RF Engineering Basics
บทที่ 1 Electromagnetic Field
วิชา Electromagnetic เป็นวิชาแรกๆ ที่นักศึกษาด้านโทรคมนาคมต้องเรียน แต่เมื่อเริ่มเรียนกลับต้องมาพบเจอกับสมการที่ค่อนข้างซับซ้อนอย่าง Maxwell’s equations หรือสมการคลื่นต่างๆ นาๆ และเป็นเหยื่อชิ้นโตที่ นักศึกษาด้านวิศวกรรมโทรคมนาคม พยายามแก้สมการ ทำแบบฝึกหัดอย่างเอาเป็นเอาตายเพื่อสอบให้ผ่าน จนลืมวัตถุประสงค์จริงๆ ที่เนื้อหาวิชาต้องการจะสื่อ ซึ่งการท่องจำสูตรสมการเพื่อให้ทำข้อสอบผ่านไม่ได้หมายความว่าเมื่อเรียนจบไปแล้วจะสามารถนำไปใช้งานได้จริง
ในความเป็นจริงแล้ววิชา Electromagnetic พยายามอธิบายถึงธรรมชาติของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทั้งที่เกิดตามธรรมชาติและที่มนุษย์สร้างขึ้น ซึ่งผู้เรียนจะต้องจินตนาการสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าให้เป็นรูปภาพ ก่อนที่จะไปทำความเข้าใจสมการและตัวเลข เช่น เมื่อพูดถึงสนามแม่เหล็กคงนึกภาพไม่ยากเมื่อนึกถึงการนำแม่เหล็กขั้วเหมือนนมาผลักกัน หรือนำแม่เหล็กขั้วต่างกันมาใกล้กัน ซึ่งจะ
มีเกิดแรงดันและแรงดึงดูดที่เรารู้สึกและสัมผัสได้ หรือเมื่อพูดถึงสนามไฟฟ้าก็ต้องจินตนาการถึงความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าสองจุด เช่น ระหว่างก้อนเมฆที่คลึ้มฝน หรือสายไฟฟ้าแรงสูงที่พาดผ่านทุ่งนา หรือ Capacitor ที่มีการป้อนไฟไปที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง เหล่านี้ย่อมเกิดสนามไฟฟ้าระหว่างจุดหรือตำแหน่งสองตำแหน่ง จากตัวอย่างสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าที่กล่าวมาเรียกกว่า สนามแม่เหล็ก และ สนามไฟฟ้าแบบสถิตย์ (Electro Static Field and Magnetic Static Field) ซึ่งมีความเข้มและทิศทางของเส้นแรงสนามค่อนข้างคงที่ ณ ช่วงเวลาขณะหนึ่ง
รูปที่ 1.1 เส้นแรงสนามแม่ไฟฟ้า และเส้นแรงสนามแม่เหล็กแบบสถิตย์ในรูปแบบต่างๆ
แต่เมื่อเราต้องจินตนการถึงสนามแม่เหล็กหรือไฟฟ้าแบบ Dynamic คือมีการเปลื่ยนแปลงของ “ความเข้ม (ขนาด)” และ ”ทิศทาง” ตลอดเวลา ก็คงต้องหลับตานึกภาพยากขึ้นมานิดหน่อยแต่คงไม่ยากนัก ซึ่งทาง Electromagnetic ถือว่าเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ซึ่งกันและกัน ในเวลาอันรวดเร็วและเกิดในทิศทางที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน ก็ต้องหลับตาจินตนาการนานหน่อย ซึ่งอาจนึกถึงภาพ สนามไฟฟ้าที่ออกมาจากวิทยุ Walkie Talkie ณ เวลาใดๆ แล้วค่อยจินตนาการถึงการเปลี่ยนความเข้มของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าในเวลาต่างกัน หรือพยายามนึกถึงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดในลายวงจรหรือขดลวดซึ่งอาจมีความซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งรอบของการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางในหนึ่งรอบเรียกว่าความถี่ (frequency)
รูปที่ 1.2 ความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นพร้อมกันและเหนี่ยวนำซึ่งกันและกัน ขนาดและทิศทางของสนามแม่ไฟฟ้ามีผลต่อขนาดและทิศทางของสนามแม่เหล็ก
การจินตนาการหรือการวาดภาพสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสิ่งที่สำคัญมากก่อนที่จะเริ่มแก้ปัญหาหรืออธิบายถึงตัวเลขต่างๆ เช่น การตอบสนองเชิงความถี่ (Frequency) กำลัง (Power) ทิศทาง (Direction) หรือการแพร่กระจาย (Propagation) ซึ่งการวาดภาพของเส้นแรงสนามย่อมเกิดประโยชน์มากกว่าการนำสมการต่างๆ นาๆ มาแก้ปัญหาทันที และในชีวิตจริงการแก้ปัญหา Electromagnetic โดยการใช้สมการทางคณิตศาสตร์ไม่ง่ายเหมือนในตำราเรียน เพราะในตำราเรียนในโจทย์ปัญหาแต่ละโจทย์จะมีเงื่อนไขของสภาพแวดล้อมไม่ซับซ้อนและเป็นมีแบบแผน (Uniform) และมีขอบเขตชัดเจน ซึ่งทำให้การออกแบบรูปแบบทางคณิตศาสตร์ (Math Model) ค่อนข้างง่ายและได้คำตอบตรงไปตรงมา ทำให้หาคำตอบของสมการไม่ยากนัก ซึ่งเครื่องมือที่ดูเหมาะสมที่สุดคงหนีไม่พ้นสมการพื้นฐานอย่าง Maxwell’s equations ที่ครอบคลุมทั้ง ขนาด ระยะทางทิศทาง และ เวลา รวมถึงกฏทางฟิสิกส์ต่างๆ ที่ไม่อาจหลุดรอดจากสมการที่มีประโยชน์มหาศาลนี้ไปได้
อย่างไรก็ตามการแก้ปัญหาด้าน Electromagnetic ไม่ว่าจะในตำราเรียนหรือในการทำงานย่อมต้องอาศัยจินตนาการก่อนใช้สมการหรือเครื่องมือใดๆ หาคำตอบหรือตัวเลขก่อนเสมอ แม้ในปัจจุบันจะมี Software ที่มีความสามารถในการแสดงผลในรูปของ Graphic เพื่อให้ผู้ใช้งานมองเห็นภาพสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนอุปกรณ์ที่ออกแบบว่าเป็นอย่างไรแต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายลักษณะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้สมบูรณ์แบบอยู่ดี อย่างน้อยการจินตนาการอาจทำให้ทำนายคำตอบในใจคร่าวๆ เพื่อไว้เปรียบเทียบกับคำตอบเชิงตัวเลขที่หาได้ว่ามีความเป็นไปได้มากน้อยเพียงใด ซึ่งถ้าตัวเลขที่คำนวณได้ ดูเกินจริงก็มีความเป็นไปได้ว่าการคำนวนมีความผิดพลาดบางอย่างและต้องตรวจสอบให้รอบคอบต่อไป
