สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกด้วยอากาศนำประโยชน์อะไรมาสู่ระบบความถี่วิทยุ (RF)?

โครงสร้างของสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกด้วยอากาศช่วยเสริมความสมบูรณ์ของสัญญาณ RF ได้อย่างไร

สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกด้วยอากาศให้สมรรถนะวิทยุความถี่ (RF) ที่เหนือกว่าผ่านวิศวกรรมเฉพาะทาง ต่างจากสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกแข็งทั่วไป สายเหล่านี้จะแทนที่ฉนวนต่อเนื่องด้วยตัวคั่นที่วางตำแหน่งอย่างแม่นยำ ซึ่งทำหน้าที่รักษาระยะห่างระหว่างตัวนำโดยใช้อากาศเป็นตัวกลางไดอิเล็กทริก ซึ่งเป็นสื่อกลางที่มีการสูญเสียน้อยที่สุดที่มีอยู่

การออกแบบช่องว่างเติมอากาศและบทบาทในการลดการสูญเสียสัญญาณต่ำสุด

โครงสร้างไดอิเล็กทริกแบบอากาศกลวงช่วยลดการชนกันของอิเล็กตรอนเมื่อสัญญาณเดินทางผ่าน ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะถูกดูดซับน้อยลงระหว่างทาง อากาศมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกใกล้เคียงกับ 1.0 ในขณะที่วัสดุอย่างพอลิเอทิลีนมีค่าประมาณ 2.3 หรือสูงกว่า เนื่องจากความแตกต่างนี้ อากาศจึงทำให้เกิดการบิดเบือนเฟสน้อยกว่ามาก และสร้างความจุไฟฟ้าต่ำกว่าในระบบ อุตสาหกรรมทดสอบพบว่าการออกแบบที่ใช้อากาศเป็นไดอิเล็กทริกมีการสูญเสียสัญญาณน้อยกว่าสายโฟม PE แบบดั้งเดิมประมาณ 40% ที่ความถี่ 6 กิกะเฮิรตซ์ ตามการศึกษาวัสดุ RF ล่าสุดเมื่อปีที่แล้ว สำหรับวิศวกรที่ทำงานกับระบบความถี่สูง สิ่งนี้มีความสำคัญมาก เพราะการสูญเสียเพียงเล็กน้อยสามารถลดประสิทธิภาพโดยรวมได้อย่างมากเมื่อเวลาผ่านไป

การเปรียบเทียบกับสายเคเบิลไดอิเล็กทริก PE แบบแข็ง: ความแตกต่างทางโครงสร้างและไฟฟ้า

สายเคเบิลไดอิเล็กทริกแบบอากาศและแบบพอลิเอทิลีน (PE) แบบแข็ง มีความแตกต่างพื้นฐานที่ส่งผลต่อสมรรถนะ RF:

ความแข็งแรงทางกลของโครงสร้างแบบช่องว่างอากาศช่วยป้องกันการเปลี่ยนรูปร่างของไดอิเล็กทริกเมื่อเกิดการโค้งงอ ทำให้ความต้านทานเชิงลักษณะคงที่ ในทางตรงกันข้าม สายเคเบิล PE มีแนวโน้มที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงของความจุจากแรงอัดมากกว่า—ส่งผลให้อัตราส่วนคลื่นสะท้อนแรงดัน (VSWR) เพิ่มขึ้น

การสูญเสียสัญญาณต่ำและสามารถรองรับกำลังไฟฟ้าสูงในงานความถี่วิทยุความถี่สูง

การลดทอนสัญญาณต่ำลงในช่วง 1—6 กิกะเฮิรตซ์: ข้อมูลประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพ RF

สายส่งอากาศแบบโคแอคเชียลที่ใช้อากาศเป็นไดอิเล็กทริกนั้นมีความโดดเด่นอย่างมากในการรักษาคุณภาพของสัญญาณในช่วงความถี่สูง เนื่องจากออกแบบแกนกลางเป็นอากาศ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียสัญญาณ ตามมาตรฐานการทดสอบ IEC 61196 สายเหล่านี้แสดงอัตราการลดทอนประมาณ 0.15 dB ต่อเมตร ที่ความถี่ 6 GHz ซึ่งแท้จริงแล้วน้อยกว่าเกือบครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับสายไดอิเล็กทริกชนิดพอลิเอทิลีนแข็งแบบดั้งเดิม สิ่งใดที่ทำให้มีประสิทธิภาพสูงเช่นนี้? พื้นฐานแล้วคือพลังงานสูญเสียผ่านวัสดุฉนวนน้อยลง หมายความว่าสัญญาณสามารถเดินทางได้ไกลขึ้นมากก่อนจะต้องใช้อุปกรณ์เสริมแรงหรือแอมปลิฟายเออร์ และสำหรับผู้ที่ทำงานด้านวิศวกรรมคลื่นความถี่วิทยุ (RF) สิ่งนี้หมายถึงปัญหาเรื่องการเสื่อมสภาพของสัญญาณที่ลดลงเมื่อส่งผ่านระยะทางไกล รวมถึงอาจประหยัดค่าใช้จ่ายด้านอุปกรณ์เพิ่มเติมได้อีกด้วย

ระบบที่ใช้เทคโนโลยีนี้มีประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานสูงถึง 96% ในการเชื่อมต่อแบ็คโฮล 5G (IEEE 2023) ช่วยลดต้นทุนพลังงานได้ปีละ 740,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อการติดตั้ง 1,000 โหนด

