ELECTROMAGNETIC

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
1. โครงสร้างของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ถ้าเป็นคลื่นความถี่ต่ำ ๆ เราจะใช้คำว่า กำลังดัน (VOLTAGE) และกระแสไฟ (CURRENT) แต่ถ้าคลื่นที่มีความถี่สูงมาก ๆ จะใช้คำเหล่านี้แทนคือ
- สนามไฟฟ้า E (ELECTRIC FIELD E) แทนกำลังดัน
- สนามแม่เหล็ก H (MAGNETIC FIELD H) แทนกระแสไฟ
เมื่อมีกำลังดันก็จะมีกระแสไหล เช่นเดียวกับสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก H จะรวมตัวกันเป็นคลื่น


EM (ELECTROMAGNETIC) ในรูปที่ 2-1 ตัวนำสองเส้นมีความต่างศักย์กันดังนั้นจึงเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นระหว่างตัวนำทั้งสอง เส้นทึบที่เขียนในรูปแสดงเป็นรูปร่างของสนามไฟฟ้า เมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวนำก็จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นรอบตัวนำนั้น ๆ สนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากซึ่งกันและกัน

รูปที่ 2-1

เนื่องจากเกิดความต่างเฟสกัน 90 ํ ระหว่างทิศทางของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจึงใช้เวกเตอร์เขียนแทนดังแสดงในรูปที่ 2-2 เส้นเวกเตอร์จะใช้แทนสนามทั้งสอง จุดที่เริ่มต้นคือจุดที่เส้นเวกเตอร์ทั้งสองอยู่จุดเดียวกันที่ปลายเส้นเวกเตอร์จะมีลูกศรเพื่อชี้ทิศทางความยาวของเส้นเวกเตอร์ก็จะแทนขนาดของแรงหรือสนามของแต่ละอัน




รูปที่ 2-2

ฐานที่เส้น E เวกเตอร์ตั้งอยู่นั้นเรียกว่าทิศทางของการ POLARISATION ทิศที่ว่าในที่นี้ก็คือ พื้นโลกซึ่งหมายถึงฐานในแนวนอนนั่นเอง ดูรูปที่ 2-3




รูปที่ 2-3

สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแพร่ไปได้ในลักษณะดังต่อไปนี้ :
ก. ตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก H คลื่นนี้เรียกว่าคลื่น TEM TEM ย่อมาจากคำว่า TRANSVERSE ELECTROMAGNETIC (คำว่า TRANSVERSE ก็คือสนามไฟฟ้า E และสนามแม่เหล็ก H ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่คลื่น)
ตัวอย่างการแพร่คลื่นชนิดนี้ได้แสดงให้เห็นในรูปที่ 2-4 และ 2-5 ในรูปที่ 2-5 สนามไฟฟ้า E สองสนามแทนด้วย E1 และ E2 สนามไฟฟ้า E2 จะล้าหลัง E1 อยู่ 90 ํ สนามไฟฟ้าทั้งสองนี้จะรวมตัวกันเป็นสนามเดียวคือ สนามไฟฟ้า Er ทิศทางผลรวมของสนามทั้งสองคือ Er นี้ได้จากการรวมเวกเตอร์ E1 และ E2(Er = E1+E2) ที่จุดใด ๆ







