การค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในปี ค.ศ. 1864 (พ.ศ. ๒๔๐๗) โดยเจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ นักคณิตศาสตร์ ชาวสกอตแลนด์ คือ จุดเริ่มต้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อการสื่อสารรูปแบบต่างๆ รวมทั้งคุณสมบัติเฉพาะของช่วงความถี่ต่างๆ อาทิ คลื่นรังสีแกมม่า คลื่นรังสีเอ็กซ์ คลื่นแสงอินฟราเรด คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ เป็นต้น ในระบบการสื่อสารระหว่างเครื่องรับและเครื่องส่งคลื่นสัญญาณวิทยุนั้น ปัจจัยที่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการรับส่งสัญญาณขึ้นอยู่กับลักษณะการเดินทางของคลื่นวิทยุที่เลือกใช้ซึ่งมีรูปแบบหลายชนิดคือ คลื่นตรง คลื่นสะท้อนจากพื้นดิน คลื่นสะท้อนจากชั้นบรรยากาศ หรือคลื่นที่เดินทางตามผิวโลก ซึ่งลักษณะการเดินทางของคลื่น สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานการสื่อสารต่างๆ ให้เหมาะสมได้ เช่น การสื่อสารระบบวิทยุนำร่องใช้ลักษณะการเดินทางแบบคลื่นที่เดินทางตามผิวโลกและคลื่นสะท้อนจากชั้นบรรยากาศ (คลื่นฟ้า) ในย่านความถี่ต่ำ ๓๐-๓๐๐ กิโลเฮิรตซ์ เพื่อการสื่อสารระยะไกลมาก ส่วนการสื่อสารระบบวิทยุเอฟเอ็มและการส่งสัญญาณแพร่ภาพโทรทัศน์ ใช้ลักษณะการเดินทางแบบคลื่นตรงและคลื่นสะท้อนจากพื้นดิน(คลื่นดิน)ในย่านความถี่สูงมาก ๓๐ ถึง ๓๐๐ เมกะเฮิรตซ์ เพื่อคุณภาพการสื่อสารในพื้นที่ครอบคลุมระยะใกล้ เป็นต้น
 

        In 1864, James Clerk Maxwell, a Scottish physicist and mathematician discovered that an “electromagnetic wave” was possible, a rapid interplay of electric and magnetic field spreading with the velocity of light at about 3x108 m/s. For communication purpose where the radio frequency is used, it is base on a form of that electromagnetic radiation with long wavelengths and low frequencies. The radio frequency section of electromagnetic spectrum covers on a fairly wide band. It includes waves with frequencies ranging from about 10 kilohertz to about 60,000 megahertz corresponding to wavelengths between about 30,000 m and 0.5 cm. This range of frequency is adopted for wide applications of wireless communication, broadcasting systems, satellite communications, etc. Next, the mode of propagation of electromagnetic waves in the atmosphere and in free space could be subdivided into main categories as ground wave propagation, sky wave propagation, or line of sight (LOS) propagation for instance. Each mode would be selected properly for the communication purposes by considering the obtained distance or quality of signal, and it depends on the atmospheric factors as well.

       คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นปรากฏการณ์เกิดจากการเคลื่อนที่ ในสุญญากาศจากการเปลี่ยนแปลงเหนี่ยวนำ ให้เกิดสนามแม่เหล็กหรือสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้า โดยไม่อาศัยตัวกลางมีพลังงานถ่ายเทอย่างต่อเนื่อง จากแหล่งพลังงานสูงไปยังพลังงานต่ำที่มีค่าความ ,ยาวคลื่น (Wave Length: ) ตั้งแต่เศษส่วนแสนล้านหรือพิโกเมตร (pico mater: pm) ไปจนถึง ๑๐๐ กิโลเมตร (km)

