ประเภทของคลื่นวิทยุ

                   คลื่นวิทยุที่กระจายออกจากสายอากาศ    จะเดินทางไปทุกทิศทาง ในทุกระนาบ    การกระจายคลื่นนี้มีลักษณะเป็นการขยายตัวของพลังงานออกเป็นทรงกลม       ถ้าจะพิจารณาในส่วนของพื้นที่แทนหน้าคลื่นจะเห็นได้ว่ามันพุ่งออกไปเรื่อย ๆ จากจุดกำเนิด และสามารถเขียนแนวทิศทางเดินของหน้าคลื่นได้ด้วยเส้นตรงหรือเส้นรังสี    เส้นรังสีที่ลากจากสายอากาศออกไปจะทำมุมกับระนาบแนวนอน    มุมนี้เรียกว่า มุมแผ่คลื่น   อาจมีค่าเป็นบวก ( มุมเงย ) หรือมีค่าเป็นลบ ( มุมกดลง ) ก็ได้    มุมของการแผ่คลื่นนี้อาจนำมาใช้เป็นตัวกำหนดประเภทของคลื่นวิทยุได้
                     โดยทั่วไปคลื่นวิทยุอาจแบ่งออกเป็น    2    ประเภทใหญ่ ๆ    คือ    คลื่นดิน (GROUND WAVE )    กับคลื่นฟ้า (SKY WAVE )    พลังงานคลื่นวิทยุส่วนใหญ่จะเดินทางอยู่ใกล้ ๆ ผิวโลกหรือเรียกว่าคลื่นดิน ซึ่งคลื่นนี้จะเดินไปตามส่วนโค้งของโลก    คลื่นอีกส่วนที่ออกจากสายอากาศ ด้วยมุมแผ่คลื่นเป็นค่าบวก จะเดินทางจากพื้นโลกพุ่งไปยังบรรยากาศจนถึงชั้นเพดานฟ้าและจะสะท้อนกลับลงมายังโลกนี้เรียกว่า คลื่นฟ้า

                  องค์ประกอบของคลื่น   แบ่งออกเป็น    4    องค์ประกอบด้วยกัน   คือ    คลื่นผิวดิน   (SURFACE WAVE )       คลื่นตรง    ( DIRECT WAVE )       คลื่นสะท้อนดิน    ( GROUND REFLECTED WAVE )       และคลื่นหักเหโทรโปสเฟียร์    (REFLECTED TROPOSPHERIC WAVE )

1. คลื่นผิวดิน   หมายถึง   คลื่นที่เดินตามไปยังผิวโลกอาจเป็นผิวดิน หรือผิวน้ำก็ได  ้ พิสัยของการกระจายคลื่นชนิดนี้ขึ้นอยู่กับค่าความนำทางไฟฟ้าของผิวที่คลื่นนี้เดินทางผ่านไป เพราะค่าความนำจะเป็นตัวกำหนดการถูกดูดกลืนพลังงานของคลื่นผิวโลก   การถูกดูดกลืนของคลื่นผิวนี้จะเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่สูงขึ้น
2. คลื่นตรง   หมายถึง   คลื่นที่เดินทางออกไปเป็นเส้นตรงจากสายอากาศ ส่งผ่านบรรยากาศตรงไปยังสายอากาศรับโดยมิได้มีการสะท้อนใด ๆ
3. คลื่นสะท้อนดิน   หมายถึง   คลื่นที่ออกมาจากสายอากาศ ไปกระทบผิวดินแล้วเกิดการสะท้อนไปเข้าที่สายอากาศรับ
4. คลื่นหักเหโทรโปสเฟียร์   หมายถึง   คลื่นหักเหในบรรยากาศชั้นต่ำของโลกที่เรียกว่า โทรโปสเฟียร์   การหักเหนี้มิใช่เป็นการหักเหแบบปกติที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศของโลกกับความสูง แต่เป็นการหักเหที่เกิดการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของชั้นบรรยากาศอย่างทันทีทันใด และไม่สม่ำเสมอของความหนาแน่นและในความชื้นของบรรยากาศ ได้แก่ ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า   อุณหภูมิแปรกลับ

