مرشحات الكابلات المحورية مقابل المرشحات الموجية في بنية الاتصالات التلفزيونية

في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية، تُعَد المرشحات بوابات التردد، إذ تنتقل الإشارات فقط إلى حيث يُفترض أن تكون، وتمنع التداخل. وعند تطوير محطات القاعدة أو الروابط الميكروويفية أو محطات الأقمار الصناعية، يواجه المهندسون قراراً أساسياً يتمثّل في اختيار استخدام مرشحات تجويفية محورية أم مرشحات موجية. ولكلٍّ من هذين النوعين مزايا فريدة تتحدد وفقاً للتردد والقدرة والحجم وبُنية النظام. وتُستخدم المرشحات المحورية على نطاق واسع عندما تتطلب التطبيقات عوامل شكل صغيرة ومرونة في التصميم عند الترددات الأقل من ٦ جيجاهرتز، أما عند الترددات الأعلى، فتُفضَّل المرشحات الموجية بسبب انخفاض فقدان الإشارة واحتياجها إلى التعامل مع قدرة عالية عند تلك الترددات. LINKWORLD هي شركة عالمية في إنتاج كلا التقنيتين، وتتمتع بأكثر من 20 عامًا من الخبرة في مجال الترددات الراديوية (RF). ويُحدِّد هذا الدليل الجوانب الرئيسية التي تميِّز أنواع الفلاتر هذه.

نطاق التردد والأداء الكهربائي

عادةً ما يُظهر تردد التشغيل التكنولوجيا المناسبة والصحيحة. وتنتشر مرشحات المحور المشترك (Coaxial) باستخدام الوضع العابر الكهربائي-المغناطيسي (TEM)، وهي تدعم الترددات الواقعة بين الحدود التصميمية والتردد المستمر (DC). وتُستخدم هذه المرشحات على نطاق واسع في محطات القواعد الخلوية التي تعمل في نطاق ٤٠٠ ميغاهيرتز حتى نحو ٦ غيغاهيرتز، وبأداء جيد وحجم معقول. أما مرشحات تجويف المحور المشترك ذات عوامل الجودة (Q-factors) للمذبذبات التي تصل إلى ٣٠٠٠ فهي تُستخدم لاختيار قنوات ضيقة النطاق في تطبيقات الجيل الخامس (5G) دون ٦ غيغاهيرتز. وهذه الخاصية عالية التمرير (High-pass) طبيعيةٌ ومتأصلةٌ فيها وبدرجة عالية، ما يجعلها مثاليةً عند الترددات الأعلى من نحو ٤ غيغاهيرتز. أما عند الترددات الواقعة في نطاق الموجات المليمترية، حيث يشكّل ٣٠ غيغاهيرتز أحد طرفي هذا النطاق، فإن الترددات الأعلى ضمن هذا النطاق تتعرّض لخسائر فائقة الارتفاع وظهور أوضاع أعلى الرتبة (higher-order modes) في الهياكل المحورية المشتركة، وبالتالي لا يمكن عمليًّا استخدام سوى المرشحات الموجية (Waveguide filters). وتتميّز المرشحات الموجية بخسارة إدخال (Insertion Loss) منخفضة جدًّا تبلغ ٠٫١٥ ديسيبل عند تردد ٩٤ غيغاهيرتز، مقارنةً بـ ٠٫٤٧ ديسيبل في البدائل المحورية المشتركة.

خسارة الإدخال وقدرة التحمّل بالطاقة

كل ديسيبل من الفقدان يؤثر تأثيرًا مباشرًا على مساحة التغطية ومعدلات نقل البيانات وتكاليف التشغيل. وتتميَّز مرشحات الموجات التوجيهية (Waveguide filters) في كلا الجانبين. فتصنيعها المجوف المعدني لا يُسبِّب أي خسائر عازلة، كما تنتقل الإشارات عبر فتحات مملوءة بالهواء. ويبلغ فقدان الإدخال في مرشحات الموجات التوجيهية في نطاق Ku (12–18 جيجاهرتز) حوالي ٠٫١٥ ديسيبل/متر، مقارنةً بـ٠٫٦٧ ديسيبل/متر في الحلول المحورية (coaxial)، أي أقل بنسبة ٤٫٥ مرة. وينطبق الأمر نفسه على قدرة التحمُّل القدرة: إذ يمكن لمرشحات الموجات التوجيهية من النوع WR-42 أن تنقل طاقة نبضية تصل إلى ٢٠ كيلوواط في نطاق Q، أي أعلى بـ٤٠٠ مرة من نظيراتها المحورية. أما المرشحات المحورية فتحقق أداءً جيدًا ضمن نطاق استخدامها المستهدف؛ فمرشحات نطاق L عالية الجودة تمتلك فقدان إدخال أقل من ٠٫٥ ديسيبل. أما الثمن المدفوع مقابل ذلك فهو وجود مواد عازلة تُسبِّب آليات فقدان غير موجودة في حالة الموجات التوجيهية. وتجعل ظاهرة التأثير السطحي (Skin effect) التيار يتجمَّع في طبقات سطحية أرق عند الترددات الأعلى، ما يستلزم جودة عالية في الطبقة المطلية.