       ๓.๑ ประวัติและความเป็นมา

       ในปี ค.ศ. 1864 (พ.ศ. ๒๔๐๗) เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) นักคณิตศาสตร์ชาวสกอตแลนด์ได้เผยแพร่บทความทฤษฎีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชื่อว่า “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field” [๑] พร้อมทั้งนิยามคลื่นวิทยุคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีความเร็วในการเดินทางเท่ากับความเร็วแสง คือ ๓๐๐,๐๐๐,๐๐๐ เมตรต่อวินาที (3×108m/s) นำมาซึ่งแนวความคิดที่เกี่ยวกับกระแสการกระจัด (Displacement current) ที่กล่าวถึงเรื่องไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก โดยเป็นส่วนสำคัญที่นำไปสู่การวิจัย ทดลอง และค้นหาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อปี ค.ศ. 1879 (พ.ศ. ๒๔๒๒) แมกซ์เวลได้ถึงแก่กรรมลงเมื่ออายุเพียง ๔๘ ปี ด้วยโรคมะเร็ง กระทั่งปี ค.ศ. 1880 (พ.ศ. ๒๔๒๓) เป็นจุดเริ่มต้นของการค้นพบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวทางทฤษฎีของแมกซ์แวล โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่ชื่อว่าเฮนริช  รูดอร์ฟ เฮิรตซ์ (Heinrich Rudolf Hertz) อันเนื่องมาจากหัวข้อวิจัยเกี่ยวกับการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุทรงกลมที่กำลังหมุนชื่อว่า “Induction of Rotating Spheres” ซึ่งต่อมาในปี ค.ศ. 1884 (พ.ศ. ๒๔๒๗) ณ
มหาวิทยาลัยคาร์ลสครูห์ ประเทศเยอรมัน ซึ่งเป็นสถานที่ที่เฮิรตซ์ทำการศึกษาค้นคว้าวิจัยและการทดลอง เพื่อพิสูจน์ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวคิดของ แมกซ์เวล โดยได้ค้นพบการแผ่รังสีของพลังงานในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยการใช้ความถี่ประมาณ ๘๐ เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ซึ่งจากผลการทดลองก็ได้ยืนยันหรือสนับสนุนทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามแนวคิดของแมกซ์เวล [๒] จากนั้นเมื่อปี ค.ศ. 1894 (พ.ศ. ๒๔๓๗) เฮิรตซ์ ได้ถึง
แก่กรรมลงเมื่ออายุเพียง ๓๗ ปี ด้วยโรคหลอดเลือดแดงอักเสบ หลังจากนั้นงานวิจัยของเฮิรตซ์ยังคงดำเนินการอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจากผลการทดลองของเฮิรตซ์ ทำให้เกิดการนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปใช้สำหรับเป็นช่องทางหรือสื่อนำการสื่อสาร ดังเช่น การนำไปใช้ในการแพร่กระจายสัญญาณของสถานีวิทยุและโทรทัศน์ เป็นต้น

       ๓.๒ ชนิดของการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

       คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยคลื่นแม่เหล็ก ที่มีความยาวคลื่นและความถี่ที่แตกต่างกัน เพื่อประยุกต์ใช้งาน ในด้านการสื่อสารและโทรคมนาคม รวมทั้งการแพทย์โดยครอบคลุมตั้งแต่ช่วงคลื่นที่สั้นที่สุดคือ รังสีคอลมิส (Cosmic rays) รังสีแกมม่า (Gamma rays) รังสีเอ็กซ์ (X-rays) รังสีอัลตรา-
ไวโอเรท (Ultraviolet) แสงที่ตามองเห็น หรือวิสิเบิล (Visible) แสงอินฟราเรด (Infrared) และคลื่นไมโครเวฟ (Microwave) หรือช่วงคลื่นเพื่อการ
สื่อสารที่เรียกว่าคลื่นวิทยุ (Radio wave) ด้วย ดังตารางที่ ๓.๑ มีรายละเอียดดังนี้

       ก) รังสีคอสมิค (Cosmic rays)
       รังสีที่มีพลังงานสูงกับการระเบิดพลังนิวเคลียร์มีคุณสมบัติสามารถทะลุทะลวงสูง โดยเฉพาะพื้นดินและน้ำทะเล รังสีคอสมิคมีช่วงความยาวคลื่นสั้นที่สุด (Short wavelength) ที่หนึ่งพิโกเมตร (pm) ความถี่สูงถึงสิบยกกำลังยี่สิบเฮิรตซ์ (1020 Hz) ในแถบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า [๓]

