วิธีการออกแบบเสาอากาศเวฟไกด์สำหรับสัญญาณความถี่สูง

การออกแบบเสาอากาศท่อนำคลื่นความถี่สูงจำเป็นต้องมีการคำนวณขนาดภายในอย่างแม่นยำเพื่อรองรับโหมดการแพร่กระจายที่ต้องการ โดยทั่วไปจะใช้ความกว้างอย่างน้อย 0.7λ สำหรับโหมดหลัก (dominant mode) การเลือกใช้วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำอย่างระมัดระวัง เช่น ทองแดง และการจำลองอย่างเข้มงวดสำหรับการจับคู่ความต้านทาน (impedance matching) เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการลดการลดทอนของสัญญาณและเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานให้สูงสุด

ทำความเข้าใจพื้นฐานของท่อนำคลื่น

ท่อนำคลื่น (Waveguides) โดยพื้นฐานแล้วคือท่อโลหะกลวงหรือโครงสร้างไดอิเล็กตริกที่ใช้ในการนำคลื่นวิทยุความถี่สูง (เช่น ไมโครเวฟ) จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งโดยมีการสูญเสียต่ำมาก โดยทั่วไปน้อยกว่า 0.1 dB ต่อเมตร ในระบบที่ออกแบบมาอย่างดีที่ความถี่ประมาณ 10 GHz ซึ่งแตกต่างจากสายโคแอกเชียล (coaxial cables) ซึ่งมีการลดทอนเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่สูงขึ้น ท่อนำคลื่นจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อความถี่สูงกว่า ความถี่คัตออฟ (cutoff frequency) ซึ่งโดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ 2–3 GHz และสูงกว่า ตัวอย่างเช่น ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมาตรฐาน WR-90 (ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ X-band) มีหน้าตัดภายในขนาด 22.86 มม. × 10.16 มม. และทำงานได้ดีที่สุดระหว่าง 8.2 ถึง 12.4 GHz

หลักการสำคัญคือท่อนำคลื่นต้องมีขนาดทางกายภาพที่เทียบเคียงได้กับความยาวคลื่นของสัญญาณ สำหรับท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม ความยาวคลื่นคัตออฟ (cutoff wavelength) สำหรับโหมดหลัก (TE₁₀) จะมีค่าประมาณ สองเท่าของความกว้างของท่อนำคลื่น ดังนั้นหากคุณทำงานที่ความถี่ 15 GHz (ความยาวคลื่น ~20 มม.) ความกว้างของท่อนำคลื่นของคุณควรมีอย่างน้อย 10 มม. หากเล็กกว่านี้ คลื่นจะไม่สามารถแพร่กระจายได้—มันจะถูกลดทอนลงอย่างรวดเร็ว

โหมดที่พบบ่อยที่สุดคือ TE₁₀ (Transverse Electric) ซึ่งสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายและมีการแปรผันครึ่งคลื่นหนึ่งครั้งตามความกว้าง โหมดนี้เป็นที่นิยมเนื่องจากมีความถี่คัตออฟต่ำที่สุดและง่ายต่อการกระตุ้น

ทำไมจึงใช้ท่อนำคลื่นแทนสายโคแอกซ์หรือไมโครสตริป (microstrip)?

• การรองรับกำลังไฟฟ้า: ท่อนำคลื่น WR-90 ที่ทำจากทองแดงสามารถรองรับกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยได้หลายกิโลวัตต์ในการทำงานต่อเนื่อง ในขณะที่สายโคแอกซ์ที่ความถี่เดียวกันอาจจำกัดอยู่เพียงไม่กี่ร้อยวัตต์
• ประสิทธิภาพด้านการสูญเสีย: ที่ความถี่ 24 GHz ท่อนำคลื่นอาจมีการสูญเสีย 0.15 dB/m ในขณะที่สายโคแอกเชียลที่เทียบเคียงกันได้อาจสูญเสีย >1 dB/m
• การป้องกันสัญญาณรบกวน: ท่อนำคลื่นให้การป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI shielding) ตามธรรมชาติ โดยทั่วไปมีการแยกสัญญาณรบกวนที่ 60–100 dB ซึ่งช่วยลดการรบกวน

