38 การคำนวณหาค่าขนาดของสายอากาศ Patch, Strip Line และ Ground 1.คำนวณหาขนาดของสายอากาศที่ความถี่กลาง 1.65 GHz ดังนั้น รูปที่ 3.2 ขนาดของสายอากาศที่ความถี่กลาง 1.65 GHz 18.1 cm 0.181 m 1.65 10 3 10 3 10 (1.65 10 ) 2 (3.3 10 ) 3 10 2 (700 10 ) (2.6 10 ) 3 10 0 0 9 8 0 9 0 8 9 0 8 6 9 0 8 0 0 = = = = = + = = v f 9.05 cm 2 18.1 2 = =
39 2. คำนวณหาขนาดของ Patch รูปที่ 3.3 ขนาดของ Patch 3. คำนวณหาขนาดของ Strip line การคำนวณหาค่าความกว้างและยาวของ Strip line โดยอ้างอิงจาก หนังสือ Microwave Engineering ของ David M. Pozar ในหน้าที่ 162-163 จะได้ รูปที่ 3.4 ขนาดของ Strip line 2.06 cm 0.49(9.05)/ 4.6 / 2 0.49 0 = = L = r 21 mm 2.9 mm = = S S L W 4.12 cm 2(2.06) 2 = = W = L
40 4. คำนวณหาขนาดของ Ground การคำนวณหาค่าความกว้างและยาวของ Ground ให้ใช้ค่าตามความกว้างของ ขนาดสายอากาศ และความสูงเท่ากับ Strip line ดังนั้น รูปที่ 3.5 ขนาดของ Ground เมื่อ 0 f คือ ความถี่เรโซแนนซืในหน่วย Hz h คือ ความสูงของซับสเตรท (Heigh Of Dielectric Substrate) หน่วย mm r คือ ค่าคงตัวไดอิเล็กตริก (Relative Permittivity) คือ ความเร็วแสงมีค่าเท่ากับ 8 310 m/s W คือ ความกว้างแพทซ์ (Width Of the Patch Element) หน่วย mm คือ ความยาวของแพทซ์(Actual Length) หน่วย mm f L คือ ความยาวของฟีดไลน์(Feed Line Length) หน่วย mm g L คือ ความยาวของระนาบกราวด์ (Ground plane Length) หน่วย mm Wf คือ ความกว้างของฟีดไลน์ (Feed Line Width) หน่วย mm Wg คือ ความกว้างของระนาบกราวด์ (Ground Plane Width) หน่วย mm คือ ความยาวคลื่นหน่วย m
41 การปรับค่า Strip line ด้วยการคำนวณจากโปรแกรม AppCAD เพื่อให้ได้ค่า 0 50 โอห์ม รูปที่ 3.6 การคำนวณค่า 0 โดยใช้โปรแกรม AppCAD ที่ความถี่ 700 MHz รูปที่ 3.7 การคำนวณค่า 0 โดยใช้โปรแกรม AppCAD ที่ความถี่ 2.6 GHz
42 จากขอบเขตการออกแบบสายอากาศนั้นสามารถกำหนดค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ได้ดังนี้ 1) ค่า r = 4.6 ใช้แผ่น PCB FR-4 2) ค่า h = 1.6 mm 3) ค่า 0 f = 700 MHz กับ 2.6 GHz เมื่อทำการคำนวณจะได้ค่าจากตัวแปรดังตารางที่ 3.1 ตารางที่ 3.1 ค่าของตัวแปรต่าง ๆ ที่ได้จากกการคำนวณจากสูตรตั้งแต่สมการที่ 3.1-3.11 ตัวแปร ค่าที่ได้จากการคำนวณ Wf (mm) 3 f L (mm) 23 W (mm) 50 A 72 B 180 r 4.6 L (mm) 23 Wg (mm) 72 g L (mm) 22 จากตารางที่ 3.1 พบว่า ที่ความถี่ 700 MHz นั้น เมื่อคำนวณโดยใช้สูตรจะได้ ความกว้าง ของแพทซ์เท่ากับ 50 mm ความยาวของแพทซ์เท่ากับ 23 mm ความกว้างของกราวด์เท่ากับ 72 mm ความยาวของกราวด์เท่ากับ 22 mm ความกว้างของฟีดไลน์เท่ากับ 3 mm ความยาวของฟีด ไลน์เท่ากับ 23 mm นำค่าที่ได้มานั้นมาจำลองออกแบบโดยใช้โปรแกรม CST Microwave Studio
43 3.1.2 การออกแบบและจำลองผลโดยโปรแกรม CST Microwave Studio นำค่าที่ได้จากการคำนวณมาสร้างแพทซ์สายอากาศไมโครสตริป โดยใช้โปรแกรม CST Microwave Studio ตามตารางที่ 3.1 เพื่อจำลองผล หาค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (S11) อัตราส่วน คลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) ซึ่งจากตารางที่ 3.1 เมื่อนำค่าพารามิเตอร์มาออกแบบจะได้สายอากาศดังรูป ที่ 3.8 3 mm 72 mm 180 mm 23 mm 23 mm 50 mm 180 mm 72 mm 22 mm รูปที่ 3.8 โครงสร้างไมโครสตริปออกแบบที่ออกแบบตามค่าที่ได้จากการคำนวณ จะได้ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศดังนี้ (1) ค่าสัมประสิทธิการสะท้อน S11 เมื่อนำความกว้าง ความยาว ที่ได้จากการคำนวณมาสร้างแผ่นไมโครสตริปในโปรแกรม CST จะดูค่า S11 ที่ สองความถี่ คือ 700 MHz ซึ่งเป็นความถี่สำหรับทดสอบต่อใช้งานจริง และที่ ความถี่ 2.6 GHz ในทางทฤษฎีนั้นค่าการสูญเสียย้อนกลับ ของสายอากาศที่สามารถนำไปใช้งานได้นั้น จะต้องมีค่าต่ำกว่า -10 dB ค่า S11 ที่ได้จากการออกเบบสายอากาศโดยใช้ค่าจากการคำนวณแสดงอยู่ ในรูปที่ 3.9
