Comparative Research on Calculation Methods of Near-Field Electromagnetic Field Strength for Medium-Wave Antennas and Multi-Antenna Superposition Analysis

نحن نغمر كل يوم في بحر من الموجات غير المرئية التي تحمل أصواتنا، وموسيقانا، وبياناتنا عبر الأثير. ومن بين العديد من الأدوات التي تولد هذه الموجات، تقف أبراج راديو الموجة المتوسطة كواحدة من أكثرها قوة واستدامة. فهذه الهياكل الشاهقة تبث إشارات تسافر لمسافات شاسعة، مما يتيح لنا ضبط الأخبار والترفيه من أميال بعيدة. ومع ذلك، بالقرب من قاعدة هذه الأبراج، تتغير فيزياء الهواء. فالمساحة المحيطة بالهوائي مباشرة هي منطقة معقدة يسلك فيها المجال الكهرومغناطيسي سلوكاً مختلفاً عما هو عليه في المناطق الأبعد. وتعد منطقة "المجال القريب" هذه بالغة الأهمية لتقييمات السلامة والمراقبة البيئية، ومع ذلك، ظل حساب قوة الإشعاع الدقيقة هنا تحدياً طويلاً للمهندسين. وتكمن الصعوبة في حقيقة أن التيار الكهربائي المتدفق صعوداً عبر البرج لا يسلك دائماً مساراً بسيطاً يمكن التنبؤ به؛ بل يتغير اعتماداً على كيفية بناء البرج، وكيفية تغذيته بالطاقة، والتردد المحدد الذي يبثه.

لقد أخذ فريق من الباحثين من محطة الإشراف على البيئة الإشعاعية بمقاطعة جيانغشي في الصين نظرة جديدة على كيفية قياس وتوقع إشعاع المجال القريب. ويركز عملهم على مقارنة المناهج الرياضية المختلفة لمعرفة أي منها يعكس الواقع حقاً، خاصة عندما تبث عدة أبراج في وقت واحد. وقد وجدوا أن الصيغ القياسية المستخدمة حالياً في الصناعة غالباً ما تفشل في تصوير الصورة الحقيقية عندما يكون تصميم الهوائي معقداً أو عندما تعمل عدة أبراج معاً. ومن خلال اختبار ثلاثة طرق حسابية مختلفة مقابل بيانات واقعية ومحاكاة متقدمة، طور الباحثون طريقة أكثر موثوقية لتقدير مستويات الإشعاع بالقرب من المصدر. وتشير نتائجهم إلى أن تحديث معايير السلامة الحالية قد يؤدي إلى تقييمات بيئية أكثر دقة وحماية أفضل للمجتمعات التي تعيش بالقرب من مواقع البث هذه.

إن جوهر المشكلة يكمن في أن الهواء حول برج الراديو ليس متجانساً. فعندما يكون البرج قصيراً بالنسبة للطول الموجي للإشارة التي يرسلها، يتدفق التيار الكهربائي بنمط محدد، حيث يصل إلى ذروته في الأسفل ويتلاشى نحو الأعلى. ولكن عندما يكون البرج أطول أو يتم تغذيته بالطاقة بطريقة مختلفة، يتغير نمط التيار هذا؛ فقد يصل إلى ذروته في المنتصف، أو حتى يعكس اتجاهه. وتفترض الطريقة القياسية المستخدمة منذ عقود لحساب مستويات الإشعاع نمطاً محدداً وبسيطاً جداً لتدفق التيار. وهي تعمل بشكل جيد في إعدادات الهوائيات الأساسية ذات البرج الواحد حيث يتم تغذية الطاقة مباشرة من الأسفل. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أن هذا النهج القياسي ينهار عند مواجهة تصميمات هوائيات أكثر تعقيداً، مثل تلك التي يتم فيها تغذية الطاقة من نقطة أعلى في البرج أو حيث يكون البرج جزءاً من مجموعة تبث معاً.