แต่ก็มีข้อแลกเปลี่ยน:

• มีขนาดใหญ่และแข็ง—ท่อนำคลื่น WR-90 มีความกว้าง 22.86 มม. ซึ่งถือว่าใหญ่เมื่อเทียบกับสายโคแอกเชียลสำหรับความถี่เดียวกัน
• มีราคาแพงกว่าในการผลิตและติดตั้ง ท่อนำคลื่น WR-90 อะลูมิเนียมที่มีความแม่นยำสูงอาจมีราคา $200–$300 ดอลลาร์ต่อเมตร ในขณะที่สายโคแอกเชียลอาจมีราคา $50 ต่อเมตร
• ส่วนโค้งและส่วนบิดต้องได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง โดยมีรัศมีความโค้งอย่างน้อย 2 เท่าของความกว้างท่อนำคลื่น เพื่อหลีกเลี่ยงการแปลงโหมดและการสูญเสีย

ในทางปฏิบัติ ท่อนำคลื่นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงและความถี่สูง เช่น ระบบเรดาร์ (เช่น เรดาร์สนามบินที่ทำงานที่ความถี่ 9.3–9.5 GHz) การสื่อสารผ่านดาวเทียม (เช่น ดาวน์ลิงก์ 12 GHz) และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ สำหรับความถี่ที่ต่ำกว่า (ต่ำกว่า 3 GHz) สายโคแอกเชียลมักจะใช้งานได้จริงมากกว่าเนื่องจากมีขนาดเล็กกว่าและมีความยืดหยุ่น

การเลือกวัสดุและรูปทรง

สำหรับการใช้งานความถี่สูงส่วนใหญ่ (>8 GHz) พื้นผิวด้านในจะต้องเรียบมากเพื่อลดการสูญเสียจากความต้านทาน ความขรุขระของพื้นผิวเพียง 0.1 µm RMS (Root Mean Square) สามารถเพิ่มการลดทอนได้มากถึง 15% ที่ความถี่ 30 GHz เมื่อเทียบกับผนังที่เรียบสนิท

ทองแดงเป็นมาตรฐานสูงสุดสำหรับหลายระบบเนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าสูง (5.96×10⁷ S/m) แต่มีน้ำหนักมาก (~8.96 g/cm³) และมีราคาแพง (~9per kg).Forfixed ground−based radar,copper or brass(acopper−zincalloy)is common. Aluminum(3.5×107S/m)is lighter( 2.7g/cm3 )and cheaper( 2.5 ดอลลาร์ต่อ กก.) ทำให้เป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แต่ยากต่อการตัดเฉือนและมักจะต้องมีการชุบเงินหรือทอง (หนา 2–5 µm) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและรักษาค่าการนำไฟฟ้าของพื้นผิว

สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น ในฟีดดาวเทียมที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่กว้าง (-150°C ถึง +120°C) จะใช้ อินวาร์ (invar) (โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล) เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเกือบเป็นศูนย์ (~1.2×10⁻⁶ /°C) แต่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า (~1.67×10⁶ S/m) และมีราคาแพง (~$50 ต่อ กก.)

รูปทรงก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นชนิดที่พบบ่อยที่สุดเนื่องจากง่ายต่อการผลิตและรองรับโหมด TE₁₀ ที่มีประสิทธิภาพ ความกว้าง a และความสูง b ของมันเป็นไปตามสัดส่วน a ≈ 2b สำหรับโหมดหลัก ตัวอย่างเช่น WR-112 สำหรับ 7–10 GHz มีขนาด a=28.5 มม., b=12.6 มม.