44 รูปที่ 3.9 กราฟของ S11 ของสายอากาศที่ได้จากการออกแบบโดยการคำนวณ จากรูปที่ 3.9 แสดงค่า S11 ของสายอากาศที่ออกแบบโดยการคำนวณโดยตรง เมื่อนำมา จำลองผลโดยโปรแกรม CST Microwave Studio ปรากฏว่าที่ความถี่ 0.7 GHz มีค่า S11 = -0.33 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า S11 = -6.33 dB จากผลการจำลองดังกล่าวจะเห็นว่าไม่สามารถนำ สายอากาศมาใช้งานได้จริงเนื่องจากค่า S11ตลอดทั้งช่วงยังไม่ต่ำกว่า -10 dB (2) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศในทางทฤษฎีนั้นค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR ) ของสายอากาศที่สามารถนำไปใช้งานจริงนั้นจะต้องมีค่า ไม่เกิน 2 เพราะว่าหากค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันเกิน 2 จะทำให้แรงดันของคลื่นสะท้อนนั้นจะ สะท้อนกลับเข้าไปในเครื่องส่ง ทำให้เครื่องส่งเกิดการเสียหาย กราฟที่ได้จากการออกแบบโดยใช้ค่า จากการคำนวณวิเคราะห์ด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio ได้แสดงอยู่ในรูปที่ 3.10 รูปที่ 3.10 ค่า VSWR ของสายอากาศที่ได้จากการออกแบบโดยการคำนวณ
45 จากรูปที่ 3.10 แสดงค่า VSWR ของสายอากาศที่ออกแบบโดยการคำนวณโดยตรง เมื่อ นำมาจำลองผลโดยโปรแกรม CST Microwave Studio ปรากฎว่าที่ความถี่ 0.7 GHz มีค่า VSWR = 52.136 ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า VSWR = 2.864 จากผลการจำลองดังกล่าวจะเห็นว่าไม่สามารถ นำสายอากาศมาใช้งานได้จริงเนื่องจากค่า VSWR ตลอดทั้งช่วงยังมีค่ามากกว่า 2 อยู่ 3.2 โครงสร้างและการออกแบบสายอากาศโดยใช้เทคนิคการสร้างสายอากาศไมโครสตริป จากการที่ศึกษามานั้น ในการออกแบบสายอากาศนั้นได้เลือกใช้วิธีการออกแบบหน้าแพทซ์ เพราะง่ายแก่การออกแบบและเป็นที่นิยมกันโดยทั่วไป เนื่องจากสายอากาศนั้นมีวิธีการออกแบบหน้า แพทซ์ของสายอากาศมีหลายวิธีเช่น Notch Slot Beveling และ C หรือ U หรือ L Shape เทคนิคที่ กล่าวถึงนี้ล้วนแต่เป็นเทคนิคที่ใช้ในการออกแบบสายอากาศสำหรับใช้งานสองความถี่ ในโครงงานนี้ได้ ใช้เทคนิคการออกแบบสายอากาศแบบผสมกัน คือ เพิ่มวงกลม Circular Beveling L-Shape notch ร่วมกับเทคนิค C-Shape notch และการเจาะ Slot ซึ่งอ้างอิงและศึกษาจากบทความ A DualBand Anten for LTE-R and 5G Lower Frequency Operations ของ Ashwini Kumar Arya, Seong Jin Kim, and Sanghoek Kim 1) การปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 1 ใช้เทคนิคการเพิ่มวงกลม Circular กับเทคนิคการทำ Beveling ในโปรแกรม CST Microwave Studio จะใช้คำสั่ง Blend Chamfer เพื่อลบมุม และ คำสั่ง Cylinder เพิ่มวงกลมทั้งสองข้างบริเวณหน้า Patch ของสายอากาศดังแสดงในรูปที่ 3.11
46 3 mm 72 mm 180 mm 23 mm R 9 9.5 mm 31.04 mm 180 mm 72 mm 22 mm รูปที่ 3.11 แสดงรูปแบบของสายอากาศที่ใช้เทคนิคปรับเปลี่ยนครั้งที่ 1 จะได้ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศดังนี้ ก) ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (S11) ค่าสัมประสิทธิ์ของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio โดยการ ปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 1 ดังแสดงในรูปที่ 3.12 45º
