เครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟแบบพาสซีฟ: วิธีที่แผ่นสะท้อนธรรมดาสามารถขยายสัญญาณได้อย่างมหาศาลโดยไม่ต้องใช้พลังงาน

เครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟแบบพาสซีฟเป็นหนึ่งในโซลูชันที่สง่างามที่สุดในวงการโทรคมนาคม - อุปกรณ์ที่สามารถเพิ่มความแรงของสัญญาณได้อย่างมากโดยไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าใดๆ ระบบสะท้อนธรรมดาเหล่านี้ได้ช่วยเปิดใช้งานการสื่อสารอย่างเงียบๆ มาเป็นเวลาหลายทศวรรษ ตั้งแต่เครือข่ายโทรศัพท์ข้ามทวีปในยุคแรกๆ ไปจนถึงภารกิจอวกาศสมัยใหม่และการทดลองวิทยุสมัครเล่น

ข้อได้เปรียบของ Passive Repeater เมื่อเทียบกับระบบ Active

• ไม่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า
• การบำรุงรักษาต่อเนื่องน้อยที่สุด
• ต้นทุนการติดตั้งและการดำเนินงานต่ำกว่า
• อายุการใช้งานไม่จำกัดเมื่อติดตั้งในตำแหน่งที่เหมาะสมแล้ว
• เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม (ไม่มีการใช้พลังงาน)

ทำความเข้าใจการขยายสัญญาณของเครื่องขยายแบบพาสซีฟ

แนวคิดเรื่องการขยายสัญญาณในเครื่องขยายแบบพาสซีฟมักทำให้วิศวกรสับสนในตอนแรก อุปกรณ์ที่ไม่ได้เพิ่มพลังงานให้กับสัญญาณจะสามารถให้การขยายสัญญาณที่มีนัยสำคัญได้อย่างไร คำตอบอยู่ที่วิธีการวัดการขยายสัญญาณนี้ การสนทนาในชุมชนเผยให้เห็นว่าการขยายสัญญาณของเครื่องขยายแบบพาสซีฟแสดงถึงการปรับปรุงคุณภาพสัญญาณเมื่อเปรียบเทียบกับการไม่มีเครื่องขยายเลย เมื่อสัญญาณไมโครเวฟเดินทางระยะไกล สัญญาณจะได้รับผลกระทบจากการสูญเสียในบรรยากาศที่สามารถลดความแรงของสัญญาณได้หลายร้อยเดซิเบล แผ่นสะท้อนที่วางตำแหน่งได้ดีสามารถเปลี่ยนทิศทางและโฟกัสสัญญาณที่อ่อนลงเหล่านี้ได้ ทำให้เกิดการปรับปรุงคุณภาพการรับสัญญาณอย่างมาก

ดวงจันทร์เป็นตัวอย่างที่น่าประทับใจที่สุดของการขยายสัญญาณแบบพาสซีฟ นักวิทยุสมัครเล่นใช้ดาวเทียมธรรมชาติของโลกเป็นแผ่นสะท้อนขนาดใหญ่สำหรับการสื่อสารของพวกเขาอย่างสม่ำเสมอ โดยสามารถขยายสัญญาณได้ประมาณ 142 เดซิเบลที่ความถี่ 1296 MHz เทคนิคนี้เรียกว่าการสื่อสาร Earth-Moon-Earth (EME) หรือ moon bounce ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันน่าทึ่งของระบบสะท้อนแบบพาสซีฟ

หมายเหตุ: เดซิเบล (dB) เป็นหน่วยที่ใช้วัดอัตราส่วนความแรงของสัญญาณ โดยตัวเลขที่สูงกว่าแสดงถึงสัญญาณที่แรงกว่า

ช่วงความถี่ไมโครเวฟ

• การสื่อสารไมโครเวฟแบบดั้งเดิม: 1-30 GHz
• ช่วงความยาวคลื่น: 5มม. ถึง 5ซม.
• การดำเนินงาน moon bounce: ~1296 MHz (สามารถบรรลุอัตราขยาย 142 dB ได้)

การประยุกต์ใช้สมัยใหม่และการใช้งานเชิงสร้างสรรค์

นักวิทยุสมัครเล่นในปัจจุบันได้ค้นพบวิธีการใช้หลักการขยายสั�ญาณแบบพาสซีฟอย่างสร้างสรรค์มากขึ้น การสะท้อนจากอากาศยานได้กลายเป็นเทคนิคที่ได้รับความนิยมในหมู่นักวิทยุสมัครเล่น โดยมีซอฟต์แวร์เฉพาะทางที่สามารถคำนวณพารามิเตอร์การสะท้อนที่เหมาะสมโดยใช้ข้อมูลตำแหน่งอากาศยานแบบเรียลไทม์จากระบบ ADS-B สิ่งนี้ช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถสร้างการเชื่อมต่อการสื่อสารชั่วคราวโดยการสะท้อนสัญญาณจากอากาศยานที่ผ่านไป

เทคนิคนี้ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงประสิทธิภาพจนผู้ใช้งานบางคนรายงานว่าสามารถโทรศัพท์มือถือได้สำเร็จในพื้นที่ที่มีสัญญาณอ่อนเพียงแค่จับเวลาการโทรให้ตรงกับการผ่านของอากาศยานเหนือศีรษะ โหมดวิทยุดิจิทัลสมัยใหม่ได้ทำให้เทคนิคเหล่านี้เข้าถึงได้ง่ายขึ้นโดยต้องการพลังงานการส่งสัญญาณน้อยกว่าระบบอนาล็อกแบบเก่า

