SIS MIXER

อุปกรณ์รับสัญญาณความถี่สูงสำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ

เมื่อคลื่นวิทยุจากเอกภพเดินทางมาถึงโลก อุปกรณ์เล็กจิ๋วอย่าง SIS Mixer คือกุญแจสำคัญที่ช่วยแปลงสัญญาณเหล่านี้ให้กลายเป็นความรู้ทางดาราศาสตร์ที่มนุษย์เข้าใจได้

cover-image
Sis Mixer in 4 K 2

รู้จักกับ SIS Mixer

SIS Mixer หรือ วงจรผสมสัญญาณด้วยรอยต่อตัวนำยิ่งยวด
(Superconductor-Insulator-Superconductor) เป็นอุปกรณ์สำคัญในชุดรับสัญญาณสำหรับงานดาราศาสตร์วิทยุ โดยเฉพาะในช่วงความยาวคลื่นระดับมิลลิเมตรและซับมิลลิเมตร ซึ่งแปลงเป็นช่วงความถี่ระหว่างประมาณ 30–300 GHz ถือเป็นย่านความถี่สูงในวิศวกรรมคลื่นวิทยุ และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาทางดาราศาสตร์ เช่น การสังเกตหลุมดำในโครงการ Event Horizon Telescope การก่อกำเนิดของดาวฤกษ์ และการศึกษากลุ่มเมฆโมเลกุลในอวกาศ

SIS Mixer ใช้คุณสมบัติพิเศษของ ตัวนำยิ่งยวด (Superconductor) ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานเลยเมื่ออยู่ที่อุณหภูมิต่ำมาก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการรับสัญญาณวิทยุที่อ่อนมากจากห้วงอวกาศได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพสูง

ทั้งนี้ การรับสัญญาณจากห้วงอวกาศในช่วงความถี่สูงนั้น จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่เรียกว่า วงจรผสมสัญญาณ (Mixer) ซึ่งทำหน้าที่ผสมสัญญาณ หรือแปลงความถี่สูงที่รับมาให้เป็นความถี่ต่ำลง เพื่อให้นำไปประมวลผลต่อได้ง่ายและมีประสิทธิภาพ ตัว Mixer นี้อาศัยหลักการความไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinearity) ระหว่างแรงดันและกระแสไฟฟ้า ซึ่งสามารถออกแบบได้หลากหลายแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความถี่ที่ใช้งาน

ส่วนประกอบกลักของ SIS Mixer

1. ขดลวดแม่เหล็ก (Magnetic Coil)
สร้างสนามแม่เหล็กเพื่อควบคุม supercurrent ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลใน ตัวนำยิ่งยวด (superconductor) โดยไม่มีความต้านทาน ช่วยลดสัญญาณรบกวนและทำให้ระบบรับสัญญาณทำงานเสถียรยิ่งขึ้น

2. ชุดประกอบ (Housing)
ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างป้องกันชิ้นส่วนภายใน โดยเฉพาะการป้องกันสัญญาณจากคลื่นรบกวนภายนอก เช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI: Electromagnetic Interference)

3. วงจรผสมสัญญาณด้วยรอยต่อตัวนำยิ่งยวด (SIS Chip)
หัวใจสำคัญของ SIS Mixer ทำหน้าที่ผสมสัญญาณความถี่สูงให้กลายเป็นสัญญาณความถี่ต่ำลง โดยใช้คุณสมบัติ "ไม่เป็นเชิงเส้น" (nonlinearity) ของ SIS junction มีขนาดเพียง 1 ไมโครเมตร สามารถลดความถี่จาก 220 GHz ให้เหลือในช่วงที่ใช้งานได้ เช่น 4-12 GHz

4. ฟีดฮอร์น (Feed Horn)
ท่อรูปกรวยที่ช่วยรวบรวมและจัดทิศทางของคลื่นวิทยุจากอวกาศให้เข้าสู่ระบบรับสัญญาณอย่างมีประสิทธิภาพ

