ملف التحميل

(يسار) ملف تحميل حلقي بقطر 0.175 هنري لخط هاتفي طويل المدى لشركة AT&T يربط بين نيويورك وشيكاغو عام 1922. كان كل زوج من الأزواج الملتوية الـ 108 في الكابل يتطلب ملفًا. وُضعت الملفات داخل خزان فولاذي مملوء بالزيت (يمين) على عمود الهاتف. كان الكابل يتطلب ملفات تحميل كل 6000 قدم (1800  متر).

يُستخدم ملف التحميل عادةً لتحسين خصائص استجابة سعة تردد الصوت للأزواج المتوازنة الملتوية في كابل الهاتف. ولأن الزوج الملتوي متوازن ، يجب إدخال نصف ملف التحميل في كل طرف من أطراف الزوج للحفاظ على التوازن. ومن الشائع أن تُصنع كلتا اللفتين على نفس القلب الحديدي. هذا يزيد من تدفقات المجال المغناطيسي ، وبدونها سيتطلب الأمر زيادة عدد لفات الملف. وعلى الرغم من استخدام قلوب حديدية مشتركة، فإن ملفات التحميل هذه لا تُعتبر محولات ، لأنها لا توفر اقترانًا بدوائر أخرى.

يؤدي إدخال ملفات تحميل بشكل دوري على التوالي مع زوج من الأسلاك إلى تقليل التوهين عند ترددات الصوت العالية حتى تردد القطع لمرشح الترددات المنخفضة المتكون من محاثة الملفات (بالإضافة إلى المحاثة الموزعة للأسلاك) والسعة الموزعة بين الأسلاك. وفوق تردد القطع، يزداد التوهين بسرعة. كلما قصرت المسافة بين الملفات، ارتفع تردد القطع. يُعد تأثير القطع نتيجة استخدام محاثات مجمعة . أما مع طرق التحميل التي تستخدم محاثة موزعة مستمرة، فلا يوجد قطع.

بدون ملفات تحميل، يهيمن على استجابة الخط مقاومته وسعته، مع ازدياد التوهين تدريجيًا مع التردد. أما مع ملفات تحميل ذات محاثة مناسبة تمامًا، فلا تهيمن أي من السعة أو المحاثة: تكون الاستجابة مسطحة، والأشكال الموجية غير مشوهة، وتكون المعاوقة المميزة مقاومة حتى تردد القطع. كما أن التكوين المتزامن لمرشح تردد صوتي مفيد أيضًا في تقليل الضوضاء.

يُستخدم نوع آخر من ملفات التحميل في هوائيات الراديو . تُصمَّم هوائيات الراديو أحادية القطب وثنائية القطب لتعمل كمرنانات للموجات الراديوية؛ حيث تُثير الطاقة القادمة من جهاز الإرسال، والمُطبَّقة على الهوائي عبر خط نقله ، موجات مستقرة من الجهد والتيار في عنصر الهوائي. ولكي يكون الهوائي رنانًا "طبيعيًا"، يجب أن يكون طوله الفعلي ربع طول موجة الراديو المستخدمة (أو مضاعفًا لهذا الطول، مع تفضيل المضاعفات الفردية عادةً). عند الرنين، يعمل الهوائي كهربائيًا كمقاومة خالصة ، حيث يمتص كل الطاقة المُطبَّقة عليه من جهاز الإرسال.

في كثير من الحالات، ولأسباب عملية، يكون من الضروري تقصير طول الهوائي عن طول الرنين، ويُسمى هذا الهوائي بالهوائي القصير كهربائيًا . يُظهر الهوائي الذي يقل طوله عن ربع الطول الموجي مفاعلة سعوية لخط النقل. ^{[ 1 ]} ينعكس جزء من الطاقة المُطبقة عائدًا إلى خط النقل ويتجه نحو جهاز الإرسال . يتسبب التياران اللذان يسيران في نفس التردد باتجاهين متعاكسين في تكوّن موجات مستقرة على خط النقل ، تُقاس بنسبة الموجة المستقرة (SWR) التي تزيد عن واحد. تُهدر هذه التيارات المرتفعة الطاقة بتسخين السلك، وقد تؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة جهاز الإرسال بشكل مفرط.

To make an electrically short antenna resonant, a loading coil is inserted in series with the antenna. The coil is built to have an inductive reactance equal and opposite to the capacitive reactance of the short antenna, so the combination of reactances cancels. When so loaded the antenna presents a pure resistance to the transmission line, preventing energy from being reflected. The loading coil is often placed at the base of the antenna, between it and the transmission line (base loading), but for more efficient radiation, it is sometimes inserted near the midpoint of the antenna element (center loading).

