدة 5G القياسية عند 28 جيجا هرتز. عادةً ما تعتمد هذه المحطات على مقسمات قدرة ويلكينسون لتحقيق التوازن الدقيق بين عزل جيد يزيد عن 20 ديسيبل والحفاظ على خسائر الإدخال أقل من حوالي 0.3 ديسيبل. هذا الترتيب يجعل من الممكن الحفاظ على معدلات بيانات معقولة حتى عند تغطية مسافات تصل إلى نحو 200 متر، على الرغم من أن الجميع يعلم أن موجات المليمتر ما زالت تحتاج إلى خط رؤية واضح إلى حد كبير للعمل بشكل صحيح في معظم الأوقات.

تحديات إدارة الإشارة في أنظمة الاتصالات ذات التردد العالي

في أنظمة الجيل الخامس ذات التردد العالي، يجب أن تكون مقسمات القدرة قادرة على تحمل الظروف الحرارية القاسية مع الحفاظ على خسارة الانعكاس أقل من -15 ديسيبل لتجنب مشاكل عدم تطابق المعاوقة. عند العمل بترددات تقارب 39 غيغاهرتز، يمكن أن تؤدي الفروقات الطفيفة في الطور، التي تقل عن 5 درجات بين الإشارات الناتجة، إلى اضطراب كبير في أنماط الحزمة. في الواقع، تقلل هذه التشويهات من سعة الشبكة بنسبة تتراوح بين 30 إلى 40 بالمائة وفقًا للبحث الذي أجرته Ponemon في عام 2023. أفضل التصاميم الحالية بدأت بدمج مواد مُعَوَّلة حراريًا مع موصلات مطلية بالذهب. تساعد هذه المكونات في الحفاظ على تشغيل النظام بشكل صحيح حتى عندما تتقلب درجات الحرارة الخارجية بأكثر من 50 درجة مئوية سنويًا، وهو ما يحدث غالبًا في العديد من مواقع النشر.

من خلال التغلب على هذه التحديات التقنية، تظل مقسمات القدرة ضرورية لتوسيع نطاق البنية التحتية للجيل الخامس لتلبية متطلبات السرعة المتوقعة البالغة 10 غيغابت في الثانية والتأخير أقل من 1 مللي ثانية.

الاتجاهات المستقبلية: دمج مقسمات الطاقة في الأجهزة السلبية المتكاملة (IPD) والوحدات المصغرة

الأجهزة السلبية المتكاملة (IPD): نمو السوق والتطبيقات في قطاع الاتصالات

تتحرك شركات الاتصالات بسرعة نحو إنشاء أنظمة شبكات أصغر وأكثر كفاءة، مما يفسر سبب ازدهار استخدام الأجهزة السلبية المتكاملة (IPDs) في الآونة الأخيرة. تتضمن هذه الوحدات الصغيرة التي تعتمد على أشباه الموصلات مكونات مثل مقسمات الطاقة والمرشحات والمُقترنات كلها مُجمَّعة على ركيزة واحدة. والنتيجة هي أن المحطات الأساسية تحتاج إلى 40 وحتى 60 بالمئة أقل من المكونات مقارنة بالماضي، كما أنها تعمل بدرجة حرارة أقل أيضًا. ومن منظور مستقبلي، مع استمرار نشر شبكات الجيل الخامس (5G) في أنحاء البلاد، يتوقع خبراء السوق أن تزداد الحاجة إلى الأجهزة السلبية المتكاملة في قطاع الاتصالات بنسبة تقارب 19 بالمئة سنويًا حتى عام 2028. ويبقى تقليل حجم وحدات الإرسال والاستقبال (RF) أحد أبرز العوامل الدافعة لهذا الاتجاه وفقًا لمعظم المراقبين للقطاع.

مقسمات الطاقة كمكونات مضمنة في الوحدات الراديوية المتقدمة

يقوم المصنعون الرئيسيون الآن بدمج مقسمات الطاقة مباشرةً داخل مكبرات الصوت RF المصنوعة من نيتريد الغاليوم (GaN)، مما يمكّن من وحدات ذات وظيفتين تشغل مساحة على لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) أقل بنسبة 30% مقارنة بالإعدادات المنفصلة. تحسّن هذه الطريقة المصممة بشكل مشترك تطابق الممانعة عند الترددات المليمترية، مما يقلل من خسائر الإدخال بمقدار 0.8–1.2 ديسيبل في هوائيات المصفوفة الممسحة (phased-array) عند 28 غيغاهرتز.

التوازن بين التصغير والأداء في تصميمات تعتمد على IPD

بينما تتيح IPD وفورات غير مسبوقة في المساحة، يواجه المصممون تنازلات بين العزل (-25 ديسيبل كحد أدنى لشبكات الجيل الخامس 5G) ومقاسات الحزمة التي تقل عن 2.5 مم². وقد ساهمت التطورات الأخيرة في دمج المكثفات ذات الأغشية الرقيقة والدرع الواقي لثقوب الركيزة في دفع مقاييس العزل إلى -32 ديسيبل عند 39 غيغاهرتز في مقسمات الطاقة IPD ذات الجودة الإنتاجية.

الأسئلة الشائعة

ما هي المكونات السلبية في أنظمة الاتصالات الإذاعية (RF) والاتصالات السلكية واللاسلكية (telecom)؟

المكونات السلبية هي عناصر بناء أساسية في أنظمة الترددات الراديوية والاتصالات، وتشمل عناصر مثل المقاومات والمكثفات والمحثات. تقوم بمهام حيوية مثل مطابقة المعاوقة والترشيح وتخزين الطاقة دون إدخال تقوية أو تحكم نشط.

كيف تعمل مقسمات القدرة في شبكات الاتصالات؟

تُستخدم مقسمات القدرة لتوزيع إشارة التردد الراديوي الداخلة إلى مسارات خرج متعددة مع الحفاظ على توازن المعاوقة. وهي ضرورية لتوزيع الإشارات بشكل متساوٍ في شبكات الاتصالات، وخاصة في إعدادات الجيل الخامس (5G).

ما الفرق بين مقسمات القدرة وأجهزة الجمع؟

مقسمات القدرة تقوم بتقسيم إشارة دخل واحدة إلى مسارات متعددة، بينما تجمع أجهزة الجمع الإشارات من مصادر متعددة إلى مسار خرج واحد. يمكن لبعض الأجهزة، مثل المُقترنات الهجينة، أن تقوم بكلتا الوظيفتين.

لماذا تعتبر خسارة الإدخال مهمة في مقسمات القدرة في الدوائر الترددية الراديوية؟

يشير فقدان الإدخال إلى تقليل قوة الإشارة أثناء مرورها عبر المقسم. يُحسّن فقدان الإدخال المنخفض كفاءة استخدام الطاقة في الشبكة وأداء النظام، خاصةً في التطبيقات ذات التردد العالي.

ما هي الاتجاهات المستقبلية التي تؤثر على تصميم مقسمات القدرة الراديوية (RF power splitter)؟

يُعد دمج مقسمات القدرة في وحدات مصغرة ودوائر متكاملة مُخصصة (IPDs) اتجاهًا مهمًا، حيث يُحسّن الكفاءة ويقلل من عدد المكونات اللازمة في أنظمة الاتصالات.