สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ที่มา
ต้นแบบระบบรับสัญญาณเฟสอะเรย์สำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ สามารถเพิ่มศักยภาพและประสิทธิภาพในการสำรวจและสังเกตการณ์ท้องฟ้า มีข้อได้เปรียบกว่าระบบรับสัญญาณแบบเดิม คือมีการเพิ่มบีมรับสัญญาณ (Field of View; FoV) จากเดิม 1 หน่วย ให้มีจำนวนมากกว่า 1 หน่วย ส่งผลให้สามารถเพิ่มพื้นที่รับสัญญาณท้องฟ้าได้มากขึ้น และพัฒนาระบบที่สามารถควบคุมทิศทางรวมถึงการโฟกัสของบีมสัญญาณโดยวิธีควบคุมเฟสของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การพัฒนาระบบแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ พัฒนาระบบสายอากาศและระบบรับสัญญาณอนาล็อกส่วนหน้า (Antenna feed & RF analog frontend system) และการพัฒนาระบบดิจิไทซ์สัญญาณบีมฟอร์มมิ่งและประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (Digitizer & Digital Beamformer and signal processing system) โดยการพัฒนาระบบสายอากาศจะใช้สายอากาศชนิดวิวาลดีเป็นองค์ประกอบหลัก ด้วยคุณสมบัติที่มีขนาดและน้ำหนักเบา รูปแบบการกระแผ่กระจายสัญญาณ อัตราขยายเสาอากาศที่เหมาะสม รวมทั้งส่วนรับสัญญาณอนาล็อกส่วนหน้าที่จะประกอบไปด้วยตัวขยายสัญญาณ วงจรกรองความถี่สัญญาณ ฯลฯ และระบบดิจิไทซ์สัญญาณบีมฟอร์มมิ่ง จะใช้โมดูลดิจิไทเซอร์เพื่อแปลงสัญญาณจากอนาล็อกเป็นดิจิทัล หลังจากนั้นจะดำเนินการออกแบบวงจรดิจิทัลลอจิกบนอุปกรณ์ลอจิกแบบโปรแกรมเพื่อดำเนินการและประมวลผลสัญญาณภายในระบบรับสัญญาณฯ ต่อไป

วัตถุประสงค์

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติโดยการเพิ่มพื้นที่บีมรับสัญญาณ การสแกนเก็บข้อมูลการสำรวจท้องฟ้า
เพื่อศึกษา และทำความเข้าใจเทคโนโลยีตัวรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์ ผ่านการออกแบบพัฒนาระบบรับสัญญาณชนิดเฟสอะเรย์ต้นแบบ
เพื่อพัฒนาระบบที่สามารถควบคุมทิศทาง และโฟกัสของบีมสัญญาณ โดยใช้วิธีการควบคุมเฟสของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถประหยัดเวลาและเพิ่มความสะดวกในการศึกษาวิจัยดาราศาสตร์
นำความรู้และวิธีการที่ได้มาใช้วางแผนออกแบบพัฒนาระบบรับสัญญาณเฟสอะเรย์บนกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

ลักษณะเฉพาะของผลงาน

สามารถตรวจวัดสัญญาณวิทยุในย่าน 1.3 – 1.5 GHz โดยมุ่งเน้นที่ย่านความถี่ 1.42 GHz ซึ่งสัญญาณจากโมเลกุลไฮโดรเจน (neutral hydrogen) อันเป็นหนึ่งในความถี่สำคัญสำหรับการศึกษาวิจัยด้านดาราศาสตร์วิทยุ
รับสัญญาณด้วยสายอากาศชนิดวิวาลดิ (Vivaldi) จัดเรียบแบบอะเรย์จำนวน 4x4 สายอากาศและรับสัญญาณวิทยุพร้อมกัน 16 ช่องสัญญาณต่อ 1 โพลาไรเซชั่น
ควบคุมลำคลื่นหลักของสายอากาศด้วยระบบดิจิทัลบีมฟอร์มมิ่ง (Digital Beamforming) ในทิศทางที่กำหนด โดยมีความกว้างของลำคลื่นในในโหมดการรับสัญญาณแบบไร้การสะท้อน (Aperture mode) น้อยกว่า 30 องศา
ประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (Digital Signal Processing) ผ่านอุปกรณ์ลอจิกแบบโปรแกรม (FPGA)
ปรับลำคลื่นหลักโดยใช้เทคนิคการบังคับเลี้ยว (Steering) ผ่านระบบการประมวลผลสัญญาณแบบดิจิทัล
ประมวลผลสัญญาณดิจิทัลสำหรับสำหรับการหาทิศทางการมาถึงขอสัญญาณ (Direction of Arrival) เพื่อจำแนกแหล่งกำเนิดสัญญาณมากกว่า 1 แหล่ง
มีค่าความคลาดเคลื่อนการระบุทิศทางสำหรับแหล่งกำเนิดสัญญาณเดี่ยวน้อยกว่า 12% ของขนาดลำคลื่นหลัก


