كيفية تقليل فقدان الإشارة باستخدام الكابلات المحورية؟

ما الأسباب المؤدية إلى فقدان الإشارة في الكابل المحوري؟

الفقد الناتج عن العازل والموصل: تبدد الطاقة في نواة الكابل والعزل

عند انتقال الإشارات عبر الكابلات المحورية، تبدأ في فقدان شدتها بسبب آليات فقدان الطاقة الأساسية. فالفصل المعدني الرئيسي داخل الكابل يفقد بالفعل جزءًا من القدرة نتيجة اصطدام الإلكترونات ببعضها البعض داخل البنية المعدنية. ويتفاقم هذا التأثير عند الترددات الأعلى، حيث يمر الجزء الأكبر من التيار فقط قرب الجزء الخارجي للموصل، وليس عبر سماكته الكاملة. وفي الوقت نفسه، تؤدي العازل البلاستيكي الموجود بين الموصلات أيضًا دورًا في هذه الظاهرة؛ إذ يمتص جزءًا من الموجات الكهرومغناطيسية العابرة ويشتّتها على هيئة حرارة بدلًا من السماح لها بالوصول إلى وجهتها. وهذان العاملان معًا يتسببان عادةً في نحو ثلاثة أرباع إجمالي ضعف الإشارة في ترتيبات الكابلات الاعتيادية. ولذلك قد تؤدي المسافات الطويلة للكابلات المحورية أحيانًا إلى ضعف في استقبال الإشارة أو انخفاض في جودة الاتصال.

الاستهلاك الترددي: لماذا تؤدي الترددات الراديوية الأعلى إلى زيادة فقدان الإشارة في الكابلات المحورية

تزيد كمية فقدان الإشارة بشكل كبير مع ارتفاع الترددات بسبب سلوك الموجات الكهرومغناطيسية. وعند النظر إلى الترددات فوق ١٠٠ ميغاهيرتز، فإن كل مرة يتضاعف فيها التردد تزداد نسبة فقدان الإشارة عبر كابلات RG-6 بنسبة تبلغ نحو ٣٠٪. ويحدث هذا أساسًا لأن الإلكترونات تميل إلى الانتقال أقرب إلى السطح (ظاهرة القشرة) كما أن مادة العزل تستجيب بشكل أقوى للحقول الكهربائية المتغيرة. فعلى سبيل المثال، يفقد كابل RG-6 قياسي بطول ١٠٠ قدم حوالي ٦٫٥ ديسيبل من شدة الإشارة عند تردد ١ غيغاهيرتز، بينما لا يتجاوز الانخفاض ١٫٢ ديسيبل عند تردد ٥٠ ميغاهيرتز. وبسبب هذه الفروق، يصبح اختيار الكابل المناسب أمرًا في غاية الأهمية عند التعامل مع الشبكات الحديثة عالية السرعة مثل تركيبات شبكة الجيل الخامس (5G) أو خدمات الإنترنت المعتمدة على تقنية DOCSIS 3.1، حيث قد تؤثر حتى أصغر الهدرات في الإشارة تأثيرًا بالغًا على الأداء.

عدم تطابق المعاوقة والانعكاسات: كيف تُضعف النسبة بين الجهد الموجي الثابت (VSWR) سلامة الإشارة في الكابلات المحورية

يؤدي عدم التطابق بين مقاومة الكابل المحوري (والتي تكون عادةً حوالي ٥٠ أوم أو ٧٥ أوم) وبين ما هو متصل في طرفيه إلى تلك الانعكاسات الإشارية المزعجة التي يكرهها الجميع. فما الذي يحدث بعد ذلك؟ إن هذه الإشارات المنعكسة تتعارض مع الإشارة الأساسية القادمة عبر الكابل، مُشكِّلةً أنماطًا لموجات واقفة يقيسها المهندسون باستخدام ما يُعرف بنسبة الموجة الواقفة للجهد (VSWR). وعندما تتجاوز هذه النسبة نحو ١٫٥:١، تبدأ المشكلات بالظهور بسرعة كبيرة. إذ تنخفض جودة الإشارة بمقدار ٣ ديسيبل تقريبًا، وقد تتوقف المعدات عن العمل بشكل سليم من وقت لآخر. ولماذا يحدث ذلك؟ حسنًا، هناك عدة أسباب شائعة لذلك: موصلات لم تُثبت بشكل صحيح أثناء التركيب، ووصلات بدأت تتآكل أو تصدأ مع مرور الوقت، وكابلات تعرضت لانحناءات حادة جدًّا في مكانٍ ما على طول مسارها. والأمر الأسوأ هو أن هذه الانعكاسات لا تبقى هادئةً في مكانها فقط، بل إنها تفاقم الخسائر العادية في الكابل فعليًّا، لذا بدلًا من انتقال الطاقة بكفاءة كاملة، قد تنقل الأنظمة فقط نحو ٦٠٪ مما كان ينبغي نقله عندما يكون التوافق بين جميع المكونات مثاليًّا.

