مع التطور السريع لصناعة السيارات، يتزايد تعقيد الأنظمة الإلكترونية للسيارات باستمرار، وأصبحت متطلبات أنظمة الاتصالات أكثر صرامة. يتم استخدام أحزمة الألياف الضوئية، باعتبارها ناقلًا متقدمًا لنقل الإشارات، على نطاق واسع في صناعة السيارات. تعمل الألياف الضوئية، بما تتميز به من سرعة عالية وموثوقية عالية وخسارة منخفضة ومقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي، على تغيير طريقة نقل البيانات في السيارات تدريجيًا، مما يدل على إمكانات تطبيق هائلة في مجال اتصالات السيارات. تتناول هذه المقالة الخصائص الأساسية لأحزمة الألياف الضوئية وتطبيقاتها في السيارات، وتحلل مزاياها وآفاق تطويرها.
مع زيادة الذكاء والاتصال في تكنولوجيا السيارات، يتزايد الطلب على الاتصالات ونقل البيانات، مما يجعل أمن واستقرار أنظمة الاتصالات الإلكترونية داخل السيارة محورًا رئيسيًا للبحث. توفر تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية، باعتبارها تكنولوجيا اتصالات متقدمة، أفكارًا جديدة لتطوير أنظمة الاتصالات الإلكترونية داخل السيارة. تحلل هذه الورقة خصائص تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية، وتدرس تطبيقاتها في السيارات المستقبلية من وجهات نظر متعددة، وتستكشف مزاياها، وتتنبأ باتجاهات تطورها.

1. نظرة عامة على أحزمة الألياف البصرية

تستخدم كابلات الألياف الضوئية موجات الضوء كحاملات والألياف الضوئية كوسيلة نقل، مما يوفر مزايا مثل السرعة العالية والموثوقية العالية والخسارة المنخفضة ومقاومة التداخل الكهرومغناطيسي. تعد معدلات نقلها أعلى بكثير من الأسلاك النحاسية التقليدية أو الكابلات المحورية، مما يلبي متطلبات الاتصال كبيرة الحجم في الوقت الفعلي للأنظمة داخل السيارة. يتكون رابط اتصال الألياف الضوئية بشكل أساسي من موصلات بصرية وحاملات ألياف ضوئية لتحقيق نقل إشارة عالي السرعة.
①موصل الألياف البصرية
موصلات الألياف الضوئية هي أجهزة بصرية سلبية تتيح التوصيلات المتحركة بين الألياف الضوئية. وهي تتكون بشكل أساسي من تقوية الألياف، ومحاذاة الألياف، والتزاوج المرن، وقفل الموصل، وتثبيت الكابل، والطويق المضاد للدوران، والتخزين المؤقت للكابل (انظر الشكل 1). تستخدم موصلات الألياف الضوئية عادة الحلقات الخزفية والأكمام الخزفية لمحاذاة الألياف، مع ضمان التزاوج المرن لنهايات الحلقات. قبل التزاوج، يكون الزنبرك في حالة مضغوطة مسبقًا، مما يمنع الطويق من التحرك بسبب قوة القفل. أثناء التزاوج، يولد تراجع الطويق ضغطًا ثانويًا، مما يعيد قوة الزنبرك إلى الطويق، مما يضمن بقاء حلقتي التزاوج على اتصال وضغطهما معًا طوال عملية التزاوج.

②موصل الألياف الضوئية
الألياف الضوئية أسطوانية وتتكون بشكل أساسي من قلب وكسوة وطلاء (انظر الشكل 2). يستخدم مبدأ نقل الألياف الضوئية ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي. أي أنه عندما يسقط الضوء من وسط أكثر كثافة بصريًا (مع معامل انكسار مرتفع نسبيًا) إلى وسط أقل كثافة بصريًا (مع معامل انكسار منخفض نسبيًا)، إذا كانت زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة للانعكاس الداخلي الكلي، فلن ينكسر الضوء بعد ذلك، ولكنه سينعكس تمامًا مرة أخرى إلى الوسط الأصلي، مما يضمن إمكانية انتشار الإشارة الضوئية في الألياف الضوئية دون تسرب.

