การแพร่กระจายคลื่นวิทยุ มีกี่แบบ

คลื่นวิทยุ
           เครื่องส่งวิทยุจะแปลงสัญญาณเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยใช้ไมโครโฟน และแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นวิทยุ โดยใช้เสาอากาศเป็นตัวแพร่กระจาย คลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่ไม่เกิน ๓๐๐ กิกะเฮิรตซ์ (หนึ่งกิกะเฮิรตซ์เท่ากับหนึ่งพันล้านรอบต่อวินาที) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงกว่านี้จะเป็น คลื่นอินฟาเรด คลื่นแสง คลื่นอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก และคุณสมบัติทางไฟฟ้าพร้อมๆ กันการแผ่กระจายของคลื่นก็คล้ายกับการแผ่กระจายของคลื่นน้ำบนผิวน้ำ ขณะ เมื่อมีวัตถุตกกระทบผิวน้ำนั้น
          เมื่อสัญญาณไฟฟ้าส่งผ่านเสาอากาศ จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่กระจายออกไป ในทางตรงข้าม ถ้าหากเรานำเสาอากาศไปไว้ในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในเสาอากาศนั้นได้ ดังนั้น เครื่องรับวิทยุจึงมีเสาอากาศ ซึ่ง ทำหน้าที่เปลี่ยนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสัญญาณ ไฟฟ้า สัญญาณไฟฟ้านี้มักจะมีความแรงที่ต่ำมาก ต้องขยายให้มีความแรงมากขึ้น แล้วจึงถูกนำไปขับตัวลำโพง ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง ให้ผู้รับฟังได้ยิน

ภาพแสดงคลื่นเคลื่อนที่ไปทางขวาตามแกน x เมื่อเวลาเปลี่ยนไป

           การแผ่กระจายของคลื่นวิทยุมีหลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่น ลักษณะที่สำคัญมีสาม แบบ คือ
           แบบที่หนึ่ง คลื่นจะแผ่กระจายขนานไปกับพื้นผิวโลก (ground-wavepropagation) สามารถเดินทางไปในระยะไกลได้ คลื่นที่แผ่กระจาย แบบนี้จะเป็นคลื่นที่มีความถี่ไม่เกินประมาณ ๒ เมกะเฮิรตซ์ (หนึ่งเมกะเฮิรตซ์เท่ากับหนึ่งล้าน เฮิรตซ์) ดังเช่น คลื่นวิทยุกระจายเสียงระบบเอเอ็ม
          การแผ่กระจายแบบที่สองจะเป็นการสะท้อนจากชั้นบรรยากาศ เรียกว่า แผ่กระจาย โดยคลื่นฟ้า (sky-wave propagation) การสะท้อนคลื่นเป็นคุณสมบัติของชั้นบรรยากาศ ความถี่ที่ชั้นบรรยากาศสะท้อนลงมา อยู่ในช่วงประมาณ ๒ เมกะเฮิรตซ์ ถึงประมาณ ๓๐ เมกะเฮิรตซ์ อนึ่งการสะท้อนคลื่นของชั้นบรรยากาศ ในตอนกลางวัน และกลางคืน อาจแตกต่างกันบ้าง บางความถี่จะสะท้อนเฉพาะกลางคืน คุณสมบัติของการสะท้อนคลื่น จะแปรเปลี่ยนตามปริมาณประจุ ที่เกิดขึ้น (ionization) ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งขึ้น อยู่กับพลังจากแสงอาทิตย์เป็นหลัก ในบางครั้งที่ มีพายุพลังอาทิตย์ (solar wind) คุณสมบัติของ ชั้นบรรยากาศก็จะเปลี่ยนแปลงไปได้มากวิทยุ สมัครเล่นและวิทยุกระจายเสียงข้ามประเทศ คลื่นสั้น (short wave) จะใช้ความถี่ในย่านนี้ ทำให้ ผู้รับที่อยู่ห่างไกลสามารถรับฟังได้ เพราะมีการ สะท้อนคลื่นโดยชั้นบรรยากาศหนึ่งครั้งหรือ มากกว่าหนึ่งครั้งก็ได้
            การแผ่กระจายคลื่นแบบที่สาม จะเป็นการแผ่กระจายโดยตรงเรียกว่า การแผ่กระจายในแนวสายตา (line-of-sight propagation) กล่าวคือ จุดที่รับคลื่นได้คือ จุดที่มองเห็นได้จากเสาอากาศ ของเครื่องส่ง การกระจายคลื่นแบบนี้จะไม่ สามารถรับจากจุดบนพื้นโลกที่มีระยะทางไกล เนื่องจากความโค้งของพื้นผิวโลกบังเอาไว้

      http://kanchanapisek.or.th/kp6/sub/book/book.php?book=23&chap=9&page=t23-9-infodetail02.html

