אפקט הבורג החלוד

ממוזער|מבט מקרוב על חלקי מתכת חלודים במבנה של אנטנה היוצרים את אפקט הבורג החלוד.

אפקט הבורג החלוד הוא הפרעת תדר רדיו המתרחשת ברכיבים פסיביים הנחשבים בדרך כלל לליניאריים, כגון כבלים, מחברים, אנטנות ורכיבים מתכתיים הנושאים אותם. התופעה מכונה גם אינטרמודולציה פסיבית (Passive Inter Modulation - PIM). ההפרעה נגרמת מתגובה הדדית בין גלי הרדיו לבין עצמים מתכתיים מחלידים, מתכות מוליכות פרומגנטיות, חומרים בולעי גלי מיקרו ועומסים לא ליניאריים. זוהי בעיה משמעותית במערכות תדר רדיו (RF), במיוחד ברשתות תקשורת מודרניות בהן קיימים מספר משדרים ומקלטים רגישים.

 התרחשות התופעה 
אפקט הבורג החלוד יכול להתרחש בכל מערכת בה קיימים מספר משדרי רדיו, למשל:
 מערכות ממסרי רדיו: אותות רדיו של משדרים סמוכים יכולים ליצור הפרעות בתדרי הכניסה של הממסר ולהפחית את רגישות הקליטה של הממסר.
 תחנות בסיס סלולריות: חלקי מתכת מחלידים על האנטנה, המגדל, או מבני מתכת סמוכים יכולים לגרום ל-PIM, ולהפחית את איכות השירות.
 מערכות תקשורת לוויינית: PIM יכול להוות בעיה משמעותית במערכות תקשורת לוויינית, שם האותות המתקבלים חלשים מאוד ורגישים להפרעות.
 מערכות מכ"ם: PIM יכול לגרום להופעת מטרות שווא על מסכי מכ"ם.

 גורמים 
PIM מתרחש כאשר שני אותות או יותר בתדרים שונים עוברים דרך מערכת לא ליניארית. כתוצאה מאי הליניאריות נוצרים אותות לא רצויים בתדרים שונים מהתדרים המקוריים. אותות לא רצויים אלה נקראים תוצרי אינטרמודולציה. תוצרי אינטרמודולציה אלה יכולים להופיע בתחום הקליטה של מקלט, להפריע לאות הרצוי ולהפחית את רגישות המקלט.

מקור נפוץ ל-PIM במערכות הוא בורג חלוד, מכאן השם "אפקט הבורג החלוד". חלודה, או תחמוצת הברזל, מציגה תכונות של מוליך למחצה. התחמוצת יוצרת צומת לא ליניארית בדומה לדיודה או מיקסר רדיו. אי-ליניאריות זו נובעת מכך ששכבת התחמוצת על משטחי מתכת מחלידים יוצרת ריבוי של צמתי מתכת-מבודד-מתכת (MIM) זעירים. כאשר זרמי RF זורמים דרך צמתים אלה, הם נתקלים בהתנגדות משתנה, מה שמוביל לעיוות האות וליצירת תוצריPIM.

PIM יכול להיגרם גם מאלמנטים לא ליניאריים אחרים בנתיב אות ה-RF, כגון:
 חיבורים רופפים או מחלידים: אלה מכניסים התנגדות מגע משתנה שמשתנה באופן לא ליניארי עם המתח, מה שהופך אותם למקורות ביצירת PIM, במיוחד בתשתיות מתיישנות.
 מבני מתכת ליד אנטנות: גם אם אינם בנתיב האות הישיר, עצמים מתכתיים כמו גדרות, גגות ומגדלים יכולים לתפקד כאנטנות לא מכוונות. הם יכולים לקלוט ולהקרין מחדש אנרגיית RF, ואם למבנים אלה יש חלקים חלודים או מחלידים, האות המוקרן מחדש יכיל תוצרי PIM, אשר יפריע לתקשורת המיועדת.

 ייצוג מתמטי 
ניתן לתאר את פונקציית המעבר של רכיב כסכום של חזקות:

ברוב הישומיים האלמנטים הראשונים הם הרלוונטיים ביותר. לכן נביט על חמשת המקדמים הראשונים:

במערכת ליניארית אידיאלית כל המקדמים K2, K3, K4, K5 וכולי שווים ל-0. במערכת עם מחברים וחיבורים טובים המקדמים האלו זניחים.
במערכת בה יש חלודה המקדמים K2, K3, K4, K5 יכילו מספרים שאינם זניחים. זה יוצר הרמוניות. ניתן לראות זאת אם נייצג את אות הכניסה כסינוס טהור

במערכת שבה יותר ממקור יחיד נוצרים גם תוצרי ערבול מסדר שני:

וגם מסדר שלישי:

וכן מסדרים גבוהים יותר. ניתן לתאר את התוצרים במישור התדר:

לא ממוסגר

 השפעה 
ל-PIM יכולה להיות השפעה משמעותית על ביצועי מערכות תקשורת בתדר רדיו. במקרים חמורים, ההפרעות יכולות להשבית את פעילות המערכת. כמה מההשפעות הספציפיות של PIM כוללות:
 הפחתת רגישות המקלט: תוצרי PIM יכולים להופיע בתחום הקליטה של מקלט, להפריע לאות הרצוי ולהפחית את רגישות המקלט.
 עלייה בשיעור שגיאות הסיביות (BER): במערכות תקשורת דיגיטליות, PIM יכול לגרום לעלייה ב-BER, מה שיכול להוביל לאובדן נתונים.
 הפחתת קיבולת המערכת: במערכות תקשורת סלולרית, PIM יכול להפחית את קיבולת המערכת על ידי הפרעה לתקשורת בין תחנת הבסיס למכשירים ניידים.

