ความถี่สูงสุด

ความถี่สูงสุด () ย่อว่า อีเอชเอฟ เป็นการกำหนดของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) สำหรับย่านความถี่วิทยุในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่ 30 ถึง 300 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) มันอยู่ระหว่างย่านความถี่สูงยิ่งยวด (SHF) กับย่านฟาร์อินฟราเรด ซึ่งส่วนล่างคือย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ คลื่นวิทยุในย่านความถี่นี้มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 10 ถึง 1 มิลลิเมตร ดังนั้นจึงเรียกว่าย่านความถี่มิลลิเมตร () และการแผ่รังสีในย่านความถี่นี้เรียกว่าคลื่นมิลลิเมตร () บางครั้งใช้ตัวย่อ MMW หรือ mmWave คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความยาวมิลลิเมตรถูกตรวจสอบครั้งแรกโดย จากาดิช จันทรา โบเซ ซึ่งสร้างคลื่นความถี่สูงถึง 60 GHz ระหว่างการทดลองในปี พ.ศ. 24372439

เมื่อเปรียบเทียบกับย่านความถี่ต่ำกว่า คลื่นวิทยุในย่านความถี่นี้มีการลดทอนบรรยากาศในระดับสูง โดยถูกดูดซับโดยก๊าซในชั้นบรรยากาศ การดูดซับจะเพิ่มขึ้นตามความถี่จนกระทั่งคลื่นถึงปลายบนสุดของแถบคลื่นจะลดลงจนเหลือศูนย์ภายในไม่กี่เมตร การดูดซับโดยความชื้นในบรรยากาศมีความสำคัญยกเว้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นทะเลทราย และการลดลงจากฝน (เรนเฟด ) ซึ่งถือเป็นปัญหาร้ายแรงแม้ในระยะทางสั้น ๆ อย่างไรก็ตาม ช่วงการแพร่กระจายที่สั้นช่วยให้สามารถใช้ความถี่ซ้ำได้น้อยกว่าความถี่ที่ต่ำกว่า ความยาวคลื่นสั้นช่วยให้สายอากาศขนาดปานกลางมีความกว้างของลำคลื่นน้อย ช่วยเพิ่มศักยภาพในการนำความถี่กลับมาใช้ใหม่ คลื่นมิลลิเมตรใช้สำหรับเรดาร์ควบคุมการยิงของกองทัพ เครื่องสแกนความปลอดภัยของสนามบิน เครือข่ายไร้สายระยะสั้น และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์

ในการใช้งานคลื่นมิลลิเมตรรูปแบบใหม่ ช่วงความถี่บางช่วงใกล้กับด้านล่างสุดของย่านความถี่กำลังถูกใช้ในเครือข่ายโทรศัพท์มือถือหรือเครือข่าย 5 จี รุ่นใหม่ล่าสุด การออกแบบวงจรและระบบย่อยคลื่นมิลลิเมตร (เช่น สายอากาศ เครื่องขยายสัญญาณเสียง มิกเซอร์ และออสซิลเลเตอร์) รวมถึงยังนำเสนอความท้าทายอย่างสูงสำหรับวิศวกร เนื่องจากข้อจำกัดของเซมิคอนดักเตอร์และกระบวนการ ข้อจำกัดของโมเดล และปัจจัย Q ที่ไม่ดีของอุปกรณ์แบบพาสซีฟ

