تفاوت میان RF و مایکروویو چیست؟ (برگرفته از 3 منبع)

پیشگفتار:

قاعدتا اولین نوشتار در این بخش از سایت تفرق باید به ذکر تفاوت میان RF و مایکروویو اختصاص داشته باشد زیرا برای درک تفاوت میان 2 موضوع، نیاز است که هر کدام از آنها را به صورت دقیق تعریف کنیم تا سپس بتوانیم به مقایسه آنها بپردازیم. پس با این کار به خوبی با هر کدام از این اصطلاحات آشنا خواهیم شد.

در این نوشتار با بهره‌گیری از منابع مختلف به تعریف هر کدام از این 2 اصطلاح پرداخته شده است. تعریف این 2 عنوان (همانگونه که احتمالا از پیش می‌دانید) بر اساس بازه فرکانسی‌ای که به هر کدام از آنها منتسب می‌کنند صورت گرفته است (در ادامه همین متن خواهید دید که برای مایکروویو روش تعریف دیگری هم ارائه شده است).

اما مطلب مهمی که در اینجا می‌خواهم به آن اشاره کنم این است که این بازه فرکانسی تخصیص داده‌شده به هر کدام از این 2 اصطلاح در منابع مختلف یکسان نمی‌باشد. این تفاوت مساله‌ خاصی ایجاد نمی‌کند تنها ممکن است باعث ایجاد ابهامی شود که در پایان این نوشتار به آن اشاره کرده و توضیحی را نیز برای رفع آن ارائه خواهم نمود.

نکته پایانی اینکه در این مطلب تنها به تفاوت میان RF و مایکروویو از نقطه‌نظر باند فرکانسی خواهیم پرداخت. این تفاوت در ادامه منجر به ایجاد تفاوت‌هایی در مهندسی‌های مرتبط با هر کدام از این عناوین می‌گردد. در صورتی که به دنبال کسب اطلاعات در ارتباط با تفاوت میان RF و مایکروویو از نقطه‌نظر مهندسی‌هایشان می‌باشید، در همین بخش RF و مایکروویو از سایت برای هر کدام یعنی 1) مهندسی RF و 2) مهندسی مایکرویو، نوشته‌ای مستقل ارائه خواهد شد تا با آنها آشنا شوید. به محض آمده شدن آن 2 مطلب و انتشار آنها در سایت 2 عنوان زیر تبدیل به لینک برای دسترسی به آن نوشته‌ها می‌شوند.

مهندسی RF چیست؟ | مهندسی مایکروویو چیست؟

نکات پیش از مطالعه

تفاوت میان RF و مایکروویو (برگرفته از منبع 1)

RF که مخفف کلمه Radio Frequency (فرکانس رادیویی) می‌باشد به نرخ نوسان (فرکانس) سیگنال جریان یا ولتاژ الکتریکی متغیر با زمان و یا میدان الکتریکی یا مغناطیسی و یا الکترومغناطیسی‌ای که فرکانس آن در محدوده 20kHz تا 300GHz قراردارد اشاره دارد. 20kHz که پایان فرکانس‌های صوتی است و 300GHz ابتدای فرکانس‌های مادون‌قرمز. در این بازه فرکانسی انرژی می‌تواند از یک جریان الکتریکی متغیر با زمان بر روی یک رسانا به داخل فضا به شکل امواج رادیویی تشعشع نماید. منابع مختلف رنج فرکانسی متفاوتی را برای RF اعلام می‌کنند.

از طرف دیگر مایکروویو (Microwave) به موج الکترومغناطیسی‌ای اشاره دارد که طول موج آن در بازه 1 متر تا 1 میلی‌متر می‌باشد که معادل است با بازه فرکانسی‌ای مابین 300MHz تا 300GHz. مشابه بحث RF در اینجا نیز منابع مختلف رنج فرکانسی متفاوتی را برای امواج مایکروویو اعلام می‌کنند. اما مطابق با یک تعریف رایج در حوزه مهندسی RF، بازه فرکانسی مایکروویو عبارت است از 1GHz تا 100GHz.

همانگونه که پیداست مطابق با این تعاریف (ارائه شده در ویکی‌پدیا) برای درک تفاوت میان RF و مایکروویو، مشخص گردید که در هر صورت باند فرکانسی متناظر با Microwave زیرمجموعه باند فرکانسی متناظر با RF می‌باشد.

پیشوند -Micro در کلمه مایکروویو (Microwave) قرار نیست که به طول موجی در رنج مایکرومیتر (Micrometer) اشاره کند. تنها به این مطلب اشاره دارد که امواج مایکروویو “کوتاه” هستند (طول‌ موج‌های کوتاهتری دارند)، در مقایسه با امواج رادیویی‌ای که پیش از معرفی تکنولوژی‌های مبتنی بر مایکروویو، مورد استفاده قرار می‌گرفتند.