47 รูปที่3.12 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 1 จากรูปที่ 3.12 ได้แสดงค่า S11ออกแบบสายอากาศในรูปที่ 3.11 ได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz ได้ค่า S11= -0.396 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz ได้ค่า S11= -12.717 dB ดังนั้นสายอากาศที่ออกแบบนั้น ใช้งานได้ที่ความถี่ 2.6 GHz สามารถใช้งานได้จริง แต่ความถี่ที่ 0.7 GHz ยังมีค่า S11ที่มากกว่า -10 dB ตามที่ได้กำหนดเอาไว้ในขอบเขตการศึกษาและพบว่าค่า S11 มีค่าที่น่าพอใจขึ้น เพื่อให้สายอากาศ ที่ออกแบบนั้นมีค่า S11 ที่ต่ำลงและสามารถใช้งานในความถี่กว้างได้มากขึ้นนั้นได้นำจึงจำเป็นต้องเพิ่ม เทคนิคอื่นเข้ามาช่วยในการออกแบบ ข) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio จากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 1 แสดงในรูปที่ 3.13 รูปที่3.13 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 1
48 จากรูปที่ 3.13 นั้นจะเห็นได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz มีค่าคือ 43.816 ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า คือ 1.592 ดังนั้นสายอากาศที่ได้ออกแบบจากการออกแบบครั้งที่ 1 ที่ความถี่ 2.6 GHz นั้นมีค่า อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไม่เกิน 2 แสดงให้เห็นว่าจากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 1 ความถี่นั้นสามารถใช้ งานได้แต่ในความถี่ 0.7 GHz ยังไม่สามารถใช้งานได้จึงทำการเพิ่มเทคนิคอื่นเข้ามาช่วยในการ ออกแบบ 2) การปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 2 เพิ่ม Patch ขึ้นไป และทำ Slot ตรงกลาง ทำการเจาะ Slot ตัว I ตรงกลาง และ การบาก บริเวณ Ground ของสายอากาศดัง แสดงในรูปที่ 3.14 3 mm 72 mm 180 mm 23 mm R 9 9.5 mm 83 mm 68 mm 3 mm 8 mm 32.5 mm 17 mm 106 mm 180 mm 72 mm 22 mm รูปที่ 3.14 รายละเอียดของแพทซ์ไมโครสตริปออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2 45º 72 mm
49 จะได้ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศดังนี้ ก) ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (S11) ค่าสัมประสิทธิ์ของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio โดยการ ปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 2 ดังแสดงในรูปที่ 3.15 รูปที่3.15 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2 จากรูปที่ 3.15 ได้แสดงค่า S11 ออกแบบสายอากาศในรูปที่ 3.8 ได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz ได้ ค่า S11 = -4.801 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz ได้ค่า S11 = -12.176 ดังนั้นสายอากาศที่ออกแบบนั้นใช้ งานได้ที่ความถี่ 2.6 GHz สามารถใช้งานได้จริง แต่ความถี่ที่ 0.7 GHz ยังมีค่า S11ที่มากกว่า -10 dB ตามที่ได้กำหนดเอาไว้ในขอบเขตการศึกษาและพบว่าค่า S11 มีค่าที่น่าพอใจขึ้น เพื่อให้สายอากาศที่ ออกแบบนั้นมีค่า S11 ที่ต่ำลงและสามารถใช้งานในความถี่กว้างได้มากขึ้นนั้นได้นำจึงจำเป็นต้องเพิ่ม เทคนิคอื่นเข้ามาช่วยในการออกแบบ ข) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio จากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 2 แสดงในรูปที่ 3.16 รูปที่ 3.16 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 2
50 จากรูปที่ 3.16 นั้นจะเห็นได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz มีค่าคือ 3.666 ที่ความถี่ 2.6 GHz มีค่า คือ 1.641 ดังนั้นสายอากาศที่ได้ออกแบบจากการออกแบบครั้งที่ 2 ที่ความถี่ 2.6 GHz นั้นมีค่า อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไม่เกิน 2 แสดงให้เห็นว่าจากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 1 ความถี่นั้นสามารถใช้ งานได้ แต่ในความถี่ 0.7 GHz ค่า VSWR ดีขึ้นจากการปรับเปลี่ยนแต่ยังไม่ถูกต้องตามขอบจึงทำการ เพิ่มเทคนิคอื่นเข้ามาช่วยในการออกแบบ 3) การปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 3 ต่อ Patch พร้อม ใช้เทคนิค L-Shape notch ร่วมกับเทคนิค C-Shape notch ทำการเจาะตัว L คู่ และเจาะตัว C คู่ ในตัวสายอากาศดังแสดงในรูปที่ 3.11 3 mm 72 mm 180 mm 23 mm R 9 9.5 mm 83 mm 68 mm 68 mm 32.5 mm 17 mm 5 mm 25 mm 33 mm 13 mm 24 mm 20 mm 9 mm 106 mm 3 mm 180 mm 72 22 mm 3 mm 33.5 mm รูปที่ 3.17 รายละเอียดของแพทซ์ไมโครสตริปออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3 จะได้ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศดังนี้ ก) ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (S11) 45º
51 ค่าสัมประสิทธิ์ของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio โดยการ ปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 3 ดังแสดงในรูปที่ 3.18 รูปที่3.18 ค่า S11ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3 จากรูปที่ 3.12 ได้แสดงค่า S11ออกแบบสายอากาศในรูปที่ 3.11 ได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz ได้ค่า S11= -23.566 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz ได้ค่า S11 = -14.843 dB ดังนั้นสายอากาศที่ออกแบบ นั้นใช้งานได้ที่ความถี่ 0.7 GHz กับ ความถี่ที่ 2.6 GHz สามารถใช้งานได้จริงตามที่ได้กำหนดเอาไว้ใน ขอบเขตการศึกษาและพบว่าค่า S11 มีค่าที่น่าพอใจขึ้น ข) ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio จากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 3 แสดงในรูปที่ 3.19 รูปที่3.19 ค่า VSWR ที่ได้จากการออกแบบโดยปรับใช้เทคนิค ครั้งที่ 3
52 จากรูปที่ 3.19 นั้นจะเห็นได้ว่าที่ความถี่ 0.7 GHz มีค่า 1.142 ที่ความถี่ 2.6 Ghz มีค่าคือ 1.448 ดังนั้นสายอากาศที่ได้ออกแบบจากการออกแบบครั้งที่ 3 นั้นมีค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไม่ เกิน 2 ตลอดทั้งย่าน แสดงให้เห็นว่าจากการปรับเปลี่ยนค่าครั้งที่ 3 สายอากาศสามารถใช้งานได้ ตลอดทั้งย่าน ค) การแผ่รูปพลังงาน (Pattern Radiation) รูปแบบการแผ่รูปพลังงานตามที่กำหนดใว้ในขอบเขต คือ สายอากาศที่ออกแบบจะมี ลักษณะการแผ่กระจายคลื่นแบบรอบทิศทางในระนาบเดียว (Omni Directional) โดยจะดูรูปแบบ การแผ่กระจายใน 2 ระนาบ คือ ระนาบการแผ่กระจายของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (E-Field) และ ระนาบของสนามไฟฟ้า (H-Field) ซึ่งจะทำการตัดรูปการแผ่พลังงานในรูป 3 มิติ โดยใช้การตัดแกน Phi ที่ 90 องศา แล้วทำการสังเกตของรูปแบบการแผ่พลังงานที่ความถี่ 700 MHz และ 2.6 GHz ตามลำดับ ดังแสดงในรูป รูปที่ 3.20 D Radiation Pattern ที่ความถี่ 700 MHz รูปที่ 3.21 สนามไฟฟ้า ที่ความถี่ 700 MHz เมื่อ ϕ = 90°
53 รูปที่3.22 D Radiation Pattern ที่ความถี่ 2.6 GHz รูปที่3.23 สนามไฟฟ้า ที่ความถี่ 2.6 GHz เมื่อ ϕ = 90° 3.3 การเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศ เมื่อทำการออกแบบและปรับเปลี่ยนขนาดของสายอากาศตามแต่ละขั้นตอนก็พบว่า ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศนั้นมีค่าที่เปลี่ยนแปลงไปในทางที่ดีขึ้น จนได้สายอากาศที่มีพารามิเตอร์ ตามที่ต้องการ ทำการเปรียบเทียบค่า S11, VSWR และ Gain ในการออกแบบสายอากาศด้วยการ คำนวณและใช้โปรแกรม CST ทั้ง 3 ครั้ง โดยออกแบบที่ 2 ความถี่ คือ 700 MHz และ 2.6 GHz ได้ผลดังนี้