Screenshot 2568 09 18 at 12.00.05

ความพิเศษของ SIS Mixer

SIS Mixer มีจุดเด่นในการจัดการกับสัญญาณคลื่นวิทยุความถี่สูงจากอวกาศได้อย่างแม่นยำ โดยใช้หลักการฟิสิกส์ระดับควอนตัม (quantum physics) ซึ่งอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคเล็ก ๆ เช่น อิเล็กตรอน 

โครงสร้างของ SIS Mixer ประกอบด้วย Niobium ซึ่งเป็นแผ่นวัสดุตัวนำยิ่งยวด จำนวน 2 แผ่นประกบกัน คั่นกลางด้วยชั้นบางฉนวนไฟฟ้าบาง ๆ โดยใช้วัสดุ Aluminum Oxide ปกติแล้วอิเล็กตรอนไม่สามารถวิ่งผ่านฉนวนได้ แต่ในระดับควอนตัม อิเล็กตรอนสามารถ “ทะลุ” ฉนวนไปอีกฝั่งได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Quantum tunneling

Quantum Tunneling
ภาพจำลองปรากฏการณ์ quantum tunneling

เมื่อโครงสร้างนี้ถูกนำมาใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ จะเกิดจุดเชื่อมที่เรียกว่า Josephson junction ซึ่งมีคุณสมบัติไม่เป็นเชิงเส้น กล่าวคือ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนไปเพียงเล็กน้อย กระแสไฟฟ้าที่ไหลอาจเปลี่ยนแปลงมากอย่างไม่คาดคิด ลักษณะนี้เอื้อให้ SIS Mixer แปลงสัญญาณความถี่สูงจากอวกาศให้กลายเป็นสัญญาณความถี่ต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้สามารถนำสัญญาณนั้นไปวิเคราะห์ต่อได้อย่างแม่นยำในระบบตรวจวัดต่าง ๆ

ทำไมประเทศไทยต้องพัฒนา SIS Mixer

SIS Mixer เป็นอุปกรณ์สำคัญในการรับสัญญาณคลื่นวิทยุจากห้วงอวกาศ หากสามารถผลิตได้เองในประเทศ จะช่วยลดการพึ่งพาต่างประเทศและยกระดับศักยภาพด้านเทคโนโลยีขั้นสูงของไทย

NARIT ในฐานะหน่วยงานที่ดำเนินการหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ ได้ดำเนินการพัฒนา SIS Mixer โดยใช้บุคลากรและโครงสร้างพื้นฐานของไทยเอง สร้างห้องปฏิบัติการที่ทำอุณหภูมิได้ต่ำถึง 4 เคลวิน (-269°C) สำหรับทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ เช่น I-V Curve และ Noise Temperature

ปัจจุบัน อยู่ระหว่างทดสอบ SIS Mixer ที่ความถี่ 220 GHz ขนาดรอยต่อ 1 ไมโครเมตร โดยใช้เทคนิคฟิล์มบาง (sputtering) และการสร้างลวดลายด้วยแสงยูวี (UV lithography) พร้อมออกแบบรุ่นสำหรับความถี่ 350 GHz เพื่อนำไปทดสอบกับ HARP receiver ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ James Clerk Maxwell (JCMT) ในอนาคต

โครงการนี้ได้รับความร่วมมือจากผู้เชี่ยวชาญทั้งในและต่างประเทศ ได้แก่ มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด สถาบันวิจัยวิชาการแห่งชาติไต้หวัน มหาวิทยาลัยมหิดล และ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน โดยต้นทุนการผลิต SIS Mixer หนึ่งชิ้นอยู่ที่ประมาณ 150,000 บาท (ไม่รวมระบบทดสอบ)

4 K Testing System 1 I V Curve
ระบบทําความเย็นยิ่งยวดระดับ 4 เคลวิน (-269°C) กราฟแสดงการทดสอบประสิทธิภาพ I-V Curve ของ SIS Mixer