قراية
وضع الحكايات

الـ electromagnetic spectrum (الطيف الكهرومغناطيسي)

~12 دقيقة قراية الدرس 2 من 4 في الوحدة 1

الطريق السريع اللي مش باين

الـ electromagnetic waves (الموجات الكهرومغناطيسية) حوالينا في كل حتة. دلوقتي حالًا فيه إشارات راديو بتعدّي من جسمك، والأشعة تحت الحمرا بتدفّي جلدك، والضوء اللي بتشوفه داخل عينك. كل دول حاجة واحدة في الأساس — إشعاع كهرومغناطيسي — والفرق بينهم بس في الـ frequency (التردد) والـ wavelength (الطول الموجي).

في الدرس اللي فات شفنا ماكسويل توقّع الـ electromagnetic waves إزاي، وهيرتز أثبت إنها موجودة. دلوقتي هنرسم خريطة الـ electromagnetic spectrum كله، ونركّز على الـ radio frequencies (الترددات الراديوية) اللي من غيرها مكانش فيه اتصالات لاسلكية. فهم الـ spectrum حاجة أساسية — هو الطريق السريع اللي مش باين وماشية عليه كل الإشارات اللاسلكية.

الفكرة الأساسية

كل الـ electromagnetic waves بتسافر بسرعة الضوء. والفرق بينها بس في الـ frequency والـ wavelength. الحقيقة الواحدة دي هي أساس هندسة الاتصالات اللاسلكية كلها.

موجات الراديو، الميكروويف، الضوء اللي بنشوفه، الأشعة السينية — كلهم نفس الظاهرة، بـ frequencies مختلفة
الخط الزمني — اكتشافات الـ spectrum
1865
ماكسويل بيتوقّع الـ electromagnetic waves بالرياضيات
1888
هيرتز بيثبت إن موجات الراديو موجودة في المعمل
1895
رونتجن بيكتشف الأشعة السينية، ويكشف حتة جديدة من الـ spectrum
1900
نظرية الكم بتاعة بلانك بتشرح العلاقة بين الـ frequency والطاقة

يعني إيه electromagnetic spectrum؟

الـ electromagnetic spectrum هو المدى الكامل لكل الإشعاع الكهرومغناطيسي، مترتّب حسب الـ frequency (أو بنفس المعنى، حسب الـ wavelength). بيبدأ من موجات راديو frequency بتاعتها واطية جدًا وwavelength بتاعها آلاف الكيلومترات، لحد أشعة جاما اللي الـ wavelength بتاعها أصغر من الذرة.

أي electromagnetic wave، مهما كانت الـ frequency بتاعتها، بتسافر بـسرعة الضوء في الفراغ. والسرعة دي من أهم الثوابت الأساسية في الفيزيا:

سرعة الضوء
c \approx 3 \times 10^8 \;\text{m/s}
كل الـ electromagnetic waves بتسافر بالسرعة دي في الفراغ

العلاقة بين السرعة والـ frequency والـ wavelength بتحكمها معادلة واحدة بسيطة — يمكن تكون أهم معادلة في هندسة الاتصالات اللاسلكية:

العلاقة الأساسية
c = f \cdot \lambda
سرعة الضوء بتساوي الـ frequency مضروبة في الـ wavelength — المعادلة اللي بتحكم كل الأنظمة اللاسلكية
حساب الـ frequency
f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{\lambda}
لو عارف الـ wavelength، تطلّع الـ frequency
حساب الـ wavelength
\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{f}
لو عارف الـ frequency، تطلّع الـ wavelength

معنى كده إن الـ frequency والـ wavelength بيتناسبوا عكسي. كل ما الـ frequency تزيد، الـ wavelength يقل — والعكس صحيح. محطة راديو على 100 MHz الـ wavelength بتاعها 3 متر. وإشارة WiFi على 5 GHz الـ wavelength بتاعها 6 سنتيمتر بس.

