في مجال البحث العلمي الحديث والاتصالات وتحليل المواد، تعد كل من أجهزة تحليل الطيف وأجهزة تحليل الطيف الضوئي أدوات قياس دقيقة أساسية في مجال البحث العلمي والاتصالات وتحليل المواد. على الرغم من أن اسميهما يبدوان متشابهين وكلاهما يتعاملان مع “الأطياف”، إلا أنهما يعملان في مجالات مختلفة تمامًا من الطيف الكهرومغناطيسي. يعد فهم الفرق بين الاثنين أمرًا بالغ الأهمية لاختيار الأداة المناسبة لتطبيقك.
يقيس محلل الطيف الضوئي ويحلل الإشارات الضوئية - أي الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاقات الأشعة تحت الحمراء والمرئية وفوق البنفسجية. ويوضح كيف تختلف قوة الإشارة الضوئية باختلاف الطول الموجي (أو التردد). وتشمل المعلمات الرئيسية الطول الموجي المركزي، ونطاق الطول الموجي (عرض النطاق الترددي)، والدقة الطيفية (القدرة على فصل الأطوال الموجية المتقاربة)، والمدى الديناميكي. يتم التعبير عن القياسات عادةً بالنانومتر (نانومتر) أو التيراهيرتز (THz).
تُعد أجهزة OSA أدوات لا غنى عنها في اتصالات الألياف البصرية وتوصيف الليزر واختبار الأجهزة البصرية.
في حين أن محلل الطيف يركز على الإشارات الكهربائية في نطاقات التردد اللاسلكي (RF) والموجات الدقيقة. وهو يقيس كيفية توزيع طاقة الإشارة عبر التردد. تبدأ نطاقات التشغيل النموذجية من بضعة كيلو هرتز (كيلو هرتز) أو ميجا هرتز (ميجا هرتز) ويمكن أن تصل إلى مئات الجيجا هرتز (GHz) أو حتى منطقة التيراهيرتز (THz) مع وحدات متخصصة. تشمل المعلمات الرئيسية نطاق التردد، وعرض نطاق الدقة (RBW)، وعرض نطاق الفيديو (VBW)، ومتوسط مستوى الضوضاء المعروض (DANL)، وضوضاء الطور. وهذا يجعل أجهزة تحليل الطيف أدوات أساسية لمراقبة الترددات اللاسلكية وتحليلها واختبار النظام اللاسلكي.
إلى جانب الشيء الذي يقيسونه، تختلف مبادئ عملهم أيضًا.
تعمل معظم أجهزة OSA على أساس شبكة الحيود أو مقياس التداخل:
- OSA القائم على الشبكة: يستخدم شبكة حيود لفصل الضوء حسب الطول الموجي. يتحرك الشبك أو الكاشف بحيث يتم توجيه الأطوال الموجية المختلفة بالتتابع إلى كاشف ضوئي (مثل الصمام الثنائي الضوئي) لقياس الطاقة.
- OSA القائم على مقياس التداخل (FT-OSA): يستخدم مقياس تداخل ميكلسون لإنتاج نمط تداخل، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى فورييه للحصول على التوزيع الطيفي. يوفر هذا النهج دقة وحساسية أعلى.
في كلتا الحالتين، يتم تحويل الإشارة الضوئية في النهاية إلى إشارة كهربائية للقياس والعرض.
تستخدم أجهزة تحليل الطيف الحديثة في المقام الأول بنية التغاير الفائق:
- الخلط - يتم خلط إشارة الدخل مع إشارة مذبذب محلي داخلي (LO).
- تصفية التردد المتوسط (IF) - تمر إشارة IF الناتجة من خلال مرشح عرض نطاق الدقة (RBW)، الذي يحدد مدى تقارب الترددات التي يمكن حلها.
- الكشف والعرض - تتم معالجة إشارة IF المفلترة بواسطة أجهزة الكشف (الذروة أو العينة أو RMS) ويتم عرضها كقدرة مقابل التردد - طيف التردد المألوف.
بالإضافة إلى ذلك، صُممت أجهزة تحليل الطيف في الوقت الحقيقي القائمة على تقنية تحويل فورييه السريع (FFT) لتحليل الإشارات العابرة أو غير الثابتة، والتي تُستخدم عادةً في مراقبة الراديو واختبار التوافق الكهرومغناطيسي.
بعد ذلك، دعونا نناقش الاختلافات في سيناريوهات تطبيقها. تُستخدم أجهزة تحليل الطيف الضوئي عادةً في السيناريوهات التالية:
- توصيف الليزر (عرض الخط، والطول الموجي المركزي، ونسبة كبت الوضع الجانبي - SMSR)
- تحليل طيف الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
- اختبار اتصالات الألياف الضوئية (طاقة قناة WDM/DWDM، ونسبة الإشارة الضوئية إلى الضوضاء - OSNR)
- تقييم المرشح البصري والمضخم الضوئي
- رامان والتحليل الطيفي الفلوري (بتكوين مناسب)
- التركيب المادي والتحليل الهيكلي
بينما تُستخدم أجهزة تحليل الطيف في:
- اختبار الاتصالات اللاسلكية (أجهزة الإرسال اللاسلكية (المحمول، والمحطة القاعدية، والواي فاي، والبلوتوث)
- تحليل الترددات اللاسلكية لمضخمات الصوت، والخلاطات، والمرشحات، والمذبذبات
- اختبار التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) قبل الامتثال (الانبعاثات المشعة والموصلة)
- تحليل إشارات الرادار والاتصالات الساتلية
- مراقبة الإشارة واكتشاف التداخلات
- تُستخدم في أجهزة تحليل الطيف المحمولة لمراقبة الراديو في الموقع والاختبار الميداني
اختيار الأداة المناسبة
يعتمد استخدام محلل الطيف أو محلل الطيف الضوئي كلياً على طبيعة الإشارة الخاصة بك:
قياس الضوء؟
إذا كنت تعمل مع مخرجات الألياف الضوئية أو أشعة الليزر أو مصادر ضوء LED، وتحتاج إلى تحليل تركيب الطول الموجي (اللون، النقاء الطيفي، قوة القناة الضوئية)، فاختر محلل الطيف الضوئي.
قياس الإشارات الكهربائية؟
إذا كنت تحلل إشارات الترددات اللاسلكية أو الموجات الدقيقة أو الموجات المليمترية المرسلة عبر الكابلات أو الهوائيات - دراسة مكونات التردد أو الطاقة أو التشويه أو مصادر التداخل - فأنت بحاجة إلى محلل طيف.
الخاتمة
على الرغم من أن اسمي محلل الطيف ومحلل الطيف الضوئي يختلفان بكلمة واحدة فقط، إلا أنهما يخدمان كميات فيزيائية ونطاقات تردد مختلفة:
تركّز أجهزة تحليل الطيف الضوئي على الطول الموجي والخصائص الطيفية للضوء - وهي أجهزة حيوية للاتصالات الضوئية وتكنولوجيا الليزر وأبحاث المواد البصرية.
تتخصص أجهزة تحليل الطيف في تحليل مجال الترددات اللاسلكية والموجات الدقيقة في مجال الترددات اللاسلكية والموجات الدقيقة، وتشكل أساس الاتصالات اللاسلكية والرادار واختبار التوافق الكهرومغناطيسي الإلكتروني.
من خلال فهم هذه الاختلافات الأساسية، يمكن للمستخدمين اتخاذ خيارات مستنيرة وتحقيق نتائج قياس دقيقة وفعالة - سواءً كان ذلك بإجراء تحليل دقيق للترددات اللاسلكية أو توصيف متقدم للطيف البصري.