การออกแบบสายอากาศไมโครสตริปสำหรับเทคโนโลยี 5G Design of microstrip antenna for 5G technology นางสาววรรณิศา เพ็ชรนรินทร์ นางสาวอารียา เพิงใหญ่ ปริญญานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย ปีการศึกษา 2564
การออกแบบสายอากาศไมโครสติปสำหรับเทคโนโลยี 5G นางสาววรรณิศา เพ็ชรนรินทร์ นางสาวอารียา เพิงใหญ่ ปริญญานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย ปีการศึกษา 2564
DESING OF MICROSTRIP ANTENNA FOR 5G TECHNOLOGY MS.VANNISA PETNARIN MS.AREEYA PHOENGYAI THIS PROJECT SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE BACHELOR OF ENGINEERING TELECOMMUNICATION ENGINEERING PROGRAM FACULTY OF ENGINEERING RAJAMANGALA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY SRIVIJAYA ACADEMIC YEAR 2021
หัวข้อปริญญานิพนธ์ การออกแบบสายอากาศไมโครสตริปสำหรับเทคโนโลยี 5G นักศึกษา นางสาววรรณิศา เพ็ชรนรินทร์ นางสาวอารียา เพิงใหญ่ อาจารย์ที่ปรึกษา อาจารย์ ดร. ชยานิษฐ์ บุญสนิท หลักสูตรสาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย อนุมัติให้ปริญญานิพนธ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตาม หลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรบัณฑิต ................................... หัวหน้าหลักสูตรสาขาวิชาฯ .................................... หัวหน้าสาขาฯ (ผู้ช่วยศาสตราจารย์ สัญญา ผาสุข) (อาจารย์ ธีระพงษ์ ฉิมเพชร) คณะกรรมการสอบปริญญานิพนธ์ .................................................................... ประธานกรรมการ (อาจารย์ ดร. ชยานิษฐ์ บุญสนิท) .................................................................... กรรมการ (อาจารย์ พรชัย แคล้วอ้อม) .................................................................... กรรมการ (ผู้ช่วยศาสตราจารย์ สัญญา ผาสุข) .................................................................... กรรมการ (อาจารย์ ดร. จินดา สามัคคี) .................................................................... กรรมการ (อาจารย์ มารุต รักษา ) ลิขสิทธิ์ของสาขาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลศรีวิชัย
ก หัวข้อปริญญานิพนธ์ การออกแบบสายอากาศไมโครสตริปสำหรับเทคโนโลยี 5G นักศึกษา นางสาววรรณิศา เพ็ชรนรินทร์ รหัส 161404710066-1 นางสาวอารียา เพิงใหญ่ รหัส 161404710020-8 อาจารย์ที่ปรึกษา อาจารย์ ดร.ชยานิษฐ์ บุญสนิท ปีการศึกษา 2564 บทคัดย่อ ปริญญานิพนธ์ฉบับนี้เป็นการออกแบบและสร้างสายอากาศไมโครสตริปที่ ประยุกต์ใช้งานกับเทคโนโลยีในยุค 5G สายอากาศสามารถรองรับการใช้งานเทคโนโลยี 5G โดยมีช่วง การท างานที่ครอบคลุมความถี่ 700 MHz และ 2.6 GHz มีค่า Gain ไม่น้อยกว่า 2 ค่าการสูญเสีย ย้อนกลับ ( 11 S ) ไม่เกิน -10 dB และค่า อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) ไม่เกิน 1.5 ซึ่งสายอากาศ จะถูกออกแบบและจ าลองด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio เวอร์ชั่น 2019 เพื่อใช้งานใน 2 ย่านความถี่ ด้วยเทคนิค Notch Slot Beveling, L Shape เป็นต้น โดยผลที่วัดได้จากการออกแบบ มี ค่า Gain อยู่ในช่วงที่มากกว่า 2 dB ที่ความถี่ 700 MHz มีค่า Gain = 2.473 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า Gain = 3.613 dB ค่าการสูญเสียย้อนกลับ ( 11 S ) ที่ต ่ากว่า -10 dB ตลอดทั้งแบนด์วิธ ที่ความถี่ 700 MHz มีค่า 11 S = -23.566 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า 11 S = -14.843 dB และค่าอัตราส่วนคลื่น นิ่งแรงดัน (VSWR ) อยู่ในช่วงไม่เกิน 1.5 ทั้งแบนด์วิธ ที่ความถี่ 700 MHz มีค่า VSWR = 1.142 และ ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า VSWR = 1.448 ซึ่งค่าที่ได้เป็นไปตามขอบเขตที่ได้ก าหนดไว้ แล้วจึงจัดท า สายอากาศ โดยสายอากาศที่ได้ออกแบบไว้ดังที่ต้องการนั้น มีขนาด 72x180x1.6 มิลลิเมตร วัสดุ ฐานรองมีค่าไดอิเล็กตริกซับสเตรท r ไม่เกิน 4.6 และใช้แผ่นวงจรพิมพ์ที่มีวัสดุรองฐาน แบบ FR-4 เมื ่อน าสายอากาศไปทดสอบกับเครื ่อง Network Analyzer พบว ่าค ่าพารามิเตอร์ที ่ได้เป็นไปตาม ก าหนด คำสำคัญ : สายอากาศไมโครสตริป, เทคโนโลยี5G, CST Microwave Studio, Notch Slot Beveling, L Shape
ข TITLE DESING OF MICROSTRIP ANTENNA FOR 5G TECHNOLOGY STUDENT (S) MS.VANNISA PETNARIN Code 161404710066-1 MS.AREEYA PHOENGYAI Code 161404710020-8 ADVISOR DR.CHAYANIT BUNSANIT ACADEMIC YEAR 2021 ABSTRACT This project is the design and construction of a microstrip antenna applied to technology in the 5G era. The antenna can support the use of 5G technology with a working range covering 700 MHz and 2.6 GHz with a gain of not less than 2 The return loss ( 11 S ) does not exceed -10 dB and the voltage standing wave ratio (VSWR) does not exceed 1.5. The antenna will be designed and simulated with CST Microwave Studio Version 2019 for use in 2 bands using Notch technique. Slot Beveling, L Shape, etc., as measured by design, with a gain value in the range of more than 2 dB at a frequency of 700 MHz has a value of Gain = 2.473 dB at a frequency of 2.6 GHz has a value of Gain = 3.613 dB Return loss ( 11 S ) below -10 dB across the bandwidth at 700 MHz = -23.566 dB, at 2.6 GHz = -14.843 dB and the voltage standing wave ratio (VSWR) is in the range of no more than 1.5 across the bandwidth at 700 MHz has a VSWR = 1.142 and at 2.6 GHz has a VSWR = 1.448, which is within the specified range. and then make an antenna The required antenna dimensions are 72x180x1.6 mm, the substrate has a dielectric substrate not more than 4.6, and a printed circuit board with a FR-4 substrate is used. To test with the Network Analyzer, found that the parameters were in accordance with the requirements. Keywords : Microstrip Antenna, 5G Technology, CST Microwave Studio, Notch Slot Beveling, L Shape
ค กิตติกรรมประกาศ ปริญญานิพนธ์ การออกแบบสายอากาศไมโครสตริปสำหรับเทคโนโลยี 5G นี้จะสำเร็จลง ไม่ได้ หากไม่ได้รับความอนุเคราะห์จากหลาย ๆ ฝ่ายโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขอกราบขอบพระคุณ อาจารย์ที่ปรึกษาปริญญานิพนธ์ อาจารย์ ดร.ชยานิษฐ์ บุญสนิท ขอกราบขอบพระคุณบิดา มารดา ที่คอยเป็นกำลังใจ และสนับสนุนในการศึกษาเล่าเรียนของ คณะผู้จัดทำมาโดยตลอด ขอขอบพระคุณคุณครู อาจารย์ ทุกท่านที่คอยอบรมสั่งสอนให้ความรู้ และ ประสบการณ์ สุดท้ายนี้ผู้จัดทำขอขอบคุณผู้ที่ให้ความอนุเคราะห์ เจ้าหน้าที่ที่เกี่ยวข้องในการอำนวยความ สะดวก การจัดหาวัสดุ อุปกรณ์ สถานที่และเครื่องมือต่าง ๆ รวมถึงเพื่อน ๆ พี่ ๆ น้อง ๆ ทุกท่าน ที่ คอยให้ความช่วยเหลือจนกระทั่งปริญญานิพนธ์ฉบับนี้สำเร็จ และหวังเป็นอย่างยิ่งว่าปริญญานิพนธ์ ฉบับนี้จะเป็นประโยชน์ต่อผู้ที่จะศึกษา และเป็นแนวทางในการที่จะพัฒนาต่อไป คณะผู้จัดทำ
ง สารบัญ เรื่อง หน้า บทคัดย่อภาษาไทย ก บทคัดย่อภาษาอังกฤษ ข กิตติกรรมประกาศ ค สารบัญ ง สารบัญ (ต่อ) จ สารบัญตาราง ฉ สารบัญรูป ช สารบัญรูป (ต่อ) ซ บทที่ 1 บทนำ 1.1 ความสำคัญและที่มาของโครงการวิจัย 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัย 2 1.3 ขอบเขตการทำโครงการวิจัย 2 1.4 วิธีการดำเนินการวิจัย 2 1.5 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 3 1.6 แนวทางระยะเวลาการดำเนินงาน 4 บทที่ 2 ทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 2.1 หลักการพื้นฐานของสายอากาศ 5 2.2 ค่าพารามิเตอร์พื้นฐานของสายอากาศ 8 2.3 ความกว้างของแถบความถี่ 15 2.4 เทคโนโลยี 5G และ MiMo Antenna 16 2.5 เทคนิคการสร้างสายอากาศไมโครสตริป 19 2.6 โปรแกรม CST Microwave Studio 23 2.7 หัวต่อชนิดต่าง ๆ 28 2.8 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 34 บทที่ 3 ขั้นตอนและวิธีการดำเนินงาน 3.1 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยการคำนวณ 37 3.2 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยใช้เทคนิคการสร้างสายอากาศ 45 3.3 การเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศ 53 3.4 สรุปผลการออกแบบสายอากาศ 56
