ระบบไมโครเวฟ

ระบบไมโครเวฟ

ระบบไมโครเวฟที่ใช้เชื่อมโยงระหว่างระบบโทรศัพท์

      คลืนไมโครเวฟ โดยอ้างอิงจากย่านความถี่ (๑ จิกะเฮิร์ตซ์ ถึง ๑๐๐ จิกะเฮร์ตซ์) มีการประยุกต์ใช้หลากหลายรูปแบบ เช่นระบบสื่อสารผ่าน
ดาวเทียม ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ระบบนำทาง ระบบตรวจสอบวัตถุต้องสงสัยหรือเรดาห์ (Radar) ตลอดจนใช้ในตู้อบไมโครเวฟเพื่อทำความร้อนให้กับอาหาร สำหรับระบบสื่อสารโทรคมนาคม คลื่นมโครเวฟจะมีบทบาทหลักในการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูล ในรูปแบบของการสื่อสารไร้สาย (Microwave Link) ที่ใช้งานความถี่ตั้งแต่ ๒ จิกะเฮิร์ตซ์ขึ้นไป ส่วนหนึ่งของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นตัวอย่างการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูลระหว่างสถานีฐานกับชุมสายโทรศัพท์เคลื่อนที่แบ่งได้เป็น ๔ รูปแบบ คือ ๑) แบบใช้สาย ผ่านคู่สายเช่าของเครือข่ายโทรศัพท์แบบดิจิทัล ๒) แบบไร้สาย ผ่านคลื่นวิทยุย่านความถี่ ๘๐๐
เมกะเฮิร์ตซ์ ๓) แบบไร้สาย ผ่านคลื่นไมโครเวฟ และ ๔) แบบใช้สายเส้นใยนำแสง
    ในการใช้งานจะมีการเลือกใช้รูปแบบการเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูล ที่เหมาะสมกับสถานที่และลักษณะการใช้งาน กล่าวคือ หากมีความต้องการด้านความจุของระบบสื่อสาร (ข้อมูลปริมาณมาก) การสื่อสารผ่านคู่สายเช่า คลื่นไมโครเวฟและเส้นใยนำแสงจะเป็นทางเลือกที่เหมาะสม คู่สายเช่าและเส้นใยนำแสงจะเป็นทางเลือกที่ดีกว่าถ้ามีการจัดวางเครือข่ายในพื้นที่ใช้งานอยู่แล้ว แต่ถ้าไม่มีเครือข่ายดังกล่าวติดตั้งในพื้นที่ การสื่อสารผ่านอุปกรณ์ไมโครเวฟที่ติดตั้งบนเสาสูงก็เป็นทางเลือกที่ดี เพราะการติดตั้งทำได้รวดเร็วและต้นทุนต่ำ