ท่อนำคลื่นแบบวงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. มีความถี่คัตออฟที่ ~7 GHz สำหรับโหมด TE₁₁ อย่างไรก็ตาม มีราคาในการตัดเฉือนแพงกว่า ~20% และยากต่อการเชื่อมต่อกับส่วนประกอบมาตรฐาน

สำหรับการเชื่อมโยงระยะไกลที่มีการสูญเสียต่ำเป็นพิเศษ (เช่น ระหว่างอาคารที่ห่างกัน 1 กม.) จะใช้ท่อนำคลื่นรูปวงรี ซึ่งมีความยืดหยุ่นและสามารถม้วนได้ โดยมีการสูญเสียประมาณ 0.03 dB/m ที่ 10 GHz แต่มีราคา ~$400 ต่อเมตร

การออกแบบสำหรับความถี่เป้าหมาย

ตัวอย่างเช่น หากระบบของคุณต้องการทำงานตั้งแต่ 24.0 ถึง 24.25 GHz (ซึ่งเป็นย่านความถี่ ISM band ที่ใช้กันทั่วไป) ความถี่คัตออฟของท่อนำคลื่นของคุณจะต้องต่ำกว่าความถี่ต่ำสุดของคุณอย่างปลอดภัย ความถี่คัตออฟ (f_c) สำหรับโหมด TE₁₀ หลักในท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมคือ f_c= c / (2a) โดยที่ c คือความเร็วแสง (3×10⁸ m/s) และ a คือความกว้างของผนังด้านในที่กว้างกว่าในหน่วยเมตร ดังนั้นสำหรับความถี่กลางที่ 24 GHz คุณจะเริ่มต้นด้วยความกว้าง a ประมาณ 6.25 มม. แต่คุณไม่ได้ออกแบบสำหรับความถี่กลาง คุณต้องออกแบบสำหรับขอบของย่านความถี่ เพื่อให้แน่ใจว่าค่า VSWR ต่ำ (<1.5:1) ตลอดทั้งแบนด์วิดท์ 250 MHz ของคุณ คุณต้องสร้างแบบจำลองท่อนำคลื่นเพื่อให้โหมดพื้นฐานสามารถแพร่กระจายได้ตั้งแต่ประมาณ 23.8 GHz เพื่อหลีกเลี่ยงการลดทอนอย่างรวดเร็วที่ขอบย่านความถี่

สำหรับ 24 GHz มาตรฐานคือ WR-42 ซึ่งมีขนาดภายในที่แม่นยำคือ 10.668 มม. (a) คูณ 4.318 มม. (b) การใช้มาตรฐานนี้จะช่วยให้คุณสามารถหาหน้าแปลน (flanges) และตัวเชื่อมต่อได้อย่างง่ายดาย การเบี่ยงเบนจากมาตรฐานเหล่านี้หมายถึงการตัดเฉือนแบบกำหนดเอง ซึ่งสามารถเพิ่มต้นทุนได้ 200-300% และอาจทำให้เกิดปัญหาการแพร่กระจายที่คาดไม่ถึง ความสูง b โดยทั่วไปจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของ a (b ≈ a/2) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการรองรับกำลังไฟฟ้าและลดโอกาสในการเกิดโหมดที่สูงขึ้น สำหรับ WR-42 ความถี่คัตออฟตามทฤษฎีคือ 14.05 GHz ทำให้มีช่วงการทำงานที่กว้างตั้งแต่ประมาณ 18 GHz ถึง 26.5 GHz

เสาอากาศท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมแบบง่ายๆ เช่น ช่องแผ่คลื่น (radiating slot) อาจมีแบนด์วิดท์อิมพีแดนซ์โดยธรรมชาติเพียง 3-5% รอบความถี่กลาง หากคุณต้องการแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น เช่น 10% ที่ 10 GHz (กว้าง 1 GHz) คุณต้องใช้เทคนิคต่างๆ เช่น ท่อนำคลื่นแบบเรียว (a “horn”) หรือช่องต่อพ่วงหลายช่อง การเรียวเชิงเส้นจาก WR-90 ไปยังช่องเปิดที่ใหญ่ขึ้นตลอดความยาว 150 มม. สามารถให้แบนด์วิดท์ 10% โดยมีการเปลี่ยนแปลงของอัตราขยาย (gain) น้อยกว่า 1 dB ข้อแลกเปลี่ยนคือขนาด: ฮอร์นสำหรับ 10 GHz อาจมีช่องเปิดขนาด 120 มม. x 90 มม. และยาว 250 มม.