จ สารบัญ (ต่อ) เรื่อง หน้า บทที่ 4 การทดลองและผลการทดลอง 4.1 เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 57 4.2 การวิเคราะห์และเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศ 57 บทที่ 5 สรุปผลโครงการและข้อเสนอแนะ 5.1 สรุปผลโครงการ 63 5.2 ปัญหาและอุปสรรค 63 5.3 ข้อเสนอแนะ 64 บรรณานุกรม 66 ภาคผนวก 68 ประวัติผู้จัดทำปริญญานิพนธ์ 80
ฉ สารบัญตาราง ตาราง หน้า 2.1 การกำหนดย่านความถี่วิทยุโดยทั่วไป 7 2.2 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ BNC 29 2.3 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ TNC 30 2.4 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ N 31 2.5 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ C 32 2.6 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ SMA 33 3.1 ค่าของตัวแปรต่างๆที่ได้จากกการคำนวณ 42 3.2 การเปรียบเทียบผลค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนระหว่างการคำนวณและการปรับใช้เทคนิค 54 3.3 การเปรียบเทียบผลค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันระหว่างการคำนวณและการปรับใช้เทคนิค 55 4.1 เปรียบเทียบค่า 11 S ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer 60 4.2 เปรียบเทียบค่า VSWR ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer 61
ช สารบัญรูป รูปที่ หน้า 2.1 การรับส่งสัญญานของระบบสื่อสารไร้สาย 6 2.2 แบบรูปการแผ่พลังงานในทุกทิศทาง (Isotropic pattern) 9 2.3 แบบรูปการแผ่พลังงานแบบมีทิศทาง 9 2.4 แบบรูปการแผ่พลังงานแบบมีทิศทางในระนาบเดี่ยว 10 2.5 สายอากาศในโหมดการส่ง 12 2.6 การก่อรูปคลื่นนิ่ง (Standing wave) 13 2.7 การเกิดย้อนกลับของกำลังงาน 14 2.8 Generation 17 2.9 เทคโนโลยี 5G กับการใช้งานในเมือง 18 2.10 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค Beveling 20 2.11 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค U Shape 21 2.12 สายอากาศที่ใช้เทคนิค Notch ร่วมกับเทคนิค Trapezoid conductor-back plane 21 2.13 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค L-Shape notch 22 2.14 โครงสร้างไมโครสตริปที่ทำโดยใช้วิธีบาลัน 23 2.15 ไอคอนของโปรแกรม CST Microwave Studio 24 2.16 แบบจำลองต่างๆในโปรแกรม CST Microwave Studio 24 2.17 การแสดงผลค่า S11 ของสายอากาศ 25 2.18 การแสดงผลค่าVSWR ของสายอากาศ 26 2.19 การแสดงผลค่า Radiation Pattern ของสายอากาศ 27 2.20 Far field ในระนาบแกน PHI 27 2.21 Far field ในระนาบแกน Theta 28 2.22 ขั้วต่อสายแบบ BNC 28 2.23 ขั้วต่อสายแบบ TNC 29 2.24 ขั้วต่อสายแบบ N 30 2.25 ขั้วต่อสายแบบ C 31 2.26 ขั้วต่อสายแบบ SMA 32 3.1 ส่วนต่างๆของไมโครสตริป 37 3.2 ขนาดของสายอากาศที่ความถี่กลาง 1.65 GHz 38 3.3 ขนาดของ Patch 39
ซ สารบัญรูป (ต่อ) รูปที่ หน้า 3.4 ขนาดของ Strip line 39 3.5 ขนาดของ Ground 40 3.6 การคำนวณค่า 0 โดยใช้โปรแกรม AppCAD ที่ความถี่ 700 MHz 41 3.7 การคำนวณค่า Z_0 โดยใช้โปรแกรม AppCAD ที่ความถี่ 2.6 GHz 41 3.8 โครงสร้างไมโครสตริปออกแบบที่ออกแบบตามค่าที่ได้จากการคำนวณ 43 3.9 กราฟของ S11 ของสายอากาศที่ได้จากการออกแบบโดยการคำนวณ 44 3.10 ค่า VSWR ของสายอากาศที่ได้จากการออกแบบโดยการคำนวณ 44 3.11 แสดงรูปแบบของสายอากาศที่ใช้เทคนิคปรับเปลี่ยนครั้งที่ 1 46 312 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 1 47 3.13 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 1 47 3.14 รายละเอียดของแพทซ์ไมโครสตริปออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2 48 3.15 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2 49 3.16 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2 49 3.17 รายละเอียดของแพทซ์ไมโครสตริปออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3 50 3.18 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3 51 3.19 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3 51 3.20 D Radiation Pattern ที่ความถี่ 700 MHz 52 3.21 สนามไฟฟ้า ที่ความถี่ 700 MHz เมื่อ ϕ = 90° 52 3.22 D Radiation Pattern ที่ความถี่ 2.6 GHz 53 3.23 สนามไฟฟ้า ที่ความถี่ 2.6 GHz เมื่อ ϕ = 90° 53 3.24 กราฟแสดงค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศ (11) 54 3.25 กราฟแสดงค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศ (VSWR) 55 4.1 สายอากาศที่ได้ทำการกัดทองแดงออกตามแบบที่ระบุไว้ในบทที่ 3 58 4.2 ค่า S11ของสายอากาศที่ทดสอบกับเครื่อง Network analyzer 59 4.3 กราฟเปรียบเทียบค่า S11 ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyze 59 4.4 กราฟค่า VSWR ที่ได้จากค่า เครื่อง Network Analyzer 60 4.5 กราฟเปรียบเทียบค่า VSWR ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer 61 4.6 กราฟแสดงค่า Gain ที่ความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz 62
1 บทที่ 1 บทนำ 1.1 ความสำคัญและที่มาของโครงการวิจัย การสื่อสารแบบไร้สายมีความสำคัญเป็นอย่างมากในการดำเนินชีวิตของประชากร ซึ่งใน ปัจจุบัน 5G ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อข้ามข้อจำกัดบางประการของเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายที่ใช้กัน อยู่ในปัจจุบัน ด้วยการรับส่งข้อมูลปริมาณมากๆ ได้อย่างรวดเร็ว มีความน่าเชื่อถือสูงและมีความล่าช้า ต่ำมาก อีกทั้งสามารถรับส่งข้อมูลในขณะเคลื่อนที่ได้ดียิ่งขึ้น และสามารถเชื่อมต่อเข้ากับอุปกรณ์ จำนวนมากพร้อมกันได้ในขณะเดียวกัน โดยระบบ 5G นั้นไม่ได้มีจุดมุ่งหมายเพียงเพื่อให้เกิดการ เชื่อมโยง หรือการรองรับการติดต่อสื่อสารเพียงอย่างเดียว แต่ยังมีจุดมุ่งหมายเพื่อรองรับความ ต้องการในการติดต่อสื่อสารในภาคส่วนต่างๆของเศรษฐกิจ ซึ่งได้แก่ ในภาคอุตสาหกรรม ภาคการ ขนส่ง หรือ ภาคการเงิน เป็นต้น เนื่องด้วยในปัจจุบันประเทศไทยมีการเปิดให้บริการ 5G มีด้วยกัน 3 คลื่นความถี่ ซึ่งได้แก่ ย่าน 700MHz เป็นคลื่นความถี่ต่ำที่ไว้สำหรับในการทำ 5G ทำให้เกิดการส่งสัญญาณได้ไกล นำไปใช้ ในการเพิ่มประสิทธิภาพในการให้บริการเรื่องของความครอบคลุมพื้นที่ สามารถทะลุทะลวงเข้าไป ภายในอาคารสูงเป็นหลัก และ ย่าน 2.6GHz เป็นคลื่นความถี่หลักที่หลายประเทศใช้ทำ 5G บริการ แก่ผู้บริโภคทั่วไปโดยอยู่ในช่วงคลื่นความถี่ระดับกลางทำให้ได้ทั้งความครอบคลุมและความเร็วในการ เชื่อมต่อ ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้งานในการสื่อสารโทรคมนาคมมีการใช้งานคลื่นในหลากหลายความถี่ ดังนั้น สายอากาศจึงมีความจำเป็นต้องรองรับคลื่นในหลากหลายความถี่และสายอากาศ แบบไมโครสตริปกำลังได้รับความสนใจ เนื่องจากเป็นสายอากาศที่มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ราคาถูก และยังสามารถนำไปยึดติดกับวัสดุต่างๆ ได้อย่างกลมกลืนจึงถูกนำมาพัฒนาให้สามารถส่งสัญญาณ 5G ได้ และสามารถนำมาใช้งานในหลายๆด้านในเทคโนโลยี 5G ได้ อาทิเราเตอร์(Router) คอมพิวเตอร์ชนิดพกพา(Computer notebook) และโทรศัพท์มือถือ(Phone) โดยผู้จัดทำได้เล็งเห็นว่าในปัจจุบันนั้นสามารถใช้งาน 5G ในแบนด์วิธที่กว้างเพื่อรับส่งข้อมูลได้ มาก มีช่วงส่งผ่านสัญญาณหลายความถี่มากขึ้นอีกทั้งยังเป็นการประหยัดค่าใช้จ่ายและทรัพยากร เนื่องด้วยสายอากาศที่ทางผู้จัดทำมีความสนใจจัดทำขึ้นมานั้น สามารถใช้งานได้ครอบคลุมแถบ