Loading coils for powerful transmitters can have challenging design requirements, especially at low frequencies. The radiation resistance of short antennas can be very low, as low a few ohms in the LF or VLF bands, where antennas are commonly short and inductive loading is most needed. Because resistance in the coil winding is comparable to, or exceeds the radiation resistance, loading coils for extremely electrically short antennas must have extremely low AC resistance at the operating frequency. To reduce skin effect losses, the coil is often made of tubing or Litz wire, with single layer windings, with turns spaced apart to reduce proximity effect resistance. They must often handle high voltages. To reduce power lost in dielectric losses, the coil is often suspended in air supported on thin ceramic strips. Capacitively reactive antennas used at low frequencies have extremely narrow bandwidths, and therefore if the frequency is changed the loading coil must be adjustable to tune the antenna to resonance with the new transmitter frequency. Variometers are often used.

To reduce losses due to high capacitance on long-distance bulk power transmission lines, inductance can be introduced to the circuit with a flexible AC transmission system (FACTS), a static VAR compensator, or a static synchronous series compensator. Series compensation can be thought of as an inductor connected to the circuit in series if it is supplying inductance to the circuit.

يمكن تتبع أصل ملف التحميل إلى أعمال أوليفر هيفسايد حول نظرية خطوط النقل . مثّل هيفسايد (1881) الخط كشبكة من عناصر دارة متناهية الصغر. وبتطبيق حسابه التفاضلي والتكاملي على تحليل هذه الشبكة، اكتشف (1887) ما يُعرف بشرط هيفسايد . ^{[ 6 ] [ 7 ]} وهو الشرط الذي يجب تحقيقه لكي يكون خط النقل خاليًا من التشوه . ينص شرط هيفسايد على أن المعاوقة التسلسلية ، Z، يجب أن تتناسب طرديًا مع الممانعة التفرعية ، Y، عند جميع الترددات. وبعبارة أخرى، يكون الشرط كما يلي:

${\displaystyle {\frac {R}{G}}={\frac {L}{C}}}$

أين:

${\displaystyle R}$هي المقاومة التسلسلية للخط لكل وحدة طول

${\displaystyle L}$يمثل معامل الحث الذاتي التسلسلي للخط لكل وحدة طول

${\displaystyle G}$هي موصلية التسرب التفرعي لعازل الخط لكل وحدة طول

${\displaystyle C}$هي السعة التفرعية بين موصلات الخط لكل وحدة طول

كان هيفسايد يدرك أن هذا الشرط لم يكن متوفرًا في كابلات التلغراف العملية المستخدمة في عصره. وبشكل عام، كان الكابل الحقيقي سيحتوي على:

${\displaystyle {\frac {R}{G}}\gg {\frac {L}{C}}}$

يعود هذا بشكل أساسي إلى انخفاض قيمة التسرب عبر عازل الكابل، وهو أمرٌ أكثر وضوحًا في الكابلات الحديثة التي تتميز بعوازل أفضل من تلك التي كانت موجودة في زمن هيفسايد. ولتحقيق هذا الشرط، فإن الخيارات المتاحة هي محاولة زيادة الموصلية العامة (G) أو الحث (L)، أو تقليل المقاومة (R) أو السعة (C). يتطلب تقليل المقاومة (R) استخدام موصلات أكبر. كان النحاس يُستخدم بالفعل في كابلات التلغراف، وهو أفضل موصل متوفر حاليًا باستثناء الفضة. يعني تقليل المقاومة (R) استخدام كمية أكبر من النحاس وكابل أغلى ثمنًا. كما أن تقليل السعة (C) يعني أيضًا استخدام كابل أكبر (وإن لم يكن بالضرورة استخدام كمية أكبر من النحاس). تُعد زيادة الموصلية العامة (G) غير مرغوب فيها على الإطلاق؛ فبينما تُقلل من التشوه، فإنها في الوقت نفسه تزيد من فقدان الإشارة. درس هيفسايد هذا الاحتمال، لكنه رفضه، مما جعله يعتمد على استراتيجية زيادة الحث (L) كوسيلة لتقليل التشوه. ^{[ 8 ]}

