خط غير متوازن

في مجال الاتصالات والهندسة الكهربائية عمومًا، يُعرف الخط غير المتوازن بأنه زوج من الموصلات المصممة لنقل الإشارات الكهربائية، والتي تختلف معاوقتها على امتدادها ومع الأرض والدوائر الأخرى. من أمثلة الخطوط غير المتوازنة الكابل المحوري أو نظام الإرجاع الأرضي التاريخي الذي صُمم للتلغراف، ولكنه نادر الاستخدام اليوم. يُقارن الخط غير المتوازن بالخط المتوازن ، مثل الخط المزدوج أو الزوج المجدول ، الذي يستخدم موصلين متطابقين للحفاظ على توازن المعاوقة على امتداد الخط. يمكن ربط الخطوط المتوازنة وغير المتوازنة باستخدام جهاز يُسمى بالون .

تتمثل الميزة الرئيسية لخطوط النقل غير المتوازنة في كفاءتها من حيث التكلفة. إذ يُمكن توفير عدة خطوط غير متوازنة في كابل واحد، حيث يحتوي كل خط على موصل واحد بالإضافة إلى موصل إرجاع مشترك واحد، وهو عادةً غلاف الكابل . وبالمثل، يُمكن لدوائر الميكروستريب المتعددة استخدام نفس مستوى التأريض لمسار الإرجاع. وهذا يُقارن بشكل جيد مع الكابلات المتوازنة التي تتطلب موصلين لكل خط، أي ما يقارب ضعف عدد الموصلات في الكابلات المتوازنة. ومن المزايا الأخرى لخطوط النقل غير المتوازنة أنها لا تتطلب دوائر تشغيل واستقبال متوازنة أكثر تكلفة للتشغيل السليم.

قد يُخلط أحيانًا بين الخطوط غير المتوازنة والإشارات أحادية الطرف ، لكنهما مفهومان مختلفان تمامًا. فالأولى نظام توصيل كابلات، بينما الثانية نظام إشارات. مع ذلك، تُرسل الإشارات أحادية الطرف عادةً عبر الخطوط غير المتوازنة. ويجب عدم الخلط بين الخطوط غير المتوازنة وخطوط النقل أحادية السلك التي لا تستخدم مسار عودة على الإطلاق.

أي خط ذي مقاومة مختلفة لمسار العودة يُعتبر خطًا غير متوازن. تتكون الخطوط غير المتوازنة عادةً من موصل يُعتبر خط الإشارة وموصل آخر مؤرض ، أو هو نفسه الأرض. غالبًا ما يكون موصل التأريض على شكل سطح أرضي أو غلاف كابل . قد يكون موصل التأريض، وغالبًا ما يكون، مشتركًا بين عدة دوائر مستقلة. لهذا السبب، يُشار إلى موصل التأريض أحيانًا باسم "المشترك" .

كان الاستخدام الأول لخطوط النقل غير المتوازنة في اتصالات التلغراف الكهربائي . وتألفت هذه الخطوط من أسلاك مفردة ممتدة بين أعمدة. وكان مسار عودة التيار يُوفر في الأصل بواسطة موصل منفصل. تطلبت بعض أنظمة التلغراف المبكرة، مثل تلغراف الإبرة التجريبي لشيلينغ عام 1832 وتلغراف كوك وويتستون ذي الإبر الخمس عام 1837 الذي استخدمته السكك الحديدية البريطانية، أسلاك تشفير متعددة. وكانت هذه الأنظمة، في جوهرها، تعتمد على تشفير ناقل متوازي . في هذه الأنظمة، لم تكن تكلفة موصل العودة كبيرة (موصل واحد من كل سبعة في تلغراف الإبرة الأول لشيلينغ ^{[ 1 ]} وموصل واحد من كل ستة في تلغراف كوك وويتستون ^{[ 2 ]} )، ولكن عدد موصلات التشفير انخفض تدريجيًا مع تحسين الأنظمة. وسرعان ما أصبح سلك تشفير واحد فقط مطلوبًا، حيث تُرسل البيانات بشكل تسلسلي . ومن الأمثلة المهمة على هذه الأنظمة أحادية السلك تلغراف مورس (1837) وتلغراف كوك وويتستون ذي الإبرة الواحدة (1843). في مثل هذه الأنظمة، كانت تكلفة موصل الإرجاع تُشكّل 50% من تكلفة الكابل. وقد تبيّن أنه يُمكن استبدال موصل الإرجاع بمسار إرجاع عبر الأرض باستخدام مسامير تأريض . وقد شكّل استخدام مسار الإرجاع الأرضي توفيرًا كبيرًا في التكاليف، وسرعان ما أصبح هو المعيار المُعتمد.