امواج مایکروویو در راستای Line-of-sight (خط دید) منتشر می‌شوند، امواج مایکروویو برخلاف امواج رادیویی با فرکانس پایین‌تر، در اطراف تپه‌ها دچار پدیده تفرق نمی‌شوند، به شکل امواج زمینی سطح زمین را دنبال نمی‌کنند، یا از لایه یونسفر منعکس نمی‌شوند، بنابراین لینک‌های مخابراتی مایکروویوی بر روی زمین (به لحاظ فاصله از هم) محدود به افق دید می‌شوند که در حدود 40 مایل (64 کیلومتر) می‌شود. در فرکانس‌های نزدیک به انتهای باند مایکروویو، امواج مایکروویو بوسیله گازهای موجود در اتمسفر جذب می‌شوند، که این مساله، فاصله‌ای که در عمل ارتباط امکان‌پذیر است را به حدود 1 کیلومتر محدود می‌سازد.

تفاوت میان RF و مایکروویو (برگرفته از منبع 2)

اصطلاحات فنی گهگاه تاریخچه‌های عجیب و غریبی دارند. اصطلاح امواج مایکروویو (Microwaves)، پس از اینکه دهه‌ها به دایره‌ای شامل متخصصین رادار، مخابرات و الکترومغناطیس محدود شده بود، با معرفی فِرهای مایکروویو در حدود 30 سال پیش به اصطلاحی محبوب در ارتباط با پخت و پز تبدیل شد. این می‌تواند دلیل آن باشد که چرا استفاده از آن میان متخصصین تاحدی رو به کاهش نهاد، غالبا با اصطلاحی جامع‌تر و با وسعت معنایی بیشتر یعنی فرکانس‌های رادیویی (RFs) جایگزین شد و برای فرکانس‌های بالای 30GHz نیز با اصطلاح امواج میلیمتری (Millimetre Waves).

تقریبا در همین دوره اصطلاح رادیو (Radio) با اصطلاح بی‌سیم (Wireless)، که توسط مارکونی ابداع و پذیرفته شده بود، جایگزین گردید (منظور احتمالا در میان متخصصین است). این اصطلاح در سال‌های اخیر متداول (در میان عموم) شده است.

امواج مایکروویو اولین بار در ادبیات فنی Nello Carrara در سال 1932 جهت متمایز نمودن آن دسته از امواج الکترومغناطیسی که طول موج آنها کوچکتر از 30 سانتی‌متر بود (یعنی امواجی با فرکانس بالای 1GHz) معرفی گردید. در آن سال‌ها، انگیزه استفاده از چنین فرکانس‌های بالایی بواسطه تحقیقات در حوزه رادار ایجاد شد، زیرا در آن مقطع مطالعات زیادی در این حوزه در سراسر جهان برپا شده و منابع مالی بزرگی هزینه گشته بود.

ساده‌ترین تعریف از امواج مایکروویو آن است که بر پایه یک باند دقیق فرکانسی صورت می‌گیرد. مطابق اکثر کتاب‌های درسی، امواج مایکروویو با بازه فرکانسی 300MHz تا 300GHz که معادل طول موجی بین 1 میلی‌متر تا 1 متر است، منطبق می‌باشند. براساس برخی از منابع، محدوده پایین این بازه فرکانسی 500MHz یا 1GHz عنوان شده است. بازه فرکانسی میان 30 تا 300GHz همچنین به عنوان امواج میلیمتری نیز شناخته می‌شوند، زیرا طول موج آنها بین 1 تا 10 میلی‌متر می‌باشند.

این عدم قطعیت در تعریف امواج مایکروویو (مراجع مختلف بازه‌های فرکانسی متفاوتی را در نظر گرفته‌اند) بازتابنده این حقیقت است که هیچ پدیده فیزیکی مشخصی وجود ندارد که به یک بازه فرکانسی دقیق اشاره کند. همانطور که RF نیز منطبق با یک بازه فرکانسی دقیق نیست و اشاره به همه فرکانس‌هایی دارد که در تکنیک رادیویی از آنها استفاده می‌شود، و معمولا قبل از بازه فرکانسی امواج مایکروویو قرار دارند.