ولفهم الفجوة بين القواعد القديمة والواقع، قارن الفريق بين ثلاث طرق متميزة لحساب شدة المجال. كانت الأولى هي الطريقة القياسية في الصناعة، والتي تعتمد على صيغة مبسطة. وتضمنت الثانية تقسيم الهوائي إلى أجزاء صغيرة وجمع التأثيرات المغناطيسية لكل قطعة، وهي تقنية تُعرف باسم التكامل المتجه المغناطيسي. أما الطريقة الثالثة، فقد اتبعت نهجاً مشابهاً ولكنها ركزت على جمع مكونات المجال الكهربائي مباشرة. وأجرى الباحثون هذه الحسابات لهوائيات ذات ارتفاعات وأنماط تغذية متنوعة. ووجدوا أنه بالنسبة للهوائيات القصيرة والبسيطة، تعطي الطريقة القياسية نتائج قريبة من الطريقتين الأخريين. ولكن مع زيادة طول الهوائيات أو تغير طريقة التغذية، بدأت الصيغة القياسية في الانحراف بشكل كبير. وفي بعض الحالات، قللت من تقدير شدة المجال الكهربائي بفارق كبير، بينما بالغت في تقدير المجال المغناطيسي في حالات أخرى. أما الطرق الأكثر تطوراً، التي أخذت في الاعتبار الشكل الفعلي للتيار المتدفق صعوداً عبر البرج، فقد ظلت متسقة ودقيقة في جميع السيناريوهات.

وتزداد التعقيدات عندما نظر الباحثون في المواقع التي تضم أبراجاً متعددة. ففي سيناريو من الواقع، قد يكون لمحطة راديو ثلاثة أبراج قائمة على شكل مثلث، يبث كل منها إشارة. وهذه الإشارات لا تكتفي بالوجود جنباً إلى جنب فحسب؛ بل تتداخل وتتفاعل. وقد قام الباحثون بمحاكاة نظام مكون من ثلاثة أبراج ووجدوا أن شدة المجال المشترك لا تنخفض ببساطة كلما ابتعدت عن المركز. بدلاً من ذلك، تسبب التفاعل بين الأبراج في تذبذب مستويات الإشعاع، حيث تنخفض وترتفع في نمط لا يمكن لنموذج البرج الواحد التنبؤ به أبداً. ولم تستطع الطريقة القياسية، التي تعامل الهوائيات ككيانات معزولة، التقاط هذه التقلبات. ومع ذلك، نجحت الطرق المتقدمة في رسم خرائط لهذه المناطق المعقدة من الإشعاع العالي والمنخفض، مظهرة أن أقوى المجالات لا تظهر دائماً بجوار الأبوار مباشرة، بل يمكن أن تظهر في المساحات الموجودة بينها نتيجة لطريقة تداخل الموجات.

وبعد أن استقروا على أن هناك حاجة لمناهج حسابية أفضل، واجه الفريق مشكلة عملية: كيف يمكن تقدير إشعاع المجال القريب الخطير باستخدام البيانات التي تُجمع فقط من مسافة آمنة. ففي كثير من الحالات، يكون من الصعب أو المستحيل إجراء قياسات بجوار برج عالي القدرة مباشرة. وبدلاً من ذلك، يعتمد المنظمون غالباً على القراءات المأخوذة من مسافة أبعد، في "المجال البعيد"، ويحاولون العمل عكسياً لتخمين المستويات في الداخل. واختبر الباحثون نموذجاً رياضياً يستخدم نقاط بيانات قليلة من المجال البعيد لإعادة بناء صورة المجال القريب. ووجدوا أن الحساب العكسي البسيط غالباً ما يؤدي إلى أخطاء، خاصة في المنطقة القريبة جداً من البرج، حيث تتغير الفيزياء بسرعة. ومع ذلك، من خلال إضافة قيد محدد إلى الرياضيات — وهو ما يعني عملياً إجبار النموذج على احترام القاعدة الفيزيائية التي تقضي بأن المجال يجب أن يسلك سلوكاً معيناً عند المسافات القريبة — استطاعوا تحسين الدقة بشكل كبير. وقد سمح هذا النهج المنقح بالتنبؤ بشدة المجال القريب بمعدل خطأ يقل عن واحد بالمائة، وهو مستوى من الدقة يجعل من الممكن مراقبة هذه المواقع بأمان وفعالية دون الحاجة إلى وضع أجهزة استشعار في مناطق خطرة.