ที่ 30 GHz ความยาวคลื่นในพื้นที่ว่างคือ 10 มม. แต่ภายในท่อนำคลื่น WR-28 (7.112 มม. × 3.556 มม.) ความยาวคลื่นนำ (guided wavelength) จะยาวกว่า ประมาณ 13.5 มม. สำหรับโหมด TE₁₀ หากคุณกำลังออกแบบอาเรย์เฟส (phased array) ที่มีอีลีเมนต์ 16 ตัวเว้นระยะห่างครึ่งความยาวคลื่น (~6.75 มม.) สำหรับการสแกน การคำนวณความยาวเส้นทางฟีดระหว่างอีลีเมนต์ผิดพลาดไป 0.5 มม. จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดของเฟส ~27 องศา ซึ่งสามารถบิดเบือนลำคลื่นและทำให้อัตราขยายลดลง 3 dB นี่คือเหตุผลที่ความแม่นยำถูกวัดเป็นไมโครเมตร (µm) โดยต้องรักษาค่าความคลาดเคลื่อนไว้ที่ ±20 µm สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 20 GHz

การจำลองประสิทธิภาพของเสาอากาศ

การจำลอง 3D EM สมัยใหม่เป็นวิธีเดียวที่เชื่อถือได้ในการทำนายประสิทธิภาพของเสาอากาศท่อนำคลื่น ซึ่งช่วยให้คุณประหยัดเวลาหลายสัปดาห์ในวงจรการสร้าง-ทดสอบ-ล้มเหลว และค่าใช้จ่ายหลายพันดอลลาร์ในการสร้างต้นแบบ สำหรับการออกแบบฮอร์นท่อนำคลื่นโดยทั่วไป การสร้างต้นแบบหนึ่งครั้งอาจมีค่าใช้จ่าย $500-$2000 ดอลลาร์ และใช้เวลา 2-3 สัปดาห์ในการตัดเฉือนและทดสอบ การดำเนินการจำลองที่ดีสามารถลดจำนวนการสร้างต้นแบบจริงลงเหลือ 1-2 ครั้ง ลดระยะเวลาการพัฒนาจาก 3 เดือนเหลือ 5 สัปดาห์

สำหรับโครงสร้างท่อนำคลื่น Method of Moments (MoM) มีประสิทธิภาพสำหรับรูปแบบการแผ่รังสีภายนอก แต่มีปัญหากับฟีดภายในที่ซับซ้อน ซอฟต์แวร์แก้ปัญหาด้วย Finite Element Method (FEM) เช่น HFSS เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในด้านความแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการเปลี่ยนผ่านที่ซับซ้อน การจำลองทั่วไปสำหรับอาเรย์ช่องนำคลื่น 24 GHz อาจต้องใช้เมชที่มีองค์ประกอบจัตุรมุข 5-10 ล้านชิ้นเพื่อแก้ปัญหาของสนามได้อย่างแม่นยำ การจำลองนี้อาจใช้เวลา 12-24 ชั่วโมงบนเวิร์กสเตชันที่มี CPU 32 คอร์และ RAM 128 GB สำหรับฮอร์นที่ง่ายกว่า Finite Difference Time Domain (FDTD) สามารถทำได้เร็วกว่า โดยแก้ปัญหาแบบจำลองได้ใน 2-4 ชั่วโมงด้วย RAM 2 GB แต่อาจมีความแม่นยำน้อยกว่าสำหรับขอบที่คม