หมายเหตุ: ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) เป็นระบบที่ช่วยให้อากาศยานสามารถส่งสัญญาณตำแหน่งและข้อมูลอื่นๆ ได้

แผนภาพนี้แสดงเครือข่ายของตัวทำซ้ำแบบพาสซีฟ เน้นวิธีการใหม่ที่ผู้ประกอบการวิทยุสมัครเล่นใช้สำหรับการสื่อสาร

ระบบพาสซีฟในอวกาศ

หลักการของการขยายสัญญาณไมโครเวฟแบบพาสซีฟยังคงพบการประยุกต์ใช้ใหม่ๆ ในเทคโนโลยีอวกาศ ภารกิจ NISAR ล่าสุดของ NASA แสดงให้เห็นว่าแนวคิดเหล่านี้สามารถขยายไปสู่สัดส่วนที่ใหญ่โตได้อย่างไร ด้วยแผ่นสะท้อนเสาอากาศเรดาร์ขนาด 39 ฟุตที่ได้รับการติดตั้งในวงโคจรแล้ว ระบบนี้จะสแกนพื้นผิวแผ่นดินและน้ำแข็งของโลกเกือบทั้งหมดสองครั้งทุกๆ 12 วัน โดยใช้ระบบเรดาร์ L-band และ S-band เพื่อทะลุผ่านเมฆและพืชพรรณ

การทดลองเครื่องขยายสัญญาณแบบพาสซีฟในอวกาศในอดีต เช่น Project Echo ในช่วงทศวรรษ 1960 ได้ช่วยสร้างรากฐานสำหรับระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมสมัยใหม่ ดาวเทียมบอลลูนยุคแรกเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นแผ่นสะท้อนธรรมดา สะท้อนสัญญาณวิทยุข้ามทวีปและแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของระบบสื่อสารในอวกาศ

ข้อมูลจำเพาะของภารกิจ NISAR

• ขนาดแผ่นสะท้อนสัญญาณเสาอากาศ: 39 ฟุต
• ความถี่ในการสแกน: สองครั้งทุก 12 วันสำหรับพื้นผิวแผ่นดินและน้ำแข็ง
• ระบบเรดาร์: L-band (ทะลุผ่านเมฆและป่าไผ่ได้) และ S-band (ไวต่อความชื้นในพืชพรรณและหิมะ)
• พื้นที่ครอบคลุม: เกือบทั้งหมดของพื้นผิวแผ่นดินและน้ำแข็งของโลก

ความท้าทายในการนำไปใช้งานจริง

แม้จะมีแนวคิดที่เรียบง่าย แต่เครื่องขยายสัญญาณแบบพาสซีฟต้องการการออกแบบทางวิศวกรรมที่ระมัดระวังและการวางตำแหน่งเชิงกลยุทธ์ ความยาวคลื่นสั้นของสัญญาณไมโครเวฟ - โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5 มิลลิเมตรถึง 5 เซนติเมตร - ช่วยให้สามารถออกแบบแผ่นสะท้อนที่กะทัดรัดได้ แต่ต้องการการวางตำแหน่งที่แม่นยำเพื่อประสิทธิภาพที่เหมาะสม การติดตั้งหลายแห่งตั้งอยู่บนยอดเขาหรือตำแหน่งที่สูงอื่นๆ เพื่อเพิ่มการครอบคลุมแบบเส้นตรงให้สูงสุด

บางครั้งโซลูชันที่ดีที่สุดคือสิ่งที่เรียบง่ายที่สุด

เทคโนโลยีนี้ยังคงคุ้มค่าเมื่อเปรียบเทียบกับระบบขยายสัญญาณแบบแอคทีฟ ซึ่งต้องการโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานที่สำคัญ ระบบระบายความร้อน และการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่อง ระบบพาสซีฟเมื่อได้รับการติดตั้งและจัดตำแหน่งอย่างเหมาะสมแล้ว สามารถทำงานได้อย่างไม่มีกำหนดโดยไม่ต้องใช้พลังงานภายนอกหรือการบำรุงรักษาเป็นประจำ

การติดตั้งเครื่องขยายสัญญาณแบบพาสซีฟสมัยใหม่มักใช้แผ่นอลูมิเนียมที่ติดตั้งบนโครงสร้างแข็งแรง ออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพอากาศที่รุนแรงในขณะที่รักษาการวางตำแหน่งเชิงมุมที่แม่นยำ พื้นผิวสะท้อนต้องได้รับการปรับมุมอย่างระมัดระวังเพื่อเปลี่ยนทิศทางสัญญาณขาเข้าไปยังจุดหมายปลายทางที่ตั้งใจไว้ ทำให้การสำรวจพื้นที่และการติดตั้งเป็นปัจจัยสำคัญในประสิทธิภาพของระบบ

เมื่อความต้องการการสื่อสารไร้สายยังคงเติบโตต่อไป เครื่องขยายสัญญาณไมโครเวฟแบบพาสซีฟเสนอโซลูชันที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการขยายความครอบคลุมในภูมิประเทศที่ท้าทาย ซึ่งโครงสร้างพื้นฐานแบบดั้งเดิมจะมีต้นทุนสูงเกินไปหรือไม่สามารถบำรุงรักษาได้

อ้างอิง: passive microwave repeaters

ภาพประกอบทางเทคนิคนี้แสดงการติดตั้งระบบ passive repeater โดยนำเสนอข้อกำหนดด้านวิศวกรรมและการวางตำแหน่งที่กล่าวถึงในบทความ