 หลักการพื้นฐาน
     การเดินทางของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ในย่านไมโครเวฟ (Microwave Propagation) จะมีการลักษณะเดินทางเป็นเส้นตรง ถูกจัดอยู่ในรูปแบบของคลื่นอวกาศ (Space Wave) ดังแสดงในรูปที่ ๓ การเดินทางของคลื่นผ่านชั้นบรรยากาศของโลกมีการหักเหทิศทางของสัญญาณน้อย ซึ่งเหมาะสมกับการเชื่อมโยงระบบสื่อสาร อย่างไรก็ตามหากคลื่นไมโครเวฟเดินทางผ่านจุดที่มีการสะสมของฝุ่นควัน อาจทำให้เกิดการลดทอนและการหักเหทิศทางของสัญญาณได้
      การเชื่อมโยงระบบสื่อสารข้อมูลโดยคลื่นไมโครเวฟ มีลักษณะการติดตั้งใช้งานแบบจุดต่อจุด (ฮอบ:Hop) ต่อเนื่องกันไปบนพื้นดิน
(Terrestrial Microwave) เพื่อส่งสัญญาณเสียง ภาพเคลื่อนไหว หรือข้อมูลใดๆ ที่ถูกแปลงให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัล
จำนวนหลาย ๆ ช่องสัญญาณ จากสถานีต้นทางไปยังสถานีปลายทาง
       ลักษณะการใช้งานคลื่นไมโครเวฟ โดยสายอากาศที่ใช้ เป็นแบบมีทิศทาง (Directional Antennas) ติดตั้งอยู่บนเสาสูง
และมีระยะห่างจากพื้นดิน ๑๐๐ ถึง ๒๐๐ ฟุต ระยะห่างระหว่างสถานีส่งและสถานีรับจะถูกจำกัดในช่วง ๓๐ ถึง ๕๐ กิโลเมตร หรือระยะเส้นสายตา
(Line-of-Sight) เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟเดินทางเป็นเส้นตรง แต่ผิวโลกมีลักษณะโค้ง ถ้าระยะห่างระหว่างสถานีมีค่ามากเกินระยะดังกล่าว
คลื่นไมโครเวฟจากสถานีต้นทางจะถูกหักเหโดยขอบโลกหรือวัตถุต่าง ๆ บนพื้นโลก ทำให้คลื่นไมโครเวฟไม่สามารถเดินทางไปถึงสถานีปลายทางได้
การติดตั้งอุปกรณ์บนเสาที่สูงขึ้น ก็จะสามารถเพิ่มระยะทางในการสื่อสารได้ไกลมาขึ้น

     ความถี่ใช้งานในการเชื่อมโยงระบบสื่อสารผ่านคลื่นไมโครเวฟ จะเห็นได้ว่าการใช้ความถี่สูงขึ้น ส่งผลให้แถบความถี่ใช้งานมีค่ามากขึ้น จำนวนช่องสัญญาณเพิ่มขึ้นหรือกล่าวได้ว่าสามารถส่งข้อมูลได้จำนวนมากขึ้น เมื่อเพิ่มความถี่ขึ้นไปถึงจุด ๆ หนึ่ง ระยะทางในการสื่อสารขั้นต่ำระหว่างสถานีจะลดลง ซึ่งเป็นผลจากคุณสมบัติของคลื่นไมโครเวฟความถี่สูง ซึ่งแม้ไม่มีผลกระทบจากเมฆหมอกหรือฝุ่นควัน แต่ในขณะที่ฝนตก ทั้งขนาดของเม็ดฝนและอัตราการตกของฝนจะมีผลกระทบต่อการลดทอนของสัญญาณ ดังนั้นการออกแบบติดตั้งระบบไมโครเวฟความถี่สูงจึงต้องมีการประมาณการฝนตกในพื้นที่นั้น ๆ ก่อน อาจจะต้องลดระยะทางลงเพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้ตลอด

ความถี่(GHz)
แถบกว้างความถี่(MHz)
ระยะทางขั้นต่ำ  (km)

ในกรณีที่สถานีต้นทางและปลายทางมีระยะทางห่างกันมาก จะมีการเพิ่มสถานีทวนสัญญาณ (Relay Station) ระหว่างสถานีดังกล่าวและในกรณีที่มีอุปสรรคในการติดตั้งระบบในพื้นที่ หรือต้องการรับส่งในพื้นที่กว้างหรือระยะทางไกล ก็สามารถใช้ดาวเทียมเป็น
สถานีทวนสัญญาณได้ (Satellite Microwave) แต่ต้องเพิ่มต้นทุนในการเช่าใช้ช่องสัญญาณดาวเทียม ระบบสื่อสาร

 เทคโนโลยี
     เนื่องจากคลื่นไมโครเวฟเป็นคลื่นความถี่สูงและเดินทางเป็นเส้นตรง อุปกรณ์ที่ใช้ในระบบ เช่นเครื่องรับ-ส่งสัญญาณ สายส่งสัญญาณหรือสายอากาศ จะถูกออกแบบขึ้นเป็นพิเศษเพื่อความเหมาะสมในการใช้งาน โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนี้