รูปที่ 2-4



รูปที่ 2-5 การแพร่คลื่น TEM เป็นเกลียวกลม

จะเห็นว่าเวกเตอร์ Er จะหมุนไปรอบ ๆ แกนการแพร่คลื่น (PROPAGATION AXIS) สนามแม่เหล็ก H1จะตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า E1 และสนามแม่เหล็ก H2 จะตั้งฉากกับสนามไฟฟ้า E2 ดังนั้นผลรวมของสนามแม่เหล็กH ก็คือผลรวมของเวกเตอร์ M1 และ M2 และสนามแม่เหล็ก H นี้ก็ตั้งฉากกับสนามไฟฟ้ารวม Er
ข. แพร่ไปในทิศทางเดียวกันกับสนามไฟฟ้า E หรือสนามแม่เหล็ก H คลื่นแบบนี้เรียกว่าคลื่น LONGITUDINALซึ่งเกิดได้สองแบบคือ
คลื่น TE : บางส่วนของสนามแม่เหล็กจะอยู่ในทิศทางเดียวกับทิศทางการแพร่คลื่น (TE ย่อมาจากTRANNSVERSE ELECTRIC)
คลื่น TM : บางส่วนของสนามไฟฟ้าจะอยู่ในทิศทางเดียวกับทิศทางการแพร่คลื่น (TM ย่อมาจากTRANSVERSE MAGN
คลื่น TEM สามารถแพร่ไปตามสายส่ง (TRANSMISSION LINE) (ดูรูปที่ 2-1) หรือแพร่ออกไปในอากาศได้แต่ไม่สามารถแพร่ไปในท่อนำคลื่น (WAVEGUIDE) ได้ คลื่นที่สามารถแพร่ในท่อนำคลื่นได้ คือคลื่น LONGITUDINALเท่านั้น เมื่อแพร่ผ่านออกจากท่อนำคลื่นไปแล้วคลื่นนี้จะกลายเป็นคลื่น TEM
2. ความเร็วการแพร่คลื่น
ความเร็วของคลื่น EM ในอากาศก็คือ 300,000,000 เมตร/วินาที หรือ C = 3x108 เมตร/วินาทีซึ่งเท่ากับความเร็วแสง
ตัวเลขที่กล่าวมานี้เป็นเพียงค่าโดยประมาณเท่านั้นเพราะจริง ๆ แล้วคลื่นที่แพร่ออกไปจะต้องผ่านตัวกลาง(DIELECTRIC) ต่าง ๆ ซึ่งจะทำให้ความเร็วลดลงได้ แต่ในทางปฏิบัติจำเป็นต้องเอาตัวเลขนี้มาใช้ในกรณีที่คลื่นTEM แพร่ในอากาศ คือจะไม่มีการสูญเสียความเร็วหรือไม่ผิดพลาดเลย (ดูในหัวข้อ 6.4.ของบทที่ 2)
หมายเหตุ MODE TE และ TM มีความเร็วแตกต่างไปจากคลื่น TEM
3. ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ ความยาวคลื่นและความเร็วการแพร่คลื่น
ความสัมพันธ์ทั้งหมดนี้เขียนเป็นสมการได้ดังนี้ C = \ x f
โดยให้ \ = ความยาวคลื่นเป็นเมตร
f = ความถี่เป็น Hz
C = ความเร็วการแพร่คลื่น 3x108 เมตร/วินาที
1 ความยาวคลื่นก็คือระยะทางที่ครอบคลุมคลื่น 1 ลูก (1 CYCLE)
ความถี่ก็คือจำนวนคลื่นต่อ 1 วินาที
4. การแบ่งสเปกตรัมของความถี่
ย่านความถี่ประกอบด้วยความถี่ต่ำจนถึงความถี่สูง ในย่านความถี่นี้ได้แบ่งออกเป็นแถบความถี่แคบ ๆ ไว้และมีชื่อเรียกโดยเฉพาะในส่วนแรกของรูป ความถี่จะเริ่มจาก 10 KHz ไปจนถึงย่าน X-RAY และด้านขวามือจะบอกถึงความยาวคลื่น
ในส่วนที่สองของรูปจะมีตัวอักษรที่ใช้เป็นรหัสบอกถึงย่านความถี่ต่างๆ นอกจากนี้ยังบอกละเอียดลึกลงไปอีกเช่นความถี่ที่เรดาร์ใช้ก็จะอยู่ในย่านไมโครเวฟ เป็นต้น