54 3.3.1 ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศ หรือค่า S11 นั้นเมื่อทำการออกแบบตามแต่ ละขั้นตอนพบว่า ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศนั้นมีการเปลี่ยนแปลงไปดังแสดงในรูปที่ 3.24 และ ตารางที่ 3.2 รูปที่ 3.24 กราฟแสดงค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศ (11) ตารางที่ 3.2 การเปรียบเทียบผลค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนระหว่างการคำนวณและการปรับใช้ เทคนิค การออกแบบสายอากาศ ค่า S11 (dB) 0.7 GHz 2.6 GHz จากการคำนวณ -0.333 -6.333 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 1 -0.396 -12.717 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 2 -4.801 -12.176 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 3 -23.566 -14.843 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ฆ11 Frequency (GHz) ค่าจากการค านวณ -------- ค่าจากการปรับคร้ังที่3
55 3.3.2 ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศ หรือ VSWR เมื่อทำการออกแบบตามแต่ ละขั้นตอนพบว่า ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันของสายอากาศนั้นมีการเปลี่ยนแปลงไปดังแสดงในรูปที่ 3.25 และ ตารางที่ 3.3 รูปที่ 3.25 กราฟแสดงค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนของสายอากาศ (VSWR) ตารางที่ 3.3 การเปรียบเทียบผลค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันระหว่างการคำนวณและการปรับใช้ เทคนิค การออกแบบสายอากาศ ค่า VSWR 0.7 GHz 2.6 GHz จากการคำนวณ 52.136 2.864 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 1 43.816 1.592 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 2 3.666 1.641 จากการใช้โปรแกรม CST ครั้งที่ 3 1.142 1.448 ค่าจากการค านวณ -------- ค่าจากการปรับคร้ังที่3
56 3.4 สรุปผลการออกแบบสายอากาศ การออกแบบสายอากาศไมไครสตริปที่ครอบคลุมความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz ที่รองรับ การใช้งานเทคโนโลยี 5G ที่ได้ออกแบบและวิเคราะห์แสดงผลที่ได้จากการทดลองและที่มาของตัวแปร ต่าง ๆ จนกระทั่งการเพิ่มหรือลดขนาดของระนาบกราวด์ เพื่อได้ความถี่รีโซแนนซ์, แบนด์วิธ และค่า การสูญเสียแบบย้อนกลับที่ต้องการ โดยรูปแบบของสายอากาศที่ได้คือสายอากาศไมโครสตริปแบบ เพิ่มวงกลม ลบมุม เจาะสล็อตตัว L คู่ และตัว C คู่ การบากกราด์ซึ่งผลการจำลองแบบแสดงให้เห็น ว่าสายอากาศต้นแบบที่สร้างโดยใช้แผ่นวงจรพิมพ์ที่มีวัสดุรองฐาน แบบ FR-4 ที่มีค่าคงตัวไดอิเล็กตริก ( r ) เท่ากับ 4.6 และสายอากาศมีขนาด 72×180×1.6 3 ความถี่ที่ใช้งาน 700 MHz กับ 2.6 GHz มีค่า S11 ที่ต่ำกว่า -10 dB ตลอดทั้งแบนด์วิธ โดยความถี่ 700 MHz มีค่า S11 = -23.566 dB และความถี่ 2.6 GHz มีค่า S11 = -14.843 dB ค่า VSWR อยู่ในช่วงไม่เกิน 2 ทั้งแบนด์วิธ โดยความถี่ 700 MHz มีค่า VSWR = 1.142 และความถี่ 2.6 GHz มีค่า VSWR 1.448 ค่า Gain อยู่ในช่วงที่มากกว่า 2 dB ที่ความถี่ 700 MHz = 2.473 dB ที่ความถี่ 2.6 GHz = 3.613 dB
57 บทที่ 4 การทดลองและผลการทดลอง จากการที่ได้ทดลองวิเคราะห์ออกแบบและสร้างสายอากาศไมโครสตริป โดยใช้โปรแกรม CST Microwave Studio ดังรายละเอียดในบทที่ผ่านมาเพื่อให้สามารถวิเคราะห์การทำงานว่าเป็นไป ตามที่ได้ออกแบบไว้ด้วยโปรแกรมดังกล่าวได้หรือไม่จึงได้ทดสอบโดยใช้เครื่อง N9912A FieldFox Handheld RF Analyzer แล้วนำมาวิเคราะห์หาข้อบกพร่อง เพื่อให้ได้สายอากาศไมโครสตริปที่ สามารถใช้งานที่ความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดโดยมีรายละเอียดดังนี้ 4.1 เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 4.2 การวิเคราะห์และเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศ 4.1 เครื่องมือและอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง 4.1.1 สายอากาศที่ได้ทำการออกแบบ 1 ต้น 4.1.2 เครื่อง N9912A FieldFox Handheld RF Analyzer 1 เครื่อง 4.1.3 หัวต่อ SMA-Male อิมพีแดนซ์50 โอห์ม 2 หัว 4.1.4 หัวต่อ N-type to SMA-Female 1 หัว 4.1.5 สาย Coaxial Cable 1 เส้น 4.2 ค่าพารามิเตอร์ที่ได้ทำการทดสอบ นำสายอากาศที่ได้จากการออกแบบในบทที่ 3 มาวาดลงแผ่น PCB Fr-4 แล้วใช้น้ำยากัด แผ่น PCB กัดทองแดงออกเพื่อให้ได้แพทซ์ตามที่ออกแบบไว้ หลังจากนั้นนำมาบัดกรีเพื่อเชื่อมต่อหัว SMA เข้าไป ดังแสดงในรูปที่ 4.1