الاعتبارات المتعلقة بالحجم الفيزيائي والتكامل

تزايد الحاجة أيضًا إلى مكونات صغيرة الحجم في بنية الاتصالات السلكية واللاسلكية التحتية. وفي هذه الحالة، تتميَّز مرشحات المحور المركزي (Coaxial Filters) بفوائد كبيرة. وتوفِّر رنانات TEM أداءً ممتازًا، لكن الحجم الفيزيائي لها يزداد تبعًا لمتطلبات عامل الجودة (Q-factor). وتُحلُّ التقنيات الجديدة هذه المشكلة؛ ففي مرشحات الرنان العازلي (Dielectric Resonator Filters)، تُستعاض التجاويف الهوائية عن المواد الخزفية عالية الثابت الكهربائي، ما يقلِّل المساحة المستخدمة بنسبة ٥٠٪ دون أي تأثير على الأداء الكهربائي. وقد اتجهت محطات قاعدة ٥G الضخمة من نوع MIMO إلى استخدام المرشحات العازلية الخزفية. أما مرشحات الموجات الإرشادية (Waveguide Filters) فهي دائمًا كبيرة الحجم نسبيًّا — إذ تكون أبعادها متناسبة طرديًّا مع الطول الموجي. ومع ارتفاع الترددات إلى نطاق الموجات المليمترية، حيث ينخفض الطول الموجي إلى حدِّ المليمترات، يصبح حجم الموجات الإرشادية صغيرًا بشكل مفاجئ. وتقنية الموجة الإرشادية المدمجة في القاعدة (Substrate Integrated Waveguide - SIW) هي تقنية تتيح تصاميم تشبه الموجات الإرشادية ضمن أبعاد لوح الدوائر المطبوعة (PCB) المستوية، مع خسائر منخفضة وأبعاد مدمجة وقدرة عالية على التكامل.

الاستقرار البيئي والموثوقية على المدى الطويل

غالبًا ما تُركَّب بنية الاتصالات السلكية واللاسلكية في الهواء الطلق لعقودٍ عديدة. وتتميَّز تصاميم الموجات التوجيهية باستقرارٍ عالٍ؛ إذ لا تتعرَّض التصاميم المعدنية بالكامل لاختلافات في التمدد الحراري أو ظاهرة الانبعاث الغازي (Outgassing). ويبلغ انجراف السعة (Amplitude drift) لأنابيب الموجات التوجيهية من نوع WR-15 الناتج عن التغيرات الحرارية بين -55°م و+125°م فقط -0.008 ديسيبل/°م، في حين تنكمش العوازل المصنوعة من مادة البوليمر الفلوريني (PTFE) في الهياكل المحورية (Coaxial) عند درجات الحرارة المنخفضة، مما يؤدي إلى عدم تطابق في المعاوقة (Impedance mismatch). وفي الفضاء العميق، تقاوم مرشحات الموجات التوجيهية جرعات الإشعاع بما يكفي لتحويل العوازل المحورية إلى كربون. ولتحقيق درجة مماثلة من الاستقرار، يجب اختيار المرشحات المحورية بعناية، باستخدام سبائك ذات معامل تمدد حراري منخفض ودعائم عازلة مُعَدَّة لتعويض التغيرات الحرارية. كما توفر الختم المحكم (Hermetic sealing) حمايةً ضد دخول الرطوبة. أما أداء مرشحات محطات قواعد الاتصالات الخلوية من الجيل الخامس (5G) الحديثة فيتراوح بين -40°م و+85°م مع انحراف ترددي ضئيل جدًّا.

تتضمن الاختيار مفاضلات بين التردد والخسارة والقيود الفيزيائية والمتطلبات البيئية. وتُعد المرشحات المحورية (Coaxial filters) الخيار المفضل في نطاق الترددات دون 6 جيجاهرتز نظرًا لصغر حجمها وسهولة دمجها، وهي عوامل تكتسب أهمية أكبر من الخسارة المتزايدة. أما عند الترددات التي تبلغ نحو 10 جيجاهرتز وما فوق، فإن المرشحات الموجية (Waveguide filters) تصبح ضرورية بسبب خصائصها الأفضل من حيث الخسارة وقدرتها على التشغيل عند مستويات طاقة أعلى وفي ظروف بيئية أشد قسوة. ومع انتقال تقنية الجيل الخامس (5G) إلى نطاق الموجات المليمترية، وانتقال الجيل السادس (6G) إلى ترددات أعلى، تتغير التقنيات المستخدمة؛ فتظهر تصاميم محورية جديدة تعتمد على عوازل كهربائية متطورة وتصغير الحجم، إضافةً إلى تقنيات المرشحات الموجية القائمة على الهياكل الموجية المدمجة (SIW) والتصنيع الإضافي (Additive Manufacturing). ولدى شركة Linkworld أكثر من 20 عامًا من الخبرة في تصنيع المكونات الراديوية (RF) باستخدام هاتين التقنيتين، وتقدّم المرشحات والوحدات المجمعة والخبرة التصميمية التي تتطلبها بنية الاتصالات السلكية واللاسلكية الأساسية. راسلونا لتزويدنا بمتطلباتكم الخاصة من المرشحات.