المدونة

الحماية الفائقة ومقاومة الضوضاء في كابلات RF المحورية

البنية الأساسية لكابلات RF المحورية

تتحقق كابلات RF المحورية من مقاومة الضوضاء من خلال تصميم طبقي: موصل مركزي محاط بعازل عازل، ودرع واقي، وغلاف خارجي. ويقلل الطبقة العازلة من الفقد الكهربائي، بينما يشكل الدرع قفص فاراداي لحجب التداخل الخارجي.

فعالية الحماية في البيئات الصاخبة

تواجه محطات القاعدة الحضرية تداخلًا كهرومغناطيسيًا (EMI) من خطوط الكهرباء، والمرسلات الراديوية، والمعدات الصناعية. ويُعالج هذا التداخل عبر التدريع متعدد الطبقات الذي يجمع بين تغطية حبكة بنسبة 95٪ للحد من الضوضاء ذات التردد المنخفض، وطبقات رقيقة تعكس التداخل الكهرومغناطيسي عالي التردد. وتُظهر الاختبارات الميدانية أن هذا الأسلوب ذي الطبقتين يقلل من التداخل بمقدار 40-60 ديسيبل مقارنةً بالتصاميم أحادية التدريع.

التدريع متعدد الطبقات ومنع التداخل

تستخدم التكوينات المتقدمة أربع طبقات تدريع: اثنتان رقيقتان واثنتان محبوكتان. تقوم الطبقة الرقيقة الخارجية بعكس التداخل الكهرومغناطيسي الجوي، في حين تمتص الحبكة الداخلية تيارات الحلقة الأرضية. وتحسّن الأنواع الحلزونية المحبوكة المرونة دون التضحية بالتغطية، وهو أمر بالغ الأهمية بالنسبة للأبراج التي تتطلب صيانة متكررة.

كثافة الحبكة وتأثير العازل على وضوح الإشارة

توفر الكثافة الأعلى للحبكة رفضًا أفضل للضوضاء بنسبة 15-20٪ في الأطياف المزدحمة. تحافظ المواد العازلة قليلة الفاقد مثل بولي إيثيلين الرغوي المحقون بالغاز على سلامة الإشارة، مما يقلل التوهين بمقدار 0.3 ديسيبل/متر عند تردد 3 جيجاهرتز.

دراسة حالة: أداء التدريع لمحطة قاعدة حضرية

وجد تحليل أُجري في عام 2023 على 200 موقع حضري أن الكابلات المحورية ذات التدريع المتعدد حافظت على امتثال بنسبة 98.7% لنسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) بالرغم من قربها من أنظمة المترو وخلايا الجيل الخامس الصغيرة. وقد احتاجت المواقع التي تستخدم تدريعاً أساسياً إلى 33% أكثر من المكررات لتلبية حدود نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

فقدان إشارة منخفض على المسافات الطويلة مع تصميم الكابلات المحورية عالية التردد

فقدان الإشارة في الكابلات المحورية والتحلل المعتمد على التردد

تقلل الكابلات المحورية عالية التردد من تدهور الإشارة من خلال هندسة دقيقة، حيث يزداد التحول بشكل مباشر مع التردد. عند تردد 900 ميغاهرتز، تفقد الكابلات القياسية من نوع RG-8 ما مقداره 7.6 ديسيبل لكل 100 قدم مقارنة بـ 1.3 ديسيبل عند 50 ميغاهرتز، مما يبرز كيف تسرع الترددات الأعلى من فقدان الطاقة على شكل حرارة. يستدعي هذا النمط اختيار الكابلات بناءً على التردد في تطبيقات محطات القواعد.

فقدان إشارة الكابل المحوري (لكل 10 أقدام) حسب العيار والمادة

نوع الكابل	18 AWG (ديسيبل)	14 AWG (ديسيبل)	المادة العازلة
تصميم مرن	0.35	0.22	رغوة محقونة بالغاز
النحاس المموج	0.28	0.15	مجمعات PTFE

تقلل الموصلات الأثخن مقاس 14 AWG الفاقد المقاوم بنسبة 37% مقارنةً بنظيراتها مقاس 18 AWG، في حين تحافظ العوازل القائمة على مادة الـPTFE على عَدم الاستقرار الكهربائي ثابتًا خلال التقلبات الحرارية.