                       ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงเรื่องของคลื่นผิวดินและคลื่นตรงเป็นหลัก   (ในส่วนของคลื่นดิน (Ground Wave))  ส่วนคลื่นฟ้า  ( Sky wave)จะกล่าวถึงในหัวข้อถัดไป  (หัวข้อ ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์)

1. คลื่นผิวดิน       (  Surface   wave   propagation   )

                    เป็นคลื่นที่แพร่กระจายออกจากสายอากาศโดยผิวพื้นดินเป็นสื่อนำ   คลื่นผิวดินจะมีขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสายอากาศของเครื่องส่งจะต้องอยู่ใกล้ชิดกับพื้นดิน ซึ่งจะมีอิทธิพลต่อความถี่ในย่าน   VLF ,  LF และ   MF     การแพร่กระจายคลื่นชนิดนี้  สามารถแพร่กระจายได้ระยะทางไกลมาก   ส่วนย่าน VHF ,  UHF   ก็สามารถที่จะแพร่กระจายคลื่นชนิดนี้ได้ เช่นกัน แต่ระยะทางติดต่อไม่ไกลนัก เพราะค่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพื้นดินจะมีผลต่อความถี่สูง ๆ เป็นอย่างมาก เพราะจะทำให้เกิดความสูญเสียกำลังไปในพื้นดิน   นั่นคือ เมื่อคลื่นแพร่ผ่านผิวดินไป   เส้นแรงของสนามไฟฟ้าของคลื่นจะเหนี่ยวนำให้เกิดประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นบนดิน   ทำให้เกิดกระแสไหลในดินขึ้น และเนื่องจากพื้นดินมิใช่เป็นตัวนำสมบูรณ์แบบ   ทำให้มีความต้านทานเกิดขึ้นเป็นเหตุให้เกิดการสูญเสียกำลัง   ( I²R)   ขึ้น

                         คลื่นดิน   เป็นคลื่นเดินทางตามผิวโค้งของโลกได้   จึงสามารถส่งคลื่นไปได้ไกลเมื่อใช้ความถี่ต่ำ ๆ   เช่น   ในย่าน   LF   หรือ   MF โดยทั่วๆไปจะครอบคลุมได้ระยะถึง   100  ไมล์   (หรือ   160   กิโลเมตร)  ตามมาตรฐานการแพร่กระจายคลื่นในช่วงเวลาตลอดวัน   จากนั้นการลดทอนจะมีสูงมากขึ้นตามลำดับ     พิจารณาได้จากกราฟในรูปที่   4

                    จากกราฟในรูปที่   4   จะเห็นได้ว่า   การลดทอนพลังงานคลื่น เพิ่มขึ้นตามค่าความถี่   คุณสมบัติข้อนี้พอสังเกตได้   เช่นเราไม่สามารถรับฟังคลื่นสั้น ซึ่งมีความถี่สูงมากจากสถานีส่งที่อยู่ไม่ไกลจากเรานักได้ ทั้งที่สามารถรับฟังคลื่นยาว หรือคลื่นกลางสถานีส่งนั้นได้ดี   ( กรณีที่สถานีนั้นส่งออกอากาศพร้อมกันทั้งคลื่นสั้นและคลื่นยาว )     คลื่นดินจัดว่ามีความแน่นอนดีไม่ค่อยมีอาการจางหาย หรือ ดัง ๆ เบา ๆ เกิดขึ้นและไม่ได้รับการกระทบกระเทือนมากเมื่อลมฟ้าอากาศเปลี่ยนแปลง  แต่คลื่นดินมีข้อเสีย คือ ส่งได้ไม่ไกลมากนักเนื่องจากผิวโลกมีความต้านทานสูง

ส่วนเหตุผลที่คลื่นสามารถเดินทางตามผิวโค้งของโลก เป็นผลมาจากตัวแปร   2   ค่า ด้วยกัน คือ


• สภาพการนำของพื้นดิน   ( conductivity   )
• ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของพื้นดิน   (   dielectric   constant   )

สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างตัวแปร   2   ค่า    มีดังนี้

                        เห็นได้ว่า    บริเวณที่เป็นพื้นน้ำมีผลดีต่อการแพร่กระจายคลื่นดินเป็นอย่างมาก

2. คลื่นตรง     ( Direct   wave   propagation   )