به جای یک بازه فرکانسی، در واقع امواج مایکروویو مُعرف یک متدلوژی است، (معنی متدلوژی:) یعنی یک رهیافت مشخص برای مطالعه پدیده‌های الکترومغناطیسی. این رهیافت در بین 2 متدلوژی دیگری که از معادلات ماکسول استخراج می‌شوند قرار دارد، یعنی “تئوری مدار” و “Optics”. اگر بخواهیم دقیق‌تر باشیم، المان متمایزکننده 3 متدلوژی در واقع فرکانس نمی‌باشد بلکه طول موج است، یا به عبارت بهتر، نسبت میان طول موج و ابعاد مدارها یا اشیائی که میدان الکترومغناطیسی با آنها برهمکنش دارد.

به نظر می‌آید که بهتر است این مبحث “امواج مایکروویو مُعرف یک متدلوژی” را که البته موضوع جالب و مهمی هم می‌باشد در اینجا خاتمه دهم، چون ما را از هدف اصلی نوشتار که بیان تفاوت میان RF و مایکروویو بود دور می‌سازد، هر چند در ادامه این منبع همچنان به این مورد پرداخته شده بود. انشاءالله در نوشتاری دیگر (احتمالا در بخش الکترومغناطیس سایت) به این موضوع خواهم پرداخت.

تفاوت میان RF و مایکروویو (برگرفته از منبع 3)

در جلسات درس مدارات فعال مایکروویو استاد شاه‌آبادی، تفاوت میان RF و مایکروویو (طبیعتا از نقطه‌نظر باند فرکانسی) به شکل زیر مطرح گردید. طبق فرمایش استاد تقسیم‌بندی‌ای که امروزه وجود دارد اینگونه می‌باشد:

باند فرکانسی RF: فرکانس‌های زیر 1GHz

باند فرکانسی مایکروویو: بازه فرکانسی 1GHz تا  تا 30GHz

باند فرکانسی امواج میلیمتری: بازه فرکانسی 30GHz تا 300GHz

جمع‌بندی

در این نوشته برای یافتن تفاوت میان RF و مایکروویو با موارد زیر روبرو شدیم:

پسگفتار

امیدوارم این نوشته پاسخی مفید به سوال “تفاوت میان RF و مایکروویو چیست؟” داده باشد. نکته پایانی اینکه، همانطور که پیشتر گفته شد و در 2 تصویر بالا نیز آورده شده است، دو وضعیت کلی برای باندهای مرتبط با این 2 اصطلاح وجود داشت. 1) باند مایکروویو زیرمجموعه باند RF بود (مطابق تصویر اول) 2) باند مایکروویو بعد از باند RF قرار داشت (مطابق تصویر دوم).

ابهامی که ممکن است به وجود بیاید و گفته شد که در انتهای این نوشته به آن خواهم پرداخت اینکه: آیا مطالبی که برای مبحث مایکروویو (شاید بهتر است بگوییم مهندسی مایکروویو) باید آموخته شود و مورد استفاده قرار گیرد، متفاوت است با آنچه برای مبحث RF (یا بهتر است بگوییم مهندسی RF) نیاز است؟ خصوصا این سوال شاید برای وضعیتی که باند مایکروویو کاملا مستقل از باند RF تعریف شده و بعد از آن آغاز می‌شود بیشتر ایجاد شود.

به عنوان مثال مبحثی چون “خطوط انتقال” که در مهندسی مایکروویو به آن نیاز است، آیا در مهندسی RF مورد استفاده قرار نمی‌گیرد؟ پاسخ این است که همچنان در بخشی از باند RF (حتی در حالتی که دسته‌بندی فرکانسی آنها به شکلی باشد که RF را تا فرکانس‌های 1GHz در نظر بگیریم و بعد از آن باند مایکروویو آغاز شود) شرایط به گونه‌ای است (نسبت طول موج به ابعاد مدار) که نیاز به به مباحث مهندسی مایکروویو همچنان وجود خواهد داشت و یک مهندس RF باید با این موارد آشنایی کامل داشته باشد.

از طرف دیگر این مساله نیز نباید فراموش شود که در فرکانس‌های پایین‌تر (بخش‌های پایین‌تر باند RF) ما دسترسی بهتری به مدارات مجتمع داریم، به عنوان مثال به راحتی میتوان یک مدار مشخص را با Op-amp طراحی نمود در حالی که چنین چیزی به راحتی در باند مایکروویو وجود ندارد. لذا از این جهت در بخش‌ای از باند RF مهندسی متفاوتی را شاهد می‌باشیم.

اکنون که تا حدی تفاوت میان RF و مایکروویو روشن گردید، 2 نوشتار بعدی را (همانطور که پیشتر گفته شد) به بررسی “مهندسی RF چیست؟” و “مهندسی مایکروویو چیست؟” اختصاص خواهم داد. سپس تلاش بر این خواهد بود کمی عمیق‌تر وارد مسائل مرتبط شویم.