مقدمة

وتشكل صفائف الهوائيات الخارجية العمود الفقري للاتصالات السلكية واللاسلكية الحديثة، والبث الإذاعي، ونظم الرادار، وعمليات البث الإذاعي الهوائي، ودورها هو نقل وتلقي إشارات الكهرومغناطيسية على مسافات شاسعة ذات مصداقية عالية، غير أن هذه الصفائف معرضة بشكل دائم للعناصر، ولا بد أن تؤثر على أدائها ظروف الطقس المحلية.

فيزياء آثار الطقس على بروباغية الترددات

وتؤثر الظروف الطبيعية في أداء صفائف الهوائيين من خلال مسارين رئيسيين: تغيير مباشر في الخصائص المادية والكهربائية للهائيات، والتغيرات في متوسط الانتشار (التروبوسفير) الذي تنتقل منه الأمواج اللاسلكية، ويمكن للمسارين أن يخفضا من قوة الإشارة، ويحدثان أخطاء في المراحل النهائية، ويزيدان معدلات الخطأ في الاتصالات الرقمية.

تصاعد الأمطار والتبريد

وتعتمد تواتر الأمطار على الترددات التشغيلية، حيث يمكن أن تُدرج في شكل مقياس مائي مكثف وميزانيات مائية مصغرة ذات ترددات عالية، كما أن مقياس الأمطار الذي يتجاوز مقياساً للترددات العالية جداً، ومقياساً للثديين، ومقياساً للثديينات المميتة، ومقياساً للثديينات المشابهة، ومتوسطة.

آثار الثلج والثلج

والثلوج الجاف له ثابت منخفض نسبيا ويتسبب في انخفاض طفيف في حجمه عن المطر، ولكن الثلج الرطب يمكن أن يكون إشكاليا تقريبا، والمسألة الأكثر أهمية هي تراكم الجليد على عناصر الهوائي نفسها، كما أن الأيزوات التي تسبب انهيارا ثابتا يتراوح بين ٣ و ٤ مرات في الفضاء الحر، وعندما يشكل طبقة على عنصر مشع، فإنه يغير بصورة فعالة طول العنصر الكهربائي.

منظمة " ويوند إنشند " (We-Induced)

ويمارس النزوح قوى دينامية على صفائف الهوائيات، مما يتسبب في الانحراف والالتواء والهتز، بل إن التشريدات المتناثرة في فرادى العناصر يمكن أن تستحدث أخطاء في المرحلة تؤدي إلى تدهور الدقة في توجيه الأشعة وبطلانها، كما أن الإفراط في الضغط على الأوعية الريحية العالية الغنائية (مثل صفائف الياغية أو الخانات المشابهة) قد يؤدي إلى تقلص الازد.

درجة الحرارة والرطوبة

وتؤثر تقلبات التهاب الأورام على أداء الهوائيات بعدة طرق: أولا، فإن التوسع في العناصر المعدنية وانكماشها يغير الأبعاد المادية، التي يمكن أن تزيل الهوائي قليلا، وبالنسبة للمواد مثل الألومنيوم (عامل التوسع) حيث يبلغ طوله 23 -6/°C)، يمكن أن تؤدي درجة حرارة الغلاف الجوي الأعلى 50 درجة إلى تغيير طول العناصر بنسبة 0.1 في المائة.

البرق والإضطراب

إن صفائح الهوائيات الخارجية هي أهداف رئيسية للإضراب عن طريق البرق، ويمكن أن تدمر الإضراب المباشر عناصر الهوائيات، وخطوط التغذية، والإلكترونيات المرتبطة بها، بل إن الإضرابات غير المباشرة (التصريفات الناشئة) يمكن أن تؤدي إلى إحداث أضرار في البرق والتيار من خلال التصادم الكهرومغناطيسي، كما أن حماية البرق، بما في ذلك قضبان البرق المكية، والتركيب المكثف للغاز.