คลื่นวิทยุที่แพร่กระจายออกจากสายอากาศนั้น จะมีการแพร่กระจายออกไปทุกทิศทาง คลื่นวิทยุเป็นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ที่สามารถเดินทางไปด้วยความเร็วเท่ากับแสง แต่อย่างไรก็ดี คลื่นวิทยุที่มีความถี่ไม่เท่ากัน คุณสมบัติในการแพร่กระจายคลื่น ก็ไม่เหมือนกัน ในพื้นที่ไกลออกไป สัญญาณที่เครื่องรับจะรับได้ก็อ่อนลง ๆ ไปเรื่อย ๆ

คลื่นดิน เป็นคลื่นวิทยุที่เดินทางไปบนผิวโลก เราสามารถใช้คลื่นดิน ในการติดต่อสื่อสารย่าน LF และ MF ปกติคลื่นดินมีความยาวคลื่นที่ยาวมาก จะเดินทางไปได้ไกล กว่า (losses rise with increasing frequency) และจะเดินทางไปไดัไกลกว่าระยะขอบฟ้า คลื่นดินที่ความถี่สูง ๆ จะไปไม่ได้ไกล เพราะถูกลดทอนมาก เนื่องจากลักษณะภูมิประเทศ และสิ่งกีดขวาง เห็ตผลก็คือเมื่อความถี่สูงขึ้น ความยาวคลื่นก็จะสั้นลง วัตถุใหญ่ อย่างเช่น ภูเขาจึงมีผลต่อการแพร่กระจายคลื่น เช่นที่ความถี่ 30 KHz ความยาวคลื่นจะเท่ากับ 10 กิโลเมตร เมื่อเทียบกับภูเขาแล้ว ภูเขายังเล็กกว่าความยาวคลื่น ฉนั้น การลดทอนจึงมีน้อย แต่ที่ความถี่ 3 MHz ความยาวคลื่นเท่ากับ 100 เมตร วัตถุที่ใหญ่กว่าความยาวคลื่น เช่น เนินเขา ตึกรามบ้านช่อง จะเริ่มมีผลในการลดทอนสัญญาณ

วิธีการที่จะให้คลื่นดินเดินทางไปได้ไกล ๆ ทำได้โดยการแพร่กระจายคลื่นที่มีโพลาไรเซซั่นแนวดิ่ง ในกรณีที่มีการแพร่กระจายคลื่นในแนวราบ สนามไฟฟ้า จะขนานกับพื้นโลก ฉนั้นคลื่นดินจะเสมือนถูกลัดวงจร (ดูดกลื่น) ด้วยความนำไฟฟ้าของผิวโลก อย่างไรก็ดี เราใช้ประโยชน์คลื่นดินได้เฉพาะย่าน LF และ MF เท่านั้น

การแพร่กระจายคลื่นแบบ Ground wave เราจะใช้สำหรับการสื่อสารระยะสั้น ในเวลากลางวัน เพราะว่าการแพร่กระจายคลื่นแบบ Sky-wave ไม่สามารถที่จะทำได้ในกลางวัน (สำหรับย่านนี้ เพราะมีการดูดกลื่น ลดทอนสัญญาณ จากชั้น D)

Effect of frequency

ในส่วนของ wave fronts ของการแพร่กระจายคลื่นแบบนี้ สัญญาณจะถูกลดทอนโดยพื้นผิวของโลก ระดับของการลดทอนจะมีปัจจัยหลาย ๆ อย่าง สำหรับ ความถี่ใช้งานก็เป็นส่วนหนึ่งที่จะกำหนดอัตราการลดทอน คือว่า เมื่อความถี่สูงขึ้น การลดทอนสัญญาณก็จะมากขึ้น สำหรับความถี่ 3 MHz จะถูกลดทอนมากกว่าความถี่ 0.5 MHz ถึง ประมาณ 20 - 60 dB