اقترح هيفسايد فورًا (1887) عدة طرق لزيادة الحث، بما في ذلك زيادة المسافة بين الموصلات وتحميل العازل بغبار الحديد. وفي النهاية، اقترح (1893) استخدام محاثات منفصلة على فترات منتظمة على طول الخط. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، لم ينجح قط في إقناع مكتب البريد العام البريطاني بتبني الفكرة. ويعزو بريتين ذلك إلى فشل هيفسايد في تقديم تفاصيل هندسية حول حجم وتباعد الملفات لمعايير الكابلات المحددة. وربما لعبت شخصية هيفسايد الغريبة وتميزه عن المؤسسة دورًا في تجاهلهم له. ^{[ 10 ]}

عمل جون س. ستون لدى شركة الاتصالات الأمريكية (AT&T)، وكان أول من حاول تطبيق أفكار هيفسايد على الاتصالات السلكية واللاسلكية. تمثلت فكرة ستون (1896) في استخدام كابل ثنائي المعدن من الحديد والنحاس، والذي حصل على براءة اختراع له. ^{[ 11 ]} كان من شأن هذا الكابل أن يزيد من حث الخط نظرًا لاحتوائه على الحديد، وكان لديه القدرة على تحقيق شرط هيفسايد. مع ذلك، غادر ستون الشركة عام 1899، ولم تُنفذ الفكرة قط. ^{[ 12 ]} كان كابل ستون مثالًا على التحميل المستمر، وهو مبدأ طُبق لاحقًا في أشكال أخرى، انظر على سبيل المثال كابل كراروب لاحقًا في هذه المقالة.

كان جورج كامبل مهندسًا آخر في شركة AT&T يعمل في فرعها ببوسطن. كُلِّف كامبل بمواصلة البحث في كابل ستون ثنائي المعدن، لكنه سرعان ما تخلى عنه لصالح ملف التحميل. كان اكتشافه مستقلًا: كان كامبل على دراية بعمل هيفسايد في اكتشاف حالة هيفسايد، لكنه لم يكن على علم باقتراح هيفسايد استخدام ملفات التحميل لتمكين الخط من تحقيق هذه الحالة. كان الدافع وراء تغيير المسار هو ميزانية كامبل المحدودة.

كان كامبل يواجه صعوبة في إعداد عرض عملي على خط هاتف حقيقي بالميزانية المخصصة له. بعد أن لاحظ أن محاكيات الخطوط الاصطناعية التي استخدمها تعتمد على مكونات مجمعة بدلاً من الكميات الموزعة الموجودة في الخط الحقيقي، تساءل عما إذا كان بإمكانه إدخال الحث باستخدام مكونات مجمعة بدلاً من استخدام خط ستون الموزع. عندما أظهرت حساباته أن فتحات التفتيش على خطوط الهاتف متقاربة بما يكفي لإدخال ملفات التحميل دون الحاجة إلى حفر المسار أو مد كابلات جديدة، انتقل إلى هذه الخطة الجديدة. ^{[ 13 ]} أُجري أول عرض عملي لملفات التحميل على كابل هاتف على مسافة 46 ميلاً من كابل بيتسبرغ (أُجري الاختبار فعلياً في بوسطن، وكان الكابل قد استُخدم سابقاً للاختبار في بيتسبرغ) في 6 سبتمبر 1899، وقام به كامبل نفسه ومساعده. ^{[ 14 ]} كان أول كابل هاتف يستخدم خطوطاً محملة يُستخدم في الخدمة العامة بين جامايكا بلين وويست نيوتن في بوسطن في 18 مايو 1900. ^{[ 15 ]}

شكّل عمل كامبل على ملفات التحميل الأساس النظري لعمله اللاحق على المرشحات، والذي أثبت أهميته البالغة في تقنية تعدد الإرسال بتقسيم التردد . ويمكن استغلال ظاهرة القطع في ملفات التحميل، وهي أثر جانبي غير مرغوب فيه، لإنتاج استجابة ترددية مرغوبة للمرشح. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

لعب ميخايلو بوبين ، المخترع والمهاجر الصربي إلى الولايات المتحدة، دورًا في قصة لفائف التحميل. قدّم بوبين براءة اختراع منافسة لبراءة اختراع كامبل. ^{[ 18 ]} يعود تاريخ براءة اختراع بوبين هذه إلى عام 1899. وهناك براءة اختراع سابقة ^{[ 19 ]} (1894، قُدّمت في ديسمبر 1893) يُشار إليها أحيانًا على أنها براءة اختراع بوبين لملفات التحميل، ولكنها في الواقع مختلفة. يسهل فهم هذا الالتباس، إذ يدّعي بوبين نفسه أنه فكّر لأول مرة في فكرة ملفات التحميل أثناء تسلّقه جبلًا عام 1894، ^{[ 20 ]} على الرغم من عدم وجود أي شيء منشور له في ذلك الوقت. ^{[ 21 ]}