تتميز الألياف الضوئية بالخصائص التالية:
(1) سرعة نقل عالية، ومسافات طويلة، ومحتوى عالي: تتمتع الألياف الضوئية بسرعة نقل عالية جدًا، ويمكنها نقل البيانات عبر مسافات طويلة، ويمكنها نقل كمية كبيرة من البيانات في نفس الوقت.
(2) لا تتأثر بالتداخل الكهرومغناطيسي: تنقل الألياف الضوئية الإشارات الضوئية ولا تتأثر بالموجات الكهرومغناطيسية، وبالتالي تكون جودة الإشارة أكثر استقرارًا.
(3) عرض النطاق الترددي الواسع: تتمتع الألياف الضوئية بنطاق ترددي واسع جدًا، مما يدعم نقل البيانات بسرعة عالية.
(4) خسارة منخفضة: خسارة الإرسال للألياف الضوئية منخفضة جدًا، ومن الناحية النظرية يمكن أن تنقل مئات الكيلومترات أو حتى مسافات أطول دون فقدان جودة الإشارة.
(5) أمان عالي: لا يولد نقل الألياف الضوئية إشعاعًا كهرومغناطيسيًا ولا يمكن التنصت عليه بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية، لذا فهو أكثر ملاءمة لبعض السيناريوهات ذات متطلبات أمان البيانات العالية.
(6) حجم صغير ووزن خفيف: بالمقارنة مع الكابلات النحاسية التقليدية، فإن الألياف الضوئية أصغر حجمًا وأخف وزنًا، مما يسهل نشرها وصيانتها. وتتجلى هذه الميزة بشكل أكثر وضوحًا في شبكات الاتصالات واسعة النطاق.

2. مزايا أحزمة الألياف الضوئية في تطبيقات السيارات الذكية

عندما يصل معدل نقل الأسلاك النحاسية إلى 10 جيجا بايت/ثانية أو أكثر، ستكون هناك حاجة إلى أسلاك نحاسية أكثر سمكًا لتلبية متطلبات المعدل. ومع ذلك، في بيئة تخطيط السيارات، تؤدي سماكة الأسلاك النحاسية إلى زيادة وزن السيارة وتكلفة السيارة، والتي لا يمكنها تلبية متطلبات بيئة تخطيط السيارة عالية السرعة ومنخفضة الوزن. يمكن لتكنولوجيا كابلات الألياف الضوئية تحسين جودة الاتصال وموثوقيته بشكل كبير وتقليل التداخل الكهرومغناطيسي دون إضافة وزن إضافي، وبالتالي تحسين سلامة واستقرار السيارة.
(1) معدل نقل كابلات الألياف الضوئية أعلى بكثير من معدل نقل الأسلاك النحاسية التقليدية أو الكابلات المحورية. ويمكنه نقل ملايين الميجابايت من البيانات في الثانية، وهو ما يمكنه تلبية احتياجات الاتصالات للسيارات الحديثة من حيث حجم البيانات الكبير والأداء العالي في الوقت الفعلي. يمكن أن تصل أعلى سرعة لشبكات الأسلاك النحاسية التقليدية إلى 10 جيجا بايت فقط، وهو أمر يصعب تلبية متطلبات النقل عالي السرعة.
(2) فقدان نقل الألياف الضوئية منخفض للغاية. عادة ما تكون الخسارة لكل كيلومتر أقل من 0.0035 ديسيبل/م، مما يضمن احتفاظ الإشارة بجودة عالية أثناء الإرسال لمسافات طويلة. في المقابل، يبلغ فقدان الإرسال لشبكات الأسلاك النحاسية التقليدية 0.5 ديسيبل/م، وهو كبير أثناء الإرسال لمسافات طويلة.
(3) تستخدم تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية الموجات الضوئية لنقل الإشارات في الألياف الضوئية، والتي تتمتع بحصانة كبيرة ضد التداخل الكهرومغناطيسي مقارنة بنقل الأسلاك النحاسية التقليدية.
(4) بالمقارنة مع الأسلاك المعدنية التقليدية، يمكن للألياف الضوئية البلاستيكية (POF)، كنوع من الألياف الضوئية للسيارات، أن تقلل بشكل كبير من وزن السيارة وتحسن اقتصاد السيارة.