รูปที่ 2-6 การแบ่งสเปกตรัมความถี่


5. การแพร่คลื่นในท่อนำคลื่น (PROPAGATION IN WAVEGUIDE)
การนำเอากำลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งนั้นอาจจะทำได้หลายวิธีแต่วิธีที่ดีที่สุดก็คือวิธีที่มีการสูญเสียกำลังงานน้อยที่สุด สายตัวนำคู่สามารถนำมาใช้ได้จนถึงย่านความถี่ HF สาย COAXIAL สามารถใช้ได้จนถึงย่านความถี่ A และ B การลดลงของกำลังงานต่อความยาวของสายในแต่ละเมตรจะยิ่งมีมากถ้าความถี่การใช้งานสูงขึ้น ท่อนำคลื่นได้นำมาใช้ในการนำกำลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง รูปร่างของท่อนำคลื่นมี 2 แบบคือ
- ท่อนำคลื่นแบบสี่เหลี่ยม (REGTANGULAR WAVEGUIDE)
- ท่อนำคลื่นแบบกลม (CIRCULAR WAVEGUIDE)

โดยปกติแล้วเรดาร์จะใช้ท่อนำคลื่นแบบสี่เหลี่ยมเป็นส่วนมากซึ่งจะได้อธิบายในที่นี้ ได้กล่าวมาตอนต้น ๆ แล้วว่าคลื่น TEM ไม่สามารถแพร่ผ่านท่อนำคลื่นได้เฉพาะคลื่น TE และ TM เท่านั้นที่ผ่านได้ รูปที่ 2-7 แสดงรูปร่างของท่อนำคลื่นแบบสี่เหลี่ยมเพื่อที่จะช่วยในการอธิบายรูปร่างของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในท่อนำคลื่น จำเป็นต้องใช้ตัวอักษรห้อยท้าย ตัวอย่างเช่น TEmn
m = จะบอกจำนวนคลื่นครึ่งลูกที่เกิดขึ้นในด้านกว้าง (a) ของท่อนำคลื่น
n = จะบอกจำนวนคลื่นครึ่งลูกที่เกิดขึ้นในด้านแคบ (b) ของท่อนำคลื่น




รูปที่ 2-7 ท่อนำคลื่นแบบสี่เหลี่ยม

MODE ที่ใช้กันมากที่สุดคือ TE10 ซึ่งเรียกว่า "DOMINANT MODE"
1 = บอกว่ามีจำนวนคลื่นครึ่งลูกอยู่ 1 อันตามด้าน a ของนำคลื่น
0 = บอกว่ามีจำนวนคลื่นครึ่งลูกไม่ถึง 1 อันตามด้าน b ของท่อนำคลื่น
เราถือว่าท่อนำคลื่นนี้รวมตัวกันเป็นวงจร HIGH PASS FILTER ดูรูปที่ 2-8 ความยาวคลื่น CUT-OFF เท่ากับ 2a (เฉพาะ TE10 MODE) ดังนั้นเพื่อให้การแพร่คลื่นเกิดขึ้นได้ ด้าน a จะต้องเท่ากับหรือมากกว่า 1/2\






รูปที่ 2-8 การตอบสนองความถี่ของท่อนำคลื่น

ความกว้างของด้าน b ปกติแล้วมีค่าเท่ากับ 1/2a และยังขึ้นอยู่กับขนาดของกำลังงานที่ท่อนำคลื่นสามารถทนได้อีกด้วย (ถ้าด้าน b มีค่าน้อยกว่าปกติจะเกิดการ ARC ขึ้นในท่อนำคลื่น)