براءة اختراع بوبين لعام 1894 "تحمّل" الخط بمكثفات بدلاً من ملفات حث، وهو مخطط وُجهت إليه انتقادات لكونه معيبًا نظريًا ^{[ 22 ]} ولم يُطبّق عمليًا قط. ومما يزيد الأمر تعقيدًا، أن أحد أشكال مخطط المكثفات الذي اقترحه بوبين يحتوي بالفعل على ملفات. ومع ذلك، فإن الغرض من هذه الملفات ليس تعويض الخط بأي شكل من الأشكال، بل هو فقط لاستعادة استمرارية التيار المستمر إلى الخط حتى يمكن اختباره باستخدام المعدات القياسية. ويذكر بوبين أن قيمة الحث يجب أن تكون كبيرة جدًا بحيث تحجب جميع إشارات التيار المتردد التي تزيد عن 50  هرتز. ^{[ 23 ]} وبالتالي، فإن المكثف وحده هو الذي يضيف أي مقاومة ملحوظة إلى الخط، و"لن يكون للملفات أي تأثير جوهري على النتائج المذكورة سابقًا". ^{[ 24 ]}

لم يُسجّل هيفسايد براءة اختراع لفكرته قط؛ بل لم يستغلّ أيًّا من أعماله تجاريًّا. ^{[ 25 ]} ورغم النزاعات القانونية المحيطة بهذا الاختراع، فمن المؤكد أن كامبل كان أول من قام فعليًّا ببناء دائرة هاتفية باستخدام ملفات التحميل. ^{[ 26 ]} كما لا شكّ في أن هيفسايد كان أول من نشرها، وقد يُشكّك الكثيرون في أسبقية بوبين. ^{[ 27 ]}

خاضت شركة AT&T معركة قانونية مع بوبين بشأن ادعائه. كان بوبين أول من حصل على براءة اختراع، لكن كامبل كان قد أجرى بالفعل عروضًا عملية قبل أن يتقدم بوبين بطلب براءة اختراعه (ديسمبر 1899). ^{[ 28 ]} ويعود تأخير كامبل في تقديم الطلب إلى بطء الإجراءات الداخلية لشركة AT&T. ^{[ 29 ]}

مع ذلك، قامت شركة AT&T، عن غير قصد، بحذف جميع الجداول والرسوم البيانية التي توضح القيمة الدقيقة للحث المطلوبة قبل تقديم طلب براءة الاختراع من طلب كامبل المقترح. ^{[ 30 ]} ولأن براءة اختراع بوبين احتوت على صيغة (أقل دقة)، فقد كانت AT&T عرضة لادعاءات عدم الإفصاح الكامل. وخوفًا من أن تنتهي المعركة بإعلان عدم قابلية الاختراع للحصول على براءة اختراع بسبب نشر هيفسايد المسبق، قررت الشركة التخلي عن الطعن وشراء خيار على براءة اختراع بوبين مقابل رسوم سنوية، بحيث تسيطر AT&T على كلتا البراءتين. وبحلول يناير 1901، كان بوبين قد تقاضى 200,000 دولار ( ما يعادل 7,740,000 دولار في عام 2025 )، وبحلول عام 1917، عندما انتهى احتكار AT&T وتوقفت المدفوعات، كان قد تلقى ما مجموعه 455,000 دولار ( ما يعادل 11,434,091 دولار في عام 2025 ). ^{[ 31 ]}

كان للاختراع قيمة هائلة لشركة AT&T. فقد أصبح بالإمكان استخدام كابلات الهاتف لمسافة ضعف المسافة السابقة، أو بدلاً من ذلك، استخدام كابل بنصف الجودة (والتكلفة) السابقة لنفس المسافة. عند دراسة السماح لكامبل بالمضي قدمًا في التجربة، قدّر مهندسو الشركة أنهم سيوفرون 700 ألف دولار من تكاليف التركيب الجديدة في نيويورك ونيوجيرسي فقط. ^{[ 32 ]} وتشير التقديرات إلى أن AT&T وفرت 100 مليون دولار في الربع الأول من القرن العشرين. ^{[ 33 ] [ 34 ]} أما هيفسايد، صاحب الفكرة، فلم يحصل على شيء. عُرض عليه مبلغ رمزي لكنه رفضه، رغبةً منه في الحصول على التقدير لعمله. وقد علّق ساخرًا بأنه لو تم قبول منشوره السابق، لكان ذلك "سيعيق تدفق الأموال في الاتجاه الصحيح...". ^{[ 35 ]}