الترسب الشمسي وتحلل المركبات

ويتسبب التعرض المطول للإشعاع فوق البنفسجي من ضوء الشمس في تدهور العديد من المواد المستخدمة في بناء الهوائيات، والزهور البلاستيكية، وسُتُل الكابلات، والأختام، في الرشوة والكسر على مر الزمن، مما يتيح حدوث تجاوزات في الرطوبة، مما يؤدي إلى التآكل والفشل الكهربائي، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتسبب التدفئة الشمسية في اتساع رقعة بين المواد المنتشرة (مثلة، والأختام المشتركة).

آثار الطقس المتكررة - المستديمة

وتتباين حدة الآثار الجوية تبايناً كبيراً مع التواتر، ففهم هذا التبعية للتواتر يساعد مهندسي تصميم استراتيجيات ملائمة للتخفيف من حدة كل مجموعة.

HF (3-30 MHz)

وفي ارتفاع الترددات العالية، تهيمن على انتشار الغلاف الأيوني، ولا يكون لطقس التروبوسفير سوى تأثير مباشر ضئيل نسبيا على تصعيد الإشارات، غير أن تحميل الرياح والجليد لا يزال يسبب مسائل ميكانيكية، لا سيما بالنسبة للصفائف ذات التوجهات الكبيرة مثل الهوائيات ذات اللوت أو الهضبة التي تستخدم في بث هواة وبثها، ولا تزال حماية البرق تشكل شاغلا بالغ الأهمية بالنسبة للأنينات الطويلة.

التردد العالي جدا/التردد فوق العالي (30 ميغاهيرتز-3 جيهرتز)

وفي إطار النطاقات ذات التردد العالي جداً والتردد العالي جداً، تسبب الأمطار والضباب تصعيداً متوسطاً، حيث يقل عادة عن 1 د.ب/كوم، باستثناء أثناء فترات هبوط شديدة للغاية، ويصبح تراكم الثلج والجليد على عناصر الهوائي أكثر إشكالية، حيث تزداد الترددات لأن تغيرات طول الكهرباء تصبح جزءاً أكبر من الموجات، كما أن الطريق المستحث بالريح هو مسألة شائعة بالنسبة لمصفوفات التلفزيونية ومحطة الأرضية.

ميكرويف ومليميتر - وايف (3 - 300 جيهرتز)

كما أن التكرار في الموجات الدقيقة وما فوقها هو التقلبات المناخية السائدة، ويمكن أن يتجاوز الارتفاع 20 كيلوغراماً من الدي بي/كميل أثناء فترات الهبوط المدارية، كما أن الغوغاء والسحب تسبب أيضاً تصعيداً كبيراً، لا سيما في الترددات فوق 30 جيهرتز، كما أن الغازات التي تعمل في الغلاف الجوي (الأوكسجين وبوارات الماء) تسهم في خطوط الاستيارات الخفية التي تزيد عن طاقة الاشارات المتاحة.

الآثار الهيكلية والميكانيكية على أرايس الأنتينا

وإلى جانب الآثار الكهرومغناطيسية، يفرض الطقس متطلبات ميكانيكية كبيرة على هياكل دعم الهوائي ونظم التغذية.

Ice Loading

ويمكن أن يزيد تراكم الجليد وزن نظام الهوائي بعدة أوامر بحجمه، فعلى سبيل المثال، قد يكون وزن طبق شبه مقاس 2 كيلو متراً عادة 50 كيلوغراماً، ولكن مع 5 سم من الثلج الإشعاعي، يمكن أن يتجاوز الكتلة المضافة 500 كيلوغرام، وهذا التحميل يضغط على أبراج وأوعية وأوعية الرجال خارج حدود تصميمها، وفي المناطق التي تتجمد فيها الأمطار أو تدق الضباب، فإن التعزيزات الهيكلية تشمل عناصر مقاومة للرش