รูปที่ 2-9 แสดงเมล็ดข้าวสารเคลื่อนที่ภายในท่อ

ต่อไปนี้จะแสดงการเกิดขึ้นของ MODE ที่สูงขึ้นไป
ในรูปที่ 2-9 แสดงเมล็ดข้าวถูกลมเป่าให้ผ่านท่อ จะเห็นว่าเมล็ดข้าวจะพอดีกับท่อในทางใดทางหนึ่งเท่านั้นถ้าเมล็ดข้าวถูกเป่าให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ขนาดหนึ่งก็จะเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วขนาดหนึ่งหรือ MODEหนึ่งขึ้น ลักษณะการเกิดขึ้นดังกล่าวนี้คือ DOMINANT MODE
ถ้าเส้นผ่าศูนย์กลางของท่อหรือท่อนำคลื่นกว้างขึ้นหรือว่าขนาดของเมล็ดข้าวเล็กลง (ความถี่สูงขึ้น)เมล็ดข้าวจะเคลื่อนที่ไปในท่ออย่างกระจัดกระจายไม่เป็นระเบียบ (เกิด MODE ต่าง ๆ ขึ้นมากมาย) ดังแสดงไว้ในรูปที่ 2-10เมล็ดข้าวจะกลิ้งไปในท่ออย่างไม่เป็นระเบียบ ความเร็วในการเคลื่อนที่จะลดลง ดังได้กล่าวมาแล้วในหัวข้อ 2-2ว่าคลื่น TE และ TM จะมีความเร็วเบี่ยงเบนไปจากความเร็วของแสง



รูปที่ 2-10 รูปแบบการเคลื่อนที่ที่เกิดขึ้นใหม่




รูปที่ 2-11

ถ้าขนาดของท่อหรือเมล็ดข้าวเปลี่ยนแปลงไปอีกจะเกิด MODE ต่าง ๆ ที่ผิดไปจากเดิมขึ้นอีกเราเรียก MODEที่เกิดขึ้นใหม่นี้ว่า HIGHER-ORDER MODE การแพร่ของคลื่น TE ในท่อนำคลื่นจะได้อธิบายโดยพิจารณาจากคลื่นWAVEFRONT การแพร่ของคลื่น WAVEFRONT ให้จินตนาการตามรูปที่ 2-11 (ตามหลักการของ HUYGENS) ดังนี้
วางสายอากาศขนาดเล็กลงในท่อนำคลื่นแล้วป้อนกำลังงานให้สายอากาศ สายอากาศจะแพร่กระจายกำลังงานออกไปทุกทิศทางด้วยความเข้มที่เท่ากัน




รูปที่ 2-12

กำลังงานส่วนหนึ่งจะเคลื่อนที่ไปตามลูกศร A ตรงไปตามท่อนำคลื่นไม่มีโอกาสที่จะชนกับอะไรเพราะว่าสนามไฟฟ้าจะไม่ตกถึงศูนย์ ที่ด้านแคบของท่อนำคลื่น กำลังงานส่วนนี้จะไม่แพร่ออกไปแต่จะถูกลดขนาดลงอย่างรวดเร็ว กำลังงานที่ออกไปในทิศตั้งฉากกับด้านข้างของท่อนำคลื่น (ตามลูกศร B และ C) จะสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างด้านข้าง ทั้งสองและจะไม่แพร่ออกไปจากท่อนำคลื่น
กำลังงานนอกจากนี้เช่น กำลังงานตามลูกศร D และ E จะไปกระทบกับด้านแคบของท่อนำคลื่นในมุมต่าง ๆ คลื่น WAVEFRONT ที่ไปกระทบด้านแคบแล้วจะหักเหออกไปโดยเฟสจะกลับกันกับตอนแรกก่อนที่จะกระทบ มุมที่หักเหไปจะเท่ากับมุมที่ไปกระทบ คลื่น WAVEFRONT นี้จะแพร่ไปตามท่อนำคลื่นในมุมต่าง ๆ กันตามที่แสดงในรูปที่ 2-13


รูปที่ 2-13

ที่มุมมุมหนึ่งและความถี่ของสัญญาณที่ส่งออกไปตามท่อนำคลื่นขนาดหนึ่ง มันจะทำให้เกิดคลื่นรวมลูกใหม่ในขอบเขตเฉพาะอันหนึ่งที่ทำให้คลื่นยังคงแพร่ออกไปตามท่อนำคลื่นได้
6. การแพร่คลื่นในอากาศ
6.1. MODE ต่าง ๆ ของการแพร่คลื่น
ถ้าส่งหรือให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายออกไปในอากาศจะเกิด MODE ต่าง ๆ ขึ้นมากมาย

