إلكترونيات الموجات الدقيقة

إلكترونيات الموجات الدقيقة (Microwave Electronics)
لقد أدرك مهندسو الاتصالات الكهربائية منذ البداية أهمية الترددات العالية في حمل إشارات المعلومات فقد تبين لهم أنه كلما زاد تردد الحامل كلما زادت كمية المعلومات التي يحملها حيث يمكن أن يصل عرض نطاق الإشارة المحمولة إلى عشرة بالمائة من قيمة تردد الحامل. ولكن الدافع الأكبر وراء البحث عن مذبذبات قادرة على توليد ترددات عالية كان لأغراض أنظمة الرادار فقد ظهرت فكرة استخدام الموجات الكهرومغناطيسية لكشف الأهداف مع اكتشاف الأمواج الكهرومغناطيسية في عام 1887م على يد الفيزيائي الألماني هنيرتش هيرتز (Heinrich Hertz) والذي اكتشف أيضا أن هذه الأمواج تنعكس عند اصطدامها بالأجسام المعدنية والعازلة بدرجات متفاوتة. وفي عام 1903م تمكن المهندس الألماني كريستيان هولسماير (Christian Hulsmeyer) من إجراء تجربه تمكن من خلالها كشف وجود سفينة بوجود الضباب باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية ولكن دون تحديد المسافة. ولقد تبين للمهندسين العاملين في مجال أنظمة الرادار أنه كلما زاد التردد كلما كان بالإمكان توجيه الموجات على شكل شعاع ضيق وذلك باستخدام الهوائيات وبالتالي زيادة دقة تحديد اتجاه الهدف. وإلى جانب التردد العالي فإن أنظمة الرادار تتطلب مذبذبات بقدرات عالية جدا حيث أن الموجات المرتدة عن الأهداف تكون في غاية الضعف ولا بد في هذا الحال من زيادة قدرة المرسل لتمكين المستقبل من كشف الأهداف البعيدة حيث تصل قدرة المرسل إلى عدة مئات من الكيلواط

استخدامات إلكترونيات الموجات الدقيقة
لقد تم استخدام الصمام الإلكتروني الذي تم اختراعه في عام 1906م لتوليد ترددات بدأت في نطاق الترددات المنخفضة ثم المتوسطة ثم العالية ولكن محاولات المهندسون باءت بالفشل في تصميم مذبذبات باستخدام الصمامات العادية قادرة على توليد ترددات بعدة مئات من الميجاهيرتز وكذلك بقدرات عالية لأغراض الرادار. ويعود السبب في ذلك إلى أن وجود الأسلاك التي تربط بين مكونات الدائرة الإلكترونية تعمل كهوائيات تقوم ببث الإشارات خارج هذه الدائرة مما يجعلها تفشل بالقيام بالوظيفة التي صممت من أجلها إلى جانب تأثير المكثفات والملفات الشاردة التي لا يمكن تفادي وجودها في الصمامات والوصلات التي تربط بينها.

ولذلك فقد بدأ المهندسون في البحث عن مكونات إلكترونية غير الصمامات العادية لتوليد الترددات فوق العالية أو ما أطلق عليها اسم الموجات الدقيقة أو الميكروويف وبهذا ظهر ما يسمى بإلكترونيات الموجات الدقيقة. لقد تم تعريف الموجات الدقيقة على أنها الموجات الكهرومغناطيسية التي تتراوح تردداتها بين واحد جيقاهيرتز (ألف ميجاهيرتز) وثلالثمائة جيقاهيرتز أي أن طول موجاتها لا يتجاوز الثلاثين سنتيمتر. وبسبب قصر طول موجاتها فإن الأسلاك العادية لا يمكنها حمل مثل هذه الترددات حيث أنها تعمل كهوائيات تقوم بإشعاع طاقة هذه الترددات بالكامل بعد مسافة قصيرة من سيرها عليها أما الكوابل المحورية فإن بعض أنواعها قادرعلى نقل الترددات الدنيا من طيف الموجات الدقيقة ولكنها غير قادرة على نقل بقية الترددادت بسبب الفقد الكبير فيها ولهذا فإن مرشدات الأمواج (waveguides) هي الوسيلة السلكية المستخدمة لنقل الموجات الدقيقة. وكذلك هو الحال مع الهوائيات السلكية فإنها غير قادرة على بث واستقبال الموجات الدقيقة بكفاءة ولذلك فقد تم استخدام الهوائيات البوقية والصحنية (horn & dish antennas) بدلا منها. وفي عام 1921م تمكن الأمريكي ألبرت هول (Albert Hull) من اختراع أول أنواع مولدات الموجات الدقيقة المسمى بالمجنيترون (Magnetron) وهو مذبذب قادر على توليد ترددات عالية جدا وقد تم تطويره في عام 1939م على يد المهندسين البريطانيين جون راندال وهاري بووت (John Randall & Harry Boot) ليصبح أصغر حجما وبقدرات كبيرة جدا قد تصل لمئات الكيلوواطات

