نظام التوازن الأرضي

في مجال الإلكترونيات والاتصالات اللاسلكية ، يُعرف نظام التوازن بأنه شبكة من الأسلاك أو الكابلات الأفقية المعلقة (أو حاجز معدني)، تُستخدم كبديل لتوصيل الأرض في نظام هوائي الراديو . ويُستخدم مع أجهزة الإرسال أو الاستقبال اللاسلكية عندما يتعذر استخدام التأريض الأرضي العادي بسبب مقاومة التربة العالية [ 1 ] ^{أو عندما يكون} الهوائي مُثبتاً فوق مستوى سطح الأرض، على سبيل المثال، على مبنى. ويتكون عادةً من سلك واحد أو شبكة من الأسلاك الأفقية، موازية للأرض، معلقة فوق الأرض أسفل الهوائي، ومتصلة بسلك التأريض الخاص بجهاز الاستقبال أو الإرسال. ^{[ 2 ]} يعمل نظام التوازن كأحد لوحي مكثف كبير ، حيث تعمل الطبقات الموصلة للأرض كلوح آخر. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تطورت الموازنة مع هوائي ماركوني (أحادي القطب) خلال تسعينيات القرن التاسع عشر، وهو العقد الأول من عصر الراديو في عصر التلغراف اللاسلكي ، ولكن تم الترويج لها بشكل خاص من قبل رائد الراديو البريطاني أوليفر لودج ، ^{[ 4 ] [ 5 ]} وحصل على براءة اختراع من قبل زميله ألكسندر مويرهيد ^{[ 6 ]} في عام 1907. ^{[ 7 ]}

تُستخدم أجهزة التوازن عادةً في أنظمة الهوائيات لأجهزة الإرسال اللاسلكي حيث لا يمكن إنشاء اتصال أرضي جيد .

تتطلب هوائيات أحادية القطب المستخدمة في الترددات المنخفضة، أقل من 3 ميجاهرتز ، مثل هوائيات مشعاع الصاري المستخدمة في بث AM ، توصيل جهاز الإرسال اللاسلكي بالأرض أسفل الهوائي ؛ ويُسمى هذا التوصيل بالأرض . تعمل الأرض كلوحة مكثف لاستقبال تيار الإزاحة من عنصر الهوائي وإعادته إلى خط التغذية من جهاز الإرسال. يجب أن يتميز توصيل الأرض بمقاومة كهربائية منخفضة ، لأنه يحمل تيار الهوائي بالكامل، وأي مقاومة فيه ستؤدي إلى تبديد الطاقة من جهاز الإرسال. عادةً ما تُصنع توصيلات الأرض منخفضة المقاومة لأجهزة الإرسال اللاسلكي من شبكة كابلات مدفونة في الأرض. مع ذلك، في المناطق ذات التربة الجافة أو الرملية أو الصخرية، تكون مقاومة الأرض عالية، لذا لا يمكن إنشاء توصيل أرض منخفض المقاومة. في هذه الحالات، يُستخدم مُوازن. يُستخدم المُوازن أيضًا عندما لا تتوفر أرض مدفونة أسفل صاري الهوائي، كما هو الحال في الهوائيات الموجودة في المدن أو على أسطح المباني الشاهقة. 

يُعدّ تصميم الأسلاك الشعاعية المعلقة على ارتفاع بضعة أقدام فوق سطح الأرض، والممتدة من قاعدة الهوائي في جميع الاتجاهات على شكل نجمة، والمتصلة في المركز، من التصاميم الشائعة للأجهزة الموازنة. ^{[ 2 ]} تعمل هذه الأسلاك الموازنة كأحد لوحي مكثف كبير ، بينما تمثل الطبقات الموصلة في الأرض اللوح الآخر. ^{[ 2 ]} وبما أن التيارات المترددة ذات الترددات الراديوية الصادرة من جهاز الإرسال يمكن أن تمر عبر المكثف، فإن الأسلاك الموازنة تعمل كوصلة أرضية منخفضة المقاومة. يجب تجنب وجود أي حلقات مغلقة في أسلاك نظام الأسلاك الموازنة، لأن المجالات القوية للهوائي ستُحدث تيارات دائرية فيه، مما سيؤدي إلى تبديد طاقة جهاز الإرسال.

