الكهرومغناطيسية

atmospheric attenuation

اللصّ الخفيّ: التّوهين الجوي وتأثيره على الاتصالات اللاسلكية

تخيّل إرسال إشارة عبر مساحة شاسعة، فقط لتجد أنّها تتحوّل إلى همس عند وصولها. هذا هو واقع التّوهين الجوي، وهي ظاهرة تخطف قوة الموجات الراديوية بصمتٍ بينما تعبر غلاف الأرض الجوي. فهم هذا اللصّ الخفيّ ضروري لتحسين أنظمة الاتصالات اللاسلكية، خاصةً في التطبيقات ذات المدى الطويل.

الُsaboteurs صامتون: الامتصاص والانتثار

ينجم التّوهين الجوي بشكل أساسي عن آليّتين: الامتصاص و الانتثار.

  • الامتصاص: تُمتص طاقة الموجات الراديوية بسهولة بواسطة بعض الغازات الجوية مثل بخار الماء والأكسجين وثاني أكسيد الكربون عند ترددات معينة. ويؤدي هذا الامتصاص إلى تقليص قوة الإشارة بشكل فعّال أثناء مرورها عبر هذه الجزيئات.
  • الانتثار: يمكن لجزيئات مُعلّقة في الهواء، مثل الغبار والمطر وحتى بلورات الجليد، أن تُبعثر الموجات الراديوية في اتجاهات مختلفة. ويُقلّل هذا الانتثار من الطاقة المُوجّهة نحو المُستقبل المُقصود، مما يؤدي إلى إشارة أضعف.

اعتماد التردد: قصة عالمين

تختلف شدة التّوهين الجوي بشكل كبير حسب تردد الإشارة.

  • الترددات المنخفضة (VHF وما دون): تُعدّ هذه الإشارات أقل عرضة للامتصاص، لكنّها تُعاني من المزيد من الانتثار بسبب جزيئات أكبر مثل المطر.
  • الترددات العالية (UHF وما فوق): يصبح امتصاص الغازات عاملاً مهيمناً عند الترددات العالية، وخاصةً داخل نطاقات مُحدّدة يُسيطر عليها بخار الماء والأكسجين.

التأثير على الاتصالات اللاسلكية

يُشكّل التّوهين الجوي العديد من التحدّيات لأنظمة الاتصالات اللاسلكية:

  • نطاق مُقلّل: تُحدّ الإشارات الضعيفة من نطاق الاتصال الفعّال، مما يتطلب مُرسلات أقوى أو تغطية شبكية أكثر كثافة.
  • زيادة التداخل: يمكن أن تتداخل الإشارات المُبعثرة مع أجهزة لاسلكية أخرى تعمل على نفس التردد.
  • تدهور معدل البيانات: يمكن أن يؤثّر التّوهين بشكل كبير على معدلات نقل البيانات، وخاصةً للتطبيقات ذات النطاق الترددي العالي مثل بثّ الفيديو.

التّخفيف من تأثير اللصّ: استراتيجيات للنجاح

يُوظّف المُهندسون تقنيات مختلفة لتقليل تأثير التّوهين الجوي:

  • اختيار التردد: يُمكن اختيار الترددات ذات الحد الأدنى من الامتصاص والانتثار لتحسين بثّ الإشارة.
  • هوائيات اتجاهية: يمكن أن تُقلّل الهوائيات المُركّزة نحو المُستقبل من فقدان الإشارة بسبب الانتثار.
  • زيادة الطاقة: يمكن أن يُعوّض تعزيز قوة المُرسل عن تّوهين الإشارة.
  • محطات إعادة الإرسال: يمكن لمحطات وسيطة أن تُكبّر وتعيد بثّ الإشارة لتوسيع نطاق الاتصال.

مستقبل الاتصالات اللاسلكية

مع تقدم التكنولوجيا، يزداد الطلب على الاتصالات اللاسلكية المُوثوقة والكفاءة. فهم وتخفيف التّوهين الجوي أمر حيوي لتطوير أنظمة مُقاومة للظروف يمكنها العمل بفعالية عبر مسافات شاسعة وبيئات متنوعة. من نقل البيانات لمسافات طويلة إلى الاتصالات الفضائية، فإنّ المُحاربة ضد اللصّ الخفيّ هي مسعى مستمر للمهندسين اللاسلكيين.