Wind Loading

وتحسب حمولات الرياح على أساس المساحة المسقطة للهوائيات، والشكل، وسرعة الرياح المحلية، وبالنسبة للصفائف الهوائية، تشمل منطقة الرياح الإجمالية جميع العناصر، والجبال، وخطوط التغذية، ويجب اعتبار عوامل الغزو مسؤولة عن التحميل الدينامي، كما أن معيار الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين 7 يوفر مبادئ توجيهية لحسابات تحميل الرياح، ويشمل التصميم السليم أفران الرجولة الموزعة، وأطرا ذات أحجام صلبة لمنع حدوث عمليات التكديس،

تصويب

ويعجل التعرض للأمطار ورش الملح (في المناطق الساحلية) والملوثات في الغلاف الجوي بتآكل قطع المعادن، ويُعتبر التآكل الجالفاني خطراً خاصاً عندما تكون الفلزات المتفرقة (مثل خطوط تغذية النحاس وعناصر الألمنيوم) على اتصال، ويزيد من مقاومة الاتصال بالمفاصل المشترك، ويرفع من مستوى الربط بين الفلزات، ويضعف السلامة الهيكلية.

استراتيجيات التخفيف وأفضل الممارسات

ويمكن الحفاظ على أداء الهوائي من خلال مزيج من التصميم القوي والصيانة الاستباقية والقدرة على التكيف التشغيلي.

اختيار المواد

المواد التي تُختار ذات التوسع الحراري المنخفض، ومقاومة التآكل الجيدة، واستقرار المركبات فوق البنفسجية - من الشائع أن تحتوي عناصر من طراز Aluminum 6061 -T6، بينما يستخدم الفولاذ اللاصق أو الفولاذ المغنطيسي الساخن في أجهزة الصعود، وتوفر الرفالات التي تُصنع من الألياف المحتوية على ثنائي الفينيل متعدد الكلورات المثبتة الحماية الميكانيكية مع التقليل إلى أدنى حد من الخسائر في إطار الترددات.

التكتل الواقي والرفالات

ويمكن أن يؤدي تطبيق المعاطف الهيدروفورية إلى الحد من المياه وارتفاع الجليد، مما يتيح لطيور الأمطار أن تنفجر قبل تكوين مجاميع كبيرة، وبالنسبة للمنشآت الحرجة، فإن وجود مجموعة كاملة من الدراما يمكن أن يدر الهوائي من الرياح والأمطار والجليد، ويجب أن تصمم الرفالات بفقدان منخفض في الإدخال وأن تُشكل لتلافي التشوهات غير المرغوب فيها في الإشعاعات، مثل نظم الحرق المقاوم.

التصميم الهيكلي للطيور الرطبة

وينبغي تصميم دعم الهوائيات من أجل أسوأ أنواع الرياح والجليد المتوقعة في موقع التركيب، واستخدام خطوط الرجال مع الموصلات لمنع التفاعلات في إطار الترددات، وإدراج أجهزة إطفاء (مثلاً، أجهزة الرطوبة المسكَّلة) للتخفيف من آثار النزيف المسبب للريح، وإجراء تفتيش منتظم على المزلاجات، والحاملات، والتوترات على جهاز اللاسلكي، وذلك من أجل معالجة صفائف المتحركة السهلة، والنظر في استخدام ثلاثة نظم.

نظم التسجيل

وبالنسبة للحيوانات التي تعيش في ظل مناخ بارد، يمكن تنفيذ عملية إزالة الألغام باستخدام أسلاك مقاومة مدمجة (السيارات إلى أشرطة الحرارة) تُستخدم بواسطة مصدر منخفض التطويع، ويمكن التحكم في هذه النظم بواسطة أجهزة استشعار الحرارة أو أجهزة استشعار الرطوبة، ويستخدم نهج آخر هواء مكثف يعمم من خلال عناصر متحركة لمنع الجليد من التكوين، ويجب أن تُقيَّد احتياجات استهلاك الطاقة الإضافية والصيانة من تكلفة الوقت المخفضة.