Phase Array Prototype	Spectrum analyzer	ตัวอย่างบอร์ดชิ้นงาน

บริบทในท้องตลาด
เทคโนโลยีการรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์สำหรับรับและส่งสัญญาณเป็นเทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับใช้งานทางด้านการระบุทิศทางในกิจการต่างมากมาย อาทิ การศึกษาวิจัยทางดาราศาสตร์ กิจการทางทหาร กิจการการนำทางทางวิทยุ กิจการโทรคมนาคม เป็นต้น ขึ้นอยู่กับระบบที่ถูกออกแบบและอัลกอริทึมที่ใช้งาน ปัจจุบันเทคโนโลยีดังกล่าวมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในรูปแบบที่แตกต่างกัน เช่น เรดาห์สำหรับการตรวจหาวัตถุ การรับส่งสัญญาณจากเสานำสัญญาณสำหรับการใช้งงานโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นต้น แต่ยังไม่มีการจัดจำหน่ายสำหรับการศึกษาวิจัยดาราศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ

มูลค่าปัจจุบันในท้องตลาด
ระบบรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์สำหรับการศึกษาวิจัยดาราศาสตร์ยังไม่มีการจัดจำหน่ายอย่างเป็นทางการในท้องตลาด สำหรับการเทียบเคียงคุณสมบัติของอุปกรณ์ประเภทเดียวกัน ได้แก่ การสร้างระบบรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์จำนวน 188 สายอากาศในสภาวะความเย็นยิ่งยวด (Cryogenic system) โดยองค์กร CSIRO (The Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) ประเทศออสเตรเลีย มีมูลค่าประมาณ ประมาณ 45 ล้านบาท

ราคาต้นทุน
ประมาณ 3 ล้านบาท สำหรับสายอากาศแบบอะเรย์จำนวน 16 สายอากาศ

การต่อยอดนวัตกรรม/ขยายผลเชิงพาณิชย์ และภาคอุตสาหกรรม
การพัฒนาต้นแบบระบบรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์เป็นอีกงานวิจัยและการพัฒนาองค์ความรู้ด้านเทคโนโลยีที่ต้องต้องอาศัยเทคโนโลยีด้านวิศวกรรมขั้นสูงในการผลักดันให้เกิดอุปกรณ์วิทยาศาสตร์รูปแบบใหม่ที่มีการใช้งานเฉพาะด้านทางดาราศาสตร์วิทยุ และสามารถต่อยอดไปสู่ในเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ เช่น เรดาห์ (Radar) สำหรับตรวจวัดสภาพอากาศ ตลอดจนการใช้ในการรับส่งข้อมูลสำหรับกิจการสื่อสาร การพัฒนาต้นแบบระบบรับสัญญาณแบบเฟสอะเรย์ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการบ่มเพาะบุคลากรไทยให้มีความเชี่ยวชาญทางวิศวกรรมเฉพาะด้านเพิ่มยิ่งขึ้น เพื่อกระตุ้นให้เกิดงานวิจัยใหม่ๆ ในระดับนานาชาติ ช่วยลดการนำเข้าเทคโนโลยีขั้นสูงจากต่างชาติ และสร้างแรงบันดาลใจให้แก่เยาวชนและผู้สนใจ

ทีมพัฒนาผลงาน
นายทรงกลด ปัญญาวารินทร์ วิศวกรวิจัย
นายอรรถพล บุญวงษ์ วิศวกร
นายณัฐพงษ์ ดวงฤทธิ์ วิศวกร
นางสาววิจิตรา โปธาคำ วิศวกร
นายณัฐวุฒิ ไชยวงค์วรรณ วิศวกร
นายภานุพันธ์ ดุมคำ วิศวกร
นายภาธร สถาพรวจนา วิศวกร

ติดต่อสอบถามข้อมูลเพิ่มเติม
ศูนย์วิศวกรรมเทคโนโลยีดาราศาสตร์วิทยุ
สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
โทร. 053 121 268 ต่อ 804