خطوط النقل الشائعة المستخدمة في هوائيات محطات القاعدة

نحن نعلم أن الاتصال يتطلب ناقلًا. تلعب خطوط النقل، باعتبارها وسيلة لا غنى عنها لنقل المعلومات، دورًا حاسمًا. والغرض الرئيسي منها هو نقل الطاقة عالية التردد من طرف إلى آخر بأقل خسارة ممكنة. هناك أنواع عديدة من خطوط النقل، مثل الموصلات المزدوجة المتوازية، والموجات الدليلية،, خطوط متحد المحور, خطوط ميكروستريبو خطوط شريطية.

فيما يتعلق بـ هوائيات المحطة القاعدية, ، فإن خطوط النقل الثلاثة الأكثر استخدامًا هي الخطوط المحورية والخطوط الدقيقة والخطوط الشريطية. لكل منها مزاياها وعيوبها. إن استخدامها في تركيبة مناسبة لا يوفر التكاليف فحسب، بل يحسن أيضًا الشبكة، وبالتالي يحسن كفاءة إشعاع الهوائي.

1. الكبل المحوري – خط النقل الأكثر استخدامًا

يتكون نقل الكابلات المحورية من أعمدة موصلات منفصلة، تتألف عادةً من موصل داخلي وطبقة عازلة وموصل خارجي وغلاف خارجي. يصنع الموصل الداخلي عادةً من النحاس أو سبيكة نحاسية، مع ملء الفراغ بين الموصلات الداخلية والخارجية بالهواء أو عازل كهربائي عالي التردد. يكون الموصل الخارجي عادةً سلك نحاسي مضفر أو رقائق ألومنيوم.

كثير هوائيات اللوحة المثبتة على الأبراج لا تزال تستخدم الخطوط المحورية كشبكة تغذية أساسية. من ناحية، هيكلها ثابت وسهل الضبط؛ ومن ناحية أخرى، توفر أداءً مستقرًا وقدرة قوية على التكيف مع البيئة.

الكابلات RF التي تحمل البادئة “S” هي عادة كابلات متحد المحور. في رمز مادة العزل:

• Y يمثل البولي إيثيلين (PE)
• F يمثل البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE، F46)
• X يمثل المطاط
• W يمثل البولي إيثيلين المستقر
• D يمثل البولي إيثيلين الرغوي
• U يمثل عازل هوائي من البلاستيك الفلوري

بالنسبة لمواد السترة:

• V يمثل PVC
• Y يمثل البولي إيثيلين
• W يمثل الرغوة المادية
• D يمثل النحاس المطلي بالقصدير
• F يمثل البلاستيك الفلوري

مقاومة كابل متحد المحور RF يعتمد على الثابت العازل الكهربائي وأقطار الموصلات الداخلية والخارجية. ويمكن حسابه باستخدام الصيغة (1)، حيث εᵣ هي الثابت العازل النسبي،, D هو القطر الداخلي للموصل الخارجي، و d هو قطر الموصل الداخلي. حالياً، معظم الكابلات المحورية المستخدمة في هوائيات المحطة القاعدية لها مقاومة كهربائية تبلغ 35 Ω، 43 Ω، 50 Ω، أو 75 Ω.

من منظور عمودي الموصلين المنفصلين ونقل الموجات الكهرومغناطيسية العرضية، تُظهر تقنية نقل الكابلات المحورية توهينًا أقل نسبيًا للإشارة وتغطي نطاقًا تردديًا واسعًا، وهي قادرة نظريًا على تغطية نطاق التردد بالكامل، مما يجعلها خيارًا متميزًا لنقل الإشارة. في اتصالات الإشارات الراديوية، تتميز بنسبة موجة واقفة (VSWR) أقل، مما يزيد من توصيل طاقة الإشارة إلى المحطة الطرفية. علاوة على ذلك، فإن خصائصها الهيكلية الفريدة تجعلها مقاومة نسبيًا للتداخل الحثي ومناسبة للاتصالات عالية السرعة.

في الوقت نفسه، بالنسبة للنقل لمسافات طويلة، فإن الكابلات المحورية لها خسائر أعلى وتكاليف أعلى مقارنة بالألياف الضوئية. ونصف قطر الانحناء الأصغر يعني أن الانحناء أو الالتواء المفرط يمكن أن يتسبب في تشوه هيكلي داخلي، مما يؤدي إلى انعكاس الإشارة أو توهينها أو حتى انقطاع الإرسال. لذلك، فإنها تتطلب مساحة أكبر للكابلات.

2. خطوط ميكروستريب – خطوط نقل متكاملة منخفضة التكلفة

خط الميكروستريب هو هيكل خط نقل يتكون من شريط موصل معدني وركيزة عازلة كهربائية أساسية ومستوى أرضي. يعمل الشريط الموصل المعدني كمسار لنقل الإشارات ويقع على سطح الركيزة العازلة الكهربائية، بينما يتصل الجانب الآخر من الركيزة العازلة الكهربائية بمستوى أرضي واسع المساحة. لتحقيق نقل الإشارات بسرعة عالية، هناك متطلبات كهربائية محددة للوحة الدوائر المطبوعة (PCB). لتحقيق فقدان منخفض للإشارة وتأخير منخفض، يجب اختيار مادة ركيزة ذات ثابت عازل كهربائي مناسب ومماس فقدان عازل كهربائي صغير، كما يجب إجراء حسابات أبعاد ومعالجة دقيقة.

نظرًا لصغر حجمها وسهولة دمجها، تستخدم خطوط الميكروستريب على نطاق واسع في الدوائر الرقمية عالية السرعة ودوائر الترددات اللاسلكية ودوائر الموجات الدقيقة. في صناعة الهوائيات، تُستخدم تقنية الميكروستريب بشكل شائع لتصنيع عناصر الإشعاع ومقسمات الطاقة والمجمعات., الفلاتر, ، ومغيرات طور PCB، ولوحات التوصيل، ومكونات أخرى.

تختلف المعاوقة المميزة لخط الشريط الصغير مع عرض المسار والثابت العازل الكهربائي. ويمكن تعديلها عن طريق تغيير عرض خط الشريط الصغير أو سماكة الركيزة أو الثابت العازل الكهربائي للمادة. بالنسبة لتصميمات الشريط الصغير، يمكن تحقيق معاوقة مميزة أعلى وسرعة نقل أسرع باستخدام طبقات مستقلة أو تقنيات متعددة الطبقات، مما يساعد على التخلص من الاقتران المغناطيسي بين المسارات المتجاورة — وهي إحدى المزايا الرئيسية لهياكل الشريط الصغير.

نظرًا لاختلاف الثابت العازل للركيزة (εᵣ>1) عن الثابت العازل للهواء (εᵣ=1)، تتوزع خطوط المجال الكهربائي جزئيًا في العازل وجزئيًا في الهواء. وينتج عن ذلك مكون طولي ضعيف في كل من المجالين الكهربائي والمغناطيسي (أي وضع TEM غير نقي). الثابت العازل الفعال (ε_eff)، الذي يجمع بين المساهمات العازلة للهواء والركيزة، يُعطى بالصيغة التالية:

المعاوقة المميزة (Z₀): تحدد انعكاس الإشارة ومطابقتها، وهناك حالتان:

عندما يكون < 1:

عندما ≥ 1

تحظى خطوط الميكروستريب، باعتبارها بنية خطوط نقل مستوية شائعة، بتفضيل المتخصصين في مجال الترددات اللاسلكية نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسهولة تكاملها وتصميمها ومقاومتها المستقرة وحجمها الصغير ووزنها الخفيف ومقاومتها العالية للحرارة وسهولة تصحيحها.

ومع ذلك، فإنها تعاني أيضًا من بعض القيود، مثل ارتفاع فقدان الإشعاع، وضعف القدرة على مقاومة التداخل، والتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي الداخلي، وتفاوت الطاقة الصغير. حاليًا، مع زيادة استخدامها، تمت معالجة العديد من هذه المشكلات. على سبيل المثال، تتضمن تدابير مقاومة التداخل عادةً إضافة أغطية واقية، أو إحاطة خط الشريط الصغير بإطار معدني، أو رفع لوحة الدوائر المطبوعة.

3. Stripline – خط نقل منخفض الإشعاع وعالي التوافق

الخط الشريطي هو سلك نقل عالي التردد يوضع بين مستويين متوازيين (أو مستويي طاقة) ومادة عازلة. عمومًا، يتم فصل المستوى الأرضي والسلك بواسطة وسيط عازل.

نظرًا للهيكل المغلق تمامًا لخطوط الشريط، فإن مستوى إشعاعها منخفض للغاية. وهذا يقلل بشكل كبير من التداخل الكهرومغناطيسي مع البيئة الخارجية، كما يوفر أيضًا مناعة قوية ضد الضوضاء الكهرومغناطيسية الواردة. ولهذا السبب، فإن شبكات 5G/6G الضخمة هوائي MIMO تتبنى الأنظمة عادةً هياكل خطوط الشريط، لأنها تحسن بشكل فعال اتساق السعة والطور.

في دوائر PCB متعددة الطبقات ذات الشرائط الدقيقة، تُستخدم خطوط الشرائط أيضًا للوصلات الرأسية ونقل الإشارات بين الطبقات، مما يزيد من مستوى التكامل وكثافة وظائف لوحة الدائرة. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب خطوط الشرائط خطوات معالجة أقل أثناء تصميم الدوائر وتصنيعها، مما يجعلها أسهل في الإنتاج وأكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنة بخطوط الشرائط الدقيقة.

تتغير المعاوقة المميزة للخط الشريطي مع تغيرات عرض الخط وثابت العزل الكهربائي. يمكن تحقيق هذا التغيير في المعاوقة المميزة عن طريق ضبط عرض الخط الشريطي أو ارتفاعه أو المسافة بينه وبين المستوى الأرضي. المعاوقة المميزة (Z₀) يرتبط تقريبًا بسمك العازل الكهربائي b, ، عرض الإشارة W, ، والثابت العازل الكهربائي εᵣ، مع الصيغة التقريبية التالية:

تتميز خطوط الشريط، باعتبارها بنية خاصة لخطوط النقل، بمزايا مثل الأداء الممتاز في الحماية الكهرومغناطيسية، وانخفاض فقدان الإشعاع، وعرض النطاق الترددي الواسع، والقدرة القوية على مقاومة التداخل، وملاءمتها للتكامل متعدد الطبقات في لوحات الدوائر المطبوعة. ومع ذلك، فإن لها أيضًا بعض العيوب، والتي تشمل بشكل أساسي عمليات التصنيع المعقدة، والحساسية العالية للمقاومة، والأداء المحدود في الترددات العالية، ومرونة التكامل الضعيفة، وصعوبة تصحيح الأخطاء.