 การแพร่กระจาย 
คลื่นมิลลิเมตรแพร่กระจายโดยเส้นทางตามแนวสายตาเท่านั้น พวกมันจะไม่ถูกสะท้อนโดยชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์รอบนอกและไม่ได้เคลื่อนที่ไปตามโลกเหมือนคลื่นดินเหมือนกับที่คลื่นวิทยุความถี่ต่ำกว่าทำ ที่ความหนาแน่นของพลังงานโดยทั่วไป พวกมันจะถูกปิดกั้นโดยการสร้างกำแพง และประสบปัญหาการลดทอนอย่างมากเมื่อผ่านใบไม้ การดูดซับโดยก๊าซในชั้นบรรยากาศเป็นปัจจัยสำคัญทั่วทั้งย่านความถี่และเพิ่มขึ้นตามความถี่ อย่างไรก็ตาม การดูดกลืนแสงนี้จะสูงสุดที่เส้นการดูดกลืนแสงเฉพาะบางเส้น โดยส่วนใหญ่เป็นออกซิเจนที่ 60 GHz และไอน้ำที่ 24 GHz และ 184 GHz ที่ความถี่ใน "หน้าต่าง" ระหว่างจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสง คลื่นมิลลิเมตรจะมีการลดทอนของชั้นบรรยากาศน้อยกว่ามากและมีช่วงที่มากกว่า การใช้งานจำนวนมากจึงใช้ความถี่นี้ ความยาวคลื่นมิลลิเมตรนั้นมีขนาดเท่ากันกับเม็ดฝน ดังนั้นการตกตะกอนทำให้เกิดการลดทอนเพิ่มเติมเนื่องจากการกระเจิง (เรนเฟด ) และการดูดซับ การสูญเสียพื้นที่ว่างและการดูดกลืนบรรยากาศในระดับสูงจำกัดการแพร่กระจายที่มีประโยชน์ไปเพียงไม่กี่กิโลเมตร ดังนั้นจึงมีประโยชน์สำหรับเครือข่ายการสื่อสารที่มีความหนาแน่นสูง เช่น เครือข่ายพื้นที่ส่วนบุคคลที่ปรับปรุงการใช้คลื่นความถี่ผ่านการนำความถี่กลับมาใช้ใหม่thumb|upright=1.7|การลดทอนของบรรยากาศในหน่วย dB/km โดยเป็นฟังก์ชันของความถี่เหนือย่านความถี่ที่สูงมาก ค่าการดูดซึมสูงสุดที่ความถี่เฉพาะเป็นปัญหา เนื่องจากองค์ประกอบของบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ () และออกซิเจนโมเลกุล () สเกลแนวตั้งเป็นลอการิทึมสองเท่า เนื่องจาก dB เองก็เป็นลอการิทึม 
คลื่นมิลลิเมตรแสดงลักษณะการแพร่กระจายแบบ "ออปติคอล" และสามารถสะท้อนและโฟกัสได้ด้วยพื้นผิวโลหะขนาดเล็กและเลนส์อิเล็กทริกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ถึง 30 เซนติเมตร (2 นิ้วถึง 1 ฟุต) เนื่องจากความยาวคลื่นของมันมักจะเล็กกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมมัน จึงสามารถใช้เทคนิคของเลนส์เชิงเรขาคณิตได้ การเลี้ยวเบนจะน้อยกว่าที่ความถี่ต่ำกว่า แม้ว่าขอบอาคารจะสามารถเลี้ยวเบนคลื่นมิลลิเมตรได้ก็ตาม ที่ความยาวคลื่นมิลลิเมตร พื้นผิวจะดูหยาบมากขึ้น ดังนั้นการสะท้อนแสงพร่าจึงเพิ่มขึ้น การแพร่กระจายหลายเส้นทาง โดยเฉพาะการสะท้อนจากผนังและพื้นผิวในอาคาร ทำให้เกิดการซีดจางอย่างรุนแรง การเปลี่ยนความถี่ด็อพเพลอร์อาจมีนัยสำคัญแม้ที่ความเร็วของคนเดินถนน ในอุปกรณ์พกพา ปัญหาการแชโดว์เนื่องจากร่างกายมนุษย์เป็นปัญหา เนื่องจากคลื่นทะลุเสื้อผ้าและความยาวคลื่นเล็กน้อยทำให้สะท้อนจากวัตถุโลหะขนาดเล็กได้ จึงถูกนำมาใช้ในเครื่องสแกนคลื่นมิลลิเมตรสำหรับการสแกนเพื่อรักษาความปลอดภัยในสนามบิน

 การใช้งาน 

 การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ 
ย่านความถี่นี้มักใช้ในดาราศาสตร์วิทยุและการรับรู้จากระยะไกล ดาราศาสตร์วิทยุภาคพื้นดินจำกัดอยู่เฉพาะในพื้นที่สูง เช่น ยอดเขาคิตต์และอาร์เรย์มิลลิเมตรขนาดใหญ่อาตาคามา (ALMA) เนื่องจากปัญหาการดูดกลืนแสงในชั้นบรรยากาศ