2 ความถี่ที่ใช้งาน 700 MHz และ 2.6 GHz โดยได้จัดทำสายอากาศไมโครสตริป เพื่อรองรับการใช้งาน กับอุปกรณ์ต่างๆ อาทิ โมดูล 5G เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานให้ดียิ่งขึ้น 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงการวิจัย 1.2.1 เพื่อศึกษาหลักการและทฤษฎีของสายอากาศไมโครสตริป 1.2.2 เพื่อศึกษาการใช้งานโปรแกรม CST Microwave Studio 1.2.3 เพื่อศึกษาเทคโนโลยี 5G 1.2.4 เพื่อออกแบบและสร้างสายอากาศไมโครสตริปในย่านความถี่ 5G 1.2.5 เพื่อนำไปทดสอบการทำงานและทดสอบประสิทธิภาพของสายอากาศไมโครสตริป 1.3 ขอบเขตของโครงการวิจัย 1.3.1 ออกแบบสายอากาศด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio Version 2019 1.3.2 สายอากาศใช้งานที่ความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz และทดสอบด้วยเครื่อง Network Analyzer 1.3.3 วัสดุฐานรองที่มีค่า ≤ 4.6 และใช้ SMA Connector 50 1.3.4 Gain ≥ 2 dB ค่า VSWR ≤ 1.5 และ S11 ≤ -10 dB ตลอดย่านความถี่ที่ใช้งาน 1.3.5 สร้างสายอากาศต้นแบบจริง เพื่อทำการทดสอบกับเครื่อง Network Analyzer 1.4 วิธีการดำเนินการวิจัย สำหรับวิธีการดำเนินการวิจัย แบ่งเป็นลำดับขั้นตอน ดังนี้ 1.4.1 สำรวจปริทัศน์วรรณกรรม และงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 1.4.2 ศึกษาเทคนิควิธีการออกแบบสายอากาศในที่ใช้งานกับสายอากาศไมโครสตริป 1.4.3 จำลองแบบสายอากาศด้วยโปรแกรมสำเร็จรูป CST Microwave Studio 2019 1.4.4 วิเคราะห์สมรรถนะของสายอากาศให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ 1.4.5 ออกแบบ และจำลองแบบด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio version 2019 ตามขอบเขตที่ตั้งไว้ 1.4.6 สร้างสายอากาศต้นแบบจำนวน 1 ต้น
3 1.4.7 นำสายอากาศไปวัดทดสอบคุณลักษณะของสายอากาศกับเครื่อง Network Analyzer เปรียบเทียบผลที่ได้จากโปรแกรมสำเร็จรูป CST Microwave Studio 2019 เก็บผลการทดสอบ 1.4.8 สรุปผลการทดสอบ 1.4.9 จัดทำงานรูปเล่ม และสอบป้องกันปริญญานิพนธ์ 1.5 ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ 1.5.1 ได้สายอากาศที่มีโครงสร้างไม่ซับซ้อน ราคาถูก สามารถสร้างได้ง่าย 1.5.2 ได้สายอากาศที่สามารถใช้รับส่งสัญญาณได้ในย่านความถี่ 5G 1.5.3 สามารถปรับใช้สายอากาศกับอุปกรณ์รับ – ส่งสัญญาณได้หลากหลายเพิ่มทางเลือก ให้ผู้ใช้งาน
1.6 แนวทางระยะเวลาการดำเนินงาน กิจกรรม มิถุนายน กร 1 2 3 4 1 2 1.สำรวจปริทัศน์วรรณกรรม และงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 2.ศึกษาเทคนิควิธีการออกแบบสายอากาศในที่ใช้งานกับ สายอากาศไมโครสตริป 3.จำลองแบบสายอากาศด้วยโปรแกรมสำเร็จรูป CST Microwave Studio 2019 4.วิเคราะห์สมรรถนะของสายอากาศให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ 5.ออกแบบ และจำลองแบบด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio version 2019 ตามขอบเขตที่ตั้งไว้ 6.สร้างสายอากาศต้นแบบจำนวน 2 ต้น 7.นำสายอากาศไปวัดทดสอบคุณลักษณะของสายอากาศกับเครื่อง Network Analyzer เปรียบเทียบผลที่ได้จากโปรแกรมสำเร็จรูป CST Microwave Studio 2019 เก็บผลการทดสอบ 8.สรุปผลการทดสอบ 9.จัดทำงานรูปเล่ม และสอบป้องกันปริญญานิพนธ์
4 รกฎาคม สิงหาคม กันยายน ตุลาคม พฤศจิกายน 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 4
5 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องที่จ าเป็นในการจัดสร้างสายอากาศโมโนโพลส าหรับใช้งานใน ย่านความถี่แถบกว้างยิ่งประกอบด้วย งานวิจัยสายอากาศโมโนโพลส าหรับใช้งานในย่านความถี่แถบ กว้างยิ่ง และทฤษฎี8 เรื่องดังต่อไปนี้ 2.1 หลักการพื้นฐานของสายอากาศ 2.2 ค่าพารามิเตอร์พื้นฐานของสายอากาศ 2.3 ความกว้างของแถบความถี่ 2.4 เทคโนโลยี 5G และ MiMo Antenna 2.5 เทคนิคการสร้างสายอากาศไมโครสตริป 2.6 โปรแกรม CST Microwave Studio 2.7 หัวต่อชนิดต่าง ๆ 2.8 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง 2.1 หลักการพื้นฐานของสายอากาศ 2.1.1 ความหมายของสายอากาศ สายอากาศ (Antenna) คือ อุปกรณ์ที่ใช้ส าหรับแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไป หรือในทางกลับกันใช้ส าหรับรับก าลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากลับเข้ามา การติดตั้งสายอากาศ สามารถติดตั้งตามที่ต่างๆเช่นบนปีกหรือตัวเครื่องบินบนดาวเทียมบนเรือบนรถบนยอดภูเขาบนบ้าน บนตึก ฯลฯ แต่ไม่ว่าสายอากาศจะมีขนาดรูปร่างน ้าหนักต าแหน่งติดตั้งแตกต่างกันอย่างไรหลักการ เบื้องต้นของสายอากาศเหมือนเดิม [1]
6 หน้าที ่หลักของสายอากาศ คือ อุปกรณ์ใช้ส าหรับเปลี ่ยนพลังงานของคลื ่นที ่เดินทางใน อุปกรณ์แผ่กระจายพลังงานให้อยู่ในรูปของคลื่นที่เดินทางในอวกาศว่างในกรณีที่เป็นสายอากาศการ ส่ง หรือในทางกลับกันเมื่อท าหน้าที่เป็นสายอากาศรับก็จะท าหน้าที่ในการเปลี่ยนแปลงพลังงานของ คลื่นที ่ได้รับจากการแผ่กระจายในอวกาศว ่างให้เปลี่ยนไปอยู ่ในรูปพลังงานของคลื่นที ่เดินทางใน อุปกรณ์น าทาง โดยการท างานทั้งสองหน้าที่จะต้องท าได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่าเทียมกันเท่าที่จะ เป็นไปได้ และที่ส าคัญในขณะที่ใช้งานนั้น ก าลังงานของคลื่นที่แพร ่กระจายออกไปในอวกาศว่าง จะต้องมีแบบรูปการแพร่พลังงานไม่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิมที่ก าหนดหรือที่ได้ออกแบบเอาไว้การ ท างานของสายอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 2.1 [1] รูปที่ 2.1 การรับส่งสัญญาณของระบบสื่อสารไร้สาย ส าหรับสเปกตรัมความถี่วิทยุ (Radio Frequency Spectrum) ได้ถูกก าหนดขึ้นมาส าหรับ การน าไปใช้งานเพื ่อให้เป็นมาตรฐานเดียวกันทั ่วโลก โดย International Telecommunication Union หรือ ITU ดังแสดงไว้ในตารางที่ 2.1 [1]
7 ตารางที่ 2.1 การก าหนดย่านความถี่วิทยุโดยทั่วไป ย่านความถี่ ความยาวคลื่น ชื่อย่านความถี่ การใช้งาน 3 – 30 KHz 100 – 10 Km. Very Low Frequency (VLF) Navigator, Sonar , Submarine 30 – 300 KHz 10 – 1 Km. Low Frequency (LF) Radio Beacons, Navigator 300 – 300 KHz 1000 – 100 m. Medium Frequency (MF) AM road cast, Maritime/Coast Guard Radio 3 - 30 MHz 100 – 10 m. High Frequency (HF) Telephone, Fax, Amateur Radio, Ship to Coast 30 – 300 MHz 10 – 1 m. Very High Frequency (VHF) TV, FM Broadcast, Air Traffic Control, Police 300 – 3000 MHz 100 – 10 cm. Ultra High Frequency (UHF) TV, Satellite, Radar 3 – 30 GHz 10 – 1 cm. Super High Frequency (SHF) Airborne Radar, Microwave Links 30 – 300 GHz 10 – 1 cm. Extremely High Frequency (UHF) Radar Experiments สายอากาศเป็นส ่วนที ่ส าคัญของเครื ่องรับและเครื ่องส ่ง ท าหน้าที ่แผ ่กระจายคลื ่นจาก เครื่องส่งให้ออกอากาศ และรับคลื่นวิทยุเข้าสู่เครื่องรับ สายอากาศประกอบด้วยตัวเหนี่ยวน าและตัว เก็บประจุส่วนใหญ่จะท าด้วยลวดตัวน าเป็นท่อตันหรือกลวง โครงสร้างเป็นโครงตรงหรืองอแล้วแต่ ชนิดของสายอากาศจะมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่น สายอากาศท าหน้าที่สายอากาศส่งหรือ สายอากาศรับ การแผ ่กระจายคลื ่นจะเกิดขึ้น เมื ่อมีสัญญาณซึ ่งเป็นคลื ่นแม ่เหล็กไฟฟ้ามายัง สายอากาศ ท าให้เกิดประจุไฟฟ้าบวก และประจุไฟฟ้าลบบนพื้นผิวของสายอากาศ และเนื่องจาก สัญญาณที ่ป้อนให้สายอากาศ เป็นคลื ่นไฟฟ้ากระแสสลับประจุไฟฟ้าจึงถูกเร ่งให้เคลื ่อนที ่ ไปยัง ต าแหน่งต่างๆ บนสายอากาศกลับไป-กลับมา ตามความถี่ของสัญญาณจากเครื่องส่งจนเกิดการแผ่ กระจายคลื่นออกมา