       ข) รังสีแกมม่า (Gamma rays)
       รังสีที่มีพลังงานและอำนาจทะลุทะลวงสูงเท่ากับหรือน้อยกว่ารังสีคอสมิค แผ่รังสีจากปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือจากสารกัมมันตรังสี ซึ่งมีอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต มีช่วงความยาวคลื่นน้อยกว่าหนึ่งพิโกเมตรหรือน้อยกว่า ศูนย์จุดหนึ่งนาโนโมตร ความถี่สิบกำลังสิบเก้าเฮิรตซ์ (1019 Hz) และพลังงานสูงมากกว่า ๑๐ กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (kilo electron Volts: keV)

       ค) รังสีเอ็กซ์ (X-rays)
       รังสีที่มีความยาวคลื่นสั้นมากกว่า ๑ นาโนเมตร (๑ เมตร เท่ากับ ๑,๐๐๐,๐๐๐,๐๐๐ นาโนเมตร) ความถี่สูง (1018 Hz) และมีพลังงานในช่วง ๑๐๐ อิเล็กตรอนโวลต์ ถึง ๑๐๐ กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ คุณสมบัติสามารถแผ่รังสีผ่านร่างกายและสิ่งของโดยไม่เกิดอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต (ยกเว้นได้รับรังสีในปริมาณมากเกินไป) รังสีเอ็กซ์นำมาประยุกต์ใช้งานในด้านการแพทย์ และทันตกรรมในการตรวจดูความผิดปกติของอวัยวะในร่างกาย และนำไปใช้งานในด้านการตรวจจับวัตถุระเบิดหรืออาวุธปืนในกระเป๋าเดินทาง

       ง) รังสีอัลตราไวโอเรท (Ultraviolet)
       รังสีธรรมชาติที่เกิดจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ (Solar) ที่มีประโยชน์ต่อร่างกาย (ในช่วงเวลาเช้า) มีความยาวคลื่น ๑ ถึง ๔๐๐ นาโนเมตร ช่วงความถี่ 1015 – 1018 เฮิรตซ์ และมีพลังงานในช่วง ๒ ถึง ๓ อิเล็กตรอนโวลต์เท่านั้น สำหรับการประยุกต์ใช้งาน นำไปใช้ในด้านการแพทย์ และระบบ
สื่อสารด้วยแสง [๓]

      จ) แสงที่ตามองเห็น (Visible light)
       แสงที่ประสาทตา ของมนุษย์ สามารถสัมผัสได้ ในช่วงความยาวคลื่น ๔๐๐ ถึง ๗๐๐ นาโนเมตร โดยแสงขาวจากดวงอาทิตย์ สามารถมองเห็นจาก
ปริซึมได้เป็นสีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง คล้ายกับสีของรุ้งกินน้ำซึ่งเรียกว่า สเปกตรัม (Spectrum)

      ฉ) แสงอินฟราเรด (Infrared)
      คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่และความยาวคลื่นอยู่ระหว่างแสงที่ตามองเห็นกับคลื่นไมโครเวฟ มีคุณสมบัติสามารถสะท้อนแสงกับวัตถุผิวเรียบ แต่ไม่สามารถผ่านวัตถุทึบแสงได้ ซึ่งโดยทั่วไปในระบบการสื่อสารนำไปประยุกต์ใช้งานในด้านการสื่อสารระยะใกล้ (การสื่อสารแบบไร้สาย) เช่น
รีโมทคอลโทรล (Remote control) ของเครื่องรับโทรทัศน์และอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่มีช่องสื่อสารอินฟราเรด (Infrared Data Association: IrDa) เพื่อเชื่อมต่อกับโทรศัพท์เคลื่อนที่สำหรับการรับส่งสัญญาณข้อมูล เป็นต้น

       ช) คลื่นไมโครเวฟ (Microwave)
       คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีความถี่ในช่วง 108-1012 เฮิรตซ์ และความยาวคลื่น ๑ มิลลิเมตร (mm) ถึง ๑๐ เซนติเมตร (cm) มีลักษณะการกระจายคลื่นแบบตรง (Direct wave propagation) และไม่สะท้อนชั้นบรรยากาศ คลื่นไมโครเวฟ ถูกนำไปใช้งานในด้านระบบเชื่อมต่อสัญญาณในระยะสายตา (Line of sight) และระบบคลื่นฟ้า เช่น การส่งสัญญาณ ของชุมสายโทรศัพท์ทางไกล (Trunk) การส่งสัญญาณแพร่ภาพโทรทัศน์และการสื่อสารผ่านดาวเทียม เป็นต้น