การรับรู้จากระยะไกลด้วยดาวเทียมใกล้ 60 GHz สามารถระบุอุณหภูมิในบรรยากาศชั้นบนได้โดยการวัดรังสีที่ปล่อยออกมาจากโมเลกุลออกซิเจนซึ่งเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิและความดัน การจัดสรรความถี่แฝงแบบไม่ผูกขาดของสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศที่ 57–59.3 GHz ถูกใช้สำหรับการตรวจสอบบรรยากาศในการใช้งานด้านอุตุนิยมวิทยาและการตรวจจับสภาพอากาศ และมีความสำคัญสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้เนื่องจากคุณสมบัติของการดูดซับออกซิเจนและการปล่อยก๊าซในชั้นบรรยากาศของโลก เซ็นเซอร์ดาวเทียมของสหรัฐที่ใช้งานได้ในปัจจุบัน เช่น  (AMSU) บนดาวเทียมนาซาหนึ่งดวง (Aqua) และดาวเทียม NOAA (15–18) สี่ดวง และเซ็นเซอร์ไมโครเวฟ/เครื่องสร้างภาพพิเศษ (SSMI/S) บนดาวเทียม F-16 ของกระทรวงกลาโหมใช้ช่วงความถี่นี้FCC.gov, Comments of IEEE Geoscience and Remote Sensing Society, FCC RM-11104, 10/17/07

 โทรคมนาคม 
ในสหรัฐย่านความถี่ 36.0–40.0 GHz ใช้สำหรับลิงก์ข้อมูลไมโครเวฟความเร็วสูงที่มีใบอนุญาต และย่านความถี่ 60 GHz ใช้สำหรับลิงก์ข้อมูลระยะสั้นที่ไม่ต้องมีใบอนุญาต (1.7 กิโลเมตร) ที่มีอัตราการส่งข้อมูลสูงถึง 2.5 Gbit/s นิยมใช้ในพื้นที่ราบ

นอกจากนี้ ย่านความถี่ 71–76, 81–86 และ 92–95 GHz ยังใช้สำหรับลิงก์การสื่อสารที่มีแบนด์วิธสูงแบบจุดต่อจุดอีกด้วย ความถี่ที่สูงกว่าเหล่านี้ไม่ได้รับผลกระทบจากการดูดซึมออกซิเจน แต่ต้องมีใบอนุญาตการส่งสัญญาณในสหรัฐจาก คณะกรรมการกลางกำกับดูแลกิจการสื่อสารสหรัฐ (FCC) มีแผนสำหรับลิงก์ 10 Gbit/s ที่ใช้ความถี่เหล่านี้เช่นกัน ในกรณีของย่านความถี่ 92–95 GHz ช่วงความถี่เล็ก ๆ 100 MHz ได้ถูกสงวนไว้สำหรับการใช้งานวิทยุในอวกาศ โดยจำกัดช่วงที่สงวนไว้นี้ให้อยู่ที่อัตราการส่งข้อมูลต่ำกว่าสองสามกิกะบิตต่อวินาทีRfdesign.com , Multigigabit wireless technology at 70 GHz, 80 GHz and 90 GHz, RF Design, May 2006

โดยพื้นฐานแล้วย่านความถี่นี้ยังไม่ได้รับการพัฒนาและมีความพร้อมสำหรับใช้ในผลิตภัณฑ์และบริการใหม่ ๆ ที่หลากหลาย รวมถึงเครือข่ายท้องถิ่นไร้สายแบบจุดต่อจุดความเร็วสูง และการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตบรอดแบนด์  เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีล่าสุดที่ทำงานใกล้ช่วง 60 GHz ลักษณะสัญญาณ "เพนซิล-บีม " ที่มีทิศทางสูงช่วยให้ระบบต่าง ๆ ทำงานใกล้กันโดยไม่ก่อให้เกิดการรบกวน การใช้งานที่เป็นไปได้ ได้แก่ ระบบเรดาร์ที่มีความละเอียดสูงมาก


มาตรฐานวายฟาย IEEE 802.11ad และ IEEE 802.11ay ทำงานบนสเปกตรัม 60 GHz (ย่านความถี่วี) เพื่อให้ได้อัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงถึง 7 Gbit/s และอย่างน้อย 20 Gbit/s ตามลำดับ

การใช้ย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตรรวมถึงการสื่อสารแบบจุดต่อจุด ลิงก์ระหว่างดาวเทียม และการสื่อสารแบบจุดต่อหลายจุด ในปี พ.ศ. 2556 มีการคาดเดาว่ามีแผนจะใช้คลื่นมิลลิเมตรในโทรศัพท์มือถือ 5 จี ในอนาคต นอกจากนี้ การใช้แถบคลื่นมิลลิเมตรสำหรับการสื่อสารด้วยยานพาหนะยังกลายเป็นโซลูชันที่น่าสนใจในการสนับสนุนการสื่อสารด้วยยานพาหนะ (กึ่ง) อัตโนมัติ