الـ spectrum كامل

العلماء بيقسّموا الـ electromagnetic spectrum لسبع نطاقات رئيسية، من أوطى frequency (أطول موجة) لأعلى frequency (أقصر موجة):

النطاق مدى الـ frequency الـ wavelength الاستخدامات المشهورة
الراديو 3 kHz – 300 GHz 100 km – 1 mm البث، الموبايل، WiFi، الرادار
الميكروويف 1 GHz – 300 GHz 30 cm – 1 mm الأقمار الصناعية، الرادار، أفران الميكروويف
تحت الحمرا 300 GHz – 430 THz 1 mm – 700 nm الريموت، التصوير الحراري، الألياف الضوئية
الضوء المرئي 430 THz – 770 THz 700 nm – 390 nm نظر الإنسان، الألياف الضوئية، الشاشات
فوق البنفسجية 770 THz – 30 PHz 390 nm – 10 nm التعقيم، الفلورة، الطباعة الحجرية
الأشعة السينية 30 PHz – 30 EHz 10 nm – 0.01 nm الأشعة الطبية، التفتيش الأمني
جاما > 30 EHz < 0.01 nm علاج السرطان، الفيزيا النووية

خد بالك إن الحدود بين النطاقات مش حدود ثابتة — دي اتفاقات اتطوّرت مع الوقت. الميكروويف مثلًا بيتداخل مع الجزء العالي من نطاق الراديو. المهم هو السلوك الفيزيائي للموجات عند الـ frequencies المختلفة.

الـ electromagnetic spectrum في لمحة
Radio
3 kHz–300 GHz
اتصالات لاسلكية
~كم لحد مم
IR
300 GHz–430 THz
حرارة، ألياف ضوئية
~مم لحد 700 nm
Vis
430–770 THz
نظر الإنسان
700–390 nm
UV
770 THz–30 PHz
تعقيم
390–10 nm
X/γ
> 30 PHz
طبي، نووي
< 10 nm

نطاقات الـ radio frequency

الجزء بتاع الراديو في الـ spectrum (من 3 kHz لـ300 GHz) هو ملعب مهندس الاتصالات اللاسلكية. وبيتقسّم لنطاقات فرعية، كل واحد ليه طريقة انتشار وتطبيقات خاصة بيه:

النطاق الـ frequency الـ wavelength الاستخدامات المعتادة
VLF 3–30 kHz 100–10 km اتصالات الغواصات، الملاحة
LF 30–300 kHz 10–1 km راديو AM الموجة الطويلة، RFID
MF 300 kHz–3 MHz 1 km–100 m البث الإذاعي AM
HF 3–30 MHz 100–10 m راديو الموجة القصيرة، راديو الهواة، الطيران
VHF 30–300 MHz 10–1 m راديو FM، البث التلفزيوني، المراقبة الجوية
UHF 300 MHz–3 GHz 1 m–10 cm الموبايل، WiFi، GPS، Bluetooth
SHF 3–30 GHz 10–1 cm 5G، الأقمار الصناعية، الرادار
EHF 30–300 GHz 10–1 mm 5G mmWave، الفلك الراديوي

أغلب التكنولوجيات اللاسلكية اللي بتستخدمها كل يوم — الموبايل، WiFi، Bluetooth، GPS — شغّالة في نطاقات UHF وSHF، يعني تقريبًا بين 300 MHz و30 GHz. دي المنطقة المثالية اللي فيها الـ antennas (الهوائيات) حجمها معقول، والـ bandwidth (عرض النطاق) كفاية للبيانات، والـ propagation (الانتشار) كويس كفاية إنك تستخدمه وإنت متحرّك.

ليه الـ frequency بتفرق

الـ frequencies المختلفة بتتصرّف بشكل مختلف خالص في الحقيقة. وده بيعمل trade-off (مقايضة) أساسي بيشكّل كل نظام لاسلكي اتصمّم في التاريخ:

الـ trade-off الأساسي

الـ frequencies الواطية بتروح لمسافات أبعد، وبتخترق المباني أحسن، ومحتاجة أبراج أقل — بس بتشيل بيانات أقل لأن الـ bandwidth المتاح محدود.