ผลลัพธ์การจำลองที่สำคัญที่สุดคือ เมทริกซ์ S-parameter โดยเฉพาะ S11 (return loss) คุณตั้งเป้าหมายไว้ที่ S11 < -10 dB ตลอดย่านความถี่เป้าหมายของคุณ ซึ่งสอดคล้องกับค่า VSWR ที่ดีกว่า 1.9:1 สำหรับฟีดท่อนำคลื่น 10 GHz หมายความว่าการจำลองของคุณต้องแสดงแบนด์วิดท์ตั้งแต่ 9.5 ถึง 10.5 GHz ที่ระดับนั้น ค่า insertion loss (S21) ระหว่างพอร์ตอินพุตและช่องเปิดแผ่คลื่นควรน้อยกว่า 0.3 dB หากสูงกว่านี้ แสดงว่าคุณกำลังสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนมากเกินไป

เคล็ดลับจากมือโปร: จำลองโดยรวมโมเดลของหน้าแปลน (flange) เข้าไปด้วยเสมอ ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยคือการจำลองเฉพาะตัวเสาอากาศ การมีอยู่ของหน้าแปลนมาตรฐาน UG-599/U สามารถทำให้การจับคู่อินพุตผิดเพี้ยนไป 5-10 MHz ที่ 10 GHz ซึ่งเพียงพอที่จะทำลายประสิทธิภาพของคุณหากคุณทำงานในย่านความถี่ที่แคบ

รูปแบบการแผ่รังสี 3 มิติจะแสดงอัตราขยาย (gain), ไซด์โลบ (sidelobes) และความกว้างของลำคลื่น (beamwidth) สำหรับฮอร์นมาตรฐานที่ 18 GHz คุณคาดหวังอัตราขยายสูงสุดที่ 20 dBi โดยมีไซด์โลบต่ำกว่าลำคลื่นหลัก 15 dB ความกว้างของลำคลื่นครึ่งกำลัง (HPBW) อาจอยู่ที่ 10 องศาในระนาบ E และ 12 องศาในระนาบ H หากการจำลองของคุณแสดงความไม่สมมาตร 2 dB ในรูปแบบระนาบ E และ H แสดงว่าอาจมีโหมดที่สูงกว่าอยู่

การสร้างแบบจำลองต้นแบบ

เป้าหมายคือการสร้างหน่วยที่ใช้งานได้จริงเพียงชิ้นเดียวเพื่อตรวจสอบการออกแบบของคุณ โดยทั่วไปมีค่าใช้จ่าย $500to$3000 ดอลลาร์ และใช้เวลา 5 ถึง 15 วันทำการในการตัดเฉือนและประกอบ ขั้นตอนแรกคือการแปลงแบบจำลองที่คุณจำลองไว้ให้เป็นแบบเขียนสำหรับการผลิต สำหรับท่อนำคลื่นอะลูมิเนียม WR-90 มาตรฐาน ขนาดภายในต้องรักษาค่าความคลาดเคลื่อนไว้ที่ ±0.05 มม. เพื่อป้องกันความไม่เข้ากันของอิมพีแดนซ์ การเบี่ยงเบนเพียง 0.1 มม. ในความกว้างของผนังด้านกว้างสามารถทำให้ความถี่คัตออฟเลื่อนไป ~1% และเพิ่ม VSWR ขึ้น 0.3 ที่ขอบของย่านความถี่

สำหรับชิ้นส่วน WR-90 อะลูมิเนียมยาว 150 มม. พร้อมหน้าแปลนสองอัน การตัดเฉือนใช้เวลาประมาณ 3-4 ชั่วโมงบนเครื่องมิลล์ 5 แกน ซึ่งมีค่าใช้จ่าย $200-$400 ดอลลาร์ ความเรียบของพื้นผิวเป็นสิ่งสำคัญ: คุณต้องการความขรุขระ < 0.4 µm Ra เพื่อลดการสูญเสียของตัวนำ หากพื้นผิวที่กัดหยาบเกินไป (> 0.8 µm Ra) การลดทอนสามารถเพิ่มขึ้น 12% ที่ 10 GHz สำหรับทองแดง การขึ้นรูปด้วยไฟฟ้า (electroforming) เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง—โดยการสร้างชิ้นส่วนขึ้นทีละชั้นในอ่างชุบ วิธีนี้สามารถให้ผิวที่เรียบกว่า (~0.2 µm Ra) แต่ใช้เวลา 2-3 วันและมีค่าใช้จ่ายสูงขึ้น 50%

