ما العوامل التي تؤثر على موثوقية الكابل المحوري في شبكة 5G؟

آليات الفقد المعتمدة على التردد في أداء الكابلات المحورية لشبكة 5G

تأثير الجلد والخسائر العازلة عبر نطاقات دون 6 جيجاهرتز والموجات الملليمترية

عند العمل على الترددات الأعلى، لا يمكن لكابلات المحورية الأداء بنفس الكفاءة بسبب طبيعة العمل الفيزيائي. فتأثير الجلد يدفع التيارات الراديوية نحو الأجزاء الخارجية للموصلات، ما يجعلها تتصرف كما لو كانت ذات مقاومة أعلى. ويتفاقم أداء النحاس بسرعة مع ارتفاع الترددات، حيث تنخفض توصيليته بنسبة حوالي 40٪ عند الانتقال من 3.5 جيجاهرتز إلى 28 جيجاهرتز. وفي الوقت نفسه، تبدأ المواد الموجودة داخل الكابل بامتصاص طاقة أكبر. فمثلاً يفقد البولي إيثيلين الرغوي حوالي 0.5 ديسيبل لكل متر عند 6 جيجاهرتز، لكن الانتقال إلى مادة الفلوروفثاليت الإيثيليني يقلل هذه الخسارة بنسبة 30٪ تقريبًا في نطاقات الموجات الملليمترية الصعبة، نظرًا لأنه لا يهدر الكثير من الطاقة. وتشكل كل هذه الخسائر المتراكمة مشكلة حقيقية لجودة الإشارة في أنظمة MIMO الكبيرة، خصوصًا في التأثير السلبي على دقة تشكيل الحزمة فوق 24 جيجاهرتز، حيث لا يتبقى هامش للخطأ تقريبًا. وغالبًا ما يجد مصممو الأنظمة أنفسهم يكافحون ضد تناقص هوامش الأمان مع استمرار ارتفاع الترددات.

خيارات بناء الكابلات المتكافئة التي تحدد سلامة إشارة الجيل الخامس

نقاء الموصل، رغوة PE مقابل FEP المعاديات الكهربائية، وتجارة الهندسة المعمارية الحماية

يعتمد أداء الكابلات المحورية في أنظمة الجيل الخامس (5G) على ثلاثة عوامل رئيسية في التصنيع. لنبدأ بمواد الموصل. يُفضّل النحاس الخالي من الأكسجين (OFC) لأنه يقلل من الفقد المقاومي. ولهذا أهمية كبيرة عند ترددات الموجات الملليمترية، حيث يؤدي تأثير الجلد إلى دفع التيار نحو طبقة رقيقة قرب السطح فقط. بعد ذلك نأتي إلى اختيار مادة العازل. وهناك تنازلات في هذا الجانب. فمادة البولي إيثيلين الرغوية تعمل بشكل جيد عند الترددات التي تقل عن 6 غيغاهرتز مع فقد إشارة أقل، ولكن عند الوصول إلى 28 غيغاهرتز، تصبح مادة الفلورايت الإيثيلين البروبيلين (FEP) أفضل خياراً رغم تكلفتها الأعلى بنسبة 30% تقريباً وفقاً لمجلة RF Component Journal الصادرة العام الماضي. العنصر الثالث هو التدريع. إن التصاميم متعددة الطبقات مثل تركيبات الفويل-الشبكة-الفويل تحقق عادةً تغطية تزيد عن 95%، مما يحدث فرقاً كبيراً في مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي في التركيبات المزدحمة. وتُظهر الاختبارات في ظروف حقيقية أن الكابلات التي تستخدم FEP بدلاً من PE تعاني من تدهور في الإشارة أقل بنسبة 15% تقريباً عند ترددات 24 غيغاهرتز.