 מנגנוני יצירת PIM 
המנגנונים הפיזיקליים הגורמים ל-PIM הם מורכבים, ניתנים לייחוס לכמה מקורות, ולעיתים קרובות מתרחשים בשילוב של מספר גורמים. כדוגמה לגורמים אלה:
 מנהור אלקטרונים: תופעה המתרחשת כאשר אלקטרונים עוברים דרך שכבה מבודדת דקה, כמו שכבת תחמוצת על פני שטח מתכת. הסבירות למנהור אלקטרונים עולה באופן לא ליניארי עם המתח המיושם, מה שמוביל ל-PIM.
 מיקרו-פריקות: אלו הן פריקות חשמליות קטנות שיכולות להתרחש בין משטחי מתכת שקרובים מאוד זה לזה אך לא במגע ישיר. הפריקות נגרמות על ידי שדות חשמליים חזקים שיכולים להתקיים בין המשטחים בתדרי RF.
 אפקטים אלקטרו-תרמיים: אלה מתרחשים כאשר הזרם הזורם דרך מוליך גורם למוליך להתחממות המשנה את תכונותיו החשמליות. זה יכול להוביל ל-PIM אם התנגדות המוליך משתנה באופן לא ליניארי עם הטמפרטורה.

 אסטרטגיות הפחתה עם דגש על חלודה 
בהתחשב בתפקיד המשמעותי של חלודה ומבני מתכת ב-PIM, אסטרטגיות ההפחתה מתייחסות לכמה גורמים:
 מניעת קורוזיה: שימוש בחומרים עמידים לקורוזיה (כגון פלדת אל-חלד, פלדה מגולוונת) ויישום ציפויים מגנים על מבני מתכת למניעת היווצרות חלודה.
 בדיקה ותחזוקה סדירות: בדיקות תקופתיות של אנטנות ומבני מתכת סמוכים לזיהוי וטיפול בקורוזיה בשלב מוקדם. התחזוקה כוללת הידוק חיבורים רופפים, ניקוי משטחים מחלידים וצביעה מחדש של מבנים.
 בחירת אתר זהירה ומיקום אנטנות: בחירת אתרים עם מינימום מבני מתכת סמוכים ומיקום אסטרטגי של אנטנות כדי למזער תגובה עם מבנים אלה.
 בחירת חיבורי מתכת תוך הקטנה של ההפרש בפונקציית העבודה: כאשר שתי מתכות שונות באות במגע, נוצר ביניהן הפרש פוטנציאל קטן בגלל הבדלים בפונקציית העבודה האלקטרונית שלהן. צומת זה מתנהג באופן דומה לדיודה, מציג תכונות לא ליניאריות ולעיתים מהווה מקור ל-PIM. לחות, טמפרטורה ומזהמים יכולים להשפיע על הפרש הפוטנציאל בין המתכות ולהחמיר את הבעיה.

התייחסות לגורמים אלה, יחד עם טכניקות הפחתת PIM כלליות אחרות, חיונית להבטחת ביצועים אופטימליים במערכות תקשורת RF, במיוחד כאלה הרגישות לאפקט.

 התפתחות ההבנה של התופעה לאורך הזמן 
התופעה של אינטרמודולציה פסיבית זוהתה לראשונה בשנות ה-40 של המאה ה-20. עם התפתחות מערכות תקשורת הרדיו המודרניות, הפכה התופעה לבעיה משמעותית יותר. בתחילה, נצפתה התופעה בעיקר במערכות תקשורת צבאיות ולוויניות בעלות הספק גבוה. המונח "אפקט הבורג החלוד" נטבע בשנות ה-70, כאשר חוקרים זיהו שחיבורים מחלידים במבנים מתכתיים היו מקור משמעותי להפרעות. עם הצמיחה המהירה של תקשורת סלולרית בשנות ה-90 וה-2000, הפכה הבעיה לקריטית, כאשר מפעילי רשתות נאלצו להתמודד עם הפרעות PIM בסביבות עירוניות צפופות. מחקרים מעמיקים בראשית המאה ה-21 הובילו להבנה טובה יותר של המנגנונים הפיזיקליים מאחורי התופעה, כולל אפקטים של מנהור אלקטרונים ומיקרו-פריקות. ב, עם הפריסה של רשתות 5G והצורך בביצועים גבוהים יותר, מניעה וטיפול באפקט ממשיך להיות נושא חשוב למחקר ופיתוח בתעשיית התקשורת האלחוטית.

 הערות שוליים 

קטגוריה:רדיו: טכנולוגיה