ก. คลื่นพื้นผิว (SURFACE WAVE)
เราแบ่งคลื่นพื้นผิวออกเป็นคลื่นต่าง ๆ ดังนี้
- คลื่นพื้นดิน (GROUND WAVE) ความถี่ถึง 30 MHz
- คลื่นตรง (DIRECT WAVE) ความถี่มากกว่า 30 MHz
- คลื่นทางอ้อม (INDIRECT WAVE) ได้จากคลื่นที่สะท้อนจากพื้นโลก
ข. คลื่นฟากฟ้า (SKY WAVE) มีความถี่อยู่ 300 KHz - 30 MHz (300 KHz )

รูปที่ 2-14 ความเข้มของกำลังงานต่อระยะทาง

ถ้าให้เป้ามีขนาด 1 ตารางเมตร เป้าจะสามารถรับกำลังงานได้ขนาดหนึ่งขึ้นอยู่กับระยะทางจากเครื่องส่งกำลังงานที่เป้าได้รับนี้จะเป็นอัตราส่วนกลับของระยะทางจากเครื่องส่งและตัวสะท้อนคลื่นนั่นคือ 1/R2 (R = ระยะทางระหว่างเครื่องส่งและตัวสะท้อนคลื่น)

6.3. การสูญเสียในการแพร่คลื่น
เนื่องจากกำลังงานของคลื่น EM จะถูกดูดกลืนไปซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากน้ำและไอน้ำในอากาศซึ่งจะทำให้กำลังงานของคลื่น EM ลดลงไปมาก กำลังงานที่สูญเสียไปนี้จะกลายเป็นพลังงานความร้อนและจะกระจัดกระจายไป ตามตารางในรูปที่ 2-15 ได้แสดงการสูญเสียกำลังงานไปต่อระยะทาง 1 กม. ในสภาพอากาศต่าง ๆ กัน โดยใช้ความถี่ประมาณ 10 KHz เป็นความถี่ทดสอบ dB/กม.(เที่ยวเดียว)
อากาศ (ออกซิเจน) 0.007
ไอน้ำ 0.01
หมอก - ทัศนวิสัย 300 เมตร 0.01
- ทัศนวิสัย 30 เมตร 0.02
เมฆ - CUMULUS 0.10
- NIMBO STRATUS 0.34
ฝน - 4 มม./ชม. 0.08
- 16 มม./ชม. 0.7

รูปที่ 2-15 การสูญเสียกำลังงานต่อระยะทาง 1 กม.


ในรูปที่ 2-16 แสดงการดูดกลืนกำลังงานของชั้นบรรยากาศที่แบ่งไปตามความถี่ซึ่งแสดงให้เห็นว่าทำไมเรดาร์ที่ใช้ค้นหาเป้าระยะไกล ๆ จึงต้องใช้ความถี่ต่ำกว่า
6.4. การหักเหของคลื่น
ความหนาแน่นของอากาศจะลดลงเมื่อความสูงจากพื้นโลกเพิ่มขึ้นแนวระดับสายตา (LINE OF SIGHT)ปกติจะหักเหไปเมื่อมองลงมายังพื้นโลกคือจะไม่เป็นเส้นตรงจากปรากฏการณ์ของ SNELLIUS ในเรื่องแสงที่มองเห็นได้(= EM-ENERGY)