العوامل الفيزيائية وعوامل التركيب التي تضخّم فقدان الإشارة في الكابلات المحورية

طول الكابل والتخفيض: حساب فقدان الديسيبل لكل قدم لأنواع الكابلات المحورية الشائعة

يتزايد التخفيض الإشاري بشكل مباشر مع طول الكابل بسبب مقاومة الموصل وامتصاص العازل. وتؤدي المسافات الأطول إلى تضخيم فقدان الطاقة، حيث تتحول إشارات التردد اللاسلكي (RF) إلى حرارة. على سبيل المثال:

• يفقد كابل RG-6 ما يقارب 0.25 ديسيبل/قدم عند تردد 750 ميغاهيرتز
• ويحافظ كابل LMR-400 على 0.11 ديسيبل/قدم عند تردد 1 غيغاهيرتز
  وهذه العلاقة الأسية تتطلب إجراء حسابات دقيقة قبل التركيب — ويجب دائمًا الرجوع إلى جداول التخفيض المُقدَّمة من الشركة المصنِّعة لمدى التردد المستهدف.

الثني والضغط والتلف الذي يصيب الغلاف الواقي: تهديدات خفية لأداء الكابل المحوري

تؤدي الإجهادات الفيزيائية أثناء عملية التركيب إلى تدهور الأداء بطرق غالبًا ما تُهمَل:

• الانحناءات الحادة يؤدي تجاوز نصف قطر الانحناء الأدنى إلى تشويه هندسة العازل، ما يزيد من عدم التطابق في المعاوقة
• الدرع المضغوط يقلل من قدرة رفض التداخل بنسبة تصل إلى ٤٠٪
• الموصلات الملتوية تُنشئ نقاط انعكاس محلية
  يؤدي دخول الرطوبة عبر الغلاف التالف إلى تسريع عملية الأكسدة، مما يرفع مقاومة الموصلات. وتشمل أفضل الممارسات الحفاظ على أنصاف أقطار الانحناء أكبر من ١٠ أضعاف قطر الكابل وتجنب الالتواء أثناء التوصيل.

استراتيجيات مُثبتة لتقليل فقد الإشارة في أنظمة الكابلات المحورية

اختيار كابل محوري منخفض الفقد: النحاس مقابل النحاس المغلف بالألومنيوم (CCA)، والعازل الرغوي مقابل العازل الصلب، وفعالية الدرع

يتعلق اختيار الكابل المحوري المناسب في الواقع بالوصول إلى النقطة المثلى بين كفاءة التوصيل الكهربائي، ونوع مادة العازل المستخدمة، وجودة التغليف الواقي. فعند النظر إلى الموصلات، يتفوق النحاس الصلب بوضوح على الألومنيوم المطلي بالنحاس (CCA) من حيث فقدان الإشارة؛ إذ يقل التوهين بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٣٠٪ تقريبًا، لأن النحاس العادي يُظهر أداءً توصيليًّا أفضل عبر هيكله بالكامل. كما تُحدث العوازل المملوءة بالرغوة فرقًا كبيرًا أيضًا؛ فهي تقلل من خسائر السعة المزعجة بنسبة تصل إلى ٤٠٪ مقارنةً بالبولي إيثيلين الصلب العادي، نظرًا لعدم تمكينها الإلكترونات من الارتداد داخل العزل بشكل مفرط. وإذا كانت التداخلات الكهرومغناطيسية مصدر قلق، فإن التصاميم ذات التغليف الواقي الرباعي (Quad Shield)، والتي تتضمن طبقات متعددة من رقائق الألومنيوم والغلاف المجدول، هي الخيار الأمثل. فهي تحافظ على تسرب الإشارة عند أقل من ١٪، ما يجعلها معيارًا شبه ثابت في التطبيقات الراديوية الجادة. ولا تنسَ استقرار المعاوقة أيضًا؛ فالكابلات عالية الجودة تحتفظ بقيمتها ضمن مدى ±٢ أوم عبر الترددات المختلفة، ما يعني أن الإشارات تظل نقية ومتسقة بغضّ النظر عن الحزمة الترددية التي تعمل عليها.

اختيار دقيق للنهايات والموصلات: القضاء على انقطاعات المعاوقة والتآكل في روابط الكابلات المحورية

إن اختيار الموصلات المناسبة يمنع معظم انعكاسات المعاوقة المزعجة التي تؤثر سلبًا على قراءات نسبة الجهد الموجي القياسي (VSWR). وتُحافظ موصلات التوصيل بالضغط (Compression style connectors) على التوصيلات مشدودة بدقة تصل إلى نحو نصف ملليمتر عند تركيبها بشكل صحيح، مما يساعد في الحفاظ على قيمة المعاوقة المهمة البالغة ٥٠ أو ٧٥ أوم عبر جميع الوصلات. كما أن الطلاء الذهبي على أسطح التلامس له أهمية كبيرة جدًّا، لأنه يقاوم أكسدة المواد، وهي مشكلة تتفاقم خصوصًا في المناطق الرطبة، حيث تزداد المقاومة سنويًّا بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٠٪ وفقًا لبعض الدراسات. أما بالنسبة للتركيبات التي تتعرَّض لظروف قاسية أو التي تُركَّب في الهواء الطلق، فإن استخدام موصلات من الفولاذ المقاوم للصدأ والمزوَّدة بختم مقاوم للماء والغبار بتصنيف IP68 هو خيار منطقي، لأن هذه الموصلات تمنع دخول الماء إلى الداخل — وهو ما يسبب العديد من حالات الفشل المتقطِّعة المُحبَطة التي يكرهها الجميع. وقبل الانتهاء من أي مشروع، من المفيد التحقق من جودة التوصيلات النهائية باستخدام أجهزة اختبار الانعكاس الزمني للموجات (TDR)، إذ إن هذه الأجهزة تكشف العيوب الدقيقة جدًّا على مستوى الميكرونات، والتي قد تؤدي لاحقًا إلى مشاكل أكبر بعد تشغيل النظام نهائيًّا.