ใช้หน้าแปลนมาตรฐาน UG-599/U สำหรับ WR-90 เพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อจะไม่มีการรั่วไหลและมี insertion loss < 0.1 dB ต่อการเชื่อมต่อ หน้าแปลนที่ทำเองหรือตัดเฉือนไม่ดีอาจทำให้เกิดการสูญเสีย 0.5 dB และความไม่เสถียรของเฟส 30 องศา หน้าแปลนที่มีความแม่นยำแต่ละอันจะเพิ่มต้นทุนต้นแบบ $50-$100 ดอลลาร์ สำหรับการเปลี่ยนผ่านของฟีด หากคุณกำลังรวมอะแดปเตอร์โคแอกซ์เข้ากับท่อนำคลื่น ให้บัดกรีพินกลางด้วยโลหะผสม Pb-Sn ทนความร้อนสูง และรักษาความยาวของพินให้อยู่ภายใน ±0.1 มม. ของค่าที่จำลองไว้ ข้อผิดพลาด 0.2 มม. ตรงนี้สามารถทำลายค่า return loss ของคุณได้ โดยเปลี่ยนจาก -20 dB เป็น -8 dB

ใช้พินจัดตำแหน่งเพื่อวางตำแหน่งหน้าแปลนให้อยู่ภายใน 0.05 มม. ของเส้นกึ่งกลางท่อนำคลื่นก่อนขันสลักเกลียว ขันสลักเกลียวหน้าแปลนทั้งสี่ตัวให้ได้แรงบิด 8-10 in-lbs ในรูปแบบกากบาท การขันแน่นเกินไปที่ 15 in-lbs อาจทำให้หน้าแปลนบิดเบี้ยว ทำให้เกิดช่องว่างที่พลังงานรั่วไหลและทำให้เกิดการสูญเสีย 0.2 dB สำหรับเสาอากาศฮอร์น หากต้นแบบถูกสร้างขึ้นเป็นสองส่วน ให้ปิดผนึกรอยต่อด้วยอีพ็อกซี่นำไฟฟ้าที่ผสมด้วยอนุภาคเงิน (80% โดยน้ำหนัก) รอยต่อที่ไม่ดีจะทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศแบบสล็อต ซึ่งจะแผ่พลังงานของคุณออกไป 5% ที่ 10 GHz และเพิ่มไซด์โลบขึ้น 3 dB

การทดสอบและวัดผล

ขั้นตอนนี้โดยทั่วไปต้องใช้อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมูลค่า $10,000to$50,000 ดอลลาร์ และใช้เวลาวัดอย่างพิถีพิถัน 1-3 วันต่อต้นแบบหนึ่งชิ้น ขั้นตอนแรกคือการสอบเทียบ vector network analyzer (VNA) ใช้ชุดสอบเทียบ 2 พอร์ต (เช่น 3.5 มม.) และทำการสอบเทียบ ณ ระนาบที่สายโคแอกซ์ของคุณเชื่อมต่อกับการเปลี่ยนผ่านของท่อนำคลื่น การเคลื่อนไหวของสายเคเบิลหลังจากการสอบเทียบจะทำให้เกิดข้อผิดพลาดของเฟส การโค้งงอ 1 ซม. ในสาย RF ยาว 1 เมตรสามารถทำให้เฟส S11 เปลี่ยนไป 5 องศาที่ 20 GHz ทำให้การวัด return loss ไม่น่าเชื่อถือ ตั้งค่า VNA ของคุณให้กวาด 1001 จุดตลอดย่านความถี่เป้าหมายของคุณ (เช่น 23.5 ถึง 24.5 GHz) ด้วย IF bandwidth ที่ 1 kHz เพื่อความสมดุลที่ดีระหว่างความเร็วและระดับสัญญาณรบกวนพื้นฐาน (-100 dBm)