الرصد والصيانة

ويمكن أن تقيس نظم الرصد عن بعد نظام VSWR، وقوام الإشارة، والإطار الآلي، ويمكن للتنبيهات الآلية أن تخطر المشغلين عند تدهور الأداء، مما يسمح بالتدخل المبكر، وينبغي أن تحقق عمليات التفتيش المادي المنتظمة من التآكل، والروابط غير المستقرة، والتكت الجليدي، وحرق الحيوانات، وبعد أحداث الطقس الشديدة (الراكين، والعواصف الجليدية)، يوصى بإجراء فحص كامل للمواءمة باستخدام النقل الليزري أو الشريان.

التعديلات التشغيلية

يمكن لمشغلي الشبكات أن يتكيفوا مع الظروف الجوية عن طريق ما يلي:

  • :: تنفيذ مراقبة القدرة التكيّفية للتغلب على هطول الأمطار.
  • التحول إلى وصلات احتياطية منخفضة التردد خلال التهطال الثقيل.
  • استخدام استقبال التنوع مع هوائيات منفصلة مكانيا للتخفيف من تلف الإشارات.
  • - توجيه الحزمة المرحلية قبل إجراء العملية للتعويض عن المكافآت المعروفة التي تسببها الرياح (إذا تم تحديدها).

دراسات الحالات: دروس من الميدان

وتبرز عدة حوادث في العالم الحقيقي أهمية تصميم الهوائيات المسببة للطفح الجوي، ففي عام 2014، انهار برج كبير للبث التلفزيوني في أونتاريو، كندا، بسبب تحميل الجليد الذي يتجاوز قدرة الدعم، وكشف تحقيق عن أن الجليد يتراكم بشكل غير متناظر، مما تسبب في تحميل غير منتظم لا يُحسب له تصميم البرج، ونتيجة لذلك، قام العديد من المذيعين بإعادة تصميم نظم جديدة.

وفي قطاع الاتصالات السلكية واللاسلكية، شهدت وصلة الموجات الدقيقة في منطقة شمال غرب المحيط الهادئ انقطاعا مستمرا في الرابط كل شتاء، وأظهر التحليل أن الجليد الشائك الذي يتراكم على الرادوم زاد من سرعة التردد VSWR إلى أكثر من 3، مما أدى إلى تطويق أجهزة الإرسال، والحل هو تركيب طين مسخ مع طلاء هودرائي، مما أدى إلى خفض التسخين الجليدي وسمح بالعملية العادية من خلال الضباب المتجمد.

وبالنسبة لمحاورات هواة إذاعية، فإن مجموعة تعمل محطة مسابقات ذات تردد عال جدا في جبال روكي تواجه بانتظام علواف رياح تزيد على 130 كيلومترا/ساعة، وقد صممت صفيفة الياقية مع مسافات سريعة ومعدات فولاذية لا تطاق، وبعد كل عاصفة، استخدمت أداة محمولة لمواءمة الليزر لاستعادة الازموث الازهار في حدود 0.5 درجة، مما حافظ على زيادة قدرها 1.5 د.

خاتمة

فظروف الطقس المرهقة تفرض تحديات متعددة الأوجه على صفائف الهوائيات الموجودة في الهواء الطلق، تؤثر على مسار النشر الكهرومغناطيسي وعلى السلامة الميكانيكية للتركيب، ولا تُكفل نظم التأشيرات والثلوج والرياح ودرجات الحرارة والإشعاع الشمسي إلا آليات متميزة تؤدي إلى تدهور الأداء والموثوقية، ومن خلال فهم هذه الظواهر وتنفيذ استراتيجيات ملائمة للتخفيف من آثارها مثل اختيار المواد الفعّالة، والتقوية، والتقوية الهيكلية، والتكييف الهيكلي،