مقارنة بين الكابلات المرنة منخفضة الفقد والكابلات النحاسية المموجة

عندما يتعلق الأمر بكابلات RF المحورية، فإن الأنواع المرنة تتسبب في فقدان إضافي يبلغ حوالي 0.07 ديسيبل لكل قدم، لكنها تحصل على شيء ذي قيمة كبيرة في المقابل: وهي القدرة على الانحناء بالكامل بزاوية 180 درجة. مما يجعلها مثالية لتلك المساحات الضيقة جدًا على أبراج الاتصالات حيث تكون عملية التركيب تحدٍّ كبيرًا. أما النسخ النحاسية المموجة فتعمل بشكل مختلف. فهي في الواقع تقلل من فقد الإشارة بنحو 0.13 ديسيبل لكل قدم عند ترددات 6 جيجاهرتز، لأن موصلاتها الخارجية تعمل دون أي انقطاعات. بالنسبة لإعدادات الخلايا الكبيرة في المناطق الحضرية، يلجأ العديد من المُركّبين إلى استخدام مزيج من النوعين. وعادةً ما يقومون بتشغيل الكابلات المموجة عموديًا عبر المباني نظرًا لقدرتها الأفضل على تحمل التغيرات الحرارية ضمن نطاق يتراوح حول 2 درجة مئوية. ثم عند الهوائيات نفسها، يتحولون إلى أسلاك القفز المرنة التي تحدثنا عنها سابقًا. وهذا أمر منطقي إذا ما أخذنا في الاعتبار مدى الحاجة إلى أن تعمل هذه الأنظمة بموثوقية يومًا بعد يوم.

الاتجاه: عوازل رغوية متقدمة تقلل من فقد الإدخال

تُظهر أبحاث جديدة أن هذه العوازل الرغوية الخاصة منخفضة الـ PIM يمكنها بالفعل تقليل فقد الإدخال بشكل ملحوظ، بنحو يتراوح بين 26 إلى 30 في المئة تقريبًا، مقارنةً بالنوى الصلبة التقليدية من البولي إيثيلين. وتتمكن النسخ المملوءة بالهواء من الحفاظ على ثوابتها العازلة تحت 1.3، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب إذا ما أخذنا بعين الاعتبار قدرتها على التحمل أمام قوى تتجاوز 500 نيوتن قبل الانهيار. وتجعل هذه الأداء منها مثالية لنشر شبكات الجيل الخامس (5G NR)، حيث تساعد في تحقيق المعيار المهم حسب مواصفات 3GPP، والذي ينص على ألا يتجاوز الفقد 3 ديسيبل لكل 100 متر عند ترددات تصل إلى 28 غيغا هرتز. وقد بدأت معظم الشركات المصنعة الرائدة في اعتماد هذه الرغوات ذات المؤشر المتدرج الآن، نظرًا لفعاليتها الكبيرة في تقليل مشكلة التشتت النمطي المزعجة التي تظهر في مختلف التطبيقات العريضة النطاق عبر قطاعات صناعية متعددة.

استقرار المعاوقة ونسبة الموجة الثابتة بالجهد من أجل نقل إشارات RF موثوق

شرح نسبة الموجة الثابتة بالجهد (VSWR) واستقرار المعاوقة

تحافظ الكابلات المحورية RF على قوة الإشارات من خلال التحكم المناسب في المعاوقة. ويقيس معامل تأثير الموجة الثابتة الجهدية، أو ما يُعرف باختصار VSWR، كمية الإشارة المنعكسة عند حدوث عدم تطابق في المعاوقة. وعندما يكون التطابق تامًا، نحصل على قراءة VSWR بنسبة 1:1. في الواقع، تعمل معظم أبراج الهواتف الحديثة عمليًا عند نسبة تتراوح بين 1.4 و1.5. وإذا بدأت الأمور بالسوء وظهرت لدينا نسبة VSWR تبلغ 2:1 بدلًا من ذلك، فإن حوالي 11 بالمئة من القدرة تُرسل عائدًا عبر الخط بدلًا من الوصول إلى وجهتها. ويتفاقم هذا النوع من الفقدان بسرعة مع مرور الوقت، خاصةً في الشبكات الاتصالية الكبيرة.