كانت كابلات التلغراف الأرضية التي تصل إلى المباني الكبيرة أو بين المحطات تتطلب في كثير من الأحيان حمل خطوط تلغراف مستقلة متعددة. وكانت هذه الكابلات تتكون من موصلات معزولة متعددة مغلفة بغلاف معدني وغطاء واقٍ. وفي هذه الكابلات، يمكن استخدام الغلاف المعدني كموصل إرجاع. أما كابلات التلغراف البحرية فكانت عادةً عبارة عن موصل واحد محمي بدرع من الأسلاك الفولاذية ، وهو في الواقع كابل محوري. وقد تم إنجاز أول كابل عابر للمحيط الأطلسي من هذا النوع عام ١٨٦٦.

استخدمت خطوط الهاتف الأولى (اختُرع الهاتف عام ١٨٧٦) نفس نظام خطوط النقل المستخدم في التلغراف، والذي يعتمد على أسلاك مفردة غير متوازنة. إلا أن الاتصالات الهاتفية بدأت تعاني بعد الانتشار الواسع لخطوط الطاقة الكهربائية. وللتغلب على هذه المشكلة، بدأ استخدام خطوط متوازنة في نقل البيانات الهاتفية، وأصبح الكابل المزدوج المجدول المتوازن هو المعيار الحديث للاتصالات الهاتفية .

يتكون الكابل المحوري (الكواكس) من موصل إشارة مركزي محاط بموصل حماية أسطواني. عادةً ما يكون موصل الحماية مؤرضًا. طُوّر تصميم الكابل المحوري خلال الحرب العالمية الثانية لاستخدامه في الرادار . كان يُصنع في الأصل من أنابيب نحاسية صلبة، لكن الشكل الشائع اليوم هو كابل مرن ذو غلاف مضفر. من مزايا الكابل المحوري وجود غلاف حماية كهرساكن مثالي نظريًا ، ومعايير نقل عالية الدقة. يعود هذا الأخير إلى الشكل الهندسي الثابت للكابل، مما يُتيح دقة لا تُضاهى في الأسلاك غير المغلفة. تتأثر أنظمة الأسلاك المكشوفة أيضًا بالأجسام القريبة التي تُغير نمط المجال حول الموصل. لا يُعاني الكابل المحوري من هذه المشكلة لأن المجال محصور بالكامل داخل الكابل بفضل الغلاف المحيط.

تُعد الخطوط المحورية هي المعيار للوصلات بين أجهزة الإرسال اللاسلكية وهوائياتها، ولربط المعدات الإلكترونية حيث يتم استخدام الترددات العالية أو أعلى، وكانت تستخدم سابقًا على نطاق واسع لتشكيل شبكات المنطقة المحلية قبل أن تصبح الأزواج الملتوية شائعة لهذا الغرض.

الكابل ثلاثي المحاور (Triax) هو نوع من الكابلات المحورية (Coax) يتميز بوجود موصل حماية ثانٍ يحيط بالموصل الأول، مع وجود طبقة عازلة بينهما. بالإضافة إلى توفير حماية إضافية، يمكن استخدام الموصلات الخارجية لأغراض أخرى، مثل تزويد المعدات بالطاقة أو التحكم في الإشارات . يُستخدم الكابل ثلاثي المحاور على نطاق واسع لتوصيل الكاميرات في استوديوهات التلفزيون .

خطوط النقل ذات الشكل المستوي عبارة عن موصلات مسطحة تُصنع بتقنيات متعددة على ركيزة. وهي في الغالب غير متوازنة. في سرعات النقل المنخفضة للتلغراف القديم، لم يكن من الضروري مراعاة نظرية خطوط النقل في تصميم الدوائر إلا عند نقل البيانات لمسافات طويلة. وبالمثل، فإن الترددات الصوتية المستخدمة في الهواتف منخفضة نسبيًا، ولا تصبح نظرية خطوط النقل ذات أهمية إلا للمسافات التي لا تقل عن مسافة بين المباني. مع ذلك، عند ترددات الراديو والميكروويف العالية ، قد تصبح اعتبارات خطوط النقل مهمة داخل الجهاز، حتى على مسافة سنتيمترات قليلة. عند معدلات نقل البيانات العالية جدًا التي تتعامل معها معالجات الكمبيوتر الحديثة، قد تصبح اعتبارات خطوط النقل مهمة حتى داخل الدائرة المتكاملة الواحدة . طُوّرت التقنيات المستوية خصيصًا لهذه التطبيقات صغيرة الحجم، وهي غير مناسبة تمامًا لعمليات النقل لمسافات طويلة.