3.سيناريوهات تطبيق أحزمة الألياف الضوئية في السيارات

تُستخدم أحزمة الألياف الضوئية حاليًا على نطاق واسع في مجالات الطب والاتصالات والإنترنت والصناعة. إلا أن تطبيقها في مجال السيارات يواجه العديد من التحديات، بما في ذلك الافتقار إلى الأسس النظرية الأساسية والمواصفات والمعايير الفنية، ومعايير الاختبار غير الواضحة، ونقص الخبرة العملية في تطبيقات السيارات.

①تطبيق حزم كابلات الألياف الضوئية في مناطق الانتشار
يختلف استخدام أحزمة الألياف الضوئية في السيارات عن استخدامها في المجالات الأخرى، ويجب مراعاة الخصائص البيئية لمنطقة الاستخدام بشكل كامل. على سبيل المثال، تتعلق متطلبات الاهتزاز بمجالات مثل المحرك والهيكل؛ ويجب مراعاة الأداء المقاوم للماء في مناطق مثل حجرة المحرك والهيكل السفلي؛ ويجب مراعاة متطلبات الأداء في درجات الحرارة العالية لموصلات وموصلات الألياف الضوئية في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة. وفقًا لبيئات الاستخدام المختلفة للسيارات، يمكن تقسيم مناطق تخطيط السيارة بأكملها تقريبًا إلى مناطق رطبة، ومناطق محتملة الرطبة ومناطق جافة.
(1) تشير المناطق الرطبة إلى المناطق التي من المحتمل أن تتلامس فيها الأسلاك والموصلات مع السوائل في سيناريوهات الاستخدام العادي، مثل موصلات الحزام في المناطق خارج مقصورة الركاب مثل الهيكل وحجرة المحرك. وفي الطقس الممطر أو الثلجي، فإن هذه المناطق سوف تتلامس مع السوائل المختلفة إلى حد ما، سواء أثناء القيادة أو عند ركن السيارة.
(2) تشير المناطق التي يحتمل أن تكون رطبة إلى المناطق التي قد تتلامس فيها موصلات الحزام مع السوائل في بعض سيناريوهات الاستخدام اليومي، مثل عند فتح الأبواب تحت المطر، أو انسكاب أكواب الماء، أو ذوبان العناصر المجمدة، أو قطرات التكثيف. على سبيل المثال، أرضية مقصورة الركاب، ومساند أذرع الأبواب، وأسطح المقاعد، وما إلى ذلك.
(3) تشير المناطق الجافة تمامًا إلى المناطق التي من غير المرجح أن تتلامس فيها موصلات مجموعة الأسلاك مع السوائل في ظل سيناريوهات الاستخدام العادي للسيارة، مثل الجزء الداخلي من لوحة القيادة والجزء الداخلي من بطانة السقف. تجدر الإشارة إلى أن متطلبات الختم المقاوم للماء لموصلات مجموعة الأسلاك تتناقص بشكل تسلسلي من المناطق الرطبة، والمناطق التي يحتمل أن تكون رطبة إلى المناطق الجافة.