8 สายอากาศจัดว่าเป็นอุปกรณ์ส าคัญที่สุดในระบบการสื่อสารโดยใช้คลื่นเพราะสายอากาศที่ ดี และมีประสิทธิภาพสูงจะสามารถท าให้ประหยัดก าลังไฟฟ้าของเครื ่องส ่ง และท าให้สามารถ ติดต่อสื่อสารท าให้ติดต่อสื่อสารในระยะไกลขึ้น สายอากาศจึงต้องได้รับการพัฒนาคิดค้นให้เหมาะสม กับการใช้งานในลักษณะต ่างๆ อย ่างไรก็ตามในทางปฏิบัตินั้นสายอากาศที ่ถูกน ามาใช้งานต้องมี ประสิทธิภาพสูง มีคุณสมบัติในการแพร่กระจายคลื่นตามที่ต้องการแล้ว ยังต้องมีรูปร่างสะดวกต่อการ สร้าง มีความแข็งแรง ราคาถูก 2.2 ค่าพารามิเตอร์พื้นฐานของสายอากาศ พารามิเตอร์พื้นฐาน (Fundamental Parameters) ของสายอากาศ จะใช้อธิบาย พฤติกรรมของสายอากาศชนิดใด ๆ โดยอ้างอิงกับพลังงานที่แผ่ออกไปในอวกาศว่าง ประสิทธิภาพ ของก าลังการเข้ากันได้หรือการแมตซ์ กันระหว่างสายอากาศและวงจรป้อนก าลัง 2.2.1 แบบรูปการแผ่พลังงาน (Radiation Patterns) แบบรูปการแผ่พลังงาน คือ ความหมายของแพทเทิร์น (Pattern) ของการกระจายคลื่นคือ รูปภาพที่ใช้เพื่อแสดงคุณสมบัติการแพร่กระจายคลื่นซึ่งเป็นฟังก์ชั่นของเฟส (Phase) หรือโพลาไรเซ ชัน (Polarization) ซึ่งมีคุณสมบัติเหล่านี้ใช้เพื่อแสดงการแจกแจงรูปของพลังงานเป็นฟังก์ชันของแพ ทเทิร์นที่เขียนอยู่ในรูป 2 มิติหรือ 3 มิติเพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าที่จุดห่างไกลจาก แหล่งก าเนิดคลื่นในทิศของ Ø หรือ Ø แพทเทิร์นของการกระจายคลื่นโดยทั่วไปจะมี2 แบบคือถ้า เขียนจากสนามไฟฟ้า D, จะเรียกว่าฟิลด์แพทเทิร์น (Field Pattern) ถ้าเป็นแพทเทินที่เขียนจาก ก าลังคลื ่น 2 D, จะเรียกว ่าพาวเวอร์แพทเทิร์น (Power Pattern) และโดยปกติจะหารไว้ด้วย ค่าสูงสุดซึ่งจะท าให้แพทเทิร์นมีค่าสูงสุดเท่ากับ 1 หรือถ้าท าให้อยู่ในรูปหน่วย dB ค่าสูงสุดก็จะเป็น 0 dB มีรายละเอียดดังต่อไปนี้ (1) รูปแบบไอโซโทรปิก (Isotropic pattern) จะเป็นแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศที่มีการแผ่พลังงานของสายอากาศที่มี การแผ่พลังงานออกไปในทิศทางทุกทางเท่ากันหมดเสมือนมีลักษณะเป็นรูปทรงกลม ดังแสดงในรูปที่ 2.2 ซึ่งในความเป็นจริงนั้นไม่มีสายอากาศใดเลยที่มีรูปแบบในลักษณะเช่นนี้ทั้งในทฤษฏีและปฏิบัติ จึงถือว่าเป็นรูปแบบที่อยู่ในอุดมคติมากกว่าบางครั้งเรียกว่า ตัวแผ่พลังงานแบบไอโซโทรปิก อย่างไรก็ ตามถูกน ามาใช้ในการอ้างอิงค่าพารามิตเตอร์ตัวอื่นๆ
9 รูปที่2.2 แบบรูปการแผ่พลังงานในทุกทิศทาง (Isotropic pattern) (2) แบบมีทิศทาง (Directional Antenna) สายอากาศที่มีคุณสมบัติในการแผ่พลังงานหรือก าลังรับเข้ามาในทิศทางหนึ่งอย่างมี ประสิทธิภาพมากกว ่าทิศทางอื ่น โดยค าศัพท์นี้มักใช้กับสายอากาศที ่มีสภาพเจาะจงทิศทาง (Directivity) มากกว่าของสายของสายอากาศไดโพลครึ่งคลื่น (Half-wavelength Dipole) ดังรูปที่ 2.3 รูปที่2.3 แบบรูปการแผ่พลังงานแบบมีทิศทาง
10 (3) แบบรอบทิศทางในระนาบเดียว (Omni Directional Antenna) สายอากาศที่มีคุณสมบัติในการแผ่พลังงานออกไปรอบตัวในระนาบใดระนาบหนึ่ง ส่วนระนาบอื่นที่ตั้งฉากกันจะมีการแผ่พลังงานแบบมีทิศทาง ดังแสดงในรูปที่ 2.4 ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะ เป็นคุณสมบัติของสายอากาศที่ท าจากเส้นลวดเดี่ยว รูปที่ 2.4 แบบรูปการแผ่พลังงานแบบมีทิศทางในระนาบเดี่ยว 2.2.2 สภาพเจาะจงทิศทาง (Directivity) สภาพเจาะจงทิศทาง ของสายอากาศในทิศทางที่ก าหนดให้ คือ อัตราส่วนของค่าความเข้ม การแผ่พลังงานในทิศทางนั้นกับค่าความเข้มพลังงานที่เฉลี่ยออกไปในทุกทิศทาง โดยค่าความเข้มการ แผ่พลังงานเฉลี่ยดังกล่าวจะมีค่าเท่ากับก าลังรวมที่แผ่ออกจากสายอากาศหารด้วย 4 ส าหรับกรณี ที่ไม่ได้ก าหนดทิศทางมาให้ การก าหนดสภาพเจาะจงทิศทางจะต้องพิจารณาในทิศทางที่มีการแผ่ พลังงานสูงสุด 2.2.3 อัตราการขยาย (Gain) อัตราการขยายของสายอากาศ คือ อัตราส่วนความเข้มพลังงาน ในทิศทางที่ก าหนดให้ค่า ความเข้มของการแผ่พลังงานของสายอากาศที่ได้รับ ในทางปฏิบัติ การที่สายอากาศจะมีอัตราการขยายมากเพียงพอตามความต้องการหรือไม่ จะ มีปัจจัยหลายประการเข้ามาเกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นผลให้การส่งผ่านพลังงานจากเครื่องส่งไปยังสายอากาศ
11 หรือจากสายอากาศมายังเครื่องรับลดต ่าลงได้ เช่นการสูญเสียที่เกิดขึ้นจากการไม่แมตช์กันระหว่าง สายอากาศซึ่งเกิดจากส่วนประกอบของสายอากาศเอง จ ากม าต รฐ านของ IEEE (International Electrical and Electronic Engineering) ได้ ก าหนดไว้ว่า การพิจารณาอัตราการขยายของสายอากาศจะไม่คิดรวมค่าสูญเสียที่เกิดขึ้นจากการไม่ แมตช์กันของอิมพีแดนซ์ และค่าสูญเสียที่เกิดจากการไม่แมตช์ของการโพลาไรซ์ ที่เกิดขึ้นในระบบ แต่ คิดเฉพาะค่าสูญเสียที่เกิดขึ้นจากไดอิเล็กตริกและตัวน าซึ่งองค์ประกอบของสายอากาศเอง 2.2.4 หน่วยของอัตราการขยาย (1) dB ย่อมาจาก Decibel (เดซิเบล) ซึ่งส่วนมากจะเป็นหน่วยวัดความดังของเสียงแต่เดซิ เบลที่เราจะกล่าวถึงเป็นหน่วยวัดอัตราขยายของสายอากาศซึ่งก็มีหลายค่าแต่ที่เราได้พบบ่อยๆก็จะมี แค่3 ตัวได้แก่ dBi dBd และ dB (2) dBi มาจาก dB (Isotropic) เป็นค่าหน่วยของอัตราขยายของสายอากาศเมื่อเปรียบเทียบ กับสายอากาศแบบ Isotopic Radiator เมื ่อเปรียบเทียบกับสายอากาศแบบไดโพล (0 dBd) มี อัตราขยายเท่ากับ 2.15 dBi (3) dBd มาจาก dB(Dipole) เป็นค่าหน่วยของอัตราขยายของสายอากาศเมื่อเปรียบเทียบ กับสายอากาศแบบ Half-Wave Dipole หรือเรียกสั้นๆว่าไดโพลซึ่ง 0 dBd = 2.15 dBi ปัจจุบันค่า dBd ผู้ผลิตสายอากาศไม่ค่อยน ามาใช้เท่าไหร่เพราะตัวเลขมีค่าต ่า (4) dBq มาจาก dB (Quarter Wave) ค่านี้เราไม่ค่อยเห็นแต่จะถูกน ามาอ้างอิงประจ าเป็น ค่าหน่วยของอัตราขยา4ยของสายอากาศเมื่อเปรียบเทียบกับสายอากาศแบบ Quarter wave ซึ่ง 0 dBq=-0.85 dBi หรือ 0 dBi = 0.85 dBq และ 0 dBd = 3 dBq สรุปว ่าถ้าเทียบกับสายอากาศ Isotropic หน่วยจะเป็น dBi (Decibel Over Isotropi4c) ถ้าเทียบกับสายอากาศไดโพลหน่วยจะเป็น dBd (Decibel Over Dipole) ค่า dBd จะมากกว่า dBi อยู่ 2.15 2.2.5 ประสิทธิภาพของสายอากาศ ในการประเมินค ่าการสูญเสียรวมของพลังงานที ่ขั้วด้านเข้าและภายในโครงสร้างของ สายอากาศนั้น จะใช้วิธีพิจารณาจากค่าประสิทธิภาพรวมของสายอากาศ ซึ่งคิดรวมค่าการสูญเสียที่ เกิดจากการไม่แมตช์หรือการไม่เข้าคู่กัน (Mismatch) ของสายส่งและสายอากาศ และการสูญเสียจาก ไดอิเล็กตริกและตัวน าที่ใช้เป็นโครงสร้างของสายอากาศด้วย โดยจะอธิบายในเทอมของ Radiation efficiency ( e ) ตามที่ก าหนดไว้ในมาตรฐานของ IEEE ซึ่งค่าประสิทธิภาพรวมของสายอากาศเท่ากับ e e e e e e e e t = p r c d = p r (1) โดยที่ p e คือ ประสิทธิภาพจากการไม่แมตช์ของสายอากาศ
12 r e คือ ประสิทธิภาพจากการสะท้อนหรือเกิดจากการที่ไม่แมตช์อิมพีแดนซ์ c e คือ ประสิทธิภาพจากตัวน าที่ใช้เป็นโครงสร้างของสายอากาศ d e คือ ประสิทธิภาพจากไดอิเล็กตริกที่ใช้เป็นโครงสร้างสายอากาศ e คือ ประสิทธิภาพจากตัวน าและไดอิเล็กตริกของสายอากาศ ( ) c d e = e e 2.2.6 อิมพุตอิมพีแดนซ์ (Input Impedance) ค่าอิมพีแดนซ์อินพุต (Input Impedance) ของสายอากาศคือเป็นค่าอิมพีแดนซ์ซึ่งเกิดขึ้นที่ ขั้วด้านเข้าของสายอากาศหรือเป็นอัตราส ่วนของแรงดันกับกระแสที ่ขั้วของสายอากาศหรือเป็น อัตราส่วนขององค์ประกอบที่เหมาะสมของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่จุดหนึ่งๆ ซึ่งในหน่วยนี้เรา จะสนใจค่าอิมพิแดนซ์อินพุตที่ขั้วด้านเข้าของสายอากาศดังแสดงในรูปที่ 2.5 ในที่นี้คือ a-b อัตราส่วน ของแรงดันกับกระแสที่ขั้วนี้ขณะไม่มีโหลดใดๆต่ออยู่จะท าให้เกิดค่าอิมพิแดนซ์เท่ากับ A A A Z = R + jX (2) โดยที่ Z A = ค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศที่ขั้ว a-b (โอห์ม) RA = ค่าความต้านทานของสายอากาศที่ขั้ว a-b (โอห์ม) X A = ค่ารีแอคแตนซ์ของสายอากาศที่ขั้ว a-b (โอห์ม) รูปที่2.5 สายอากาศในโหมดการส่ง ปกติอินพุตอิมพีแดนซ์ของสายอากาศจะเป็นฟังก์ชันของความถี ่และจะแมตซ์กับสายส่ง เฉพาะในช ่วงความถี ่ช ่วงหนึ ่งๆเท ่านั้นนอกจากนี้อินพุตอิมพีแดนซ์ของสายอากาศยังขึ้นอยู ่กับ
13 องค์ประกอบอื่นๆอีกได้แก่รูปทรงวิธีการป้อนสัญญาณและสิ่งแวดล้อมข้างเคียงเนื่องจากค านวณได้ ยากจึงมักจะพบว่าส่วนใหญ่จะหาค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ได้จากการทดลองในการออกแบบสายอากาศ นั้นต้องค านึงถึงค ่าอินพุตอิมพีแดนซ์ด้วยเนื ่องจากสายส ่งและตัว SMA Connector ที ่ใช้มีค่า อิมพีแดนซ์เท่ากับ 50 โอห์มดังนั้นเราควรออกแบบค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ของสายอากาศให้มีค่าเท่ากับ 50 โอห์มด้วย 2.2.7 อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (Voltage Standing Wave Ratio) ถ้ามีคลื่นสองคลื่นที่มีความถี่และแอมปลิจูดเท่ากันเคลื่อนที่ในสายส่งในทิศทางตรงกันข้าม คลื่นทั้งสองจะรวมตัวและหักล้างซึ่งกันและกันสลับกันไปผลที่ได้จะเป็นคลื่นนิ่ง (Standing Wave) รูปที่ 2.6 แสดงให้เห็นว่าคลื่นทั้งสองคลื่นรวมตัวเป็นคลื่นนิ่งได้อย่างไรสังเกตว่าจุดที่เกิดแรงดันสูงสุด และแรงดันต ่าสุดอยู่ที่เดิมเมื่อเทียบกับเวลาจุดที่คลื่นผ่านศูนย์ (Zero crossing) เรียกว่า ปม (Node) และต าแหน่งที่เกิดแอมปลิจูดสูงสุดเรียกว่า ยอดโย่ง (Antinode) รูปที่ 2.6 การก่อรูปคลื่นนิ่ง (Standing Wave)