                    คลื่นตรงมีลักษณะการแพร่กระจายคลื่นวิทยุเหมือนกับการเดินทางของแสง   คือ   พุ่งเป็นเส้นตรง และการกระจายคลื่นชนิดนี้จะอยู่ในระดับสายตา   (  line   of   sight   )

                     การกระจายคลื่นชนิดนี้จะมีการถ่าง ของ   Radio   beam   และมีการแตกกระจายหรือสะท้อนได้ เมื่อพบกับสิ่งกีดขวาง   เช่น   ตึก   ภูเขา     โดยที่ระยะทางของการแพร่กระจายคลื่นจะมากหรือน้อยนั้นต้องขึ้นอยู่กับความสูงของสายอากาศเป็นสำคัญ   การแพร่กระจายคลื่นชนิดนี้ จะมีผลต่อการแพร่กระจายคลื่น ในย่านความถี่ที่สูงกว่าย่าน   VHF   ขึ้นไป   แต่ส่วนใหญ่ จะใช้ความถี่ในย่านที่สูงกว่า   UHF   ขึ้นไป   เนื่องจากการใช้ความถี่ในย่าน   VHF   และ   UHF   (LOW BAND )   จะมีการสะท้อนบนพื้นดินด้วย   ( reflection   propagation )   เกิดขึ้นเป็นอย่างมาก  
จากการแพร่กระจายคลื่นตรงนี้ ยังแบ่งการแพร่กระจายออกเป็น   2   แบบ    คือ

2.1       การแพร่กระจายเป็นแนวโค้ง เนื่องจากการเบี่ยงเบนในชั้นบรรยากาศ     (  Refraction   Propagation  )
                    โดยปกติ  คลื่นวิทยุที่แพร่กระจายไปในอากาศ จะมีลักษณะเป็นเส้นตรงเช่นเดียวกับแสง   แต่ข้อเท็จจริงประการหนึ่ง  คือ ชั้นบรรยากาศก็ย่อมมีความแตกต่างกัน   ดังนั้นคลื่นวิทยุที่ส่งออกอากาศไป ย่อมที่จะเบี่ยงเบนไปบ้างนอกเหนือจากที่พุ่งเป็นเส้นตรงแล้ว   ด้วยเหตุนี้ทำให้สามารถรับสัญญาณคลื่นวิทยุที่อยู่ห่างไกลจากระดับสายตาได้   การแพร่กระจายคลื่นชนิดนี้จะมีอิทธิพลต่อการติดต่อสื่อสารความถี่วิทยุในย่านสูงกว่า   VHF   ขึ้นไป

                    การกระจายคลื่นดังกล่าวนี้ไม่มีทฤษฎีที่แน่นอนว่า   คลื่นวิทยุที่ส่งออกไปแล้วจะเบี่ยงเบนลงสู่พื้นดินในช่วงใดบ้าง   แต่จากการทดลองพบว่า  คลื่นวิทยุที่เบี่ยงเบนจะมีลักษณะเป็น   Multi   part เบี่ยงเบนลงสู่พื้นดินเป็นจำนวนมาก

2.2     การแพร่กระจายคลื่นไปยังด้านที่มองไม่เห็นในระยะสายตา     (  Diffraction   Propagation  )
                    เป็นการกระจายคลื่นโดยการแตกกระจายของคลื่นวิทยุ   ลักษณะของการติดต่อกล่าวคือ   เมื่อคลื่นวิทยุที่ส่งออกไปจะกระทบกับสิ่งที่กีดขวาง   พลังงานบางส่วนจะเกิดการแตกกระจายรอบๆบริเวณสิ่งกีดขวางนั้น     ในทางปฏิบัติ เราจะให้คลื่นวิทยุพุ่งไปกระทบกับส่วนบนของสิ่งกีดขวางนั้นๆ สืบเนื่องจากเหตุผลที่ว่า   คลื่นที่เกิดการแตกกระจายไปนั้น สามารถเคลื่อนที่ต่อไปได้ตามหลักการของ   Ray   Theory   จะถือเอาส่วนโค้งของผิวโลก   อาคาร   ต้นไม้   เนินเขา   ที่ราบสูง   ภูเขา   หรืออากาศยาน  เหล่านี้เป็นต้น   แต่ถ้าสิ่งกีดขวางมีขนาดเล็กและมียอดแหลมคล้ายสันมีด (มุมยอดเล็ก)   คลื่นที่มาตกกระทบจะไม่มีผลต่อการที่จะทำให้เกิด   Diffraction   loss   หรือ  Shower   effect   ได้   แต่ถ้าหากสิ่งกีดขวางมีขนาดใหญ่   ค่าของ   Shower   effect   จะเกิดขึ้นมาก   ซึ่งเป็นผลทำให้ความแรงของสัญญาณลดลง  
การแพร่กระจายคลื่นดังกล่าว  แบ่งออกเป็น   2     ประเภทคือ

2.2.1     Diffraction   over   a   spherical   earth
2.2.2     Sky   wave   propagation     หรือ     Ionospheric   propagation

2.2.1     Diffraction    over   a   spherical   earth

                    ปกติ   Radio   beam   ที่ส่งไป  ชั้นบรรยากาศจะโค้งตามผิวโลกและเป็นเส้นตรง แต่ถ้าหากเครื่องส่งและเครื่องรับอยู่ห่างไกลเกินกว่าแนวระดับสายตามากๆแล้ว   เราสามารถติดต่อได้โดยการใช้คลื่นวิทยุไปกระทบหรือเสียดผิวโลก   ซึ่งจะทำให้เกิดการแตกกระจายของคลื่นวิทยุ   ทำให้สามารถรับคลื่นวิทยุได้ในระยะทางไกลเกินกว่าแนวระดับสายตา   การติดต่อในลักษณะนี้สามารถแสดงได้ดังรูป

2.2.2     Sky   wave   propagation     หรือ     Ionospheric   propagation

                    เป็นการแพร่กระจายคลื่นของคลื่นวิทยุที่สะท้อนบรรยากาศชั้น   Ionospheric   และสะท้อนกลับมายังผิวโลก   การกระจายคลื่นชนิดนี้จะมีอิทธิพลต่อการแพร่กระจายคลื่นในย่าน   HF   ซึ่งจะสะท้อนในชั้นนี้ จะทำให้ได้ระยะทางการติดต่อได้ไกลมาก   โดยที่การเดินทางของคลื่นวิทยุในย่าน   HF   คือ   การเดินทางโดยการสะท้อนชั้นบรรยากาศเป็นหลัก   ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างมากที่จะต้องพิจารณาถึงชั้นบรรยากาศต่างๆที่เกิดขึ้นในชั้น   Ionospheric   นี้   และพิจารณาถึงความถี่ที่เหมาะสมต่อการติดต่อ

                     จากรูปที่   8   จะเห็นว่า   Ionospheric   และ   Ionization   density   จะเพิ่มตามความสูงของชั้นบรรยากาศ     การที่ทราบว่ามีชั้นบรรยากาศชั้นต่างๆเนื่องจากมี   Ionization   แตกต่างกัน   จึงทำให้คลื่นวิทยุหักเหและเบี่ยงเบน จนกระทั่งทำให้คลื่นวิทยุเบี่ยงเบนกลับมายังโลกอีกครั้งหนึ่ง   คลื่นวิทยุที่เดินทางไปกระทบกับชั้นบรรยากาศต่างๆดังกล่าวจะต้องไม่ให้กระทบตรงๆ เพราะจะทำให้คลื่นวิทยุสะท้อนกลับลงมาในแนวดิ่ง ซึ่งไม่มีผลต่อการติดต่อสื่อสารแต่อย่างใด   แต่ถ้าหากให้คลื่นวิทยุกระทบชั้นบรรยากาศเอียงเป็นมุมกับชั้นบรรยากาศ  และเมื่อคลื่นวิทยุผ่านชั้นบรรยากาศเข้าไปกระทบกับบรรยากาศชั้นนี้ที่มีความหนาแน่นของบรรยากาศ ( Ionization density ) ต่างกันตามความสูง จึงทำให้คลื่นวิทยุค่อยเบี่ยงเบนไปจากเดิมจนในที่สุดกลับลงสู่พื้นโลกอีกครั้ง