เสถียรภาพความร้อนและกำลังไฟฟ้าที่เหนือกว่าของสายส่งแบบอากาศเป็นไดอิเล็กทริก

การออกแบบแบบกลวงช่วยให้มีสมรรถนะด้านความร้อนที่เหนือชั้น สายส่งที่ใช้อากาศเป็นไดอิเล็กทริกสามารถรองรับ กำลังไฟต่อเนื่อง 5 กิโลวัตต์ ที่อุณหภูมิแวดล้อม 40°C ซึ่งสูงเป็นสองเท่าของทางเลือกที่ใช้วัสดุโฟม ข้อได้เปรียบหลัก ได้แก่:

• ไม่มีการเสื่อมสภาพของไดอิเล็กทริก ที่อุณหภูมิ ≥ 200°C
• สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนต่ำกว่า 5 ppm/°C
• ความแปรปรวนของเสถียรภาพเฟส < 0.02° ในช่วงอุณหภูมิ 85°C

ความทนทานต่อความร้อนนี้ช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานขวางในระหว่างการส่งสัญญาณกำลังสูง ทำให้ค่า VSWR ลดลงเหลือ 1.05:1 ในระบบเรดาร์ 6 GHz การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่ามีเวลาทำงานต่อเนื่องสูงถึง 99.8% ในเครื่องส่งสัญญาณกระจายเสียง หลังจากใช้งานมาแล้ว 15,000 ชั่วโมง

สายสัญญาณโคแอกเชียลแบบไดอิเล็กทริกอากาศ เทียบกับแบบโฟมไดอิเล็กทริก: การเปรียบเทียบวิศวกรรมความถี่วิทยุ

การสูญเสียจากการติดตั้ง, อัตราส่วนคลื่นนิ่งแบบแรงดันไฟฟ้า, และประสิทธิภาพโดยรวมของระบบในประเภทโครงสร้างพื้นฐานความถี่วิทยุ

การเปรียบเทียบสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกอากาศกับสายประเภทไดอิเล็กทริกโฟม เช่น LMR® หรือ LDF/AL4 จะพบว่ามีสามปัจจัยหลักที่สำคัญต่อระบบ RF ได้แก่ ปริมาณสัญญาณที่สูญเสียไปตามแนวสาย (การสูญเสียจากการแทรก), อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (VSWR) และความทนทานต่อสภาพแวดล้อม สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกอากาศมักจะสูญเสียพลังงานสัญญาณน้อยกว่าประมาณ 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์เมื่อความถี่เกิน 2 GHz เนื่องจากวัสดุไดอิเล็กทริกดูดซับพลังงานน้อยกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อระยะไกลระหว่างหอเซลล์และระบบเสาอากาศแบบกระจาย แต่ก็มีข้อควรระวังอยู่ สายไดอิเล็กทริกโฟมกลับมีประสิทธิภาพดีกว่าในเรื่องการรักษานิ่งของเฟสและการต้านทานการสะสมของความชื้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งที่มีความชื้น เพราะสายที่เติมอากาศอาจเกิดปัญหาการควบแน่นภายในได้ การพิจารณาค่า VSWR ก็บอกอีกมุมหนึ่งของเรื่อง สายอากาศแบบตรงสามารถรักษาระดับอัตราส่วนได้ดีที่ประมาณ 1.15:1 แต่หากดัดโค้งมากเกินไป ความต้านทานขวางจะเปลี่ยนแปลงจนเกิน 1.25:1 ในขณะที่สายโฟมยังคงรักษาระดับต่ำกว่า 1.2:1 แม้ผ่านเส้นทางติดตั้งที่ซับซ้อน เมื่อพิจารณาความน่าเชื่อถือโดยรวมของระบบแล้ว สายประเภทโฟมจึงมีความสมดุลที่ดีกว่า แม้จะมีการสูญเสียสัญญาณมากกว่าเล็กน้อยก็ตาม โดยเสนอการป้องกันสัญญาณรบกวนที่สม่ำเสมอกว่าและทนต่อแรงกดทับได้ดีกว่าสายไดอิเล็กทริกอากาศ ซึ่งมีชื่อเสียงเรื่องความแข็งเกร็งและทำให้การติดตั้งยุ่งยากในบางสถานการณ์

คำถามที่พบบ่อย

ข้อดีหลักของสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศเมื่อเทียบกับสาย PE แบบแข็งคืออะไร

สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศมีความสมบูรณ์ของสัญญาณ RF ที่ดีกว่า เนื่องจากมีการสูญเสียสัญญาณต่ำกว่า และมีความเสถียรของเฟสสูงกว่า อันเป็นผลมาจากโครงสร้างแกนกลางที่เป็นอากาศ

เหตุใดสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศจึงรองรับความถี่สูงได้ดีกว่า

สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศมีค่าคงที่ของไดอิเล็กทริกและค่าความจุต่ำกว่า ทำให้ลดการบิดเบือนของเฟสและการลดทอนสัญญาณในงานที่ใช้ความถี่สูง

สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศเปรียบเทียบกับสายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้โฟมอย่างไร

สายอากาศแบบไดอิเล็กทริกที่ใช้อากาศมีการสูญเสียสัญญาณต่ำกว่า แต่มีความต้านทานต่อความชื้นน้อยกว่า และอาจเกิดปัญหาในการติดตั้งได้เนื่องจากมีความแข็งมาก