14 อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดัน (Voltage Standing Wave Ratio เขียนย่อว่า VSWR) ในสาย ส่งที่มีการสูญเสียพลังงานน้อยมีค าจ ากัดความเป็นอัตราส่วนของแรงดันที่มากที่สุดต่อแรงดันที่น้อย ที่สุดเมื่อเขียนเป็นสมการคณิตศาสตร์ min max V V VSWR = (3) เราสามารถให้ค าจ ากัดความ VSWR ให้เป็นค่าที่จุด ๆ หนึ่งในสามโดยใช้ความสัมพันธ์ที่ เกี่ยวข้องกับสัมประสิทธิ์การสะท้อนดังนี้ − + = 1 1 VSWR (4) 0 0 Z Z Z Z L L + − = (5) โดยที่ คือ สัมประสิทธิ์การสะท้อนของคลื่น Z0 คือ อิมพีแดนซ์คุณลักษณะ ZL คือ อิมพีแดนซ์ของโหลด จากสมการจะพบว่าถ้า ZL = Z0 จะท าให้ = 0 นั่นคือจะไม่เกิดการสะท้อนกลับของคลื่น ซึ่งจะส่งผลให้ค่า VSWR = 1 ซึ่งก็คือการแมตชิ่งกันระหว่างสายส่งกับสายอากาศนั่นเองแต่ถ้า ZL ≠ Z0 จะท าให้ ≠0 ก็จะส่งผลท าให้ค่า VSWR ≠1 นั่นคือจะเกิดการไม่แมตซ์กันระหว่างสายส ่งกับ สายอากาศซึ่งถ้าค่า VSWR มีค่ามากๆก็อาจส่งผลกระทบต่อเครื่องส่งท าให้เครื่องส่งเกิดความเสียหาย ได้ส าหรับค่า VSWR ที่สามารถยอมรับได้ในทางปฏิบัตินั้นจะต้องมีค่าไม่เกิน 2 2.2.7 ค่าความสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนกลับ (Return loss) การสูญเสียหรือ Loss นั้นจะเกิดขึ้นทุกครั้งเมื่อระบบการสื่อสารของเราเริ่มท างานซึ่งผลของ มันอาจจะไม่เป็นที่ต้องการของเราเพราะมันจะท าให้ระบบของเรามีประสิทธิภาพต ่าลงนั่นเองโดยการ สูญเสียในทางโทรคมนาคมที ่เราจะกล ่าวถึงในหัวข้อนี้คือค ่าการสูญเสียเนื ่องจากการย้อนกลับ (Return Loss)
15 ซึ่งการสูญเสียประเภทนี้มักจะเกิดขึ้นเมื่อมีการส่งสัญญาณข้อมูลเข้าไปในระบบดังรูปที่ 2.7 รูปที่ 2.7 การเกิดย้อนกลับของก าลังงาน จากรูป Pi คือก าลังงานของสัญญาณอินพุต Pr คือก าลังงานของสัญญาณที่สะท้อนกลับ Po คือก าลังงานของสัญญาณเอาต์พุต ซึ่งค่าของและ Return loss สามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้ = i r P P return loss 10log (6) จากสมการจะเห็นว่าค่า Return loss คืออัตราส่วนของ Pr กับ Pi ซึ่งแสดงถึงประสิทธิภาพ การส่งผ่านซึ่งแสดงได้ว่าถ้าค่า Return loss มาก ๆ จะยิ่งดีเนื่องจากจะมีประสิทธิภาพการส่งผ่านที่ดี นั้นเอง 2.3 ความกว้างของแถบความถี่ ความกว้างของแถบความถี่ (Frequency Bandwidth: FBW) ของสายอากาศ คือ ย่านหรือ ช่วงความกว้างของความถี่ที่สายอากาศสามารถท างานได้โดยที่ไม่สูญเสียคุณลักษณะที่ก าหนดไว้โดย คุณลักษณะต่างๆของสายอากาศเมื่อถูกน าไปใช้งานจะต้องตรงต่อความต้องการที่ออกแบบไว้ เช่น อิมพีแดนซ์ด้านเข้าแบบรูปการแผ่พลังงาน แบบรูปการแผ่พลังงาน ความกว้างล า การโพลาไรซ์ ระดับ พูข้าง อัตราการขยาย ทิศทางของล าคลื่น ประสิทธิภาพการแผ่พลังงาน บ่อยครั้งอาจจะเห็นว่ามีการ แยกพิจารณาออกเป็นค่าของความกว้างเชิงอิมพีแดนซ์ หรือพิจารณาค่าความกว้างเชิงรูปแบบ เป็น ต้น ส่วนในกรณีของสายของสายอากาศความถี่กว้าง (Wideband Antenna) ซึ่งสามารถใช้งาน ครอบคลุมย่านความถี่ที่กว้างมากๆนั้นมักจะใช้วิธีการบอกค่าความกว้างแถบความถี่ของสายอากาศใน P0
16 รูปแบบของอัตราส่วนของความถี่สูงสุด ( max f ) และความถี่ต ่าสุด ( min f ) ที่สายอากาศยังคงสามารถ ใช้งานได้โดยไม่ท าให้สูญเสียคุณสมบัติในการท างานเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งแสดงในรูปของสมการ min max f f FBW = (8) สายอากาศประเภทนี้ในปัจจุบันสามารถออกแบบให้มีอัตราส่วนมากถึง 40:1 ซึ่งบางครั้งให้ นิยามและสายอากาศแถบความถี่กว้างมากแบบนี้ว่าสายอากาศที่ไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ ส าหรับสายอากาศแถบแคบ (Narrowband Antenna) มักจะใช้วิธีการบอกค ่าความกว้าง แถบความถี่ในรูปของเปอร์เซนต์ความกว้าง (Percent Bandwidth) มักจะใช้วิธีบอกค่าความถี่กลาง ( 0 f ) ซึ่งเป็นความถี่ปฏิบัติการที่เริ่มใช้เริ่มต้นในการออกแบบ โดยสามารถค านวรค่าได้จาก 100% 0 max min − = f f f FBW (9) โดยที ่ค ่าความถี ่กลาง 0 f หาได้จาก ( )/ 2 0 max min f = f + f หรือ 0 max min f = f f ส าหรับสัญญาณที่มีแถบความถี่แคบจะมีค่า FBW เพียงเล็กน้อย คือน้อยกว่า 1% ส่วนสัญญาณจะถูก เรียกว่ามีแถบความถี่กว้างก็ต่อเมื่อค านวณค่า FBW แล้วมีค่าระหว่าง 1% ถึง 50% และถ้ามากว่า 50% ก็จะถือว่าอยู่ในช่วงของแถบความถี่กว้างยิ่ง 2.4 เทคโนโลยี 5G และ MiMo Antenna 5G นั้นได้ออกแบบระบบให้รองรับทั้งจ านวนผู้ใช้และปริมาณข้อมูลที่ต้องากรมากกว่า 4G ขึ้นอีก โดยออกแบบให้พื้นที่บริการของสถานีฐานขนาดลดลงเพื่อเหมาะกับย่านความถี่วิทยุที่เปลี่ยน จากเดิมอย่าสิ้นเชิง คือใช้ย่านความถี่ 600-800 MHz, 3 GHz, 4-6 GHz ส าหรับย่านความถี่ต ่าและที่ ส าคัญความย่านถี่สูงคือ 24-29 GHz, 37-43 GHz, 64-71 GHz จากการก าหนดใช้ย่านความถี่สูงขึ้น มากนั้นมีผลท าให้สายอากาศมีขนาดลดลงได้เพราะขนาดของสายอากาศจะแปรผกผันกับความถี่ และ ยังสามารถสร้างสายอากาศได้จ านวนมากขึ้นหลายตัวเพื่อใช้งานร่วมกันที่เรียกว ่าสายอากาศแถว ล าดับหรืออาร์เรย์ (Array) บรรจุลงในสายอากาศสถานีฐานและที่ตัวโทรศัพท์เคลื่อนที่ ท าให้สร้างเป็น ระบบสายอากาศฉลาด (smart antenna system) ซึ ่งจะก าหนดทิศทางล าคลื ่นวิทยุให้โฟกัสไป เฉพาะทิศทางที่ต้องการรับและส่งเท่านั้น แท้จริงแล้วระบบ smart antenna นี้ได้มีผู้เสนอแนวคิด และงานวิจัยมานานมากก่อนที่จะมีระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่เสียอีก และใน 5G ยังสามารถน า smart
17 antenna system มาใช้ร่วมกับระบบ MIMO เรียกว่า Massive MIMO ก็จะสามารถรองรับความ การใช้งานต่างๆ ดังกล่าวในอนาคตได้ ดังนั้นจึงมีการวิจัยพัฒนาสายอากาศแถวล าดับเพื่อใช้ติดตั้งที่ สถานีฐานหรืออาจหรือโทรศัพท์เคลื่อนที่ ซึ่งระบบสายอากาศนี้จะมีจ านวนสายอากาศหลายสิบตัว หรือเป็นจ านวนร้อยตัวเลยทีเดียว 2.4.1 เทคโนโลยี 5G เทคโนโลยี 5G ไม่ใช่เพียงแค่เรื่องของความเร็วกว่าที่เร็วกว่า 4G เท่านั้น แต่ยังมีเรื่องของ IoT (Internet of Things) ที่ปรากฏให้เห็นกันมากขึ้นในปัจจุบัน อาทิเช่น สื่อบันเทิงด้วยเทคโนโลยี 5G สามารถรองรับความต้องการในการรับส่งข้อมูลปริมาณมากได้อย่างรวดเร็ว การผลิต ช่วยเป็นตัวขับ เคลื ่อนที ่ส าคัญในการเข้าสู ่การปฏิวัติอุตสาหกรรมยุคที ่ 4 สาธารณสุข อุปกรณ์สวมใส่ติดตามตัว (Wearable devices และ Internet of Medical Things: IoMT) ที ่สามารถเก็บข้อมูลเกี ่ยวกับ สุขภาพอย่างละเอียด เป็นต้น เทคโนโลยี 5G คือ เทคโนโลยีส าหรับโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้ถูกพัฒนาขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่ โทรศัพท์เคลื่อนที่ยุคแรก ซึ่งใช้งาน ระบบอนาล็อก จนถึงยุคปัจจุบันที่โทรศัพท์กลายเป็นส่วนหนึ่งของ ชีวิตประจ าวันของ ผู้คนส ่วนใหญ ่ในสังคมการใช้งานอินเตอร์เน็ตเป็นไปด้วยความรวดเร็วและ แพร่หลาย อย่างไรก็ตามความต้องการในการเข้าถึงข้อมูลเหล่านี้ ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรา จ าเป็นที่จะต้องหาเทคโนโลยีใหม่เพื่อรองรับความต้องการที่เพิ่มสูงขึ้น รวมถึงรองรับการใช้งานใน รูปแบบใหม่ๆ เพื่อสนองต่อการพัฒนาสังคมดิจิทัลในยุค 4.0 เทคโนโลยี 5G คือเทคโนโลยีที่จะเข้ามา ตอบโจทย์ในเรื่องนี้ ระบบ 5G จะสามารถรองรับการใช้งานที่ต้องการอัตราการส่งข้อมูลที่สูงกว่า 4G รองรับอุปกรณ์เชื่อมต่อกับระบบจ านวนมหาศาลรวมทั้งยังสามารถน ามาใช้ในกิจการที่ต้องการการส่ง ข้อมูลที่รวดเร็วและทันที โดยเฉพาะกิจการที่ต้องการความแม่นย าสูง ซึ่งการที่ระบบ 5G จะสามารถ การรองรับการใช้งานเหล่านี้ได้ จ าเป็นต้องใช้เทคนิคใหม่ๆ รวมถึงจ าเป็นต้องใช้คลื่นความถี่ในปริมาณ มากขึ้น โดยเฉพาะความถี่ในย่านที่สูงกว่า 1 GHz [2] รูปที่ 2.8 ความเร็วในการสื่อสารข้อมูลยุค 3G 4G และ 5G