ความถี่ต่ำมาก หรือ very low-frequency (VLF ความถี่ต่ำกว่า 300 kHz) ถ้าใช้การแพร่คลื่นแบบ vertically polarized จะมีการลดทอนสัญญาณน้อยมาก สามารถติดต่อได้ไกล หลาย 100 ไมล์ สำหรับย่าน ความถี่ปานกลาง medium-wave band (300 to 3000 kHz, รวมไปถึงวิทยุกระจายเสียง AM) สามารถไปได้ไกลกว่า 1,000 ไมล์ในเวลากลางคืน แต่พอมาถึงย่าน HF จะมีการสูญเสียมาก (reduces drastically) พอถึงความถี่ช่วงปลาย ๆ ของย่าน HF การแพร่กระจายคลื่นแบบนี้จะหยุดลง (ไปได้แค่ ไม่กี่ 10 ไมล์ )

Effect of the ground

ค่าความเป็นตัวนำ (Ground conductivity) ของพื้นผิวโลก , ภูมิประเทศ ,ความขรุขระ ของพื้นผิว ล้วนมีผลต่อการลดทอนสัญญาณ ของความถี่ย่านนี้

ตัวอย่างความนำของพื้นผิวต่าง ๆ

Effect of polarisation

รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศ ส่งผลต่อการลดทอนสัญญาณ สายอากาศที่มีการแพร่กระจายคลื่นแบบ Vertical polarisation จะมีการลดทอนน้อยกว่า การแพร่กระจายคลื่นแบบ horizontally polarisation บางครั้งอาจจะดี มากกว่า 10 dB วิทยุกระจายเสียงในย่าน MF (วิทยุ AM) จะใช้การแพร่กระจายคลื่นแบบ Vertical polarisation แต่ว่าโครงสร้างของสายอากาศจะยาว เราแก้ปัญหาโดยการใช้ Loading Coil

troposphere เป็นกลุ่มของชั้นบรรยากาศ ที่อยู่ระหว่างผิวโลกและชั้น stratosphere

การที่ชั้น troposphere สามารถที่จะสะท้อนคลื่นได้ เกิดจากคุณสมบัติการเป็นฉนวนของอากาศ และอากาศส่วนมากก็จะมีความชื้น (moisture) อยู่ เราลองทบทวนกันก่อนว่า แสง หรือคลื่นวิทยุ เวลาเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่น (density) ต่างกัน จะทำให้เกิดการหักเห (refraction)

รูปแบบการหักเหของคลื่น เมื่อผ่านตัวกลางที่มีความหนาแน่นไม่เท่ากัน

เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความชื้นน้อย คลื่นวิทยุจะหักเหลงมายังพื้นโลก

แต่เมื่อคลื่นวิทยุเดินทางผ่านตัวกลางที่มีความชื้นมาก คลื่นวิทยุก็จะไม่กลับมายังพื้นโลก

โดยปรกติความหนาแน่นของอากาศ จะลดลงเมื่อความสูงเพิ่มขึ้น คลื่นวิทยุที่อยู่ด้านบนจะเดินทางเป็นเส้นตรง ด้วยความเร็วกว่าคลี่นที่อยู่ด้านล่าง เป็นผลทำให้คลื่นวิทยุ ถึงปลายทางพร้อมกัน ปรากฏการนี้เราเรียกว่า "simple refraction" เราสามารถคำนวณระยะทางการติดต่อสื่อสารได้โดยใช้สูตร radio horizon

กรณีพิเศษ เราเรียกว่า "super refraction" เกิดจากอากาศบริเวณ พื้นผิวโลกมีความร้อนมากกว่า มากกว่าอากาศ บริเวณทะเล ทำให้เกิดปรากฏการ คล้าย ๆ คลื่นวิทยุเดินทางผ่านท่อนำคลื่น (Ducting) ทำให้การติดต่อสื่อสารไปได้ไกล ตั้งแต่ช่วงความถี่ต่ำ ๆ ของย่าน VHF จนถึงย่านไมโครเวพ

จากรูป D1 คือระยะทางการติดต่อแบบปกติ หรือ radio horizon ส่วน D2 คือระยะทางที่เกิดขึ้นจากปรากฏการ ท่อนำคลื่น (Ducting)