يُستخدم نظام التوازن الأرضي على نطاق واسع في أجهزة الإرسال العاملة على نطاقي التردد المنخفض (LF) والتردد المنخفض جدًا (VLF)، نظرًا لحساسيتها الشديدة لمقاومة الأرض. ^{[ 2 ]} وبسبب طول الموجة الراديوية الكبير، فإن الهوائيات المناسبة لهذه الترددات قصيرة كهربائيًا ، إذ يكون طولها صغيرًا مقارنةً بطول الرنين الأساسي عند تردد التشغيل، والذي يُعادل ربع طول الموجة . تنخفض مقاومة الإشعاع للهوائيات (المقاومة التي تُمثل الطاقة المُشعّة على شكل موجات راديوية) كلما صغر طولها مقارنةً بربع طول الموجة، لذا فإن مقاومة الإشعاع للهوائيات العاملة على نطاقي LF وVLF منخفضة جدًا، وغالبًا ما تصل إلى أوم واحد أو أقل. أما المقاومات الأخرى الأكبر في دائرة الهوائي-الأرض، فقد تستهلك جزءًا كبيرًا من طاقة جهاز الإرسال. غالبًا ما تكون أكبر مقاومة في دائرة الهوائي-الأرض هي مقاومة نظام الأرض، ويتم تقسيم طاقة جهاز الإرسال تناسبيًا بينها وبين مقاومة الإشعاع، لذا يجب الحفاظ على مقاومة نظام الأرض منخفضة جدًا لتقليل الطاقة "المُهدرة" من جهاز الإرسال.

مع ذلك، عند الترددات المنخفضة، قد تستهلك مقاومة حتى نظام التأريض الجيد في التربة عالية التوصيل جزءًا كبيرًا من طاقة جهاز الإرسال. ومن مصادر المقاومة الأخرى الفقد العازل الناتج عن اختراق الموجات الراديوية للأرض بالقرب من الهوائي، نظرًا لعمق الاختراق الكبير عند الترددات المنخفضة. لذا، وخاصةً عند ترددات التردد المنخفض جدًا (VLF)، تُستخدم أحيانًا أقطاب موازنة كبيرة بدلًا من التأريض المدفون، لتقليل مقاومة نظام التأريض، مما يسمح بإشعاع جزء أكبر من طاقة جهاز الإرسال.

أحيانًا يُدمج نظام التأريض مع نظام تأريض عادي، حيث تُمدد كابلات التأريض الشعاعية المدفونة فوق سطح الأرض بالقرب من قاعدة الهوائي لتشكيل نظام التأريض. غالبًا ما تُغطى منطقة نظام التأريض حول قاعدة الهوائي بغطاء نحاسي لحماية الأرض وتقليل تيارات التأريض.

يعتمد حجم الثقل الموازن المستخدم في الاتصالات اللاسلكية على طول موجة تردد الإرسال. في حالة الهوائي أحادي القطب، يعمل الثقل الموازن كسطح أرضي ، مما يؤدي إلى انعكاس تيارات الموجات الراديوية عن الهوائي. ولضمان الأداء الأمثل، يجب أن يمتد الثقل الموازن لمسافة لا تقل عن نصف طول موجة الهوائي من البرج في جميع الاتجاهات. ^{[ 8 ]} عند تصميم ثقل موازن لمحطة راديو متوسطة الموجة ، على سبيل المثال، يبلغ أقصى طول للموجات الراديوية 566 مترًا (1857 قدمًا) . لذلك، يجب أن يمتد الثقل الموازن لمسافة 282 مترًا (925 قدمًا) من البرج لتشكيل دائرة قطرها 566 مترًا (1857 قدمًا) .   

• المستوى الأرضي
• غطاء السعة - النظير المرتفع لنظام التأريض
• هوائي أحادي القطب
• ملف تسلا

• باباليكسوبولوس، أ.د.، ميليوبولوس، أ.ب.، "الخصائص المعتمدة على التردد لأنظمة التأريض". مجلة نقل الطاقة، معاملات IEEE ، المجلد 2، العدد 4 (أكتوبر 1987)، الصفحات 1073-1081