18 5G เป็นเครือข่ายไร้สายที่ถูกพัฒนาและเริ่มใช้ในปีพ.ศ. 2561 เป็นต้นมา เทคโนโลยีพื้นฐาน ได้แก่คลื่นความถี่ (Millimeter wave bands 26, 28, 38, และ 60 GHz) มีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 20 จิกะบิตต่อวินาที MIMO (Multiple Input Multiple Output - 64-256 antennas) ประสิทธิภาพ สูงซึ่งเร็วกว่า 4G ถึง 10 เท่า 5G ย่านความถี่ต ่าและกลางใช้ความถี่ระหว่าง 600 MHz ถึง 6 GHz โดยเฉพาะระหว่าง 3.5-4.2 GHz ในปีพ.ศ. 2560 หลายบริษัทต ่างพัฒนาเทคโนโลยี 5G เช ่น Samsung Intel Qualcomm Nokia Huawei Ericsson ZTE รวมถึงการมาของ Internet of Things อย ่างเช ่น Smart Home Smart Infrastructure Smart City Smart Car เป็นต้น หรืออะไรที ่สามารถเชื ่อมต ่อได้ก็จะถูก เชื ่อมต ่อ ด้วยระบบอินเทอร์เน็ต แต ่เพื ่อให้มีประสิทธิภาพการท างานสูงสุด และอะไรที ่ต้องการ แสดงผลเรียลไทม์จึงจ าเป็นต้องมีความรวดเร็วในการรับส่งข้อมูลเช่น การศึกษา การขนส่ง การแพทย์ เป็นต้น [2] รูปที่2.9 เทคโนโลยี 5G กับการใช้งานในเมือง 2.4.2 MiMo Antenna เป็นเทคโนโลยีที่ช่วยปรับปรุงเครือข่ายไร้สายเนื่องจากช่วยให้ครอบคลุมมากขึ้นเนื่องจากเรา ปล่อยสัญญาณไร้สายพร้อมกันกับเสาอากาศหลายตัวที่เราเตอร์หรือจุดเชื่อมต่อ WiFi มีด้วย เนื่อง ด้วย MIMO เป็นเทคโนโลยีที่น าเสาสัญญาณหลาย ๆ เสามาใช้ในการส่งสัญญาณเเละใช้รับสัญญาณ โดยในยุค 4G จะเห็น Router ที่เป็น MIMO 2×2 และ 4×4 ในยุค 5G จะเป็นเทคโนโลยี Massive MIMO เพื่อให้อินเทอร์เน็ตใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด เทคโนโลยี MIMO หรือชื่อเต็มเรียกว่า Multiple-Input and Multiple-Output เป็นเทคโนโลยีโดยการน าเสาสัญญาณหลายๆ เสามาใช้ใน การส ่งสัญญาณเเละใช้รับสัญญาณ โดยจะเเตกต ่างจากเทคโนโลยี SU-MIMO (Single-User Multiple-Input and Multiple-Output) คือในช่วงเวลาหนึ่งเราเตอร์จะสามารถรับ - ส่งข้อมูลกับ
19 อุปกรณ์ได้เเค่ 1 ตัวเท่านั้น เมื่อเชื่อมต่อหลายๆอุปกรณ์จะท าให้เราเตอร์ ส่งสัญญาณสลับกันไปมา อย่างรวดเร็วท าให้เกิดการไม่สเถียรของอินเตอร์เน็ต เทคโนโลยี MIMO สามารถใช้ประโยชน์ได้จากสัญญาณ Wi-Fi ย้อนกลับ เพื่อเพิ่มความเร็วไร้ สายป้องกันไม่ให้สัญญาณสะท้อนเป็นอันตรายต่อการเชื่อมต่อด้วย MIMO ท าให้สามารถถ่ายทอด สัญญาณจากเสาอากาศหลายๆ ตัวพร้อมกันและสัญญาณจะเดินทางไปตามเส้นทางที่แตกต่างกันเพื่อ ไปยังปลายทางซึ่งท าได้โดยความล่าช้าของสัญญาณ เราสามารถกล่าวได้ว่าสัญญาณด้วยเทคโนโลยี MIMO ไม่จ าเป็นต้องเข้าถึงโดยตรง แต่ยังสามารถเข้าถึงได้ด้วยการสะท้อนออกจากก าแพงหรือสิ่งกีด ขวาง ดังนั้นจึงสามารถใช้การย้อนกลับดังกล่าวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของ WIFI หากไม่มีเทคโนโลยีนี้ สัญญาณสะท้อนนั้นจะถูกท าลายและไม่สามารถควบคุมได้ 2.5 เทคนิคการออกแบบสายอากาศไมโครสตริป ปัจจุบันสายอากาศไมโครสตริปเป็นสายอากาศที่ได้รับความนิยมอย่างมาก โดยวิจัยกันอย่าง กว้างขวางถึงลักษณะ โครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งก็คือ สายอากาศที่ถูกเชื่อมต่อโดยใช้สายส่งสัญญาณแบบ ไมโครสตริป (Microstip Line) เนื่องจากลักษณะโครงสร้างแบบนี้ จะมีหลักในการออกแบบ และ วิธีการท าแมตช์อิมพีแดนซ์ (Matching Impedance) ที่ไม่ซับซ้อน เทคนิคที่ใช้ออกแบบสายอากาศเพื่อให้สายอากาศนั้นสามารถใช้งานได้นั้นมีอยู่หลากหลาย เทคนิค เช่น 1) การเลือกรูปร่างต่างๆของ Patch 2) เทคนิคการเพิ่มความสูงของ Substrate ของแผ่นพิมพ์ 3) การท า Coplanar Parasite 4) การท า stack Element วิธีการออกแบบสายอากาศให้สามารถใช้งานในแถบความถี ่กว้างได้นั้น นิยมใช้การเลือก ออกแบบหน้า Patch ของสายอากาศ เพราะออกแบบแล้วสามารถสามารถเพิ่มขีดความสามารถใน การใช้งานสายอากาศได้ ส าหรับเทคนิคการเพิ่มความสูงของ Substrate ของแผ่นพิมพ์ ไม่ค่อยเป็นที่นิยมเพราะ แผ่น พิมพ์ PCB ที่จัดท านั้น ส่วนใหญ่แผ่นพิมพ์มีความสูงที่ตายตัวอยู่แล้วการที่จะเพิ่มความสูงของแผ่น พิมพ์เลยท าได้โดยยาก การท า Coplanar Parasite ก็คือการน าระนาบกราวด์ที่อยู่ทางด้านหลังมาไว้ ทางด้านหน้าซึ ่งเป็นด้านเดียวกับแพทซ์ของตัวสายอากาศก็เป็นอีกหนึ่งวิธีการที ่ท าให้สายอากาศ สามารถรองรับความถี่กว้างได้ แต่ก็ไม่เป็นที่นิยม เพราะ สามารถท าได้ยากเมื่อน าระนาบกราวด์มาอยู่ ทางด้านเดียวกับแพทซ์ของสายอากาศนั้นการออกแบบหน้าแพทซ์ของสายอากาศซึ ่งง ่ายกว ่าก็
20 สามารถท าได้ยากไปอีกเพราะ มีกราวด์มาอยู่ร่วมกับในด้านเดียวกัน Stack element เป็นการเพิ่ม ความหนาของ Substrate ด้วยเช่นกัน แต่ stack Element ไม่ได้เพิ่มความหนาของซับสเตรทบน แผ่น PCB แผ่นเดียว แต่เป็นวางซ้อนกันของ แผ่น PCB หลายแผ่น ตัวอย่างการออกแบบสายอากาศไมโครสตริปโดยวิธีการออกแบบแพทซ์ของสายอากาศ ซึ่ง การออกแบบแพทซ์ของสายอากาศมีเทคนิคต่าง ๆ ดังนี้ 2.5.1 Beveling คือ เทคนิคการออกแบบ ตัวแพทซ์ของสายอากาศ ให้มีความโค้ง เว้า ของ หน้า แพทซ์หรือ ออกแบบหน้าแพทซ์เป็นวงกลม รูปที่ 2.10 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค Beveling [3] จากรูปที่ 2.10 เป็นการออกแบบสายอากาศโดยใช้เทคนิค Beveling โดยที่สายอากาศนี้เป็น สายอากาศที ่อยู ่ในรูปแบบ Co – planar คือมีระนาบกราวด์ อยู ่ด้านเดียวกับหน้า patch ของ สายอากาศ จะเห็นว่าตัวสายอากาศจะออกแบบให้ตัว Patch ของสายอากาศมีการตัดมุมบางส ่วน ออกไป 2.5.2 U Shape Technique คือ สายอากาศแถบความถี่กว้างที่ออกแบบ ให้หน้า Patch ของตัว สายอากาศมีลักษณะ เหมือนตัว U
21 รูปที่ 2.11 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค U Shape [4] จากรูปที่ 2.11 เป็นการออกแบบสายอากาศโดยใช้เทคนิค U Shape มีขนาด 30mmx30mm สายอากาศสามารถใช้งานได้ที่แถบความถี่ 2.4 GHz ถึง 11.4 GHz 2.5.3 Notch คือ การแบบสายอากาศโดยใช้การบากขอบบน Patch ของสายอากาศ หรือ เป็นการท าร่องบนตัวสายอากาศ รูปที่ 2.12 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค Notch ร่วมกับเทคนิค Trapezoid conductor back plane [5] จากรูปที่ 2.12 เป็นการออกแบบสายอากาศมีขนาด 48 mmx60mmx1.5mm สายอากาศ สามารถใช้งานได้ที่แถบความถี่กว้าง 2 แถบ คือ 1.9 GHz ถึง 4.32 GHz และ 5.1 ถึง 7.18 GHz ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dielectric Constant : r ) ของตัวแผ่นพิมพ์ว่า มี ค่าเท่าไหร่ ยิ่งแผ่นพิมพ์มีค่า r มีค่าน้อย ส่งผลให้สายอากาศชิ้นนั้นง่ายต่อการออกแบบ
22 2.5.4 L-Shape notch คือ การออกแบบสายอากาศโดยใช้การบากตัวหน้า Patch ของ สายอากาศให้มีขอบเป็นรูปตัว L ในขอบด้านใดด้านหนึ่งของหน้า Patch รูปที่ 2.13 สายอากาศที่ถูกออกแบบโดยการใช้เทคนิค L-Shape notch [6] จากรูปที่ 2.13 เป็นการออกแบบโดยใช้เทคนิค การท า L-Shape notch ร่วมกับเทคนิค CShape slot จากการออกแบบสายอากาศมีขนาด 15.5 mm x 21mmx สายอากาศสามารถใช้งาน ได้ที่แถบความถี่ 5.03 GHz ถึง 5.91 GHz 2.5.5 การท า Stub คือ การออกแบบให้วงจรสายส ่งส ่งให้เข้าคู ่กับสายอากาศ แมทชิ่ง ( Matching) ท าได้โดยกาต่อสตับเข้าไปในวงจรสายส่ง ซึ่งสามารถ เลือกใช้สตับได้หลายชนิดเช่น แบบ Short circuit, Open circuit ตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนา เป็นต้น เมื่อต่อสตับเข้า ไปในวงจร สายส ่ง โดยการต ่อสตับในวงจรสายส่งสามารถต่อได้2 แบบ ได้แก่ ต ่อแบบ อนุกรม และต ่อแบบ ขนาน ส าหรับการต่อแบบขนาน จะต่ออยู่หน้าโหลดที่มีระยะห่างที่ท าให้เกิดค่าอินพุตแอดมิตแตนซ์ [7] 2.5.6 การท าบาลัน คือ สายอากาศไดโพลมีโครงสร้างที่เป็นลวดตัวน าสองชิ้นวางเรียงเป็น แนวเส้นตรง ปกติถูกป้อนด้วยสายน าสัญญาณเพื่อให้มีกระแสไฟฟ้าไหลอย่างสมมาตรในลวดตัวน าทั้ง สอง ซึ่งท าได้โดยใช้สายน าสัญญาณคู่ขนานที่มีโครงสร้างสมมาตรเช่นเดียวกับสายอากาศไดโพล หาก ท าได้เช่นนี้สายอากาศจะแผ่กระจายคลื่นที่มีแบบรูปการแผ่กระจายคลื่นที่สมมาตรกับโครงสร้างของ