الحفاظ على معاوقة 50 أوم لضمان التوافق مع محطات القاعدة

لقد استقرت شركات الاتصالات بشكل كبير على 50 أوم كمعيار افتراضي للمعاوقة، لضمان عمل الكابلات التناظرية للترددات الراديوية (RF) بكفاءة مع جميع محطات القاعدة الموجودة. والسبب وراء هذا الاختيار بسيط إلى حد ما؛ فهو يوازن بدقة بين كمية القدرة التي يمكن لهذه الكابلات تحملها، وبين الحفاظ على إشارات نظيفة وواضحة. ويتم تحقيق هذه النقطة المثالية من خلال تصميم أشكال الموصلات بعناية واختيار مواد عازلة محددة. وقد ساهمت التحسينات الحديثة في ما يُعرف بأساليب التضفير السداسية في تحسين الأداء أكثر. هذه التقنيات الجديدة تقلل من عدم الانتظام أثناء الإنتاج، ما يعني تفاوتًا أقل بين كابل وكابل. ونتيجة لذلك، تحتفظ معظم الكابلات الحديثة بنسبة VSWR مستقرة جيدة تتراوح بين 1.3 إلى 1 عبر كامل النطاق الترددي تقريبًا، بدءًا من 600 ميجاهرتز وحتى ترددات 3.5 جيجاهرتز. وتلك الدرجة من الاتساق تُسهّل كثيرًا من عمل المهندسين العاملين في تركيب الشبكات.

التأثير العملي لضعف نسبة ت Standing Wave (VSWR) على كفاءة المرسل

بالنظر إلى البيانات الميدانية التي تم جمعها في عام 2024، نجد أن محطات القاعدة التي تتجاوز فيها نسبة VSWR القيمة 2:1 تشهد عادةً زيادة بنسبة حوالي 22 بالمئة في حالات فشل المضخمات على مدى خمس سنوات. وعند وجود طاقة منعكسة في النظام، فإن المرسلات يجب أن تعمل بشكل أشد، حيث تزداد قدرتها الناتجة بنحو 17% فقط للحفاظ على التشغيل السليم. ويُترجم هذا الجهد الإضافي إلى تكلفة فعلية أيضًا، حيث ترتفع فواتير الطاقة الشهرية بما يقارب 74 دولارًا لكل موقع خلوي في المناطق الحضرية. لحسن الحظ، فإن دوائر المطابقة التكيفية للمعاوقة الجديدة تحدث فرقًا. يمكن لهذه الأنظمة الحفاظ على استقرار نسبة VSWR ضمن هامش ±0.05 حتى عندما تتقلب درجات الحرارة تقلبًا كبيرًا بين -40 درجة مئوية و+85 درجة مئوية. هذا النوع من الاستقرار يحدث فرقًا كبيرًا في الحفاظ على أداء الشبكة الموثوق به في الظروف الصعبة.

تقليل تشويه التداخل (PIM) في الشبكات الراديوية السلبية

نظرة عامة على تشويه التداخل المتعدد (PIM) في المكونات السلبية

يحدث تشويه التداخل المتعدد السلبي، أو PIM باختصار، عندما تتقابل عدة إشارات RF عالية القدرة داخل مكونات سلبية مثل الكابلات المحورية. هذه التفاعلات تُنتج إشارات تدخل غير مرغوب فيها تؤثر على أداء الشبكة بشكل عام. تشير الدراسات إلى أنه إذا زادت قدرة الإرسال بمقدار 1 ديسيبل فقط، يزداد PIM بنسبة حوالي 3 ديسيبل. مما يجعل تركيبات 5G الحديثة أكثر عرضة للخطر نظرًا لعملها عبر نطاقات تردد أوسع بكثير. ولتشغيل أنظمة LTE الحالية بشكل صحيح، يجب أن يبقى مستوى PIM أقل من -169 ديسيبل بالنسبة للحمل (dBc)، حتى تتمكن المستقبلات من استقبال الإشارات بحساسية تصل إلى -126 ديسيبل ملّي (dBm). ونتيجة لهذا الشرط، يجب على المصنّعين اتباع إرشادات صارمة جدًا فيما يتعلق بالمواد المستخدمة وطرق التصنيع الخاصة بالكابلات المحورية RF، وخاصة في المناطق الحضرية المزدحمة حيث تكون جودة الإشارة هي الأهم.