اتساق مقاومة 50 ميكرو أوم ودوره في تقليل الانعكاس في محطات قاعدة الجيل الخامس

من المهم جدًا الحفاظ على عَكْمومة 50 أوم ضمن نطاق ضيق لا يتعدى +/- 0.5 أوم للحد من انعكاسات الإشارة في اتصالات محطات القاعدة 5G. فالمسائل الصغيرة مهمة أيضًا هنا. عندما لا تكون أبعاد الموصل متسقة، أو توجد فجوات في مادة العازل، يرتفع ما يُعرف بنسبة الموجة الثابتة للجهد (VSWR). ويتفاقم هذا المشكل مع انتقال الإشارات عبر وصلات الهوائيات في المصفوفة. فلننظر إلى ما يحدث عندما تصل نسبة VSWR إلى 1.5 مقابل 1 عند ترددات حوالي 3.5 غيغاهرتز. وفقًا لبعض التقارير الصناعية من العام الماضي، يمكن لهذا عدم التطابق البسيط أن يقلل بالفعل من القدرة المشعة الفعالة بنسبة نحو 20%. وهذا أمر كبير. تساعد ممارسات التصنيع الجيدة في الحفاظ على مستويات عَكْمومة مستقرة حتى مع طول الكابلات أو تغير درجات الحرارة. مما يؤدي إلى خسائر عكسية أقل من -20 ديسيبل، وهو ما يحدث فرقًا كبيرًا في جودة الإشارة ومحاذاة الشعاع في إعدادات MIMO الضخمة التي تعتمد عليها الشبكات الحديثة بشكل كبير حاليًا.

التحديات البيئية والتثبيتية التي تواجه موثوقية الكابلات المحورية في شبكات 5G الواقعية

مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي: فعالية التدريع في بيئات المدن المكتظة بشبكات 5G

تعاني الكابلات المحورية حقًا من التداخل الكهرومغناطيسي في المناطق الحضرية المزدحمة، حيث تقع هوائيات 5G بجوار خطوط الكهرباء وجميع أنواع الآلات الصناعية. تتداخل المجالات الراديوية باستمرار في كل مكان، مما يُضعف جودة الإشارة بشكل كبير، خصوصًا على أعمدة المرافق المشتركة أو عندما تتجمع عدة كابلات معًا على أسطح المباني. يمكن أن تقلل الأغلفة الواقية المصنوعة من النحاس المجدول ورقائق الألومنيوم من هذا التداخل بمقدار يتراوح بين 40 إلى 60 ديسيبل، مما يساعد في الحفاظ على نسب الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة لأداء جيد. وعندما تتجاهل الشركات هذه الأغلفة الواقية، يصبح الانخفاض في سرعة نقل البيانات ملحوظًا جدًا في الأماكن ذات التداخل الشديد، مثل محطات القطارات المزدحمة أو مناطق الأعمال المركزية حيث تنتشر العشرات من الإشارات في آنٍ واحد.

عوامل التدهور المادي: الرطوبة، التعرض للأشعة فوق البنفسجية، نصف قطر الانحناء، والإجهاد الميكانيكي

تتعرض الكابلات المحورية في تركيبات 5G الخارجية لمؤثرات بيئية متعددة تُسرّع من عملية الشيخوخة وتضعف الأداء:

• الرطوبة : يؤدي تسرب الرطوبة إلى تآكل الموصلات وتحلل العزل العازل، مما يزيد من التوهين بنسبة تصل إلى 15٪ (PTS، 2023)؛ ويُشترط استخدام غلاف مقاوم للعوامل الجوية وموصلات مختومة بشكل محكم في المناطق الساحلية أو ذات الرطوبة العالية.
• التعرض للأشعة فوق البنفسجية: تصبح أغلفة البولي إيثيلين غير المستقرة هشة وتشقّ بعد عامين إلى ثلاثة أعوام من التعرّض لأشعة الشمس؛ ويمكن للمواد المقاومة للأشعة فوق البنفسجية أن تمدد عمرها الافتراضي بنحو 70٪.
• نصف قطر الانحناء: قد يؤدي الانحناء الشديد إلى تشويه القلب العازل، ما يتسبب في سوء توافق المعاوقة الموضعية والانعكاسات الصغيرة، وهي ظاهرة مدمرة بوجه خاص لإشارات الموجات الملليمترية.
• الاهتزاز والضغط الميكانيكي : تؤدي أحمال الرياح والتوتر المتكرر على الموصلات المثبتة على الأعمدة إلى إجهاد تعب مع مرور الوقت؛ وتقلل أدوات تخفيف التوتر المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ معدل فشل الموصلات بنسبة 34٪ في المناطق شديدة الاستخدام.

إن ممارسات التركيب القوية، بما في ذلك الالتزام بنصف قطر الانحناء الأدنى، واستخدام مواسير التوصيل المصنفة للأشعة فوق البنفسجية، وتوفير تخفيف التوتر المناسب، ليست تحسينات اختيارية بل متطلبات أساسية لضمان الموثوقية طويلة الأمد في شبكات 5G الواقعية.