23 สายอากาศ อย ่างไรก็ดีในทางปฏิบัติอาจป้อนสายอากาศด้วยสายน าสัญญาณแกนร ่วม (Coaxial transmission line) ที่มีโครงสร้างที่ไม่สมมาตร ท าให้กระแสที่ไหลในลวดไดโพลสองข้างไม่เท่ากัน เป็นผลให้แบบรูปการแผ่กระจายคลื่นไม่สมมาตรและบิดเบี้ยวจากที่ควรจะเป็นในการท าให้กระแส ไหลได้เท่ากันจ าเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่แปลงให้กระแสจากโครงสร้างที่ไม่สมมาตรไปยังโครงสร้างที่ สมมาตรที่เรียกว่าบาลัน (Balun : Balance to unbalance) [8] บาลันมีด้วยกันหลายแบบได้แก่ บาซูก้าบาลัน (Bazooka balun) / 4 โคแอกเชียลบาลัน และโคแอกเชียลบา วิธีที่ง่ายและเหมาะสมกับวงจรบนแผ่นพิมพ์ไมโครสตริป ได้แก่โครงสร้างดัง แสดง ในรูปที่2.14 ที่มีตัวแบ่งก าลังงานเป็นสองส่วนที่มีขนาดเท่ากัน และมีเฟสของคลื่นต่างกัน 180 องศา [8] รูปที่ 2.14 โครงสร้างไมโครสตริปที่ท าโดยใช้วิธีบาลัน [8] 2.6 โปรแกรม CST Microwave Studio โปรแกรม CST Microwave Studio (CST MWS) เป็นโปรแกรมจ าลองทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ มีความแม่นย าถูกต้องและมีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาการประมวลผลส าหรับการออกแบบของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ด้วยประสิทธิภาพที่สูงท าให้ CST MWS เป็นตัวเลือกแรกในเทคโนโลยีชั้นน าของ แผนกการวิจัยและพัฒนา (R&D) CST Microwave Studio จะช่วยให้การวิเคราะห์มีความรวดเร็วและถูกต้องของอุปกรณ์ที่มี ความถี่สูง (HF) ต่างๆ เช่น สายอากาศ ตัวกรองข้อต่อเพลาโครงสร้างหลายชั้น SI และผลกระทบ EMC CST Microwave Studio - เป็นเทคโนโลยีที ่สมบูรณ์แบบส าหรับคลื ่นความถี ่สูง ในการ จ าลองภาคสนามแบบ 3D EM 2.6.1 แนะน าการใช้งานโปรแกรม Program CST Microwave Studio
24 ส าหรับโปรแกรม CST Microwave Studio เมื ่อท าการติดตั้งโปรแกรมเรียบร้อยแล้ว จะ ปรากฏไอคอนของโปรแกรมดังรูปที่ 2.15 [9] รูปที่ 2.15 ไอคอนของโปรแกรม CST Microwave Studio ส าหรับโปรแกรม CST MWS จะมีเครื่องมือที่ครบครันในการสร้างแบบจ าลองในลักษณะ ต่าง ๆ ดังรูปที่ 2.16 ซึ่งจะช่วยให้ง่ายต่อการออกแบบของงานในแต่ละประเภทดังนี้ (1) Statics and Low Frequency (2) MW and RF and Optical (3) EDA/Electronics (4) EMC/EMI (5) CHARGED PARTICE DYNAMICS รูปที่2.16 แบบจ าลองต่าง ๆ ใน โปรแกรม CST Microwave Studio
25 ส าหรับสัญลักษณ์ของแบบจ าลองต ่าง ๆ ดูได้ในรูปที ่ 2.18 และขั้นตอนการออกแบบ สายอากาศโดยใช้ โปรแกรม CST Microwave Studio มีดังนี้ (1) เปิดโปรแกรม CST Microwave Studio Suite ขึ้นมา (2) เลือก MW & RF & OPTICAL แล้วเลือก Antennas (3) เลือกประเภทของสายอากาศที่ต้องการจะออกแบบ (4) เลือกขั้นตอนการแก้ปัญหาส าหรับใช้ในขั้นตอนการท างาน (5) ตั้งค่าหน่วยของตัวแปรต่างๆ (6) ก าหนดความถี่ต ่าสุดและสูงสุด (7) สรุปการตั้งค่าต่างๆ (8) ออกแบบสายอากาศตามแบบที่จะท า (9) ท าการ Simulate เพื่อตรวจสอบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศที่ได้ออกแบบ 2.6.2 การแสดงค่าพารามิเตอร์ต่างๆของสายอากาศในโปรแกรม CST Microwave Studio การแสดงค ่าพารามิเตอร์ต ่าง ๆ ด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio ยกตัวอย่างเช่น ค่า S11 ดังแสดงในรูปที่ 2.17 ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน หรือ VSWR ดังแสดงในรูป ที่ 2.18 นอกจากนี้ยังสามารถแสดงแบบรูปการแผ่พลังงานในรูปแบบต่าง ๆ ได้ดังแสดงในรูป 2.19 ถึง รูปที ่ 2.21 ซึ ่งแสดงในช ่วงความถี ่ตั้งแต ่ 1.4 GHz ถึง 3 GHz ท าให้ผู้ออกแบบสามารถวิเคราะห์ แบบจ าลองของการออกแบบสายอากาศในแต่ละครั้งได้ว่า ได้ผลการจ าลองเป็นไปดังที่ต้องการหรือไม่ รูปที่2.17 การแสดงผลค่า S11ของสายอากาศ
26 รูปที่2.18 การแสดงผลค่า VSWR ของสายอากาศ
27 รูปที่2.19 การแสดงผลค่า Radiation Pattern ของสายอากาศ รูปที่2.20 Far field ในระนาบแกน Phi
28 รูปที่2.21 Far field ในระนาบแกน Theta 2.7 หัวต่อชนิดต่าง ๆ 2.7.1 ขั้วต่อสายแบบ BNC ขั้วต ่อแบบ BNC เป็นที ่นิยมใช้สาหรับ สัญญาณ RF วีดีโอ ขั้วต ่อสายอากาศ เครื่องมือทดลองต่าง ๆ และอื่น ๆ น ามาใช้ทดแทนขั้วแต่แบบ RCA ขั้วต่อ BNC มีทั้งแบบ 75 และ 50 โอห์ม ซึ่งสามารถนาไปใช้ในความถี่ได้ถึง 4 GHz และมันสามารถนามาใช้ถึง 10 GHz แสดงในรูป ที่ 2.22 รูปที่2.22 ขั้วต่อสายแบบ BNC
29 ตาราง 2.2 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ BNC ค่าพารามิเตอร์ รายละเอียด Impedance 50 ohm Frequency Range 0–4 GHz VSWR 1.3 max @0–4 GHz Working voltage 500 Volts rms. Dielectric Withstanding Voltage 1500 Volts rms. Insulation Resistance 5000 megohms (min) Contact Resistance Center contact 1.5 milliohm Outer contact 1.0 milliohm Insertion Loss 0.2 dB min @ 3 GHz RF-leakage -55 dB min @3 GHz 2.7.2 ขั้วต่อสายแบบ TNC หัว TNC-Type จะมีShield ล้อมเดือยหรือรูไว้อีกวงหนึ่ง ดัดแปลงมาจาก ขั้วต่อแบบ BNC โดยมีค่า impedance เท่ากับ 50 โอห์ม สามารถใช้งานที่ความถี่สูงถึง 10 GHz คุณสมบัติดีกว่า ขั้วต่อแบบ BNC ที่ย่านความถี่ไมโครเวฟ ขั้วต่อ TNC สามารถนาไปใช้งานงานวิทยุได้อย่างกว้างขวาง แสดงในรูปที่ 2.23 รูปที่ 2.23 ขั้วต่อสายแบบ TNC
30 ตาราง 2.3 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ TNC ค่าพารามิเตอร์ รายละเอียด Impedance 50 ohm Frequency Range 0–11 GHz VSWR 1.3 max @0–11 GHz Working voltage 500 Volts rms. Dielectric Withstanding Voltage 1500 Volts rms. Insulation Resistance 5000 megohms (min) Contact Resistance Center contact 1.5 milliohm, Outer contact 0.2 milliohm Insertion Loss 0.18 dB @ 9 GHz RF-leakage -60 dB minimum @ 3 GHz 2.7.3 ขั้วต่อสายแบบ N มาจากชื่อของผู้ประดิษฐ์ซึ่งก็คือ Paul Neill เมื่อปี1940 ขั้วต่อแบบ N จะมีทั้งแบบ 50 และ 75 โอห์ม แบบ 50 โอห์มจะนิยมใช้กับโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์ไร้สาย เช่น wireless LAN เป็นต้น ส่วนแบบ 75 โอห์มจะนิยมใช้ในวงการเคเบิ้ลทีวีหัว N-Type จะมีลักษณะคล้ายกับหัว SMAType แต่มีขนาดใหญ่กว่าแสดงในรูปที่ 2.24 รูปที่ 2.24 แบบ N
31 ตารางที่ 2.4 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ N ค่าพารามิเตอร์ รายละเอียด Impedance 50 ohm Frequency Range 0–11 GHz VSWR 1.3 max @ 0–11 GHz Working voltage 1,500 Volts rms. Dielectric Withstanding Voltage 2,500 Volts rms. Insulation Resistance 5000 megohms (min) Contact Resistance Center contact 1.5 milliohm, Outer contact 0.2 milliohm Insertion Loss 15 dB maximum at 10 GHz RF-leakage 90 dB minimum @3GHz 2.7.4 ขั้วต่อสายแบบ C ขั้วต่อแบบ C ถูกประดิษฐ์โดยนาย Carl Concelman ขั้วต่อแบบนี้จะมี เขี้ยวล็อกแบบ BNC มีขนาดปานกลางและป้องกันน ้าได้แสดงในรูปที่ 2.25 รูปที่ 2.25 ขั้วต่อสายแบบ C
32 ตารางที่2.5 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ C ค่าพารามิเตอร์ รายละเอียด Impedance 50 ohm Frequency Range 0–11 GHz VSWR 1.35 max. to 11 GHz max. 2 Amps current @100 MHz @1500 volts peak Working voltage 1,500 Volts rms. Dielectric Withstanding Voltage 3,00 Volts rms. Insulation Resistance 5000 megohms (min) Contact Resistance Center contact 1.5 milliohm , Outer contact 0.2 milliohm RF-leakage -80 dB minimum @3GHz (70 dB @ 6GHz) 2.7.5 ขั้วต่อสายแบบ SMA ขั้วต่อแบบ SMA (Subminiature version A) ถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อ ปี1960 เป็นขั้วต่อที่ มีขนาดเล็กมีค่า impedance 50 โอห์ม สามารถใช้ได้ในย่านความถี่ตั้งแต่ไฟ DC จนถึง 18 GHzแสดง ในรูปที่ 2.26 รูปที่ 2.26 ขั้วต่อสายแบบ SMA