ความยาวคลื่นที่สั้นกว่าในย่านความถี่นี้ทำให้สามารถใช้สายอากาศที่มีขนาดเล็กกว่าเพื่อให้ได้ทิศทางที่สูงและอัตราขยายที่สูงเช่นเดียวกันกับสายอากาศที่ใหญ่กว่าในย่านความถี่ที่ต่ำกว่า ผลที่ตามมาทันทีของทิศทางที่สูงนี้ ควบคู่ไปกับการสูญเสียพื้นที่ว่างสูงที่ความถี่เหล่านี้ คือความเป็นไปได้ของการใช้ความถี่ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการใช้งานแบบจุดต่อหลายจุด เนื่องจากสามารถวางสายอากาศที่มีทิศทางสูงได้จำนวนมากขึ้นในพื้นที่ที่กำหนด ผลลัพธ์คือการใช้ความถี่ซ้ำมากขึ้น และความหนาแน่นของผู้ใช้ก็สูงขึ้น ความจุช่องสัญญาณที่ใช้งานได้สูงในย่านความถี่นี้อาจช่วยให้สามารถรองรับการใช้งานบางอย่างที่อาจใช้การสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกหรือการเชื่อมต่อที่สั้นมาก เช่น สำหรับการเชื่อมต่อระหว่างกันของแผงวงจร

 ระบบอาวุธ 
เรดาร์คลื่นมิลลิเมตรใช้ในเรดาร์ควบคุมการยิงระยะสั้นในรถถังและเครื่องบิน และระบบอาวุธต่อตีประชิด (CIWS) บนเรือรบกองทัพเรือเพื่อยิงขีปนาวุธที่พุ่งเข้ามา คลื่นที่มีความยาวคลื่นเพียงเล็กน้อยช่วยให้พวกมันสามารถติดตามกระแสกระสุนที่ส่งออกไปและเป้าหมายได้ 

กองทัพอากาศสหรัฐและเรย์เธียนได้พัฒนาระบบอาวุธต่อต้านบุคคลที่ไม่อันตรายถึงชีวิตที่เรียกว่า  (ADS) ซึ่งปล่อยลำแสงวิทยุมิลลิเมตรที่มีความยาวคลื่น 3 มิลลิเมตร (ความถี่ 95 GHz) อาวุธดังกล่าวทำให้บุคคลในลำแสงรู้สึกเจ็บปวดอย่างรุนแรง ราวกับว่าผิวหนังของพวกเขากำลังจะลุกเป็นไฟ รุ่นทหารมีกำลังส่ง 100 กิโลวัตต์ (kW) และรุ่นบังคับใช้กฎหมายขนาดเล็กที่เรียกว่า  ซึ่งพัฒนาโดยเรย์เธียนในเวลาต่อมามีกำลังส่ง 30 กิโลวัตต์

 การคัดกรองความปลอดภัย 

เสื้อผ้าและวัสดุอินทรีย์อื่น ๆ มีความโปร่งใสต่อคลื่นมิลลิเมตร ดังนั้นการใช้งานล่าสุดจึงได้ใช้เป็นเครื่องสแกนเพื่อตรวจจับอาวุธและวัตถุอันตรายอื่น ๆ ที่ซุกซ่อนเอาไว้ใต้เสื้อผ้าสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น การรักษาความปลอดภัยที่สนามบินNewscientisttech.com   กลุ่มผู้สนับสนุนความเป็นส่วนตัวมีความกังวลเกี่ยวกับการใช้เทคโนโลยีนี้ เนื่องจากในบางกรณี เทคโนโลยีดังกล่าวช่วยให้ผู้คัดกรองมองเห็นผู้โดยสารที่สนามบินราวกับไม่ได้สวมเสื้อผ้า

หน่วยงานรักษาความปลอดภัยด้านการขนส่งสหรัฐ (TSA) ได้ติดตั้งเครื่องสแกนคลื่นมิลลิเมตรในสนามบินหลักหลายแห่ง