58 (ก) (ข) รูปที่ 4.1 สายอากาศที่ได้ทำการกัดทองแดงออกตามแบบที่ระบุไว้ในบทที่ 3 (ก) ด้านหน้าแพทซ์ของสายอากาศ (ข) ด้านหลังกราวด์ของสายอากาศ 4.2.1 ค่าการสูญเสียย้อนกลับ (Return loss : S11) ค่า S11 ที่ได้จากการวัดโดยเครื่อง Network analyzer จะเห็นว่าในช่วงของความถี่ที่กำหนด คือ 700 MHz กับ 2.6 GHz มีค่า S11 ที่ได้ ต่ำกว่า -10 ทุกความถี่ ตามขอบเขตที่ได้กำหนดไว้ และ สามารถเปรียบเทียบค่า S11 ที่ได้จากการ Simulate กับค่าที่ได้จากการวัดจริง จากรูปที่ 4.2 และ ตารางที่ 4.1
59 รูปที่ 4.2 ค่า S11 ของสายอากาศที่ทดสอบกับเครื่อง Network analyzer รูปที่ 4.3 กราฟเปรียบเทียบค่า S11 ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer -25 -20 -15 -10 -5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 _ (dB) ค่าจากการค านวณ -------- ค่าจากการปรับค่า
60 ตารางที่ 4.1 เปรียบเทียบค่า S11 ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer เมื่อนำค่า S11 จากโปรแกรม CST Microwave Studio กับค่า S11 ที่ได้จาก เครื่อง Network Analyzer แล้วนำค่าทั้งสองมาเปรียบเทียบกัน ปรากฏว่าค่าทั้งสองมีความคลาดเคลื่อนอยู่พอสมควร เนื่องมาจากสาเหตุหลายประการ เช่น ขั้นตอนในการทำสายอากาศ การบัดกรีชิ้นงาน รวมไปถึง สถานที่ทดสอบว่ามีสัญญาณอื่นรบกวนหรือไม่ แต่ถือว่าสายอากาศที่ได้จัดทำนั้นยังสามารถใช้งานได้ อยู่เพราะ ค่า S11 ที่ได้กำหนดตามขอบเขตนั้นต้องมีค่าน้อย กว่า -10 dB 4.2.2 ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR ) รูปที่ 4.4 กราฟค่า VSWR ที่ได้จากค่า เครื่อง Network Analyzer ความถี่ (GHz) ค่า S11(dB) CST Network Analyzer 0.7 -23.566 -19.50 2.6 -14.843 -21.80 VSWR
61 จากรูปที่ 4.4 คือค่ากราฟ VSWR ของสายอากาศที่ได้จัดทำขึ้นมา จะสามารถใช้งานได้ จริง ได้นั้นจะต้องมีค่าไม่เกิน 2 เพราะว่าจะทำให้แรงดันของคลื่นสะท้อนนั้นจะมีค่าน้อยมากที่จะ สะท้อน กลับเข้าไปในเครื่องส่ง ทำให้เครื่องส่งนั้นไม่เกิดการเสียหาย และจากกราฟที่ได้แสดงใน รูปที่ 4.3 แสดงให้เห็นว่าสายอากาศที่ออกแบบสามารถสามารถใช้งานได้จริง สามารถดูการเปรียบเทียบค่า VSWR ระหว่างค่าที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio กับค่าที่ได้จาก Network Analyzer ได้ตาม ตารางที่ 4.2 รูปที่ 4.5 กราฟเปรียบเทียบค่า VSWR ระหว่างโปรแกรม กับ เครื่อง Network analyzer ตารางที่ 4.2 เปรียบเทียบค่า VSWR จากตารางที่ 4.2 การเปรียบเทียบค่า VSWR ระหว่าง ค่า VSWR ที่ได้จากโปรแกรม CST Microwave Studio กับ ค่า VSWR ที่ได้จาก เครื่อง Network Analyzer ปรากฏว่าค่าทั้งสอง นั้นมีค่าที่ไม่เกิน 2 ถือว่าสายอากาศที่จัดทำนั้นสามารถใช้งานได้จริงโดย ค่าที่มีความคลาดเคลื่อนของ ค่า VSWR เล็กน้อย เนื่องจากมาจากสาเหตุหลายประการ ไม่ว่าจะเป็นการรบกวนของความถี่อื่นที่ทำ ความถี่ (GHz) VSWR CST Network Analyzer 0.7 1.142 1.259 2.6 1.448 1.177 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 VSWR