33 ตารางที่ 2.6 คุณสมบัติทางไฟฟ้าขั้วต่อสายแบบ SMA ค่าพารามิเตอร์ รายละเอียด Impedance 50 ohm Frequency Range *Semi–rigid cable for .141" or .085" O.D. copper jacket: 0–18 GHz *Flexible cable: 0–12.4 GHz VSWR *.141" semi–rigid cable group: 1.05 + .005f *RG–58 cable group: 1.15 + .01f *RG–174 cable group: 1.15 + .02f *RG–178 cable group: 1.20 + .025f Working voltage *RG–58, 141, 142, 223: 500v peak *RG–174, 188, 316: 375V peak Dielectric Withstanding Voltage *.141" & RG–58 cable group: 1000V RMS * .085" & RG–316 cable group: 750V RMS Insulation Resistance 5000 megohms (min) Contact Resistance Center: 2.0 milliohms Body: 2.0 milliohms Braid to body: 0.5 milliohms RF-leakage -90 db min @ 2–3 GHz
34 2.8 งานวิจัยที่เกี่ยวข้อง ผศ. โกศล นิรโสภา รศ.ดร.น ายุทธ สงค์ธนาพิทักษ์ รศ.นภพินทุ์อนันตรศิริชัย (2546) [10] งานวิจัยนี้ได้พัฒนาขึ้นมาจากงานวิจัย เรื่อง “การออกแบบสายอากาศช่องเปิดที่ป้อนด้วยCPWส าหรับ การใช้งาน ความถี่แถบกว้าง”ที่ความถี่ 2.4 GHz ซึ่งได้น าเสนอในการประชุมงานวิจัย PIERS 2007 Beijing CHINA โครงสร้างของ สายอากาศจะประกอบด้วยช่องเปิด 2 ช่อง วางอยู่บนระนาบเดียวกัน กับกราวด์ ใช้วัสดุฐานรองดูรอยด์ RT/5880 ความหนา 1.575 มิลลิเมตร ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก 2.2 ผล ที่ได้คือแถบความถี่ 0.6 GHz (2.1-2.7 GHz) และ 0.9 GHz (4.9-5.8 GHz ) เพื่อใช้กับการสื่อสารไร้ สายส าหรับแถบความถี ่ตามมาตรฐาน IEEE802.11 b/g( 2.4-2.4835GHZ ) IEEE802.11 a(5.15- 5.35GHz) IEEE802.11j (4.90-5.091 GHz) และPublic Safety Frequency(4.940-4.990 GHz) ใน การออกแบบสายอากาศ ในครั้งนี้เพื่อศึกษาวิจัยหาผลที่ได้ที่ดีที่สุดจากการจ าลองการท างาน โดยใช้ โปรแกรม IE3D เพื่อดูค่าความสูญเสียเนื่องจาก การย้อนกลับ แบนด์วิดท์ และแบบรูปการแผ่พลังงาน เพื่อเป็นแนวทางในการสร้างและพัฒนารูปแบบสายอากาศขึ้นมา โดยใช้ตัวน าแทรกเข้าไปในช่องเปิด ของสายอากาศทั้งสองข้าง มีการออกแบบโครงสร้างและการจ าลองการท างานสายอากาศ สองชนิด คือ ชนิดตัวน าเส้นตรงและชนิดตัวน ารูปตัวแอล J.-Y. Jan and T.-M. Kuo (2005) [11] งานวิจัยนี้เป็นการน าเสนอสายอากาศโมโนโพล แบนด์แบบแบนกว้างแบบ CPW-fed ที ่มีระนาบพื้นลาดเอียงแบบสมมาตร เมื ่อเลือกมุมลาดที่ เหมาะสมของระนาบพื้นลาดเอียงสมมาตรนี้สามารถหาการท างานแบบกว้างได้ จากผลการทดลอง โหมดการท างานมีแบนด์วิธอิมพีแดนซ์ประมาณ 1162 MHz (1700-2862 MHz) ที่ครอบคลุมย่าน ความถี ่ DCS <1710-1880 MHz), PCSband (1850-1990 MHz), ย ่านความถี ่ 3G (1920-2170 MHz) และบลูทูธ (2400-2483 MHz) L.Y. Cai, G. Zeng, H.c. Yang and Y.z. Cai (2011) [12] งานวิจัยนี้เป็นการน าเสนอ สายอากาศแบบใหม ่ที ่ติดตั้งบลูทูธ และสายอากาศแบบมัลติแบนด์ไวด์สเปซแบบ multi-band สายอากาศนี้มีคู่กับแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับ microstrip ในด้านใดด้านหนึ่งของพื้นผิวอิเล็กทริกและผ่าน ไปยังส่วนที่แผ่รังสีในระนาบพื้น การแทรก slot สามเหลี่ยมเข้าไปในระนาบพื้นผิวจะท าให้เกิดแบนด์ วิดท์อิมพีแดนซ์กว้างมากขึ้นจาก 2.7-15 GHz โดยการใส่ช่อง SRR ในส่วนคลื่นวิทยุท าให้เกิดวงแหวน สองวงที่ WLAN (4.76-6 GHz) และระบบสื่อสารดาวเทียม C-band (6.6-7.5 GHz) และเนื่องจาก coupling ระหว่าง SRR ทั้งสองเครื่อง
35 Shaimaa Naser and Nihad Dib (2015) [13] ในบทความนี้ได้มีการออกแบบและวิเคราะห์ สายอากาศโมโนโพลขนาดเล็กที ่มีโพรเซสซิงต ่า (UWB) แบบ microstrip-fed ที ่มีรูปแบบ dualinput multi-input multi-output (MIMO) แบบคู่และรูปแบบรอยบากสองสาย เสาอากาศติดตั้ง บนพื้นผิว FR-4 ต้นทุนต ่ามีขนาด 38x60x1.6 มม. 3 และมีค่า permittivity เท่ากับ 4.4 รูปทรงเดิม ของชิ้นส่วนสายอากาศวงกลมมีรัศมี 11.5 มม. จากนั้นจึงน าเซกเตอร์ออกจากแพทช์ (ท าให้เป็นเสา อากาศแบบ Pacman) เพื่อปรับปรุงแบนด์วิธอิมพีแดนท์ เสาอากาศที่น าเสนอมีแบนด์วิธอิมพีแดนซ์ ระหว่าง 2.9-15 GHz และมีค่าการสูญเสียที่ดีกว่า 10 dB และการแยกต ่ากว่า -17 dB นอกจากนี้เสา อากาศยังสามารถปฏิเสธการรบกวนจาก WiMAX (ความถี ่กลาง 3.5 GHz center) และ WLAN (ความถี่ศูนย์ 5.5 GHz) Pratibha Malav KirtiVyas and R.P. Yadav (2017) [14] ในบทความนี้ได้มีการน าเสนอ สายอากาศแบบ Coplanar waveguide ร ่วมกับลักษณะการควั ่น (nonching) เสาอากาศแพทช์ รูปทรงกลมขนาดเล็กที่ผ่าน CPW ได้รับการออกแบบโดยใช้พื้นผิว FR4-epoxy ที่มีค่าคงตัวไดอิเล็ก ตริก เท่ากับ 4.4 ด้วยการแกะสลักสล็อตรูปตัว C สองตัวที่ 3.9 / 5.5 GHz ส าหรับการสื่อสารผ ่าน ดาวเทียม C-band และ Wireless Local Area Network (WLAN) ตามล าดับ ในเสาอากาศของ เสาเข็มไมโครสตริปที่ออกแบบมาได้รับการออกแบบและจ าลองผล HFSS ในแบนด์วิธอิมพีแดนซ์ ( S11 < -10 dB) มากกว่า 120% ผลการจ าลองจะได้รับการยืนยันโดยใช้ผลการวัดที่ได้จากเสาอากาศ แบบประดิษฐ์ มีการลดรอยบากอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อลดอัตรการขยายลงเป็น -3 dB และ-3.4 dB ที่ความถี่ 3.9 GHz และ 5.5 GHz ตามล าดับ ผลลัพธ์จะถูกเปรียบเทียบกับสายอากาศแบบวงกลม ทั่วไป Yang Yang and Yuan’An Liu (2014) [15] ในบทความนี้ได้มีการน าเสนอสายอากาศแบบ waveguide coplanar (CPW) ที่ใช้สายอากาศที่สร้างขึ้นจากรูปคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีช่องเปิด กว้างและมีแถบรูปตัวซีรูปตัวซีที่มีกิ่งก้านสาขา สายอากาศได้รับการประดิษฐ์และวัดค่า ผลการวัดผล ได้รับสายอากาศที ่น าเสนอมีคลื ่นความถี ่เรโซแนนซ์สามช ่วงคือช ่วงแรกจาก 1.39 ถึง 1.48 GHz วินาทีจาก 1.75 ถึง 4.2 GHz และที่สามจาก 5.04 ถึง 6.0 กิกะเฮิรตซ์ซึ่งครอบคลุมคลื่นความถี่ L / Bandwidth / WLAN / GSM / LTE / DAB ทั้งหมด WiMAX bands เหมาะส าหรับอินเทอร์เน็ตใน อนาคตของ
36 S.Theepak and Sachendra Sinha (2013) [16] ในบทความนี้เราจะน าเสนอการออกแบบ microstrip line UWB monopole antenna และ antenna monopole แบบกินไฟนาโนแบบ CPW fed ประการแรกเราออกแบบเสาอากาศ monopole เพื่อครอบคลุมแถบ UWB ทั้งหมด 3.1- 10.6 GHz มีการตรวจสอบความแตกต่างของ tapers เพื่อให้ได้สมรรถภาพที่ตรงกัน ที่ 5.2 GHz และ 5.8 GHz โดยใช้เทคนิค Notch ประสิทธิภาพของเสาอากาศที ่น าเสนอได้รับการตรวจสอบทั้งใน โดเมนความถี่และเวลา พบว่าเสาอากาศมีการแผ่รังสีรอบทิศทางใน H - Plane ที่มีอัตราการขยาย 2 - 4 dB ให้เหมาะส าหรับการใช้งานในระบบสื่อสาร UWB
37 บทที่ 3 วิธีการดำเนินงาน เนื้อหาในบทนี้จะแสดงถึงกระบวนการ การออกแบบและโครงสร้างของสายอากาศไมโคร สตริปการวิเคราะห์ค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของสายอากาศด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio 2019 ซึ่งผลที่จะนำมาแสดงในบทนี้เป็นโครงสร้างของสายอากาศที่ใช้งานที่ย่านความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz โดยจะแสดงกราฟของค่าการสูญเสียย้อนกลับ (Return Loss : 11 S ) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่ง (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR) แบบรูปการแผ่กระจายคลื่น (Radiation Pattern) และ ค่าอัตราขยาย (Gain) ของสายอากาศพร้อมทั้งการวิเคราะห์และสรุปผลที่ได้จากกราฟ 3.1 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยการคำนวณ 3.2 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยใช้เทคนิคการสร้างสายอากาศ 3.3 การเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศ 3.4 สรุปผลการออกแบบสายอากาศ 3.1 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยการคำนวณ 3.1.1 การคำนวณหาค่าขนาดของสายอากาศ Patch, Strip Line และ Ground โดยการใช้ สูตร ในการออกแบบสายอากาศไมโครสตริปให้ทำงานในช่วงความถี่ที่ต้องการค่าที่จำเป็นต้อง ทราบสำหรับการออกแบบคือ ความถี่ที่ใช้งาน 700 MHz กับ 2.6 GHz ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก εr = 4.6 และค่าความสูงของซับสเตรท h = 1.6 mm ของวัสดุที่ใช้ในการออกแบบเพื่อนำค่าพารามิเตอร์ไป ออกแบบชิ้นส่วนต่างของแผ่นไมโครสตริปดังรูปที่ 3.1 รูปที่ 3.1 ส่วนต่างๆของไมโครสตริป