ก่อนที่จะมีการอัพเกรดซอฟต์แวร์ เทคโนโลยีไม่ได้ปิดบังส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายของผู้ที่ถูกสแกน อย่างไรก็ตาม ใบหน้าของผู้โดยสารถูกระบบจงใจปกปิด ภาพถ่ายและถูกคัดกรองโดยช่างเทคนิคในห้องปิด จากนั้นจึงลบออกทันทีเมื่อการตรวจค้นเสร็จสิ้น ผู้สนับสนุนความเป็นส่วนตัวมีความกังวลว่า “เราเข้าใกล้การตรวจค้นเปลื้องผ้าเพื่อขึ้นเครื่องบินมากขึ้นเรื่อย ๆ” แบร์รี สไตน์ฮาร์ด จากสหภาพเสรีภาพพลเรือนอเมริกันกล่าว เพื่อแก้ไขปัญหานี้ การอัพเกรดได้ขจัดความจำเป็นในการมีเจ้าหน้าที่ในพื้นที่รับตรวจที่แยกต่างหาก ซอฟต์แวร์ใหม่นี้สร้างภาพลักษณ์ทั่วไปของมนุษย์ ไม่มีความแตกต่างทางกายวิภาคระหว่างชายและหญิงในภาพ และหากตรวจพบวัตถุ ซอฟต์แวร์จะแสดงเฉพาะกล่องสีเหลืองในพื้นที่เท่านั้น หากอุปกรณ์ตรวจไม่พบสิ่งที่น่าสนใจ จะไม่มีการแสดงภาพ ผู้โดยสารสามารถปฏิเสธการสแกนและถูกคัดกรองผ่านเครื่องตรวจจับโลหะและใช้การตบเบา ๆ แทน

จากข้อมูลของ ฟาร์รัน เทคโนโลยีส์ ผู้ผลิตเครื่องสแกนคลื่นมิลลิเมตรรุ่นหนึ่ง ระบุว่าเทคโนโลยีนี้มีไว้เพื่อขยายพื้นที่ค้นหาให้ไกลกว่าพื้นที่สแกนถึง 50 เมตร ซึ่งจะช่วยให้เจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยสามารถสแกนผู้คนจำนวนมากโดยที่พวกเขาไม่รู้ตัวว่า พวกเขากำลังถูกสแกน

 การวัดความหนา 
การศึกษาล่าสุดที่มหาวิทยาลัยเลอเฟิน ได้พิสูจน์แล้วว่าคลื่นมิลลิเมตรสามารถใช้เป็นเครื่องวัดความหนาที่ไม่ใช่นิวเคลียร์ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้ คลื่นมิลลิเมตรช่วยให้ตรวจจับความแปรผันของความหนาได้อย่างสะอาดและไร้การสัมผัส การใช้งานจริงสำหรับเทคโนโลยีนี้มุ่งเน้นไปที่การอัดขึ้นรูปพลาสติก การผลิตกระดาษ การผลิตแก้ว และการผลิตใยแร่

 ยา 
การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความเข้มต่ำ (โดยปกติคือ 10 mW/cm2 หรือน้อยกว่า) ที่มีความถี่สูงมากอาจนำไปใช้ในการแพทย์ของมนุษย์ในการรักษาโรคได้ ตัวอย่างเช่น "การได้รับ MMW ความเข้มต่ำสั้น ๆ สามารถเปลี่ยนอัตราการเติบโตและการเพิ่มจำนวนของเซลล์ กิจกรรมของเอนไซม์ สถานะของเครื่องมือทางพันธุกรรมของเซลล์ การทำงานของเยื่อหุ้มที่ถูกกระตุ้นและตัวรับส่วนต่อพ่วง" การรักษานี้มีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษกับช่วง 40–70 GHz การรักษาประเภทนี้อาจเรียกว่าการบำบัดด้วยคลื่นมิลลิเมตรหรือการบำบัดด้วยความถี่สูงมาก การปฏิบัตินี้เกี่ยวข้องกับประเทศในยุโรปตะวันออก (เช่น อดีตประเทศสหภาพโซเวียต) วารสารรัสเซีย คลื่นมิลลิเมตรของในด้านชีววิทยาและการแพทย์ เป็นการศึกษาพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์และการประยุกต์ทางคลินิกของการบำบัดด้วยคลื่นมิลลิเมตรBenran.ru 

 เรดาร์ตรวจจับความเร็วของตำรวจ 
ตำรวจจราจรใช้ปืนเรดาร์ตรวจจับความเร็วในย่านความถี่เคเอ (33.4–36.0 GHz)

 ดูเพิ่ม 
 ไมโครเวฟ
 รังสีเทราเฮิรตซ์

 อ้างอิง 

 แหล่งข้อมูลอื่น 
 FCC bulletin on MMW propagation
 FCC 70/80/90 GHz overview. 
 FCC 57–64 GHz rules.
 Definition of frequency bands (VLF, ELF... etc.)
 US Patent 7220488 – Deflecting magnetic field shield

หมวดหมู่:สเปกตรัมวิทยุ
หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของบังกลาเทศ
หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของอินเดีย