ไมโครเวฟ

ไมโครเวฟ (microwave) เป็นคลื่นความถี่วิทยุชนิดหนึ่งที่มีความถี่อยู่ระหว่าง 1GHz - 300GHz ส่วนในการใช้งานนั้นส่วนมากนิยมใช้ความถี่ระหว่าง 1GHz - 60GHz เพราะเป็นย่านความถี่ที่สามารถผลิตขึ้นได้ด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์




การค้นพบ


ในปี ค.ศ.1940 ของสองนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ คือ จอห์น แรนดอลล์และ เอช เอ บู๊ตได้ประดิษฐ์อุปกรณ์ที่เรียกกันว่า "แม็กนีตรอน" ใช้ผลิตพลังงานไมโครเวฟ ซึ่งเป็นการแผ่รังสีคลื่นสั้นรูปแบบหนึ่ง โดยจุดประสงค์ครั้งแรกคือ ใช้ในการปรับปรุงระบบเรดาร์ที่ใช้ในสงครามโลกครั้งที่ 2เปอร์ซี่ เลอ บารอน สเปนเซอร์ เป็นนักฟิสิกส์ที่ทำงานให้กับ บริษัท เรทีออน ผู้ผลิตอุปกรณ์เรดาร์ เขาพบว่า เมื่อเขาใช้เครื่องแม็กนีตรอน รังสีที่ได้ให้ความร้อนออกมาด้วย เขาจึงหาวิธีที่จะนำเอาความร้อนนี้มาใช้ ในไม่ช้าเขาก็ใช้แม็กนีตรอนละลายช็อกโกเล็ตและทำข้าวโพดคั่วของเขาไมโครเวฟทำให้โมเลกุลของอาหารเกิดการสั่นสะเทือน ดังนั้นอาหารจึงร้อนขึ้นและขบวนการนี้เกิดขึ้นเร็วมาก คลื่นนี้ไม่ทำให้สิ่งที่ทำจากกระดาษ กระเบื้องเคลือบ หรือแก้วร้อนขึ้น การใช้ไมโครเวฟในการปรุงอาหารนอกจากจะสะดวก ใช้เวลาสั้นลงแล้วยังประหยัดพลังงานอีกด้วยใน ค.ศ.1945 เริ่มมีการผลิตเตาไมโครเวฟออกจำหน่ายแต่ยังมีขนาดใหญ่ไม่เหมาะกับการใชในครัวทั่วไป ต้องใช้เวลาอีกนานกว่าจะสามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กและราคาถูกลงจึงเริ่มเป็นที่นิยมใช้ตามบ้าน



เนื่องจากความถี่ไมโครเวฟสามารถนำไปใช้งานได้กว้างขวาง แต่ในบทความต่อไปนี้จะกล่าวถึงการนำไปใช้กับวิทยุสื่อสาร



ช่วงความถี่คลื่นไมโครเวฟในงานวิทยุ


คลื่นความถี่ไมโครเวฟสามารถแบ่งเป็นช่วงย่อยๆ ตามการกำหนดของ Radio Society of Great Britain (RSGB) ดังตารางต่อไปนี้:



Letter Designation ช่วงความถี่

L band 1 to 2 GHz

S band 2 to 4 GHz

C band 4 to 8 GHz

X band 8 to 12 GHz

Ku band 12 to 18 GHz

K band 18 to 26.5 GHz

Ka band 26.5 to 40 GHz

Q band 30 to 50 GHz

U band 40 to 60 GHz

V band 50 to 75 GHz

E band 60 to 90 GHz

W band 75 to 110 GHz

F band 90 to 140 GHz

D band 110 to 170 GHz (Hot)

 
 
ลักษณะของคลื่นวิทยุไมโครเวฟ


เช่นเดียวกับลักษณะทั่วไปของคลื่น คลื่นวิทยุไมโครเวฟจะมีลักษณะดังต่อไปนี้



เดินทางเป็นเส้นตรง

สามารถหักเหได้ (Refract)

สามารถสะท้อนได้ (Reflect)

สามารถแตกกระจายได้ (Diffract)

สามารถถูกลดทอนเนื่องจากฝน (Attenuate)