       ซ) ย่านความถี่วิทยุเพื่อการสื่อสาร (Radio wave)
       คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติสามารถนำข้อมูลภาพ เสียง และข้อมูลอื่นๆ เดินทางผ่านชั้นอากาศได้ ซึ่งเป็นคุณสมบติที่มีประโยชน์ ต่อการสื่อสารโทรคมนาคมในหลายด้าน เช่น ระบบวิทยุสื่อสารเอเอ็มและเอฟเอ็ม (Amplitude Modulation: AM and Frequency Modulation: FM) การสื่อสารทางเรือดำน้ำ การสื่อสารทางทะเล การสื่อสารโทรศัพท์เคลื่อนที่ การแพร่ภาพโทรทัศน์และการสื่อสารผ่านดาวเทียม เป็นต้น สำหรับการแบ่งย่านความถี่ของ
คลื่นวิทยุตามกฏของสหพันธ์โทรคมนาคมนานาชาติ (International Telecommunication Union: ITU) แสดงดังตาราง ๓.๒ นี้

                        ตารางที่ ๓.๒ ตารางการแบ่งย่านความถี่ของคลื่นวิทยุ [๔]

       ประสิทธิภาพการรับส่งสัญญาณเป็นสิ่งที่สำคัญในระบบการสื่อสาร ซึ่งปัจจัยที่มีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการรับส่งสัญญาณนั้นนอกจากภาครับส่งแล้วจะขึ้นอยู่กับลักษณะการเดินทางของคลื่น คุณสมบัติการกระจายคลื่นและตัวกลางสื่อนำสัญญาณด้วย เป็นต้น ดังตารางที่ ๓.๑ มีรายละเอียด ต่อไปนี้

         ๔.๑ ลักษณะการเดินทางของคลื่น

       คลื่นวิทยุที่ส่งจากสายอากาศภาคส่งไปยังสายอากาศภาครับนั้นมีลักษณะการเดินทางหลายชนิดคือ อาจเป็นคลื่นตรง (Direct wave) คลื่นสะท้อนจากพื้นดิน (Ground-reflected wave) คลื่นสะท้อนจากชั้นบรรยากาศ (Ionosphere- reflected wave) หรือคลื่นที่เดินทางตามผิวโลก (Surface wave) เป็นต้น

         ก) ลักษณะการเดินทางของคลื่นสั้น
         คลื่นวิทยุที่เป็นคลื่นสั้นนั้น หากระยะทางระหว่างสายอากาศภาคส่ง กับสายอากาศภาครับมีค่าน้อยมากลักษณะการเดินทางของคลื่นย่านความถี่สูงมาก (Very High Frequency: VHF) และย่านความถี่สูงยิ่ง (Ultra High Frequency: UHF) เป็นคลื่นตรงที่ส่งสัญญาณตรงจากเสาอากาศภาคส่งไปยังเสาอากาศภาครับ หรือคลื่นสะท้อนจากพื้นดินที่ส่งคลื่นออกจากเสาอากาศภาคส่งตกกระทบกับพื้นดินแล้วสะท้อนไปยังเสาอากาศภาครับ (ดังรูปที่ ๔.๑)
         คลื่นที่เดินทางตามผิวโลก (กรณีสายอากาศมีความสูงไม่มาก) จัดรวมอยู่จำพวกเดียวกัน เรียกว่าคลื่นดิน (Ground wave) ดังรูปที่ ๔.๒ หรือคลื่น
โทรโปสเฟียร์ (Tropospheric wave) ซึ่งเป็นคลื่นที่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงบรรยากาศชั้นโทรโปสเฟียร์ (การเปลี่ยนแปลงนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นมาจากการเปลี่ยนแปลง ของส่วนประกอบของอากาศ) ทำให้เกิดความเข้มของสนามไฟฟ้าทางด้านรับมีเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งคลื่นในย่านความถี่สูงยิ่ง (UHF) และย่านความถี่สูงมาก (VHF) นั้นเกิดการหักเห (Refraction) การสะท้อน (Reflection) และการดูดกลืน (Absorption) ดังนั้นคลื่นวิทยุในย่านความถี่สูงมากและย่านความถี่สูงยิ่ง ถูกเรียกว่าคลื่นโทรโปสเฟียร์มากกว่าคลื่นดิน
         สำหรับคลื่นสั้นในกรณีที่ระยะทางระหว่างสายอากาศภาคส่งและภาครับมีค่ามากนั้นคลื่นทำมุมค่าหนึ่งกับพื้นดินและคลื่นที่หันเข้าหาบรรยากาศนั้นสะท้อนกลับที่บรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ (Ionosphere) หรืออาจหักเหกลับมายังสายอากาศรับดังรูปที่ ๔.๓[๔]