รูปที่ 2-16 การสูญเสียการแพร่คลื่นเนื่องจากความถี่

ในรูปที่ 2-17 ได้แสดง WAVEFRONT ของคลื่น EM แพร่ออกไปในตัวกลางที่มีความหนาแน่นขนาดหนึ่ง โดยจะมีคลื่นด้านหน้า ที่ไปกระทบกับตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าตามมา
ในตัวกลางที่มีความหนาแน่นน้อยกว่า ความเร็วของการแพร่คลื่นจะสูงกว่าในตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงส่วนบนของคลื่น WAVEFRONT จะผ่านไปได้เร็วกว่าส่วนล่างของคลื่น WAVEFRONT ในตัวกลางที่มีความหนาแน่นต่ำกว่า ดังนั้นจึงทำให้ส่วนบนเคลื่อนที่ไปได้เร็วกว่าส่วนล่างซึ่งเป็นผลทำให้เกิดการบิดงอขึ้นเมื่อมีความหนาแน่นสูงขึ้นในบรรยากาศจะประกอบไปด้วยชั้นต่าง ๆ หลายชั้น ยิ่งสูงขึ้นไปจะมีความหนาแน่นของอากาศต่ำลงดังนั้นลำคลื่นที่ส่งออกอากาศไปจะมีโอกาสหักเหกลับมายังพื้นโลกได้



รูปที่ 2-17 กฎของ SNELIUS



ถ้าเป็นเรดาร์แล้วผลที่เกิดขึ้นดังกล่าวจะเป็นไปตามที่แสดงในรูปที่ 2-18 จำนวนหริแขนาดของการหักเหก็ขึ้นอยู่กับความถี่ใช้งานด้วย ความถี่ต่ำลงจะทำให้มีการหักเหมากขึ้น อันนี้ก็เป็นเหตุผลอีกประการหนึ่งที่ต้องใช้เรดาร์ความถี่ต่ำ ในการค้นหาเป้าในระยะไกล ๆ เนื่องจากมีการหักเหเกิดขึ้นจะทำให้ระยะทางของแนวระดับสายตาไกลกว่าแนวระดับทางเรขาคณิต 9% และแนวระดับของเรดาร์จะไกลกว่าแนวระดับสายตา 6%



รูปที่ 2-18 การหักเหของคลื่น EM
6.5. การผิดปกติของการแพร่คลื่น
การแพร่คลื่นจะเป็นไปโดยปกติในสภาพอากาศต่าง ๆ เมื่ออากาศในชั้นบรรยากาศต่าง ๆ ผสมผสานกันดีซึ่งก็จะทำให้การแลกเปลี่ยนอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวโลกกับบรรยากาศเป็นไปด้วยดีด้วย การผิดปกติของการแพร่คลื่นก็คือสภาวะที่ทำให้การแพร่ผิดปกติไปนั่นเองซึ่งจะแสดงให้เห็นดังรูปข้างล่าง




รูปที่ 2-19



สภาวะเช่นนี้จะเกิดขึ้นในสภาพอากาศปกติ (ไม่มีการรวมตัวของชั้นบรรยากาศ) เมื่ออากาศเย็น (เช่นอากาศตามขั้วโลก) พัดผ่านบริเวณทะเลที่มีอุณหภูมิค่อนข้างสูง ในชั้นบรรยากาศต่ำ ๆ อุณหภูมิจะสูงขึ้นเนื่องจากการแพร่รังสีจากดวงอาทิตย์และความชื้นต่ำ อันนี้จะทำให้ความเร็วในการแพร่คลื่นสูงขึ้น ภูเขา เกาะ และอื่น ๆ จะรวมตัวกันเป็นแถบเงา



รูปที่ 2-20




รูปที่ 2-21



รูปที่ 2-22



รูปที่ 2-23

ถ้าความยาวของคลื่นเท่ากับขนาดของตัวที่ทำให้เกิดเงาแล้ว แถบของเงาจะได้รับคลื่นเต็มที่อันเนื่องมาจากผลของการ DIFFRACTION
เมื่อพูดถึงความถี่ของเรดาร์แล้วจะเห็นว่ามีความถี่สูงมาก ฉะนั้น ความยาวคลื่นที่สั้นมาก แทบจะไม่มีผลกับสิ่งดังกล่าวเลย
************************************