ما هي خطوط النقل في الاتصالات

تعتبر خطوط النقل ( transmission lines)من العناصر الأساسية والأكثر تكلفة لأنظمة الاتصالات وتقوم بنقل وتوجيه الطاقة الكهربائية أو الكهرومغناطيسية أو الضوئية" التي تحمل المعلومات المراد إرسالها من المرسل للمستقبل في نظم الاتصالات السلكية، أو من جهاز الإرسال لهوائي الإرسال أو من هوائي الاستقبال لجهاز الاستقبال في نظم الاتصالات اللاسلكية.

وظيفة خط النقل

يمكن تلخيص وظيفة خط النقل بأنه يتم خلاله نقل الطاقة من مكان لآخر. وتوجد مسميات كثيرة لخط النقل منها خط اتصال خط إرسال - خط تراسل - قناة اتصال.
والوظيفة الرئيسة لخط النقل في الاتصالات هي نقل أو توجيه الإشارات الكهرومغناطيسية التى تحمل المعلومات المراد إرسالها من المرسل للمستقبل أو بين الهوائي وأجهزة الاستقبال أو الإرسال .

تعتبر خطوط النقل من العناصر الأساسية في نظم الاتصالات السلكية والجزء الأعلى تكلفة ، خاصة في الأنظمة بعيدة المدى ، لذلك كان التركيز منذ البداية على تصميم وتصنيع خطوط اتصال عالية الكفاءة بأقل ما يمكن من التكاليف.

أنواع خطوط النقل

تنقسم خطوط النقل إلى خطوط كهربائية (الخط الثنائي، والكيبل المحوري ...إلخ ). وخطوط غير كهربائية (الألياف البصرية). وتوجد أنواع متعددة لخطوط النقل المستخدمة في أنظمة الاتصالات المختلفة منها:

الخطوط الثنائية Two -Wire Lines .
الكيبل المحوريCoaxial Cable
دليل الموجةWaveguides
الخط الشريطي الدقيقMicrostrip Line.
الألياف البصرية Optical Fibers.

سوف نركز في هذا المقال على دراسة الخطوط الثنائية والكيبلات المحورية وسنسعي لتناول الألياف البصرية بشئ من التفصيل في مقالات أخرى.

الخطوط الثنائية Two -Wire Lines

خطوط النقل الثنائية تتكون من خطين، أحدهما يسمى الذاهب ( Go" Line") والآخر يسمى الراجع ( Line" Return") بينهما مادة عازلة وتصنع هذه الخطوط من مواد موصلة مثل الأسلاك النحاسية.

خطوط النقل الثنائية

تنتقل الإشارات عبر هذه الخطوط بترددات تتراوح من صفر هيرتز إلى بضع مئات (MHz) تعتمد قيمته على نوع الخط ومواصفاته القياسية، لذلك تعتبر هذه الخطوط من ناحية كهربائية مرشحات تعمل على التردد المنخفض (Low Pass Filters-LPF). وحتى يكون هذا الخط منتظما (Uniform ) يجب أن يكون الموصلان (السلكان) من نفس المادة ولهما نفس الطول والقطر مع الحفاظ على ثبات المسافة بينهما.

ويكون الخط الذاهب والراجع لهما نفس السعة الكهربائية بالنسبة إلى الأرض حيث يمر فيهما نفس التيار ولكن باتجاه متعاكس. وتستخدم الخطوط الثنائية بشكل رئيسي في الشبكات الهاتفية وفي التوصيلات الكهربائية المختلفة.
وتوجد أنواع متعددة من الخطوط الثنائية منها:-

خط النقل الثتائي المفتوح Open Two-Wire Line

يسمى خط ثنائي مفتوح لأن الموصلين لا يتم تغطيتهم بمادة عازلة ويفصل بينهما الهواءوتستخدم فواصل عازلة بانتظام على مسافات للحفاظ على ثبات المسافة بينهما حتى لا يحصل تماس (Short). ونظرا لأن الخط مكشوف فهو عرضة للتأثر بالعوامل الجوية
وفقده عالي.

خط النقل الثنائي المغلف Shielded Pair Transmission Line

يسمى بالمغلف لأن الموصلين يتم تغطيتهما ويفصل بينهما مادة بلاستيكية عازلة. وبالتالي يكون أقل عرضة للتأثر بالعوامل الجوية وفقده أقل من الخط الثنائي المكشوف.

خط النقل الثنائي المجدول Twisted Pair Transmission Line

يغطى الموصلين بطبقة من مادة بلاستيكية عازلة ويتم جدلهم معا وذلك للتقليل من أثر التداخل الكهرومغناطيسي بين الخطوط المتجاورة.

سلبيات و مشاكل خطوط النقل الثنائية

التداخل الكهرومغناطيسي بين الخطوط الثنائية المتجاورة.
صغر عرض النطاق الترددي الذي تعمل عليه الخطوط الثنائية وبالتالي قلة كمية المعلومات الممكن إرسالها عبر تلك الخطوط.
الفقد العالي الذي تتعرض له الإشارات الكهربائية عند إرسالها عبر تلك الخطوط مما يوجب وضع محطات التقوية وإعادة البث على مسافات متقاربة مما يعنى الزيادة الكبيرة في عددها وبالتالي ارتفاع التكاليف.
تأثر تلك الخطوط بالعوامل الجوية من حرارة ورطوبة وأمطار وصواعق جوية مما يؤدي إلى زيادة مشاكل الإرسال وتدني مستوى الاتصال وجودته وأيضا لقصر عمر تلك الخطوط.

نتيجة لما سبق من السلبيات فإن خطوط النقل الثنائية لا تستخدم بكثرة الآن في أنظمة الاتصالات وقد حل مكانها الخطوط المحورية أو ما يسمى الكيبلات المحورية.

الكيبل المحوري Coaxial Cable

جاءت فكرة تصميم وتطوير خطوط النقل المحورية للتخلص من سلبيات و مشاكل خطوط النقل الثنائية ويتكون الكيبل المحوري من الأجزاء الأساسية التالية:

التركيب الأساسي للكيبل المحوري

الموصل الداخلى Inner Conductor
الموصل الخارجي Outer Conductor
العازل Dielectric حيث يفصل الموصل الداخلي عن الخارجي.
الغلاف الخارجيJacket .
تحتوي بعض الأنواع على طبقات وقاية إضافية تقع تحت الغلاف الخارجي.

تعتبر الكيبلات المحورية خطوط اتصال غير متوازنة كهربائيا (Unbalanced Lines )ويعود ذلك إلى مبدأ تشغيل تلك الخطوط حيث يتم توصيل الجهد مع الموصل الداخلي مما يؤدي إلى شحنه بينما يبقى الموصل الخارجي خالياً من الشحنات حيث يتصل بالأرضي وهذا
يعني أن الموصل الداخلي والخارجي لهما سعة كهربائية مختلفة مقارنة مع الأرض وبالتالي فإن الكيبلات المحورية خطوط غير متوازنة كهربائياً.

الكيبل المحوري

وتنقسم الكيبلات المحورية إلى:

كيبلات محورية هوائية أو صلبة Rigged or Air Coaxial Cables

تستخدم فواصل عازلة بانتظام على مسافات ثابتة لتثبيت الموصل الداخلي وعزله عن الخارجي حتى لا يحصل تماس ( Short . والعازل بين الموصلين يكون إما هواء أو غاز خامل وفي هذه الحالة يكون الموصل الخارجي عبارة عن سطح أسطواني مصمت.

كيبلات محورية مرنة Flexible Coaxial Cables

تستخدم مادة عازلة ( بوليثيليين أو غيرها) بين الموصلين الداخلي والخارجي. والموصل الخارجي يصنع من شبكة من الأسلاك الرفيعة ملفوفة فوق طبقة رقيقة من الألومنيوم. مثل الكيبل المستخدم مع جهاز استقبال القنوات الفضائية بالمنازل.

مميزات وعيوب الكيبلات المحوريةAdvantages and Disadvantages of Coaxial Cable

المميزات

وجود الموصل الخارجي الذي يمنع دخول أي موجات كهرومغناطيسية خارجية وبالتالي عدم حدوث التداخل بين الخطوط المتجاورة.
ذات وثوقيه عالية Reliable ، مما يعني أن العمر التشغيلي لها طويل نسبيا حيث يتراوح من 12 إلى 15 سنة عمل.
البساطة في الاستخدام والتركيب حيث إنها لا تحتاج إلى فنيين مهرة.
إمكانية عملها على ترددات عالية مما يعني الحصول على نطاق ترددي (Bandwidth) عريض نسبيا وبالتالي إمكانية نقل أكبر كم ممكن من المعلومات.

العيوب

ذات فقد عال نسبيا (Insertion Loss).
دات إمكانيات محدودة في تحمل القدرة (Power Limitations).

ملاحظات هامه

كلما زاد قطر الكيبل كلما قل الفقد كلما زاد تحمل الكيبل للقدرة.لذلك من الأفضل أن نتعامل مع الكيبلات ذات القطر الأكبر ولكن في هذه الحالة تزيد تكلفة ووزن الكيبل.

عند الحديث عن كفاءة خطوط النقل فالمقصود هو عرض النطاق الترددي Bandwidth للخط الذي يحدد سعة الإرسال ، ومعامل الفقد (LOSS) للخط الذي يحدد مسافات الإرسال. وإن الوظيفة الرئيسة لخط النقل هي نقل أو توجيه الإشارات الكهرومغناطيسية التي تحمل المعلومات المراد إرسالها من المرسل للمستقبل أو بين الهوائي وجهزة الاستقبال أو الإرسال .

يعتبر التردد المعامل الهام الذي يجب معرفته عن خط النقل والذي بدوره يحدد عرض النطاق الترددي (Bandwidth) للخط وبالتالي سعة الإرسال (كمية المعلومات التي يمكن نقلها عبر الخط).

تختلف قيمة تردد التشغيل باختلاف نوع الخط حيث تصل إلى بضع مئات (MHz) للخطوط الثنائية (حوالي 200MHz ) بينما تصل إلى بضع آلاف( MHz) للكيبلات المحورية الى (3GHz ).

إن القيم الكهربائية الأساسية لخط النقل هي قيم موزعة على طول الخط وليست مركزة مثل الدوائر العادية ولذلك فإنها تعتمد عل طول الخط .

تحمل القدرة Power Handlingهو عبارة عن قيمة القدرة الكهربائية بالوات التى يتحملها خط النقل دون أن يتلف والتي تعتمد على نوعية المواد المستخدمة في التصنيع، وحجم الخط.

إلكترون باشا

ما هي خطوط النقل في الاتصالات