②حلول تطبيق تسخير الألياف الضوئية
بالإضافة إلى تلبية متطلبات الأداء الكهربائي، فإن تطبيق كابلات الألياف الضوئية في السيارات غالبًا ما يتطلب تلبية متطلبات الأداء الميكانيكي. من الضروري مراعاة تصنيف درجة الحرارة ومتطلبات الاهتزاز ومتطلبات مقاومة الماء لكابلات الألياف الضوئية. الحلول هي كما يلي:
(1) كابلات الألياف الضوئية: أولاً، يتم تنفيذ تصميم تبديد الحرارة عن طريق اختيار مواد مقاومة لدرجة الحرارة العالية وتحسين التصميم العام للمركبة. على سبيل المثال، يتم اختيار مواد الأسلاك المقاومة للحرارة العالية مثل سلك السيليكون وسلك XLPE. يمكن لهذه المواد الحفاظ على العزل في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. ثانيًا، يتم استخدام عمليات خاصة، مثل الطلاء المزدوج الطبقة وتكنولوجيا المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية. وأخيرًا، تم تحسين التصميم في السيارة. على سبيل المثال، يتجنب تخطيط مجموعة الأسلاك مسار أنبوب عادم المحرك ومنطقة الدوامة ذات درجة الحرارة العالية. يتم الحصول على تخطيط أكثر تحسينًا من خلال الإدارة الحرارية.
في الوقت نفسه، يمكن أيضًا استخدام التغليف العازل للحرارة المقاوم للحرارة العالية في تخطيط أسلاك السيارة. على سبيل المثال، يتم استخدام أنبوب الألياف الزجاجية المصنوع من رقائق الألومنيوم المقاوم للحرارة العالية لتغليف الجزء الخارجي من كابل الألياف الضوئية، والذي يمكن أن يضمن بشكل فعال استخدام كابلات الألياف الضوئية في بيئات درجة الحرارة العالية في المركبات وتحسين مقاومة الشيخوخة.
في الوقت نفسه، من أجل ضمان إمكانية استخدام كابلات الألياف الضوئية في البيئات الرطبة، يمكن أيضًا تصميم الكابل البصري بهيكل وقائي متعدد الطبقات لمقاومة الماء بشكل فعال. على وجه التحديد، الطبقة الخارجية للكابل البصري عادة ما تكون عبارة عن غلاف بلاستيكي. لا يوفر هذا الغلاف الحماية الميكانيكية فحسب، بل يتمتع أيضًا بوظيفة معينة مقاومة للماء. يوجد داخل الغلاف البلاستيكي غلاف معدني، مما يعزز مقاومة الضغط للكابل البصري وقدرات العزل المائي. توجد داخل الغلاف المعدني طبقة حاجزة قابلة للانتفاخ بالماء، وهي حاجز حاسم ضد اختراق الرطوبة. إذا تسللت الرطوبة، تتوسع الطبقة الحاجزة بسرعة، مما يغلق مسار التسلل ويمنع المزيد من الانتشار. يشتمل قلب الكابل أيضًا على إجراءات العزل المائي. يتم تغليف الألياف الضوئية بإحكام بالشحم وربطها بمكونات أخرى داخل القلب. لا يقوم هذا الشحم بالتشحيم فحسب، بل الأهم من ذلك أنه يمتص ويحبس كميات ضئيلة من الرطوبة داخل القلب، مما يمنع تلف الألياف.
من خلال هذا الهيكل الواقي متعدد الطبقات، يمكن للكابل البصري الحفاظ على جفاف واستقرار الألياف في مختلف البيئات القاسية، مما يضمن النقل السلس لإشارات الاتصال. على سبيل المثال، فإن ألياف الكوارتز متعددة الأوضاع في حل التسخير البصري للسيارات الصادر عن شركة Yangtze Optical Fiber and Cable تلبي معايير فئة السيارات من حيث الانحناء (نصف القطر 10 مم)، وقوة الشد (150 نيوتن)، وخصائص درجة الحرارة (-40 درجة مئوية ~ 125 درجة مئوية)، والشيخوخة (125 درجة مئوية، 3000 ساعة)، والاهتزاز (V3).
(2) موصلات الألياف الضوئية: تشمل الطرق الرئيسية لتحسين مقاومة موصلات الألياف الضوئية لدرجة الحرارة تصميم هياكل تبديد الحرارة واختيار المواد المقاومة للحرارة العالية. من خلال تصميم تبديد الحرارة المعقول واستخدام مواد مقاومة للحرارة العالية، يمكن تحسين أداء وعمر موصلات الألياف الضوئية في البيئات ذات درجة الحرارة العالية بشكل فعال. أولاً، يعد تصميم هيكل تبديد الحرارة أمرًا أساسيًا لتحسين مقاومة موصلات الألياف الضوئية لدرجة الحرارة. موصلات الألياف الضوئية تولد الحرارة أثناء التشغيل؛ يمكن أن يساعد تصميم تبديد الحرارة المعقول في تقليل درجة حرارة الموصل وضمان تشغيله المستقر.