สามารถถูกลดทอนเนื่องจากชั้นบรรยากาศ

 
 
การใช้งานวิทยุไมโครเวฟ


ในการใช้งานคลื่นไมโครเวฟนั้นก็จะแบ่งการใช้งานได้ดังนี้



ระบบเชื่อมต่อสัญญาณในระดับสายตา ใช้ในงานสื่อสารโทรคมนาคมระหว่างจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง อย่างเช่น การโทรศัพท์ทางไกล ใช้การส่งผ่านสัญญาณโทรศัพท์จากจุดหนึ่ง ไปยังสถานีทวนสัญญาณจากจุดหนึ่งและส่งผ่านสัญญาณไปเรื่อยๆ จนถึงปลายทาง และในการส่งโทรทัศน์ก็จะทำการส่งสัญญาณโทรทัศน์จากห้องส่งไปยังเครื่องส่งไมโครเวฟ ส่งไปทางสายอากาศ และแพร่กระจากคลื่นของโทรทัศน์ของสถานีนั้นๆ ระยะห่างของสถานีสัญญาณจะเป็นดังนี้ ถ้าความถี่สูงระยะห่างก็จะน้อยแต่ถ้า ความถี่ของคลื่นไมโครเวฟต่ำระยะห่างของสถานีทวนสัญญาณก็จะมาก

ระบบเหนือขอบฟ้า ซึ่งเป็นระบบสื่อสารไมโครเวฟที่ใช้ชั้นบรรยากาศห่อหุ้มโลก ชั้นโทรโพสเฟียร์ ช่วยในการสะท้อนและหักเหคลื่นความถี่ไมโครเวฟ ให้ไปถึงปลายทาง ให้ได้ระยะทางมากขึ้น การใช้ในรูปแบบนี้ไม่ค่อยนิยมเท่าไรหรอกจะใช้เฉพาะในกรณีที่จำเป็นเท่านั้น เช่น ในเขตที่ไม่สามารถตั้งสถานีทวนสัญญาณได้ เป็นประการฉะนี้ เนื่องจากการใช้งานรูปแบบนี้สามารถทำได้ในระยะทางที่ไกลมาก ดังนั้นในการส่งคลื่นจึงทำให้คลื่นมีการ กระจัดกระจายได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องส่งที่มีกำลังส่งที่สูงและสายอากาศที่รับต้องมีอัตราการขยายสัญญาณที่สูง เช่นเดียวกัน

ระบบดาวเทียม เป็นการใช้สถานีทวนสัญญาณลอยอยู่เหนือพื้นโลกกว่า 30,000 กิโลเมตร โดยการใช้ดาวเทียมทำหน้าที่เป็นสถานีทวนสัญญาณการใช้ระบบนี้สามารถทำการสื่อสารได้ไกลมากๆ ได้ ซึ่งเป็นระบบที่นิยมใช้ระบบหนึ่งในปัจจุบัน นิยมใช้มาก

ระบบเรดาร์ ระบบนี้จะเป็นการใช้ไมโครเวฟ ในการตรวจจับวัตถุต่างโดยการส่งคลื่นไมโครเวฟออกไป ในมุมแคบ แล้วไปกระทบวัตถุที่อยู่ไกลออกไป และจากนั้นคลื่นก็จะสะท้อนกลับมาแล้วนำสัญญาณที่ได้รับเทียบกับสัญญาณเดิม แล้วเราค่อยนำไปแปรค่าเป็นข้อมูลต่างๆ อีกที

ระบบเตาไมโครเวฟ ระบบนี้เป็นการส่งคลื่นไมโครเวฟ ที่มีกำลังสูงส่งในพื้นที่แคบๆ ที่ทำด้วยโลหะ คลื่นไมโครเวฟนี้ก็จะสะท้อนโลหะนั้นทำให้มีคลื่นไมโครเวฟ กระจัดกระจายอยู่พื้นที่นั้นสามารถ นำไปใช้ในการทำอาหารได้

 
ข้อดีในการใช้วิทยุไมโครเวฟในการสื่อสาร


คุณสมบัติการกระจายคลื่นไมโครเวฟคงที่

ทิศทางของสายอากาศเป็นแนวพุ่งตรงไปในทิศทางที่ต้องการ

อัตราขยายสัญญาณของสายอากาศสูง

สามารถทำให้อัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนดีขึ้น คือมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นน้อย

สามารถส่งคลื่นได้ในย่านกว้างเพราะคลื่นมีความถี่สูงมาก

เครือข่ายมีความน่าเชื่อถือสูงในการใช้งาน

ปลอดภัยจากการเกิดภัยธรรมชาติ เช่น น้ำท่วม แผ่นดินไหว

การรบกวนที่เกิดจากมนุษย์ทำขึ้นมีน้อย เช่น อุบัติเหตุ การก่อสร้าง ไฟไหม้

การก่อสร้างทำได้ง่าย และเร็ว

สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างน้อย ใช้ค่าใช้จ่ายน้อยแต่คุณภาพสูง

 
การสื่อสารไมโครเวฟ




สถานีรับส่งสัญญาณไมโครเวฟที่ Wrights Hill เมือง Wellington ประเทศนิวซีแลนด์การสื่อสารไมโครเวฟ วิธีที่นิยมใช้กันมากก็คือการสื่อสารในระดับสายตา ใช้ในการสื่อสารข้อมูลข่าวสารในปริมาณมากๆ เส้นทางในการสื่อสารนี้จะประมาณ 50-80 กิโลเมตร และไม่มีสิ่งกีดขวาง แต่ถ้าต้องการสื่อสารในระยะไกลกว่านี้ จะต้องมีสถานีทวนสัญญาณเพื่อ ให้รับสัญญาณและทำการขยายแล้วส่งสัญญาณต่อไป จนถึงปลายทางได้

 
 

 
 
 
 
 
สถานีทวนสัญญาณไมโครเวฟ


สถานีทวนสัญญาณไมโครเวฟ ใช้ในการสื่อสารไมโครเวฟในระดับสายตา เนื่องจากการสื่อสารในรูปแบบนี้มีผลต่อส่วนโค้งของโลก ดังนั้นในการสื่อสารไมโครเวฟนี้จะต้องมีสถานีทวนสัญญาณในระยะทุกๆ 50-80 กม. ซึ่งสถานีทวนสัญญาณจะทำการถ่ายทอด สัญญาณจากสถานีต้นทางทำการรับสัญญาณมาและทำการขยายสัญญาณ ให้แรงขึ้นแล้วก็ทำการส่งสัญญาณต่อไปจนถึงปลายทาง



สถานีทวนสัญญาณข่าวสารข้อมูล จะทำการเปลี่ยนแปลงความถี่ที่รับเข้ามาให้เหลือเพียงความถี่ ข่าวสารข้อมูลก่อน แล้วก็ทำการขยายสัญญาณให้แรงขึ้นอีกที จากนั้นก็นำไปผสมกับความถี่ไมโครเวฟความถี่ใหม่ แล้วทำการส่งออกไป ข้อดีของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้คือ สามารถดึงสัญญาณข่าวสารข้อมูลมาใช้ได้ และสามารถทำการนำข่าวสารข้อมูลใหม่แทรกเข้าไปได้ด้วย ข้อเสียของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้คือ จะเกิดสัญญาณรบกวนแทรกเข้ามา และระดับความแรงของสัญญาณข่าวสารข้อมูลไม่คงที่

สถานีทวนสัญญาณความถี่ IF สถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้จะทำการเปลี่ยนความถี่ที่รับเข้ามาให้เป็นความถี่ IF ก่อนแล้วจึงทำการขยายสัญญาณให้แรงขึ้นอีกที จากนั้นก็ค่อยทำการผสมกับคลื่นไมโครเวฟ ความถี่ใหม่ แล้วจึงทำการส่งออกไป ข้อดีของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้คือ อัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนดีขึ้น ระดับความแรงของสัญญาณข้อมูลข่าวสารคงที่ ข้อเสียของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบคือ ไม่สามารถดึงสัญญาณข้อมูลข่าวสารมาใช้ได้และไม่สามารถแทรกสัญญาณข้อมูลใหม่เข้าไปได้

