การกำหนดไมโครเวฟ

ไมโครเวฟถูกใช้ในเรดาร์ การส่งสัญญาณวิทยุ การปรุงอาหาร และการใช้งานอื่นๆ ที่กลายมาเป็นสิ่งจำเป็นในสังคมสมัยใหม่ของเรา ไมโครเวฟเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทั่วไปจะนิยามว่าอยู่ในช่วงความถี่ 100 เมกะเฮิรตซ์ (ความยาวคลื่น 3 เมตร) ถึง 300 กิกะเฮิรตซ์ (ความยาวคลื่น 1 มิลลิเมตร)  สูงกว่า 30 กิกะเฮิรตซ์ เนื่องจากความยาวคลื่นวัดเป็นมิลลิเมตร จึงนิยมเรียกว่าคลื่นมิลลิเมตร ระบบความถี่แสงเริ่มต้นที่สูงกว่า 300 กิกะเฮิรตซ์ด้วยอินฟราเรด ช่วงความถี่วิทยุขยายลงมาจากช่วงไมโครเวฟไปจนถึงต่ำถึง 3 กิโลเฮิรตซ์ (ความยาวคลื่น 100,000 เมตร) สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ทั้งหมดเป็นไปตามกฎคลาสสิกเดียวกัน

เนื่องจากขนาดของส่วนประกอบไฟฟ้าแบบแยกส่วนทั่วไป (เช่น ตัวต้านทานคาร์บอน ตัวเก็บประจุไมกา ตัวเหนี่ยวนำแบบพันลวด) และสายไฟที่เชื่อมต่อกันมีขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นที่ความถี่ไมโครเวฟขึ้นไป จึงไม่เหมาะสมสำหรับการสร้างวงจรไมโครเวฟอีกต่อไป ส่วนประกอบวงจรพิมพ์แบบกระจาย ท่อนำคลื่น และส่วนประกอบแอคทีฟเฉพาะทาง (เช่น เครื่องขยายสัญญาณ) ที่มีขนาดภายในเล็กจิ๋วจึงถูกนำมาใช้แทน จนกระทั่งความยาวคลื่นมีขนาดเล็กมากจนต้องใช้เทคนิคทางแสง เช่น การใช้เลนส์และกระจก

ผลกระทบของผิวหนังที่ความถี่ไมโครเวฟ

อีกเหตุผลหนึ่งที่ส่วนประกอบแยกความถี่ต่ำทั่วไปและสายเชื่อมต่อไม่สามารถใช้ที่ความถี่ไมโครเวฟได้คือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าปรากฏการณ์ผิวหนัง ซึ่งเป็นแนวคิดที่ว่าพลังงานความถี่สูงเดินทางเฉพาะบนผิวด้านนอกของตัวนำและไม่สามารถทะลุผ่านเข้าไปในผิวได้เป็นระยะทางไกล แนวคิดของปรากฏการณ์ผิวหนังสามารถเข้าใจได้ดีที่สุดจากตัวอย่างต่อไปนี้ หากคุณผูกเชือกกับลูกบอลแล้วหมุนลูกบอลรอบศีรษะด้วยความเร็วต่ำ คุณจะเห็นว่าลูกบอลยังคงอยู่ใกล้กับร่างกายของคุณในขณะที่คุณหมุนมัน เมื่อคุณหมุนเร็วขึ้น ลูกบอลจะยืดออกห่างจากศีรษะและลำตัวของคุณมากขึ้น และด้วยความเร็วสูงพอที่ลูกบอลจะยืดออกตรงๆ แรงที่ทำให้เกิดสิ่งนี้คือแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

การเชื่อมโยงความเร็วของลูกบอลกับความถี่ (ความเร็วต่ำคือความถี่ต่ำ ความเร็วสูงคือความถี่สูง) เมื่อความถี่สูงขึ้น แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้น แรงเหนี่ยวนำนี้เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในสายส่ง แรงนี้ ซึ่งเราเรียกว่าแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางไมโครเวฟ จะป้องกันไม่ให้พลังงานทะลุผ่านพื้นผิวของสายส่ง และทำให้พลังงานเคลื่อนไปตามผิวของสายส่ง แทนที่จะเคลื่อนลงไปสู่พื้นที่หน้าตัดทั้งหมด เช่นเดียวกับในวงจรความถี่ต่ำ ดังนั้น เอฟเฟกต์ผิวจึงกำหนดคุณสมบัติของสัญญาณไมโครเวฟ

คำว่า skin depth มีความหมายตรงกับปรากฏการณ์ผิว (skin effect) ซึ่งหมายถึงระยะที่พลังงานไมโครเวฟสามารถทะลุผ่านตัวนำได้จริง และขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้และความถี่ในการทำงาน ตัวอย่างเช่น ความลึกของผิวในทองแดงที่ความถี่ 10 GHz คือ 0.000025 นิ้ว สำหรับอะลูมิเนียมที่ความถี่ 10 GHz คือ 0.000031 นิ้ว สำหรับเงินคือ 0.000023 นิ้ว และสำหรับทองคำคือ 0.000019 นิ้ว ดังนั้นจึงเห็นได้ว่าพลังงานเดินทางไปตามขอบด้านนอกของโลหะอย่างแท้จริง ซึ่งยิ่งเด่นชัดมากขึ้นเมื่อพิจารณาว่าแผงวงจรไมโครเวฟที่มีแผ่นหุ้มทองแดงโดยทั่วไปจะมีความหนา 0.0014 นิ้ว

เนื่องจากสายส่งไม่อนุญาตให้พลังงานความถี่สูงทะลุผ่านตัวนำได้ไกลนัก จึงไม่สมเหตุสมผลที่จะใช้สายนำแบบกลม (แบบรัศมี) บนส่วนประกอบต่างๆ สำหรับการใช้งานไมโครเวฟ พลังงานจะเดินทางเฉพาะบนผิวของสายนำและจะไม่มีประสิทธิภาพมากนัก นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงมีสายนำแบบริบบิ้นหรือไม่มีสายนำที่มีเพียงจุดเชื่อมต่อแบบบัดกรีบนส่วนประกอบไมโครเวฟส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีส่วนประกอบทางกายภาพค่อนข้างน้อยบนแผงวงจรไมโครเวฟ แม้จะมีอยู่จริง แต่กระจายอยู่ในพื้นที่ขนาดใหญ่และบาง ซึ่งมีค่าเทียบเท่ากับอุปกรณ์แยกส่วนที่ใช้ในความถี่ต่ำ ดังนั้นจึงเรียกว่าส่วนประกอบแบบกระจาย นี่คือสิ่งที่ทำให้หลายคนมองวงจรไมโครเวฟแล้วถามว่า "ส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ที่ไหน" วงจรไมโครเวฟจำเป็นต้องมีการออกแบบและเทคนิคการผลิตแบบพิเศษ