       ๑ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการสื่อสารไมโครเวฟ
๑.๑ หลอดสูญญากาศ (Vacuum Tube)
              หลอดสุญญากาศในการสื่อสารไมโครเวฟ ทำหน้าที่หลักในการขยายสัญญาณความถี่สูง (Amplifier) มีใช้ทั้งในภาคส่งและภาครับสัญญาณ มีหลายชนิดแต่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ ทราเวลลิ่งเวฟทิวบ์ (Traveling-wave Tube: TWT) ซึ่งแบ่งย่อยออกได้เป็นสี่ชนิด ตามลักษณะการใช้งาน
๑.๒ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
              เนื่องจากหลอดสูญญากาศมีขนาดใหญ่ กำลังขยายสูง และมีความยุ่งยากในการใช้งาน อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีขนาดเล็ก สัญญาณรบกวนต่ำและกำลังขยายที่น้อยกว่า จึงถูกนำมาปรับใช้กับบางส่วนในระบบสื่อสาร เช่น ภาครับสัญญาณ วงจรสร้างสัญญาณความถี่สูง (Oscillator) รวมถึงภาคส่งสัญญาณที่มีกำลังส่งต่ำถึงปานกลาง
๑.๓ แผ่นวงจรพิมพ์และการออกแบบ
              แผ่นวงจรพิมพ์ที่ใช้ในงานย่านความถี่ไมโครเวฟ จะสร้างขึ้นโดนวัสดุที่แตกต่างออกไป และในการออกแบบเส้นลายวงจร จะต้องคำนึงถึงค่า
อิมพิแดนซ์ของเส้นลายวงจรเพราะถือว่าเป็นสายส่งสัญญาณ(Transmission Line) ชนิดหนึ่ง นอกจากนั้นวงจรบางส่วน เช่นวงจรกรองความถี่ ก็สามารถ
ออกเส้นลายวงจรเพื่อทำหน้าที่เป็นวงจรดังกล่าวได้

       ๒ สายส่งสัญญาณ (Transmission Line)
       สายส่งสัญญาณที่ใช้ในระบบสื่อสารไมโครเวฟ มีอยู่ สองลักษณะคือ สายโคแอค(Coaxial)และท่อนำคลื่น (Wave Guide) โดยทั่วไปสายโคแอคจะใช้งานในระบบสื่อสารที่ใช้ความถี่ไม่เกิน ๑๘ จิกะเฮิร์ตซ์ และมีกำลังส่งไม่เกิน ๑ กิโลวัตต์ ส่วนท่อนำคลื่นจะมีการใช้งานที่ความถี่ ๑ จิกะเฮิร์ตซ์ ขึ้นไป การลดทอนสัญญาณ (Attenuation) น้อยกว่าและสามารถรองรับกำลังส่งได้ในระดับเมกะวัตต์ [๑]

      ๓ สายอากาศไมโครเวฟ
      สายอากาศแบบมีทิศทาง (Directional) โดยทั่วไปจะมีรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นแต่สำหรับสายอากาศที่ใช้ในการสื่อสารไมโครเวฟจะมีลักษณะสำคัญคือ ๑) มีอัตราการขยายสูงหรือลำคลื่นหลักมีความยาวมาก (High Front to Back Ratio) เพื่อให้ระบบสามารถสื่อสารได้ในระยะทางไกล ๒) มีความกว้างของลำคลื่นแคบ (Narrow Beam width) เพื่อลดโอกาสของการแทรกสอด(Interference) ของลำคลื่นไมโครเวฟจากระบบสื่อสารข้างเคียง และลดการสูญเสียกำลัง แต่จะเพิ่มความยุ่งยากในการเล็งทิศทางของสายอากาศ (Alignment) ๓) ไม่มีลำคลื่นด้านข้างและลำคลื่นด้านหลัง เพื่อลดผลกระทบจากการสะท้อนกลับไปกลับมาของคลื่น จากวัสดุใด ๆ ที่ติดตั้งใกล้กับสายอากาศ อีกทั้งลดผลจากการเชื่อมโยง(coupling) ระหว่างสายอากาศที่ติดตั้งใกล้เคียงกัน