สถานีทวนสัญญาณความถี่ RF สถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้ จะทำการเปลี่ยนความถี่ RF เดิมไปเป็นความถี่ RF ใหม่ โดยตรงก่อนแล้วค่อยทำการส่งออกไป ข้อดีของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบคือ มีอัตราส่วนของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนดีมาก สัญญาณข้อมูลข่าวสารมีความคงที่ ข้อเสียของสถานีทวนสัญญาณรูปแบบนี้คือ มีราคาแพงมาก และยังไม่สามารถดึงสัญญาณข้อมูลข่าวสารมาใช้ได้ และยังไม่สามารถนำสัญญาณข้อมูลใหม่แทรกเข้าไปได้ และยังมีความยุ่งยากในการออกแบบวงจรอีกด้วย

 
เวฟไกด์


เวฟไกด์ หรือว่าท่อนำคลื่น นี้ เป็นสายส่งสัญญาณชนิดหนึ่ง-ที่ใช้ใน การส่งคลื่นไมโครเวฟ โดยทั่วไปจะมีลักษณะเป็นท่อกลม หรือท่อเหลี่ยม แล้วแต่จะทำมาและก็จะ ทำมาจากทองแดงหรืออะลูมิเนียม ด้านในฉาบด้วยเงินเพื่อให้เป็นตัวนำที่ดี สาเหตุที่สายนำสัญญาณต้องทำเป็นท่อนี้ก็เพราะว่า คลื่นไมโครเวฟมีความถี่สูงมากจะเดินทางได้ดีที่บริเวณผิวของตัวนำถ้าหากใช้สายนำสัญญาณทั่วไปจะทำให้เกิดการสูญเสียงพลังงานไปได้ จึงต้องทำเป็นท่อเพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานจากผิวของสายสัญญาณ ความถี่ต่ำสุดที่สามารถใช้งานได้กับเวฟไกด์เรียกว่า ความถี่คัตออฟ ซึ่งถ้าความถี่สูงกว่าความถี่ คัตออฟ จะสามารถเดินทางไปบนเวฟไกด์ได้ ส่วนความถี่ที่ต่ำกว่านี้จะไม่สามารถเดินทางบนเวฟไกด์ได้ ในการเดินทางของคลื่นไมโครเวฟในเวฟไกด์นั้น จะเดินทางโดยการสะท้อนผนังท่อ และเดินทางไปตามความยาวของท่อนำคลื่น และความถี่ที่สูงก็สามารถเดินทางได้ไกลกว่าความถี่ที่ต่ำ



รูปแบบในการเกิดคลื่นในเวฟไกด์ ก็จะมีอยู่ 2 รูปแบบด้วยกัน คือ



รูปแบบสนามไฟฟ้าตัดขวาง ซึ่งเป็นรูปแบบที่ไม่มีส่วนประกอบของสนามไฟฟ้าในทิศทางการแพร่กระจายคลื่น โดยสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

รูปแบบสนามแม่เหล็กตัดขวาง เป็นรูปแบบที่ไม่มีส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กในทิศทางการแพร่กระจายคลื่น โดยสนามแม่เหล็กจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเสมอ

 
สายอากาศแบบฮอร์น


สายอากาศแบบฮอร์นนี้ เป็นสายอากาศที่นิยมใช้กันมากที่สุดเพราะมีกำลังการขยายสูงประกอบด้วยท่อนำคลื่นตอนปลายเปิดกว้างออกมากกว่าปกติ การที่จะทำให้อัตราการขยายสูงนั้น ทำโดยการเพิ่มจานสะท้อนคลื่นแบบพาลาโบลา เข้าไปด้วย ในการใช้สายอากาศแบบฮอร์นนี้ต้องใช้ร่วมกับจานสะท้อนคลื่นแบบพาลาโบลา ที่เรียกว่า ตัวสะท้อนคลื่นพาลาโบลิก และตำแหน่งของฮอร์น ต้องวางในตำแหน่งโฟกัสของตัวสะท้อนคลื่น เพราะเป็นตำแหน่งรวมคลื่นทั้งหมด



อ้างอิง


Pozar, David M. (1993). Microwave Engineering Addison-Wesley Publishing Company. ISBN 0-201-50418-9.