ابتكر المهندس الدنماركي كارل إميل كراروب نوعًا من الكابلات ذات التحميل المستمر، حلّت مشاكل ملفات التحميل المنفصلة. يتكون كابل كراروب من أسلاك حديدية ملفوفة بشكل متواصل حول موصل نحاسي مركزي، مع تلامس اللفات المتجاورة. وكان هذا الكابل أول استخدام للتحميل المستمر في كابلات الاتصالات. ^{[ 40 ]} في عام 1902، كتب كراروب بحثه حول هذا الموضوع، وشهد تركيب أول كابل بين هلسينغور (الدنمارك) وهيلسينغبورغ (السويد). ^{[ 41 ]}

على الرغم من أن كابل كراروب أضاف حثًا إلى الخط، إلا أن ذلك لم يكن كافيًا لتلبية شرط هيفسايد. بحثت شركة AT&T عن مادة أفضل ذات نفاذية مغناطيسية أعلى . في عام 1914، اكتشف غوستاف إلمن البرمالوي ، وهو سبيكة مغناطيسية من النيكل والحديد مُلدّنة. في حوالي عام 1915، قام كل من أوليفر إي. باكلي ، وإتش دي أرنولد ، وإلمن، وجميعهم في مختبرات بيل ، بتحسين سرعات الإرسال بشكل كبير من خلال اقتراح طريقة لتصنيع كابلات اتصالات بحرية باستخدام شريط من البرمالوي ملفوف حول الموصلات النحاسية. ^{[ 42 ]}

تم اختبار الكابل في تجربة أجريت في برمودا عام 1923. وربط أول كابل من سبيكة بيرمالوي مدينة نيويورك بهورتا (جزر الأزور) في سبتمبر 1924. ^{[ 42 ]} مكّن كابل بيرمالوي من زيادة سرعة الإشارة على كابلات التلغراف البحرية إلى 400 كلمة/دقيقة، في حين كانت سرعة 40 كلمة/دقيقة تُعتبر جيدة. ^{[ 43 ]} أما أول كابل عابر للمحيط الأطلسي فلم يحقق سوى كلمتين/دقيقة. ^{[ 44 ]}

يتمتع معدن مو بخصائص مغناطيسية مشابهة لخصائص سبيكة بيرمالوي، إلا أن إضافة النحاس إلى السبيكة تزيد من ليونتها وتسمح بسحب المعدن إلى أسلاك. يُعدّ كابل مو أسهل في التصنيع من كابل بيرمالوي، حيث يُلفّ معدن مو حول الموصل النحاسي الأساسي بنفس طريقة لفّ سلك الحديد في كابل كراروب. ومن المزايا الأخرى لكابل مو أن تصميمه يسمح بتطبيق توزيع تحميل متغير، حيث يتناقص الحمل تدريجيًا باتجاه الأطراف.

تم اختراع معدن مو-ميتال عام 1923 من قبل شركة التلغراف للإنشاء والصيانة في لندن، ^{[ 45 ]} التي صنعت الكابل في البداية لشركة ويسترن يونيون للتلغراف . كانت ويسترن يونيون تتنافس مع شركتي AT&T وويسترن إلكتريك اللتين كانتا تستخدمان البرمالوي. كانت براءة اختراع البرمالوي مملوكة لشركة ويسترن إلكتريك، مما منع ويسترن يونيون من استخدامه. ^{[ 46 ]}

يُعدّ التحميل المستمر للكابلات مكلفًا، ولذا لا يُلجأ إليه إلا عند الضرورة القصوى. أما التحميل المجمع باستخدام اللفائف فهو أقل تكلفة، ولكنه ينطوي على عيوبٍ كصعوبة إحكام الإغلاق ووجود تردد قطع محدد. ويُعتبر التحميل الموضعي حلاً وسطًا ، حيث يُحمّل الكابل باستمرار على مراحل متكررة، وتُترك المراحل الفاصلة بينها دون تحميل. ^{[ 47 ]}

لم يعد الكابل المُحمّل تقنيةً مُجديةً لكابلات الاتصالات البحرية، إذ حلّت محله أولاً الكابلات المحورية التي تستخدم مُكرِّرات إشارة كهربائية ، ثم كابلات الألياف الضوئية . تراجع إنتاج الكابلات المُحمّلة في ثلاثينيات القرن العشرين، ثم حلّت محلها تقنيات أخرى بعد الحرب العالمية الثانية . ^{[ 46 ]} لا تزال ملفات التحميل موجودة في بعض خطوط الهاتف الأرضية اليوم، لكن التركيبات الجديدة تستخدم تقنيات أحدث.