1. ลักษณะพื้นฐานของคลื่นวิทยุ

WWW.WHWIRELESS.COM

เวลาอ่านโดยประมาณ: 15 นาที

1.1 นิยามของคลื่นวิทยุ

คลื่นวิทยุทำหน้าที่เป็นตัวนำสัญญาณและพลังงาน ซึ่งเกิดจากการจับคู่กันของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สั่นไหว โดยเป็นไปตามกฎการจับคู่แบบสลับกันที่ว่า "ไฟฟ้าก่อให้เกิดแม่เหล็ก และแม่เหล็กก่อให้เกิดไฟฟ้า" ในระหว่างการแพร่กระจาย สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจะตั้งฉากกันเสมอ และทั้งสองสนามจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น ทำให้คลื่นเหล่านี้เป็น **คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามขวาง (TEM waves)**

คลื่นวิทยุเกิดขึ้นจากวงจรการสั่นความถี่สูง: เมื่อกระแสในวงจรเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วตามเวลา จะเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับขึ้นในบริเวณโดยรอบ เมื่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้านี้แยกตัวออกจากแหล่งกำเนิดคลื่น มันจะแพร่กระจายไปในอวกาศในรูปของคลื่นวิทยุ โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางใดๆ แม้แต่ในสุญญากาศก็สามารถส่งผ่านได้

1.2 ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น ความถี่ และความเร็วในการแพร่กระจาย

สูตรหลักที่ควบคุมความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่น (λ) ความถี่ (f) ของคลื่นวิทยุและความเร็วในการแพร่กระจาย (ความเร็วแสง \( C \) ในสุญญากาศ ประมาณ \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) คือ:

[ แลมบ์ดา = C/f ]

**ข้อสรุปสำคัญ**: ในตัวกลางเดียวกัน ความถี่และความยาวคลื่นมีความสัมพันธ์ผกผันกันอย่างเคร่งครัด กล่าวคือ ความถี่สูง ความยาวคลื่นยิ่งสั้น ความสัมพันธ์นี้ส่งผลโดยตรงต่อขนาดการออกแบบของเสาอากาศ ตัวอย่างเช่น ความยาวคลื่นของ... Wi-Fi 2.4GHz สัญญาณมีความยาวประมาณ 12.5 ซม. ซึ่งสอดคล้องกับความยาวของเสาอากาศไดโพลครึ่งคลื่นประมาณ 6.25 ซม. สำหรับ 700MHz สัญญาณสื่อสารความถี่ต่ำ มีความยาวคลื่นประมาณ 42.8 เซนติเมตร ซึ่งต้องใช้เสาอากาศไดโพลครึ่งคลื่นที่มีความยาว 21.4 เซนติเมตร นอกจากนี้ ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของเสาอากาศ (เช่น ประสิทธิภาพการแผ่รังสี อัตราขยาย และอิมพีแดนซ์) ยังสัมพันธ์โดยตรงกับ **ความยาวทางไฟฟ้า** (อัตราส่วนของความยาวทางกายภาพต่อความยาวคลื่น) ในทางวิศวกรรมภาคปฏิบัติ ความยาวทางไฟฟ้าที่ต้องการจะต้องถูกแปลงเป็นความยาวทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจงเพื่อให้แน่ใจว่าเสาอากาศทำงานได้อย่างถูกต้อง

1.3 การโพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุ

การโพลาไรเซชันหมายถึงกฎการเปลี่ยนแปลงของทิศทางสนามไฟฟ้าเมื่อคลื่นวิทยุแพร่กระจาย โดยกำหนดจากวิถีการเคลื่อนที่เชิงพื้นที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า ทำให้เกิดสเปกตรัมที่สมบูรณ์: **โพลาไรเซชันแบบวงกลม ← โพลาไรเซชันแบบวงรี → โพลาไรเซชันแบบเส้นตรง** คุณลักษณะหลักและสถานการณ์การใช้งานของทั้งสามแบบมีดังต่อไปนี้:

- **การโพลาไรซ์เชิงเส้น**: ทิศทางของสนามไฟฟ้าคงที่ เป็นรูปแบบการโพลาไรซ์ที่ใช้กันมากที่สุด คลื่นที่มีสนามไฟฟ้าตั้งฉากกับพื้นเรียกว่า **คลื่นโพลาไรซ์แนวตั้ง** ซึ่งมีความต้านทานต่อการสะท้อนจากพื้นสูงและเหมาะสำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่ภาคพื้นดิน (เช่น สถานีฐาน 2G/3G แบบดั้งเดิม) ส่วนคลื่นที่มีสนามไฟฟ้าขนานกับพื้นเรียกว่า **คลื่นโพลาไรซ์แนวนอน** ซึ่งใช้กันทั่วไปในการส่งสัญญาณวิทยุและโทรทัศน์ การสื่อสารแบบถ่ายทอดคลื่นไมโครเวฟ และสถานการณ์อื่นๆ