       คลื่นสั้นมีการเดินทางทั้งแบบคลื่น ที่เดินทางตามผิวโลกและคลื่นไอโอโนสเฟียร์ ในระยะทางที่ใกล้และไกลตามลำดับ แต่เนื่องด้วย คลื่นที่เดินทางตามผิวโลกเกิดการลดทอนกำลัง (Attenuation) มาก โดยทั่วไปจึงส่งสัญญาณคลื่นสั้นเดินทางแบบคลื่นไอโอโนสเฟียร์แทน ดังรูปที่ ๔.๔

       สำหรับระยะทางสูงสุดคลื่นวิทยุย่านความถี่สูงมาก ซึ่งเป็นคลื่นสั้นประเภทหนึ่งมีค่าเท่ากับความยาวของเส้นระยะสายตาสูงสุดระหว่างสายอากาศภาคส่งกับสายอากาศภาครับ (Line of sight) เหมาะสำหรับการใช้งานการสื่อสารระบบวิทยุเอฟเอ็ม (Frequency Modulation: FM) การส่งสัญญาณแพร่ภาพโทรทัศน์ และการสื่อสารในการเดินเรือ เป็นต้น

       ข) ลักษณะการเดินทางของคลื่นปานกลาง
       ลักษณะการเดินทางของคลื่นปานกลางในเวลากลางวันเป็นคลื่นที่เดินทางตามผิวโลก ส่วนในเวลากลางคืนมีทั้งคลื่นที่เดินทางตามผิวโลก และคลื่นที่สะท้อนจากชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ในย่านความถี่ปานกลาง(Medium Frequency: MF) ๓๐๐ ถึง ๓,๐๐๐ กิโลเฮิรตซ์ (kHz) เหมาะสำหรับการสื่อสารด้านระบบการเตือนภัยทางทะเล ระบบคลื่นวิทยุสมัครเล่น (Amateur radio) และการออกอากาศ ระบบคลื่นวิทยุเอเอ็ม (Amplitude Modulation: AM) เป็นต้น [๔]

       ค) ลักษณะการเดินทางของคลื่นยาว
       คุณสมบัติการเดินทางของคลื่นยาวมีทั้งคลื่นที่เดินทางตามผิวโลกและคลื่นสะท้อนจากชั้นบรรยากาศหรือคลื่นฟ้า (Sky wave) สำหรับการสื่อสารระยะทางใกล้และระยะไกลขึ้นอยู่กับค่าบั่นทอนกำลังของคลื่น (Attenuation Constant) หากคลื่นยาวมีค่าความถี่ต่ำมากๆ เดินทางในลักษณะตามผิวโลกค่า
บั่นทอนกำลังของคลื่นนั้นจะมีค่าน้อย ทำให้คลื่นสามารถเดินทางไปได้ในระยะทางที่ไกล เหมาะสำหรับคลื่นที่มีย่านความถี่ต่ำ (Low Frequency: LF) ๓๐ ถึง ๓๐๐ กิโลเฮิรตซ์ และย่านความถี่สูง (High Frequency: HF) ๓ ถึง ๓๐ เมกะเฮิรตซ์ สำหรับการนำไปประยุกต์ใช้งาน โดยทั่วไปคลื่นยาวใช้งานในระบบวิทยุนำร่อง (Radio Navigational Aid) และระบบการสื่อสารกับเรือดำน้ำ คลื่นยาวนั้นสามารถเดินทางเข้าไปในน้ำได้ลึกพอสมควร ดังนั้น จึงสามารถนำมาใช้ในการติดต่อสื่อสารกับเรือดำน้ำได้ แต่ไม่สามารถส่งสัญญาณคลื่นจากเรือดำน้ำที่ดำอยู่ใต้น้ำขึ้นมาได้ [๔]