คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Waves) มีคุณลักษณะเฉพาะตัวและสามารถนำมาประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่ของสัญญาณผ่านตัวกลางที่มีคุณสมบัติต่างกัน หรือการเคลื่อนที่ในอากาศ (Free Space) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อการสื่อสารทุกรูปแบบ เช่น อินเทอร์เน็ตไร้สาย การสื่อสารผ่านดาวเทียม และอื่น ๆ

อย่างไรก็ตาม ด้วยลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถกระจายไปได้ในทุกทิศทาง จึงจำเป็นต้องมีการควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น เพื่อให้สัญญาณส่งถึงจุดหมายได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะในระบบรับสัญญาณที่ต้องการความแม่นยำสูง ดังนั้นจึงมีการนำสายส่งสัญญาณ (Transmission Line) หรือที่เรียกว่า ท่อนำคลื่น (Waveguide) เข้ามาช่วยควบคุมและนำทางสัญญาณให้เดินทางภายในเส้นทางเฉพาะไปยังปลายทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ท่อนำคลื่น (Waveguide) คืออะไร

ท่อนำคลื่น คือ ช่องทางหรือท่อสำหรับนำสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยเฉพาะในย่านความถี่ไมโครเวฟ เดิมทีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะเคลื่อนที่กระจายในอากาศทุกทิศทาง แต่เมื่อมีการใช้ท่อนำคลื่น สัญญาณจะถูกควบคุมให้อยู่ภายในช่องทางเฉพาะ ทำให้สามารถส่งสัญญาณไปยังปลายทางได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ลักษณะของท่อนำคลื่นมีหลายรูปแบบ เช่น แบบสี่เหลี่ยม แบบกลม หรือแบบแบน ซึ่งแต่ละประเภทออกแบบมาเพื่อรองรับการส่งสัญญาณในลักษณะที่ต่างกัน

ประเภทของท่อนำคลื่น

• ท่อนำคลื่นแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า (Rectangular Waveguide)
  • เป็นรูปแบบที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการส่งสัญญาณระยะสั้น วัสดุที่ใช้ในการผลิตส่วนใหญ่ ได้แก่ ทองแดง ทองเหลือง เงิน ทองคำ หรือวัสดุผสมอื่น ๆ เพื่อให้ได้สมบัตินำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม
• ท่อนำคลื่นแบบวงกลมและวงรี (Circular and Elliptical Cross-Section Waveguide)‍
  • ใช้วัสดุเช่นเดียวกับแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้า มักนำไปใช้งานเฉพาะด้านที่ต้องการการกระจายสัญญาณที่แตกต่างไปจากแบบสี่เหลี่ยม‍
• ท่อนำคลื่นกึ่งตัวนำ (Dielectric Waveguide)‍
  • เช่น เส้นใยแก้วนำแสง (Fiber Optic) และโครงข่ายโฟโตนิกส์ (Photonic) ที่ใช้ในชิปคอมพิวเตอร์ เพื่อส่งข้อมูลด้วยแสงแทนสัญญาณไฟฟ้า

ลักษณะการทำงานของท่อนำคลื่น

ในการใช้งานท่อนำคลื่น จำเป็นต้องอาศัยคุณสมบัติสำคัญของการเดินทางของคลื่น โดยเฉพาะ การสะท้อนภายในท่อ (Total Internal Reflection) คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่อยู่ในท่อนำคลื่นจะเดินทางด้วยการสะท้อนซ้ำไปมาภายในผนังของท่อ โดยไม่สูญเสียพลังงานออกสู่ภายนอก การสะท้อนเช่นนี้ช่วยควบคุมให้คลื่นเคลื่อนที่ในเส้นทางที่กำหนดไปยังปลายทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเดินทางของคลื่นในท่อนำคลื่นสามารถจำแนกออกเป็น 3 โหมด ได้แก่:

1. TM (Transverse Magnetic Mode): คลื่นแม่เหล็กตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ และไม่มีองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กในทิศการเคลื่อนที่
2. TE (Transverse Electric Mode): คลื่นไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ และไม่มีองค์ประกอบของสนามไฟฟ้าในทิศการเคลื่อนที่
3. TEM (Transverse Electromagnetic Mode): ทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของคลื่น อย่างไรก็ตาม โหมดนี้จะพบเฉพาะในสายส่งบางประเภท เช่น Coaxial Cable

เมื่อส่งพลังงานเข้าสู่ท่อนำคลื่น สนามไฟฟ้าจะมีความเข้มข้นมากที่สุดที่บริเวณผนังที่กว้างกว่า และลดลงที่ผนังที่แคบกว่า คลื่นที่เดินทางจะมีลักษณะเป็นรูปคลื่นแบบซายน์ (Sinusoidal Wave) ซึ่งลักษณะการกระจายตัวนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบขนาดและความกว้างของท่อนำคลื่น

คุณสมบัติอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับการเดินทางของคลื่นในท่อนำคลื่น

• ความถี่คัทออฟ (Cutoff)  หมายถึงความถี่ต่ำสุดที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ผ่านท่อนำคลื่น ได้ หากความถี่ต่ำกว่าค่าดังกล่าว คลื่นจะไม่สามารถแพร่กระจายได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น ความถี่คัทออฟจึงเป็นตัวกำหนดขอบเขตล่างของการส่งผ่านสัญญาณภายในท่อนำคลื่น
• ความยาวคลื่นภายในท่อนำคลื่น มีความสัมพันธ์กับขนาดของผนังท่อและมุมตกกระทบของคลื่น หากความยาวคลื่นมากเกินไปเมื่อเทียบกับขนาดของท่อ อาจทำให้ค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (Voltage Maxima) ลดลง ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการส่งสัญญาณ
• ความชื้น การมีความชื้นภายในท่อนำคลื่น เป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ เนื่องจากจะรบกวนการเดินทางของคลื่น จึงต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์ดูดความชื้น (Waveguide Drier) เพื่อรักษาสภาพแวดล้อมภายในให้แห้งและเหมาะสมต่อการส่งสัญญาณ ทั้งนี้ยังมีปัจจัยอื่น ๆ ที่ควรคำนึงถึง เช่น มุมตกกระทบและความเร็วเชิงมุมของคลื่น

ข้อดีของการใช้ท่อนำคลื่น เมื่อเปรียบเทียบกับสายส่งประเภทอื่น‍

1. การสูญเสียพลังงานต่ำ การออกแบบที่เหมาะสมของท่อนำคลื่น ช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่งสัญญาณ โดยเฉพาะเมื่อมีการควบคุมปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความชื้น ขนาด และความถี่ของสัญญาณ ทำให้สามารถส่งสัญญาณได้อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ
2. ลดการรบกวนจากภายนอก คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางภายในท่อนำคลื่น จะถูกจำกัดให้อยู่ภายในผนังของท่อเท่านั้นส่งผลให้ลดการแทรกแซงจากคลื่นหรือสัญญาณอื่นภายนอกได้อย่างมีนัยสำคัญ
3. ประสิทธิภาพเหนือกว่าสายทองแดงทั่วไป เมื่อเปรียบเทียบกับสายส่งประเภท Coaxial หรือสายทองแดง การส่งสัญญาณผ่านท่อนำคลื่น ให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า เนื่องจากลดการสูญเสียพลังงานจากความร้อนและลดการรั่วไหลของพลังงานซึ่งอาจรบกวนสัญญาณหลักได้

‍