- **การโพลาไรซ์แบบวงกลม**: วิถีการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเป็นวงกลม แบ่งออกเป็น **การโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย** และ **การโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา** ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นพร้อมกันได้ (เสาอากาศซ้ายสามารถรับคลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้ายได้เท่านั้น และในทางกลับกัน) ข้อได้เปรียบหลักคือมีความต้านทานสูงต่อการรบกวนจากหลายเส้นทางและการบิดเบี้ยวของโพลาไรซ์ ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการสื่อสารผ่านดาวเทียม (เช่น เป่ยโต่ว , จีเอส ดาวเทียม), การควบคุมระยะไกลของยานบินไร้คนขับ (UAV) และสถานการณ์อื่นๆ

- **การโพลาไรซ์แบบวงรี**: วิถีการเคลื่อนที่ของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเป็นรูปวงรี ซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปของการโพลาไรซ์ โดยการโพลาไรซ์แบบวงกลมเกิดขึ้นเมื่อแกนหลักและแกนรองของวงรีเท่ากัน และการโพลาไรซ์แบบเส้นตรงเกิดขึ้นเมื่อแกนรองเข้าใกล้ศูนย์ ในสภาพแวดล้อมการสื่อสารจริง เนื่องจากการสะท้อนหลายเส้นทาง การบดบังจากสิ่งกีดขวาง และปัจจัยอื่นๆ คลื่นโพลาไรซ์แบบเส้นตรงหรือแบบวงกลมบริสุทธิ์มักจะถูกแปลงเป็นคลื่นโพลาไรซ์แบบวงรี

1.4 การแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง

เมื่อคลื่นวิทยุแพร่กระจาย นอกเหนือจากคลื่นตรงแล้ว ยังมีการสะท้อน การเลี้ยวเบน และการส่งผ่านเมื่อพบกับสิ่งกีดขวาง เช่น เนินเขา ป่าไม้ และอาคาร ทำให้สถานีรับสัญญาณได้รับคลื่นวิทยุหลายเส้นทางพร้อมกัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า **การแพร่กระจายแบบหลายเส้นทาง** ผลกระทบหลักๆ ได้แก่: (1) ทำให้การกระจายความแรงของสัญญาณซับซ้อนขึ้น ทำให้เกิด "การลดทอนสัญญาณเนื่องจากเงา" และ "การลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็ว" และนำไปสู่ความผันผวนอย่างรุนแรงของความแรงของสัญญาณที่ปลายทางรับสัญญาณ; (2) เปลี่ยนทิศทางการโพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุ ส่งผลให้เกิดความไม่ตรงกันของการโพลาไรซ์และลดความแรงของสัญญาณที่ได้รับ; (3) สร้างการกระจายความล่าช้า (ความแตกต่างของเวลาที่เกิดขึ้นระหว่างสัญญาณที่มาถึงผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน) ทำให้เกิดการรบกวนระหว่างสัญลักษณ์; (4) ทำให้เกิดการซ้อนทับ (การเสริมแรง) หรือการหักล้าง (การลดทอน) ของสัญญาณในพื้นที่ ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างความแตกต่างของเส้นทางและความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น ในพื้นที่เมืองที่มีความหนาแน่นสูง การสะท้อนจากอาคารจะสร้างสัญญาณหลายเส้นทางจำนวนมาก นำไปสู่ความผันผวนบ่อยครั้งของความแรงของสัญญาณที่โทรศัพท์มือถือได้รับ

แนวทางแก้ปัญหาหลักในเรื่องนี้คือ **เทคโนโลยีการรับสัญญาณแบบหลากหลาย** ซึ่งรับและรวมสัญญาณจากหลายเส้นทางเพื่อลดการรบกวน โดยแบ่งออกเป็นสองประเภท:

1. **การกระจายสัญญาณตามระยะทาง**: ใช้เสาอากาศแบบโพลาไรซ์เดี่ยวหลายตัวที่มีการจัดวางตำแหน่งที่เหมาะสม (ระยะห่างมากกว่า 10 เท่าของความยาวคลื่น) เพื่อรับสัญญาณผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่มีความต้องการโพลาไรซ์ต่ำ

2. **การกระจายการโพลาไรซ์**: ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเชิงตั้งฉากของเสาอากาศแบบโพลาไรซ์คู่เพื่อรับสัญญาณโพลาไรซ์แนวตั้งสองสัญญาณพร้อมกัน (เช่น +45°/-45°) เนื่องจากความสัมพันธ์ของสัญญาณต่ำ ผลลัพธ์รวมจึงช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือในการรับสัญญาณได้อย่างมาก ทำให้เป็นโซลูชันหลักในปัจจุบัน 5G สถานีฐาน

WWW.WHWIRELESS.COM