خط شريطي

الخط الشريطي هو موصل مسطح ذو سطح أرضي أعلى وأسفل الموصل. يُعرف نوع الخط الشريطي الذي تُملأ فيه المسافة بين السطحين الأرضيين بمادة عازلة باسم الخط الثلاثي . يُصنع الخط الشريطي بنقش نمط خط النقل على لوحة دوائر مطبوعة . يُغطى الجزء السفلي من هذه اللوحة بالكامل بالنحاس ليشكل السطح الأرضي السفلي. تُثبت لوحة ثانية فوق الأولى، وهي خالية من أي نقش في الجزء السفلي ومغطاة بالنحاس في الجزء العلوي لتشكيل السطح الأرضي العلوي. يمكن لفّ صفيحة من رقائق النحاس حول اللوحتين لربط السطحين الأرضيين معًا كهربائيًا بإحكام. من ناحية أخرى، يُصنع الخط الشريطي المستخدم في تطبيقات الطاقة العالية، مثل الرادار، غالبًا على شكل شرائح معدنية صلبة مع دعامات عازلة دورية، وهي في الأساس عازل هوائي.

الشريط الميكروي

يشبه الخط الميكروستريبي الخط الشريطي، ولكنه مفتوح فوق الموصل. لا يوجد عازل أو مستوى أرضي فوق خط النقل، بل يوجد فقط عازل ومستوى أرضي أسفل الخط. يُعد الخط الميكروستريبي تنسيقًا شائعًا، خاصة في المنتجات المنزلية، نظرًا لإمكانية تصنيع مكوناته باستخدام تقنيات تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة المعروفة. وبالتالي، يستطيع المصممون دمج دوائر المكونات المنفصلة مع مكونات الخط الميكروستريبي. علاوة على ذلك، بما أن اللوحة تُصنع على أي حال، فإن مكونات الخط الميكروستريبي لا تُضيف أي تكلفة تصنيع إضافية. في التطبيقات التي يكون فيها الأداء أهم من التكلفة، يُمكن استخدام ركيزة خزفية بدلًا من لوحة الدوائر المطبوعة. يتميز الخط الميكروستريبي بميزة أخرى بسيطة على الخط الشريطي؛ وهي أن عرض الخط فيه أوسع لنفس المعاوقة ، وبالتالي تكون دقة التصنيع والحد الأدنى للعرض أقل أهمية في الخطوط ذات المعاوقة العالية. من عيوب الخط الميكروستريبي أن نمط النقل ليس عرضيًا بالكامل . من الناحية الدقيقة، لا ينطبق تحليل خط النقل القياسي لوجود أنماط أخرى، ولكنه يُمكن أن يكون تقريبًا مفيدًا.

الدوائر المتكاملة

تكون التوصيلات داخل الدوائر المتكاملة عادةً مستوية، لذا تُعد خطوط النقل المستوية خيارًا طبيعيًا عند الحاجة إليها. وتبرز الحاجة إلى خطوط النقل بشكل خاص في الدوائر المتكاملة للموجات الميكروية (MICs). تُستخدم العديد من المواد والتقنيات في تصنيع هذه الدوائر، ويمكن تشكيل خطوط النقل باستخدام أيٍّ من هذه التقنيات.

تُستخدم خطوط النقل المستوية لأغراض تتجاوز مجرد توصيل المكونات أو الوحدات معًا، إذ يمكن استخدامها هي نفسها كمكونات ووحدات. يمكن استخدام أي نوع من خطوط النقل لهذا الغرض، ولكن بالنسبة للأنواع المستوية، غالبًا ما يكون هذا هو الغرض الأساسي. تشمل الدوائر النموذجية التي تُنفذها خطوط النقل المرشحات ، وموصلات التوجيه، ومقسمات الطاقة ، ومطابقة المعاوقة . عند ترددات الميكروويف، يجب أن تكون المكونات المنفصلة صغيرة جدًا لدرجة يصعب معها استخدامها عمليًا، ويُعد حل خط النقل هو الحل الأمثل. من ناحية أخرى، عند الترددات المنخفضة، مثل تطبيقات الصوت، يجب أن تكون أجهزة خط النقل كبيرة جدًا لدرجة يصعب معها استخدامها عمليًا.

يتم توزيع الطاقة الكهربائية عادةً على شكل نقل ثلاثي الأطوار متوازن. ومع ذلك، في بعض المواقع النائية التي تتطلب كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة، قد يُستخدم نظام إعادة تأريض أحادي السلك .

• هوردمان، أنطون أ.، التاريخ العالمي للاتصالات ، جون وايلي وأولاده، 2003، رقم ISBN 0471205052.
• كوران، جي إي؛ جينز، آر.؛ سيويل، إتش، "تقنية دوائر الميكروويف الهجينة ذات الأغشية الرقيقة" ، معاملات IEEE حول الأجزاء والهجينة والتغليف ، المجلد 12، العدد 4، ديسمبر 1976.