الكابل المحوري وPIM: كيف تسهم المواد والوصلات

تُعزى التأثيرات غير الخطية عند نقاط التلامس بين المعدن والمعدن إلى 78٪ من حالات التداخل السلبي الناتج عن المنتجات المتعددة (PIM). وتشمل العوامل الرئيسية ما يلي:

• موصلات مطلية بالنيكل، والتي تُظهر تداخلًا سلبيًا ناتجًا عن المنتجات المتعددة (PIM) أعلى بنسبة 40٪ مقارنةً بالأنواع المطلية بالفضة
• درع الكابلات المتموجة بشكل غير صحيح مما يؤدي إلى حدوث قفزات تداخل عند 2.4 جيجا هرتز فأكثر
• هندسة الضفيرة الفضفاضة التي تؤدي إلى تدهور في أداء التداخل السلبي الناتج عن المنتجات المتعددة (PIM) يتراوح بين 15 و20 ديسيبل مقارنةً بالتصاميم المصممة بالضغط

تحليل الجدل: هل تستحق جميع كابلات PIM المنخفضة التكلفة المرتفعة؟

رغم أن كابلات PIM المنخفضة المميزة تقلل من التداخل بنسبة تتراوح بين 30 و45 ديسيبل في البيئات المعملية، فإن الفوائد الواقعية تختلف:

سيناريو النشر	كابل قياسي للتداخل السلبي الناتج عن المنتجات المتعددة (PIM)	تحسين كابل PIM المنخفض	فترة العائد على الاستثمار
خلايا ماكرو حضرية	-120 ديسيبل/هرتز	-150 ديسيبل/هرتز (بقدرة 25%)	18 شهرا
خلايا صغيرة ريفية	-135 ديسيبل/هرتز	-155 ديسيبل/هرتز (بقدرة 8%)	5+ سنوات

يُغذي هذا التباين الجدل حول العتبات الفعالة من حيث التكلفة لمستويات التداخل الباسيفي (PIM) في بيئات النشر المختلفة.

مفارقة الصناعة: الموثوقية العالية مقابل الحساسية للتداخل الباسيفي (PIM) في الشبكات الكثيفة

تتعارض الجهود المبذولة لتحقيق وقت تشغيل بنسبة 99.999% مع فيزياء التداخل الباسيفي (PIM); إذ تؤدي مسارات الكابلات الزائدة عن الحاجة إلى زيادة الوصلات المعدنية بنسبة 60%، ما قد يرفع من مخاطر الأعطال المرتبطة بالتداخل الباسيفي (PIM). ونتيجة لذلك، تركز تصاميم محطات القاعدة الحديثة على الرقابة المركزية على التداخل الباسيفي (PIM) بدلاً من تكرار العتاد.

الاستراتيجية: التخفيف من التداخل الباسيفي (PIM) من خلال أفضل ممارسات التركيب

تؤكد الدراسات الميدانية أن التركيب السليم يقلل من الأعطال المرتبطة بالتداخل الباسيفي (PIM) بنسبة 53%:

• استخدام مفاتيح عزم الدوران المحدودة للحصول على ضغط الموصلات بين 35-40 بوصة-رطل
• إجراء اختبارات مسح PIM نصف سنوية عند قدرة إرسال تبلغ 43 ديسيبل/مللي واط
• تجنب ثني الكابلات بشكل أشد من 4 أضعاف نصف قطر الانحناء بالقرب من صفائف الهوائيات

تساعد هذه البروتوكولات في الحفاظ على الأداء دون اشتراط استبدال كامل لمكونات منخفضة الـ PIM

مدى التردد، والقدرة على تحمل الطاقة، والمتانة البيئية

مدى التردد وسلامة الإشارة في وحدات النطاق الأساسي الحديثة

تدعم كابلات RF المحورية نطاقات تردد واسعة ضرورية لأنظمة الجيل الخامس (5G) والأنظمة القديمة، حيث تتطلب محطات القاعدة الحديثة العمل من 600 ميغاهرتز إلى 42 جيجاهرتز. تحافظ الكابلات عالية الأداء على توهين أقل من 4 ديسيبل/100 قدم عند 6 جيجاهرتز. ويقلل تصميمها من تشويه الطور، مما يتيح نقل إشارات التحكم ذات التردد المنخفض (1-3 جيجاهرتز) وموجات الملليمتر عالية النطاق (>24 جيجاهرتز) في آنٍ واحد.