62 ให้เครื่อง Network นั้นได้ค่าผิดเพี้ยนไป หรือความผิดพลาดจากขั้นตอนการจัดทำสายอากาศเอง แต่ ทั้งนี้ทั้งนั้นสายอากาศที่จัดทำขึ้นนั้นสามารถใช้งานได้เพราะที่ความถี่ที่ระบุในขอบเขตนั้นค่า VSWR นั้นมีค่าไม่เกิน 2 4.2.3 อัตราการขยายของสายอากาศ (Gain) อัตราขยายของสายอากาศตามที่กำหนดไว้ในขอบเขต คือ ต้องไม่น้อยกว่า 2 dB จากสายอากาศที่ออกแบบได้มีอัตราขยาย ดังแสดงในรูปที่ 4.6 รูปที่ 4.6 กราฟแสดงค่า Gain ที่ความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz
63 บทที่ 5 สรุปผลโครงงานและข้อเสนอแนะ 5.1 สรุปผลโครงงาน โครงงานฉบับนี้เป็นการออกแบบและนำเสนอสายอากาศไมโครสตริปสำหรับเทคโนโลยี 5G สามารถใช้งานที่ความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz ค่าพารามิเตอร์พื้นฐานที่สำคัญของสายอากาศที่ได้ ออกแบบได้แก่ สัมประสิทธิ์การสะท้อน (Return loss : 11 S ) อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (Voltage standing wave ratio : VSWR ) อัตราการขยายของสายอากาศ (Gain) และแบบรูปการแผ่กระจาย คลื่น (Radiation pattern) ในโครงการฉบับนี้ได้นำโปรแกรม CST Microwave Studio เข้ามาออกแบบและวิเคราะห์ ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศก่อนที่จะนำผลได้จากโปรแกรมดังกล่าวไปสร้างสายอากาศที่สามารถใช้ งานในย่านความถี่ 700 MHz กับ 2.6 GHz ได้ โดยตัวของโปรแกรมสามารถวิเคราะห์ค่าพารามิเตอร์ พื้นฐานต่าง ๆ อันได้แก่ สัมประสิทธิ์การสะท้อน (Return loss : 11 S ) อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (Voltage standing wave ratio : VSWR ) อัตราการขยายของสายอากาศ (Gain) และแบบรูปการ แผ่กระจายคลื่น (Radiation Pattern) จากบทข้างต้นได้ทำการออกแบบและสร้างสายอากาศโดยใช้โปรแกรม CST Microwave Studio หลังจากนั้นทำการสร้างสายอากาศตามแบบที่ได้ออกแบบไว้แล้วนั้น ซึ่งการทดลองวัด ค่าพารามิเตอร์ของสายอากาศด้วยเครื่อง Network Analyzer และนำผลมาเปรียบเทียบกับผลที่ได้ จากการวิเคราะห์ด้วยโปรแกรม CST Microwave Studio จะพบว่าผลการทดลองยังมีความ คลาดเคลื่อนกันอยู่มาก แต่ค่อนข้างตรงไปตามทฤษฎีที่ใช้ในการวิเคราะห์สายอากาศ อันเนื่องมาจาก ข้อจำกัดทางด้านการคำนวณของโปรแกรมและความไม่พร้อมของเครื่องมือที่ใช้ในการสร้างและการ ทดสอบ ดังนั้นจึงเกิดความไม่สะดวกอย่างมากในการทดสอบ รวมไปถึงความไม่พร้อมของสถานที่ ทดสอบอีกด้วย 5.2 ปัญหาและอุปสรรค 5.2.1 การออกแบบสายอากาศในโปรแกรม ต้องใช้การคานวณขนาดและใช้เทคนิค จึงต้องใช้ เวลาในการออกแบบนาน 5.2.2 การสร้างชิ้นงานสายอากาศ ต้องใช้ความแม่นยาในการสร้าง อุปกรณ์ที่ใช้จึงอาจจะ คุณสมบัติไม่เพียงพอ
64 5.3 ข้อเสนอแนะ 5.3.1 การออกแบบสายอากาศที่ดีนั้น ควรที่จะค้นคว้าหาข้อมูลอย่างละเอียดและแม่นยำ 5.3.2 การสร้างชิ้นงานสายอากาศ ควรศึกษาการสร้าง วัสดุอุปกรณ์ให้มีความเข้าใจก่อนจะ ลงมือทำ 5.3.3 สามารถนำสายอากาศที่สร้างไปใช้กับอุปกรณ์ที่ใช้งานด้วย 5G และสามารถพัฒนา สายอากาศ ให้ใช้งานได้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
66 บรรณานุกรม [1] รังสรรค์ วงศ์สรรค์. (2556). วิศวกรรมสายอากาศ. พิมพ์ครั้งที่ 4. สาขาวิชาวิศวกรรม โทรคมนาคม สำนักวิศวกรรมศาสตร์นครราชสีมา : มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี. [2] สถาพร พรหมวงศ์. “Ultra Wideband Technology.” [ระบบออนไลน์]. แหล่งที่มา http://www.ecti-thailand.org/emagazine/views/92 (14 กันยายน 2564). [3] Johnson, J.M. ; Dept. of Electr. Eng., California Univ., Los Angeles, CA, USA ; Rahmat Samii,Y. [4] Awadalla H., Shoukry S. and Allam A. A Compact, “Symmetric U-Shape Monopole for Uitra Wide Band Operation,” National Radio Science Conference (NRSC 2011), April, 2011 [5] Shrivastav A., “Dual Wideband Monopole Antenna with Periodic EBG Structure for WLAN/WiMAX Application,” International