เมื่อความถี่สูงกว่า 4.5 MHz คลื่นดินเริ่มใช้ได้เพียงไม่กี่กิโลเมตร และเมื่อความถี่สูงขึ้นไปถึงย่าน VHF และ UHF คลื่นอวกาศจะไปได้ไกลกว่าคลื่นดิน การติดต่อแบบนี้สายอากาศจะต้องอยู่ในระดับสายตา (line-of-sight) เพราะ คลื่นอวกาศจะเดินทางเป็นเส้นตรง จากสายอากาศเครื่องส่งไปยังสายอากาศของเครื่องรับ ในบางครั้ง เราจึงเรียกการแพร่กระจายคลื่นแบบนี้ว่า Direct wave วิธีการเพิ่มระยะทางในการติดต่อสื่อสารให้ได้ไกลขึ้น สามารถทำได้โดย เพิ่มความสูงของสารยอากาศ

ตารางแสดงระยะทางการติดต่อสื่อสารแบบ line-of-sight ต่อความสูงของสายอากาศทางด้านเครื่องรับและเครื่องส่ง

เหนือผิวโลกขึ้นไป 50 ถึง 400 กิโลเมตร การแพร่รังสีจากดวงอาทิตย์ จะทำให้อนุภาคของก๊าช ในชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลก แต่ตัวเป็น ไอออน (Ionize) เกิดประจุบวกและประจุลบ รวมทั้งอิเล็คทรอนอิสระ มากมาย ชั้นบรรยากาศนี้เรียกว่าชั้น ไอโอโนสเพียร์ คลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางเข้าสู้ชั้นบรรยากาศนี้จะถูกหักเห เนื่องมาจาก สนามแม่เหล็กไฟฟ้า จะมีลักษณะเดียวกับ แสง คือ ถูกหักเห และสะท้อน การหักเหของคลื่นจะมากหรอน้อย ขึ้นอยุ่กับองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ความถี่ที่ใช้ ความหนาแน่ของ ไอออนในชั้น ไอโอโนสเพียร์ มุม ของคลื่น การใช้งานคลื่นฟ้า ส่วนมาจะใช้ความถี่ในย่าน HF แต่อย่างไรก็ดี ในเวลากลางคืน ความถี่ย่าน MF ก็สามารถติดต่อสื่อสารโดยใช้คลื่นฟ้า ได้เช่นเดียวกัน

จากรูป สัญญาณ

• หมายเลข 1 และ 2 เป็นสัญญาญที่ไม่สะท้อนกลับมายังพื้นโลก
• หมายเลข 3 เป็นสัญญาณที่สะท้อนกลับมายังสถานีรับ R1 ระยะ skip distance ของสัญญาณ หมายเลข 3 ตั้งแต่ เครื่องส่ง T จนถึง R1 เครื่องรับที่อยู่ในช่วงนี้จะไม่สามารถรับสัญญาณนี้ได้ (ยกเว้นเครื่องรับที่อยู่ใกล้ ๆ สถานี T1 รับโดยใช้คลื่น Ground wave สัญญาณหมายเลข 3 เมื่อตกลงมายังเครื่องรับ R1 ยังมีกำลังเหลือพอจึงสามารถสะท้อนกลับ (retransmitted) ไปยังชั้น ไอโอโนสเพียร์ อีกครั้ง การสื่อสารแบบนี้เรียกว่า Multi-hop
• สัญญาณหมายเลข 4 เป็นการเปลี่ยนมุมในการแพร่กระจายคลื่นใหม่

การติดต่อสื่อสารแบบ คลื่นฟ้านี้ค่อนข้างจะซับซ้อนเนื่องจาก ชั้นไอโอโนสเพียร์ มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา จากรูปจะเห็นว่าคลื่นฟ้า ค่อย ๆ หักเหหลับมายังพื้นโลก มิใช่การหักแบบหักมุม แต่เพื่อความสะดวกเราสมมุติว่า คลื่นสะท้อนได้ ตามเส้นประ เราเรียกว่าสูงนี้ว่า ความ สูงเสมือน (virtual height) ความสูงเสมือนนี้สามารถหาได้จาก การยิงพลัชความถี่ต่าง ๆ ไปตรง ๆ ในแนวดิ่ง โดยเครื่อง ionosonde (ionospheric sounder)