قدرة كابلات المحورية على تحمل الطاقة تحت حمل مستمر

يعتمد تحمل القدرة على حجم الموصل واستقرار العازل. على سبيل المثال، تُحمل الكابلات ذات القطر نصف الإنش 300 واط من القدرة المستمرة (مع تخفيض بنسبة 30% عند 40°م)، في حين تتحمل التصاميم ذات القطر 7/8 إنش ما يصل إلى 2000 واط من الأحمال القصوى. وتشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

• قيود المواد : يدعم الألومنيوم المطلي بالنحاس تشغيلًا مستمرًا عند 150°م
• القدرة القصوى مقابل القدرة المتوسطة : تمنع هامش الأمان بنسبة 5:1 حدوث تلف في مادة العزل أثناء قفزات الجهد

إدارة الحرارة في النشر الخارجي عالي القدرة

عند إعداد المحطات الأساسية الخارجية، من المهم استخدام كابلات يمكنها تحمل درجات الحرارة القصوى التي تتراوح بين -55 درجة مئوية وحتى 125 درجة مئوية. إن غلاف الكابلات المصنوع من مادة البولي تيترافلوروإيثيلين (PTFE) يحافظ على مرونة الكابلات حتى في درجات الحرارة المنخفضة دون نقطة التجمد عند حوالي -40 درجة مئوية، كما أنه مقاوم جيدًا للتلف الناتج عن التعرض للشمس بمرور الوقت. وفقًا لبحث أُجري في عام 2023، فإن استخدام دروع مركبة مكونة من رقائق ومجدولة معًا بدلًا من طبقة واحدة فقط، يقلل درجات الحرارة الداخلية داخل المعدات بنحو 18 درجة مئوية بعد إجراء اختبارات حمل مستمرة لمدة ثلاثة أيام كاملة متواصلة. وفي الإعدادات المهمة جدًا حيث تكون الموثوقية أمرًا بالغ الأهمية، غالبًا ما يدمج المهندسون حلول التبريد بالهواء القسري مع المعايير الصناعية مثل GR-487، والتي تحدد كيفية أداء المعدات تحت دورات حرارية مختلفة طوال عمرها التشغيلي.

الأسئلة الشائعة

• ما الغرض الرئيسي من الدروع في الكابلات التناظرية عالية التردد (RF)؟
  الغرض الرئيسي من التدريع في الكابلات المحورية عالية التردد هو حجب التداخل الخارجي، مما يُنشئ تأثير قفص فاراداي حول الموصل المركزي.
• كيف يقلل التدريع متعدد الطبقات من التداخل في البيئات الحضرية؟
  يقلل التدريع متعدد الطبقات من التداخل من خلال الجمع بين تغطية نسج عالية لرفض الضوضاء ذات التردد المنخفض وطبقات رقيقة تعكس التداخل الكهرومغناطيسي العالي التردد.
• لماذا تُفضل الكابلات المرنة في بعض التركيبات؟
  تُفضّل الكابلات المرنة في الأماكن الضيقة التي تتطلب الثني والمناورة، في حين توفر الكابلات النحاسية المموجة فقدان إشارة أقل وقدرة أفضل على تحمل درجات الحرارة.
• ما الدور الذي تلعبه العوازل الرغوية المتقدمة في الشبكات الحديثة عالية التردد؟
  تقلل العوازل الرغوية المتقدمة من خسارة الإدخال، وتساعد على الوفاء بمعايير صارمة مثل متطلبات 3GPP بشأن الحد الأدنى من الخسارة في شبكات الجيل الخامس (5G).
• ما هو نسبة الموجة الثابتة بالجهد (VSWR) ولماذا هي مهمة؟
  نسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR) تقيس انعكاس الإشارة في نظام الترددات الراديوية. ويقلل التوافق المناسب للمعاوقة من نسبة VSWR، مما يضمن انتقالًا فعالًا للإشارة.
• كيف يؤثر التشويه الناتج عن الاتصال غير الخطي (PIM) على الشبكات السلبية للترددات الراديوية، وما هي التدابير التي يمكن أن تقلل من تأثيره؟
  يسبب PIM تداخلًا من خلال توليد إشارات غير مرغوب فيها؛ وتشمل التدابير الفعالة اختيار المواد المناسبة، وطرق بناء الوصلات، وبروتوكولات التركيب.