Conference Emerging Trends in Electronic and Photonic Devices andSystem (ELECTRO-2009), pp. 367-369, 2009 [6] W. Choi, K. Chung, J. Jung and J. Choi, “Compact ultra-wideband printed antenna with band- rejectioncharacteristic,” Electronics Letters, No. 18, Vol. 41, 1 st ,September 2005 [7] เมธี สุคนธรัตน์ สมศักดิ์ อรรคทิมากูล และพินิจ เนื่องภิรมย์. การพัฒนาชุดสื่อการสอน ปฏิบัติการเรื่อง วิศวกรรมสายส่งความถี่สูง, การวิจัยเพื่อพัฒนาสังคมไทย การประชุม หาดใหญ่วิชาการ ครั้งที่ 4; 10 พฤษภาคม 2556; ณ มหาวิทยาลัยหาดใหญ่ อำเภอหาดใหญ่ จังหวัดสงขลา. หน้า 96. [8] C. A. Balanis, “Antenna Theory Analysis and Design,” John Wiley & Sons, INC.3rdEdition, New York, 2005. [9] A.Sonsilphong, การใช้งานโปรแกรมCST MWS, [http://eestaff.kku.ac.th/~nantakan/Microwave/],MetaSolver Laboratory, Department of Electrical Engineering, KKU [10] Asst.Prof.Kosol Nithisopa, “Simple-Shape of Wideband Slot Antenna fed by CPW,” Rajamangala University of Technology Thunyaburi, April 2003. [11] J.-Y. Jan and T.-M. Kuo, “CPW-fed wideband planar monopole antenna for operations in DCS, PCS, 3G, and Bluetooth bands,” ELECTRONICS LETTERS 1st September 2005 Vol. 41 No. 18.
67 [12] L.Y. Cai, G. Zeng, H.C. Yang and Y.Z. Cai, “Integrated Bluetooth and multi-band ultra-wideband antenna,” IEEE Conference Publications June 2011. [13] Shaimaa Naser and Nihad Dib, “A Compact Printed UWB Pacman-Shaped MIMO Antenna with Two Frequency Rejection Bands,” IEEE Conference Publications December 2015. [14] Pratibha Malav Kirti Vyas and R.P. Yadav, “Planar CPW Fed UWB Antenna with Dual-Band Rejection Characteristics,” IEEE Conference Publications June 2017. [15] Yang Yang and Yuan’An Liu, “A CPW-Fed Triple-Band Planar Monopole Antenna for Internet of Things Applications,” IEEE Conference Publications December 2014. [16] S.Theepak and Sachendra Sinha, “UWB Antenna Designs with Double BandNotches for WLAN Frequencies Including Time Domain Analysis,” IEEE Conference Publications January 2013.
68 ภาคผนวก Data Sheet
69 Data Sheet 1. หัว SMA ที่ใช้ในโครงงาน
70 2. หัว Connecter ที่ใช้ในโครงงาน
71 3. หัวต่อ N Type ที่ใช้ในโครงงาน
72 4. เครื่อง Network Analyzer ที่ใช้ในการวัดค่า
73
74
75
76
77
78
79
80 ประวัติผู้จัดทำปริญญานิพนธ์
81 ประวัติผู้จัดทำ ชื่อ นางสาว วรรณิศา เพ็ชรนรินทร์ สาขาวิชา วิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า วัน-เดือน-ปีเกิด วันที่ 30 กรกฎาคม 2542 สถานที่เกิด จังหวัดสงขลา ที่อยู่ 37/3 หมู่ 4 ตำบล ชุมพล อำเภอ สทิงพระ จังหวัด สงขลา 90190 ประวัติการศึกษา มัธยมศึกษาปีที่ 6 โรงเรียนวรนารีเฉลิม 2560 ปริญญาตรี (วศ.บ. วิศวกรรมโทรคมนาคม) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราช มงคลศรีวิชัย 2564
82 ประวัติผู้จัดทำ ชื่อ นางสาว อารียา เพิงใหญ่ สาขาวิชา วิศวกรรมโทรคมนาคม สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า วัน-เดือน-ปีเกิด วันที่ 1 กันยายน 2540 สถานที่เกิด จังหวัดนครศรีธรรมราช ที่อยู่ 116/2 หมู่ 18 ตำบลคลองน้อย อำเภอปากพนัง จังหวัดนครศรีธรรมราช 80330 ประวัติการศึกษา ประกาศนียบัตรวิชาชีพชั้นสูง (ปวส.) วิทยาลัยเทคโนโลยีและอุตสาหกรรม การต่อเรือนครศรีธรรมราช 2560 ปริญญาตรี (วศ.บ. วิศวกรรมโทรคมนาคม) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราช มงคลศรีวิชัย 2564