فيما يلي الطرق المحددة:
① المكونات المعدنية الاحتياطية لنقل الحرارة والمساعدة في تبديد الحرارة.
② تصميم زعانف تبديد الحرارة: قم بدمج زعانف تبديد الحرارة في غلاف الموصل للسماح باتصال أفضل للهواء وتبديد الحرارة من خلال المراوح أو الرياح الطبيعية.
③ استخدم غلافًا معدنيًا: استخدم مواد معدنية ذات أداء أفضل لتبديد الحرارة لتحسين كفاءة تبديد الحرارة. ثانيًا، يعد اختيار المواد المقاومة للحرارة العالية أمرًا ضروريًا أيضًا لتحسين مقاومة موصلات الألياف الضوئية لدرجة الحرارة.
المواد العادية تكون عرضة للشيخوخة أو التشوه في البيئات ذات درجات الحرارة العالية، في حين أن المواد المقاومة للحرارة العالية تكون أكثر قدرة على تحمل تأثيرات درجات الحرارة المرتفعة.
① بلاستيك هندسي عالي الجودة: استخدم بلاستيك هندسي عالي الجودة مقاوم لدرجات الحرارة المتوسطة والمنخفضة لبناء غلاف الموصل والهيكل الداخلي، مما يحسن مقاومة درجات الحرارة بشكل عام.
② مواد السبائك الخاصة: استخدم مواد السبائك الخاصة لبناء المكونات الرئيسية للموصل، مما يعزز مقاومتها لدرجات الحرارة العالية ومقاومة التشوه. على سبيل المثال، توفر Lytas Optics موصلات بصرية غير متصلة، والتي تتميز بتكرار تزاوج أعلى، وعمر تزاوج أطول، وفقدان تزاوج أقل، وحساسية أقل للغبار مقارنة بالموصلات الضوئية التقليدية.
③ يمكن استخدام أنابيب الانكماش الحراري للعزل المائي: ضع أنابيب الانكماش الحراري على منطقة التوصيل واستخدم سخان أنابيب الانكماش الحراري لتقليص الأنابيب. تتمثل وظيفة أنابيب الانكماش الحراري في حماية الألياف الضوئية ومنع دخول الرطوبة والملوثات. تأكد من أن أنابيب الانكماش الحراري تتناسب بإحكام مع الموصل والألياف الضوئية دون وجود فجوات. ضع كمية مناسبة من المادة المانعة للتسرب على الجزء الخارجي من أنبوب الانكماش الحراري لتعزيز أداء الموصل المقاوم للماء. تأكد من تطبيق المادة المانعة للتسرب بالتساوي وملء جميع الفجوات والمسام المحتملة، وانتظر حتى تجف المادة المانعة للتسرب وتتصلب، ثم قم بإجراء معالجة الختم. (3) يتم تحقيق الاتصال عالي السرعة من خلال الألياف الضوئية، ويكون منفذ التوصيل الكهربائي مسؤولاً عن تشغيل المستشعر. باختصار، تتمتع تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية بآفاق تطبيقية واسعة وإمكانات كبيرة في أنظمة اتصالات المركبات. في المستقبل، ستستمر تكنولوجيا اتصالات الألياف الضوئية في الاستفادة من مزاياها الفريدة وتوفير دعم قوي لتطوير أنظمة الاتصالات الإلكترونية للمركبات. في الوقت نفسه، مع التقدم المستمر والابتكار التكنولوجي والتحسين المستمر للحجم، سيتم تخفيض تكلفة اتصالات الألياف الضوئية في تطبيقات المركبات، وسوف تصبح الحلول أكثر نضجًا، وسوف تصبح الحل المفضل لحل احتياجات الاتصالات عالية السرعة في تطوير المركبات الذكية.

4.الاستنتاج

إن تطوير المركبات الذكية يفرض متطلبات على أنظمة الاتصالات، مما يتطلب سرعة عالية وخسارة منخفضة ومقاومة قوية للتداخل. بالمقارنة مع الأسلاك النحاسية للسيارات، توفر أسلاك اتصالات الألياف الضوئية العديد من المزايا. تحلل هذه الورقة بإيجاز سيناريوهات تطبيق حزم الألياف الضوئية والحلول المقابلة لها. ومع تطور المركبات الذكية، سيتم استخدام الألياف الضوئية للسيارات على نطاق واسع في السيارات.
(المصدر: [1] معرفة السيارات. 2024، 24 (11)، المؤلف: جيان تشونغ جيان، ليو تشي تشيانغ، وانغ دينجكي. معهد أبحاث هندسة السيارات التابع لمجموعة GAC
[2] أسلاك تسخير الصين. 2026، 5)