Test Your Knowledge

Quiz: The Invisible Thief: Atmospheric Attenuation and its Impact on Wireless Communication

Instructions: Choose the best answer for each question.

1. Which of the following is NOT a primary cause of atmospheric attenuation?

a) Absorption by atmospheric gases b) Scattering by particles in the air c) Reflection by the Earth's surface d) Diffraction around obstacles

Answer

c) Reflection by the Earth's surface

2. Which frequency range is MOST susceptible to absorption by atmospheric gases?

a) VHF b) UHF c) Microwave d) Radio waves

Answer

c) Microwave

3. How does atmospheric attenuation affect wireless communication range?

a) Increases communication range b) Decreases communication range c) Has no effect on communication range d) Makes communication range unpredictable

Answer

b) Decreases communication range

4. Which of the following is a strategy to mitigate the impact of atmospheric attenuation?

a) Using omnidirectional antennas b) Reducing transmitter power c) Employing frequency hopping techniques d) Using longer wavelengths

Answer

c) Employing frequency hopping techniques

5. Which of the following is NOT a challenge posed by atmospheric attenuation?

a) Increased interference b) Reduced data rate c) Improved signal quality d) Limited communication range

Answer

c) Improved signal quality

Exercise: Designing a Wireless Communication System

Scenario: You are designing a wireless communication system to transmit data between two remote locations separated by 100 km. The system needs to operate reliably in various weather conditions, including rain and fog.

Task:

  1. Choose an appropriate frequency range for your system considering atmospheric attenuation. Justify your choice.
  2. Identify two mitigation strategies that you would implement to overcome the impact of atmospheric attenuation. Explain how they will help.
  3. Consider additional factors that might affect signal propagation, such as terrain and obstacles, and suggest potential solutions.

Exercice Correction

1. Choosing a frequency range:

  • Microwave frequencies (around 10 GHz) are a suitable choice for long-range communication.
  • Reasoning: While microwaves experience some absorption by water vapor and oxygen, they are less affected by scattering from rain and fog compared to lower frequencies.

2. Mitigation strategies:

  • Use directional antennas: Highly directional antennas focused towards the receiver minimize signal loss due to scattering.
  • Employ frequency hopping techniques: Switching the operating frequency to avoid particularly absorbent bands in the atmosphere can minimize attenuation.

3. Additional factors:

  • Terrain and obstacles: Hills, mountains, and buildings can block or reflect radio waves.
  • Solutions: Consider relay stations to amplify the signal, or use specialized antennas designed for overcoming obstacles.

Books

  • Electromagnetic Waves and Antennas by Sadiku
  • Radiowave Propagation: An Introduction by Peter J. D. Storey
  • Microwave and RF Engineering by David M. Pozar
  • Atmospheric Propagation of Radio Waves by K. Davies

Articles

  • "Atmospheric Attenuation of Radio Waves" by S. A. Bowhill, Proceedings of the IRE, vol. 49, no. 2, pp. 223-229, Feb. 1961.
  • "Atmospheric Attenuation of Millimeter Waves" by R. K. Crane, Proceedings of the IEEE, vol. 61, no. 1, pp. 14-26, Jan. 1973.
  • "Atmospheric Effects on Radio Wave Propagation" by M. P. M. Hall, Radio Science, vol. 20, no. 5, pp. 1243-1253, Sept.-Oct. 1985.
  • "Atmospheric Attenuation for Satellite Communications" by T. S. Rappaport, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 43, no. 4, pp. 432-438, Apr. 1995.

Online Resources


Search Tips

  • "Atmospheric Attenuation" + "Radio Waves"
  • "Absorption" + "Scattering" + "Radio Waves"
  • "Atmospheric Attenuation" + "Frequency Dependence"
  • "Atmospheric Attenuation" + "Wireless Communication"

Techniques

None

مصطلحات مشابهة
الالكترونيات الصناعيةالكهرومغناطيسيةمعالجة الإشارات
الأكثر مشاهدة
Categories

Comments

No Comments
POST COMMENT
captcha
إلى