كما وضع الباحثون نظرياتهم قيد الاختبار الميداني. فقد زاروا محطة راديو مجهزة بثلاثة هوائيات موجة متوسطة وقاموا بقياس الإشعاع الكهرومغناطيسي الفعلي عند مسافات مختلفة. وقارنوا هذه الأرقام الواقعية مع التوقعات التي أنتجتها نماذجهم الجديدة. وكانت النتائج مذهلة؛ فقد طابقت طرق الحساب المتقدمة، التي أخذت في الاعتبار أنماط التيار المحددة والتفاعل بين الأبراج الثلاثة، البيانات المقاسة بشكل شبه مثالي. وفي المقابل، أظهرت الطريقة القياسية انحرافات ملحوظة، لا سيما في قراءات المجال المغناطيسي، حيث فشلت في مراعاة التيارات المعقدة المتدفقة في خطوط التغذية التي تربط الأبراج بأجهزة الإرسال. ومن خلال تحديد وتصحيح آثار خطوط التغذية هذه، تمكن الفريق من مواءمة عمليات المحاكاة الخاصة بهم مع الواقع، مؤكداً أن نهجهم يمكنه التنبؤ بشكل موثوق بالبيئة المحيطة بهذه الأجهزة القوية.

إن تداعيات هذا العمل كبيرة لمستقبل السلامة واللوائح الكهرومغناطيسية. إذ توضح الدراسة أن المعايير الصناعية الحالية، التي وضعت منذ عقود، جامدة للغاية بحيث لا تستطيع التعامل مع تنوع تصميمات الهوائيات الحديثة وتكوينات الأبراج المتعددة. ويجادل الباحثون بضرورة تحديث هذه المعايير لتشمل طرق الحساب الأكثر دقة التي أثبتوا صحتها. ومن خلال اعتماد هذه المناهج الجديدة، يمكن لوكالات البيئة ومشغلي المحطات الحصول على صورة أوضح بكثير للمشهد الإشعاعي. وهذه الدقة لا تتعلق بالأرقام فحسب، بل تتعلق بضمان أن الموجات غير المرئية التي نعتمد عليها في التواصل لا تشكل مخاطر غير ضرورية للأشخاص الذين يعيشون ويعملون في مكان قريب. كما أن القدرة على التنبؤ بشدة المجال من مسافة بعيدة تفتح الباب أمام تقنيات مراقبة جديدة، مثل الطائرات بدون طيار، والتي يمكنها رسم خرائط لهذه المجالات المعقدة من الجو، لتملأ الفجوات التي قد تغفل عنها أجهزة الاستشعار الأرضية.

في نهاية المطاف، يجسد هذا البحث الجسر الواصل بين الفيزياء النظرية والسلامة العملية. فهو يوضح أنه بينما يكون الهواء حول برج الراديو مزيجاً فوضوياً من الموجات المتفاعلة، إلا أنه ليس عصياً على الفهم. ومن خلال الانتقال من الصيغ المبسطة وتبني المناهج التي تحترم التعقيد الحقيقي لكيفية تدفق الكهرباء وتداخل الموجات، يمكن للعلماء توفير خريطة أكثر دقة للبيئة الكهرومغناطيسية. وهذا الوضوح يسمح بتصميم أفضل للهوائيات، وتحكم أكثر فعالية في التلوث، ودرجة أعلى من الثقة في سلامة البنية التحتية للبث التي تبقي عالمنا متصلاً. ويعد هذا العمل تذكيراً بأنه حتى في مجال راسخ مثل البث الإذاعي، هناك دائماً مجال لصقل فهمنا وتحسين الأدوات التي نستخدمها لحماية الجمهور.