Digisonde TM Portable Sounder 

และให้คลื่นสะท้อนกลับมา ยังโลก เมื่อส่งคลื่นความถี่สูงขึ้น จนถึงค่าหนึ่ง คลื่นจะไม่สะท้อนกลับมา ความถี่สูงสุดที่สะท้อนกลับมา เราเรียกว่า ความถี่ วิกฤต (critical frequency หรือ vertical incidence) ความถี่นี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามชั้น ไอโอโนสเพียร์ ซึ่งไม่แน่นอน

ตัวอย่างภาพ vertical incidence ionogram

สมมุติว่า เรายิงคลื่น ไปเป็นมุมเฉียง (แทนที่จะเป็นแนวดิ่ง) คลื่นจะเดินทางใน ชั้นไอโอโนสเพียร์ นานขึ้น ดังนั้นการหักเห จะสามารถทำได้มากขึ้น ความถี่สูงกว่า ความถี่วิกฤต จะสะท้อนกลับสู่โลกได้ ถ้ายิงเป็นมุมเฉียง อย่างไรก็ตามถ้ามุมยิงสูงขึ้นจนคลื่น ไม่สะท้อนกลับมา มุมนี้เรียกว่า มุมวิกฤต (critical angle)

จากรูป เราจะเห็นได้ว่า เมื่อมุมยิงต่ำลง ระยะทางการติดต่อสื่อสารจะได้ไกลขึ้น ระยะทางนี้จะเรียกว่าระยะ Skip (Skip distances) ระยะนี้จะไกล ที่สุดก็ต่อเมื่อ ใช้มุมยิงต่ำสุด และใช้ความถี่สูงสุดที่จะหักเหมุมนั้น

ความถี่ที่สามารถใช้ติดต่อ ระหว่างจุด 2 จุดเรียกว่า ความถี่ใช้งานสูงสุด (maximum usable frequency หรือ MUF ) ความ จริงแล้ว ความถี่ต่ำกว่า MUF ก็ใช้ได้ เพราะคลื่นสามารถที่จะหักเหลงมาได้ เช่นกัน แต่อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่ต่ำลง อัตราการลดทอนของชั้น ไอโอโนสเพียร์ จะเพิ่มขึ้นมาก ระดับสัญญาณที่รับได้จึงลดลง ความถี่ต่ำสุดที่สามารถติดต่อได้เราเรียกว่า ความถี่ใช้ งานต่ำสุด (Lowest Usable Frequencies หรือ LUF) ถ้าความถี่ต่ำกว่า LUF จะรับสัญญาณไม่ได้ เพราะถูกลดทอนหมด ถ้าใช้ความถี่สูงกว่า MUF ก็จะรับไม่ได้เพราะจะทะลุฟ้าไปหมด ฉนั้นความถี่ที่ดีที่สุดคือ MUF

MUF จะมีการเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ ตามการเปลี่ยนแปลงของดวงอาทิตย์ เช่น ช่วงเวลาของวัน ฤดูกาล เป็นต้น ดังนั้นเราจึงควรเลือกความถี่ที่พอเหมาะ (Optimum Usable Frequency หรือว่า OUF) คือให้ต่ำกว่า MUF ลงมาพอที่จะให้ระดับสัญาณไม่กระเพื่อมมากนัก ในแต่ละนาที (ถ้ารับสัญญาณตรงความถี่ MUF พอดี สัญญาณจะกระเพื่อม เดียวแรงเดียวอ่อน)

สัญญาณวิทยุย่าน HF จะมีการเปลี่ยนแปลงระดับความแรง ของสัญญาณ ตั้งแต่ในระยะเวลาไม่กี่วินาที จนถึงหลายนาที เนื่องมาจากคลื่นวิทยุที่เดินทางมาถึงเครื่องรับ มีหลายเส้นทาง (Multipath) เช่น คลื่นตัวแรก มาแบบ 1 hop ส่วนคลิ่นตัวหลัง มาแบบ 2 hop ในบางครั้งจะเสริมกัน (in-phase) และบางครั้งจะหักล้างกัน (out-of-phase) การจางหายของสัญญาณนี้จะเจอมาก ในเวลาที่ดวงอาทิตย์ ขึ้น และตก หรือว่า ใช้ความถี่ใกล้กับค่า MUF ถ้าระดับสัญญาณเปลี่ยนแปลงไปไม่มากนัก วงจร AGC ภายในเครื่องรับ ก็จะทำการชดเชย ระดับสัญญาณที่รับได้ให้คงที่