أنبوب الكلايسترون

وفي عام 1937م تم اختراع أنبوب الكلايسترون (Klystron) على يد الأخوين سيقارد ورسل فاريان (Sigurd & Russell F. Varian) ويستخدم هذا الأنبوب كمذبذب ومضخم لترددات الموجات الدقيقة. وفي عام 1942م تم اختراع أنبوب الموجة المرتحلة (Traveling Wave Tube (TWT)) على يد المهندس النمساوي ردولف كومبفن (Rudolf Kompfne) والذي يستخدم في الغالب كمضخم للإشارات وخاصة في أنظمة اتصالات الأقمار الصناعية بسبب عرض نطاقه الواسع. ويعتمد مبدأ عمل هذه الأجهزة في الغالب على تفاعل شعاع من الإلكترونات يتم توليده بدائرة مهبطية مع مجال الموجة الكهرومغاطيسية المراد توليدها أو تضخيمها فيتم بذلك نقل طاقة الإلكترونات إلى الموجة فتزيد بذلك طاقتها. وعادة ما يتم هذا التفاعل داخل فجوة رنين (resonant cavity) تحدد أبعادها قيمة التردد الذي يعمل عنده المذبذب أو المضخم. ومع اختراع المجنيترون والكلايسترون ذات الترددات والقدرات العالية بدأت أنظمة الرادار الحديثة بالظهور واستخدمت بكثرة أبان الحرب العالمية الثانية. وقد تم استخدام الموجات الدقيقة في أنظمة الاتصالات في نهاية الأربعينات من القرن العشرين وزاد استخدامها مع ظهور أنظمة اتصالات الأقمار الصناعية في بداية الستينات. وعلى العكس من أنظمة الرادار فإن أنظمة الاتصالات لا تتطلب قدرات عالية ولذلك فقد تم التوجه بعد اختراع الترانزستور في عام 1947م لاستخدام الترانزستورات والثنائيات لتوليد وتضخيم الموجات الدقيقة. لقد تم تصميم أنواع خاصة من الترانزستورات بنوعيها أحادي وثنائي القطبية تستخدم المواد شبه الموصلة المركبة كزرنيخيد القاليوم لكي تعمل كمذبذبات ومضخمات في نطاق الموجات الدقيقة. ومع اكتشاف ظاهرة المقاومة السلبية (negative resistance) في كثير من أنواع الثنائيات تم الاستفادة منها في تصنيع أنواع مختلفة من المذبذبات العاملة في مختلف مناطق الموجات الدقيقة وبقدرات متفاوته ولكنها لا ترقى لتلك التي في الأنابيب. ومن الثنائيات المستخدمة الثنائيات النفقية (Tunnel Diodes) والتي اخترعها الياباني ليونا إيساكي (Leona Esaki) في عام 1958م وثنائيات قن (Gunn diode) والتي اخترعها الإنكليزي جون قن (John Gunn) في عام 1963م وكذلك الثنائيات المسماة (IMPATT diode). وتخدم إلكترونيات الأمواج الدقيقة كامل قطاع أنظمة الرادار وأنظمة الأقمار الصناعية وأنظمة الموجات الدقيقة الأرضية وأنظمة الهواتف الخلوية وأفران الميكروويف ولأغراض تشخيص ومعالجة الأمراض.