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่ต้องวัด:

• Return Loss (S11): เป้าหมายการออกแบบของคุณน่าจะอยู่ที่ < -10 dB (VSWR < 1.9:1) วัดตลอดทั้งย่านความถี่ของคุณ ผลลัพธ์ที่ดีโดยทั่วไปจะแสดงค่าต่ำสุดที่ -15 dB ที่ความถี่กลาง และเพิ่มขึ้นเป็น -12 dB ที่ขอบย่านความถี่ การลดลงอย่างกะทันหันไปที่ -7 dB ที่ 24.1 GHz บ่งชี้ถึงการสั่นพ้อง ซึ่งมักเกิดจากเศษโลหะจากการตัดเฉือนหรือการเชื่อมต่อหน้าแปลนที่ไม่สมบูรณ์
• Insertion Loss (S21): สำหรับเสาอากาศแบบพาสซีฟ นี่คือการสูญเสียจากพอร์ตอินพุตไปยังคลื่นที่แผ่ออกไป วัดโดยการเปรียบเทียบการส่งผ่านเสาอากาศกับมาตรฐานที่ทราบ ท่อนำคลื่น WR-90 ยาว 20 ซม. ที่ทำมาอย่างดีควรมีการสูญเสีย < 0.2 dB ที่ 10 GHz หากคุณวัดได้ 0.5 dB ให้ตรวจสอบความขรุขระของพื้นผิวหรือช่องว่างในหน้าแปลน
• อัตราขยาย (Gain): วัดโดยใช้วิธีการเปรียบเทียบอัตราขยายกับฮอร์นมาตรฐานในห้องไร้เสียงสะท้อน (anechoic chamber) ที่ 10 GHz วางเสาอากาศที่ทดสอบและฮอร์นอ้างอิงห่างจากเครื่องส่ง 5 เมตร เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นเงื่อนไขระยะไกล (D > 2D²/λ ≈ 6.7 ม. สำหรับเสาอากาศขนาด 15 ซม.) ต้นแบบของคุณอาจจำลองได้ 18.5 dBi แต่วัดได้ 17.8 dBi เนื่องจากความไม่สมบูรณ์—ความแตกต่าง 0.7 dB เป็นเรื่องปกติและยอมรับได้สำหรับต้นแบบชิ้นแรก
• รูปแบบการแผ่รังสี: หมุนเสาอากาศบนเครื่องกำหนดตำแหน่งและวัดรูปแบบระนาบ E และระนาบ H ด้วยความละเอียด 1 องศา สำหรับฮอร์นแบบมีทิศทาง คาดว่าจะมีความกว้างของลำคลื่นครึ่งกำลัง (HPBW) 10 องศา ไซด์โลบควรอยู่ที่ < -15 dB เทียบกับลำคลื่นหลัก ไซด์โลบที่วัดได้ที่ -12 dB บ่งชี้ถึงข้อผิดพลาดในการกระจายสนามของช่องเปิด ซึ่งอาจเกิดจากฟีดที่ไม่อยู่ในแนวเดียวกัน

ความผันผวนของอุณหภูมิในห้องปฏิบัติการ ±3°C ทำให้เกิดการขยายตัวทางความร้อนในท่อนำคลื่นอะลูมิเนียม (α ≈ 23 µm/m°C) ซึ่งเปลี่ยนความยาวทางไฟฟ้าไป 0.007% ต่อองศา ในช่วงแบนด์วิดท์ 5 GHz สิ่งนี้สามารถทำให้ความถี่เรโซแนนซ์เลื่อนไป 3.5 MHz ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับระบบที่มีแบนด์วิดท์แคบ ควรทำการวัดในห้องปฏิบัติการที่ควบคุมอุณหภูมิ (23°C ±1°C) เสมอ และปล่อยให้ต้นแบบปรับสภาพเป็นเวลา 30 นาทีหลังจากสัมผัส