الـ frequencies العالية بتشيل بيانات أكتر بكتير وبتدّي سرعات أعلى — بس بتضعف أسرع، وأي عائق بيوقّفها، ومحتاجة base stations (محطات قاعدية) أكتر بكتير.

المدى قصاد السعة — الـ trade-off ده بيشكّل كل نظام لاسلكي اتبنى في التاريخ

فكّر في الطرفين: محطة راديو AM على 1 MHz الـ wavelength بتاعها 300 متر. إشارتها تقدر تروح مئات الكيلومترات وتخترق المباني بسهولة، بس الـ bandwidth بتاعها يدوب يكفي صوت جودته واطية. وعلى الناحية التانية، 5G mmWave على 39 GHz الـ wavelength بتاعها 7.7 مليمتر بس. تقدر تدّي سرعات بكذا جيجابت، بس الإشارة بالعافية تعدّي من شباك وبتضعف بعد كام مية متر.

وعشان كده الشبكات الخلوية بتستخدم كذا نطاق frequency في نفس الوقت. النطاقات الواطية (زي 700 MHz) بتدّي التغطية واختراق المباني. والنطاقات العالية (زي 3.5 GHz أو 28 GHz) بتدّي السعة والسرعة في الأماكن اللي محتاجاها.

الـ spectrum كمورد

الـ electromagnetic spectrum مورد محدود ومشترك. لو جهازين إرسال استخدموا نفس الـ frequency في نفس المنطقة، إشاراتهم هتتداخل ومحدّش فيهم هيشتغل صح. وعشان كده الحكومات بتنظّم مين يستخدم الـ spectrum.

على مستوى العالم، الاتحاد الدولي للاتصالات (ITU) بينسّق توزيع الـ spectrum بين الدول. وجوه كل دولة، جهات زي FCC (أمريكا) وOfcom (بريطانيا) وجهات شبهها حوالين العالم بتقرّر مين من حقه يستخدم أنهي frequencies.

تراخيص الـ spectrum قيمتها كبيرة جدًا. شركات الموبايل بتدفع عادي مليارات الدولارات في مزادات الحكومة عشان حق البث على frequencies معيّنة. سنة 2021، مزاد نطاق الـ C-band في أمريكا (3.7–3.98 GHz) جاب أكتر من 81 مليار دولار — وده بيوضّح الوصول للـ spectrum مهم قد إيه لصناعة اللاسلكي.

فيه frequencies متسابة للاستخدام من غير ترخيص — أي حد يقدر يبث عليها من غير رخصة، طول ما هو ملتزم بحدود قدرة معيّنة. نطاقات 2.4 GHz و5 GHz بتاعة الـ WiFi أهم مثال. والنموذج ده من الـ spectrum اللي من غير ترخيص فتح الباب لابتكار ضخم.

في الدرس الجاي، هنشوف المعلومات بتتحط فعلًا على الـ electromagnetic waves إزاي — يعني عملية الـ modulation (التضمين). هتتعلّم الصوت والنص والفيديو بيتحوّلوا لإشارات راديو بتسافر في الهوا إزاي.

أهم النقط
  • كل الـ electromagnetic waves بتسافر بسرعة الضوء والفرق بينها بس في الـ frequency والـ wavelength.
  • العلاقة الأساسية c = λf بتربط السرعة بالـ frequency والـ wavelength — أهم معادلة في هندسة الاتصالات اللاسلكية.
  • الـ radio frequencies (3 kHz – 300 GHz) هي الجزء من الـ spectrum اللي بنستخدمه في الاتصالات اللاسلكية.
  • الـ frequencies الواطية بتروح أبعد بس بتشيل بيانات أقل؛ والعالية بتشيل بيانات أكتر بس بتضعف أسرع — ده الـ trade-off الأساسي في تصميم الأنظمة اللاسلكية.
الدرس اللي فات تاريخ الاتصالات اللاسلكية في سطور نظرة عامة على الموديول الدرس اللي بعده المعلومات بتسافر في الهوا إزاي