บล็อก

ประเภทตัวเชื่อมต่อ RF หลักและโปรไฟล์ประสิทธิภาพความถี่สูง

ตัวเชื่อมต่อ SMA, 2.92 มม., 2.4 มม. และ SMP: ขีดจำกัดความถี่, ความซ้ำซ้อนของผลลัพธ์ และกรณีการใช้งาน

ขั้วต่อ SMA ยังคงใช้งานได้ดีในแอปพลิเคชันที่ต่ำกว่า 18 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งเราพบได้ทั่วไปตั้งแต่สถานีฐานโทรคมนาคมไปจนถึงระบบวิทยุ เนื่องจากมีความทนทานและไม่กินค่าใช้จ่ายมากนัก ข้อเสียคือ เกลียวของขั้วต่อนี้เริ่มสึกหรอหลังจากการต่อและถอดประมาณ 500 ครั้ง ทำให้การเชื่อมต่อซ้ำ ๆ มีความน่าเชื่อถือลดลงตามเวลา เมื่อต้องทำงานที่ความถี่สูงขึ้น วิศวกรจะหันไปใช้ตัวเลือกอื่นแทน ขั้วต่อ 2.92 มม. (บางครั้งเรียกว่า ขั้วต่อ K) รองรับความถี่ได้สูงถึง 40 กิกะเฮิรตซ์ ในขณะที่รุ่นขนาดเล็กลงอย่าง 2.4 มม. สามารถทำงานได้สูงถึงประมาณ 50 กิกะเฮิรตซ์ ขั้วต่อเหล่านี้ใช้อากาศแทนวัสดุแข็งระหว่างตัวนำไฟฟ้า และมีข้อกำหนดในการผลิตที่แม่นยำกว่ามาก ทำให้สูญเสียสัญญาณน้อยลงและรักษาระดับความต่อเนื่องทางไฟฟ้าได้ดีกว่าตลอดการเชื่อมต่อ อีกประเภทหนึ่งคือ ตระกูลขั้วต่อ SMP ที่มีจุดสัมผัสแบบสปริงเลื่อนได้ ซึ่งแค่คลิกเข้าที่ก็เชื่อมต่อได้ทันที ใช้พื้นที่น้อยและสามารถหมุนได้รอบทิศ ทำให้เหมาะกับการติดตั้งแบบอาร์เรย์แบบมีเฟสที่แน่นทึ้ง ซึ่งพื้นที่มีความสำคัญ ขั้วต่อเหล่านี้ยังสามารถจัดการสัญญาณที่ 40 กิกะเฮิรตซ์ ได้อย่างน่าเชื่อถือ แต่ต้องระวังอย่างหนึ่งคือ จุดสัมผัสที่ยืดหยุ่นเหล่านี้กลับทำให้สูญเสียสัญญาณมากกว่าขั้วต่อความแม่นยำแบบแข็ง โดยเพิ่มการสูญเสียประมาณ 0.3 dB ที่ความถี่ 30 กิกะเฮิรตซ์ ตามการวัดค่าที่ได้

ขั้วต่อแบบเพรสิชัน เอียร์-ไดอิเล็กทริก (เช่น APC-7) และ BMAM: ข้อดีด้านความเสถียรของเฟสและความกว้างแถบความถี่เหนือ 40 กิกะเฮิรตซ์

เมื่อทำงานที่ความถี่สูงกว่า 40 กิกะเฮิรตซ์ ขั้วต่อที่ใช้อากาศเป็นไดอิเล็กทริก เช่น ซีรีส์ APC-7 จะช่วยกำจัดปัญหาที่เกิดจากวัสดุ PTFE ซึ่งก่อให้เกิดความไม่เสถียรของเฟส โดยสามารถรักษาระดับความสม่ำเสมอของแอมพลิจูดได้อย่างน่าประทับใจในช่วง ±0.05 เดซิเบล ไปจนถึง 110 กิกะเฮิรตซ์ การออกแบบที่ไม่มีลูกปัด (beads) ช่วยลดการกระโดดของความต้านทานเชิงพาณิชย์ที่น่ารำคาญ ทำให้อัตราส่วนคลื่นยืนของแรงดัน (VSWR) ต่ำกว่า 1.05 แม้ที่ระดับ 50 กิกะเฮิรตซ์ สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพต่อเนื่อง BMAM ขั้วต่อจะช่วยยกระดับขึ้นไปอีกขั้นด้วยซีลผสานพิเศษแบบเฮอร์เมติกที่ป้องกันปัญหาการออกซิเดชัน ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเมื่อจัดการกับดาวเทียมที่ต้องมีวงจรการเชื่อมต่อหลายพันครั้ง อินเทอร์เฟซขั้นสูงเหล่านี้ช่วยให้การทำงานแบบซิงโครไนซ์ผ่านพอร์ตหลายพอร์ตในเรดาร์รุ่นใหม่สามารถทำได้อย่างแม่นยำ โดยการติดตามเฟสจะคงความแม่นยำสูงมาก ด้วยค่าเบี่ยงเบนเพียง 0.5 องศาที่ 70 กิกะเฮิรตซ์ การทดสอบตามมาตรฐาน IEEE MTT-S แสดงให้เห็นว่าขั้วต่อเหล่านี้มีความสามารถในการรักษาความเสถียรภาพตามเวลาได้ดีกว่าตัวเลือกที่ใช้โพลีเมอร์เติมเต็มประมาณ 40%

เกณฑ์การคัดเลือกขั้วต่อ RF ที่สำคัญสำหรับระบบคลื่นมิลลิเมตร

การเลือกขั้วต่อ RF สำหรับระบบคลื่นมิลลิเมตร (ความถี่ > 30 กิกะเฮิรตซ์) จำเป็นต้องมีการตรวจสอบอย่างเข้มงวดในด้านความเสี่ยงด้านประสิทธิภาพแม่เหล็กไฟฟ้าสามประการ:

• พฤติกรรมการตัดทอน : มิติของขั้วต่อต้องสามารถยับยั้งโหมดอันดับสูงได้ ที่ความถี่ 40 กิกะเฮิรตซ์ ขั้วต่อแบบ 2.92 มม. จะมีจุดตัดทฤษฎีที่ประมาณ 46 กิกะเฮิรตซ์ แต่ค่าความคลาดเคลื่อนในการผลิตอาจทำให้เกิดการกระตุ้นโหมดก่อนเวลาอันควร ส่งผลให้คุณภาพสัญญาณลดลง
• การบิดเบือนฮาร์มอนิก : อินเตอร์เฟซการสัมผัสแบบไม่เป็นเชิงเส้นจะสร้างสัญญาณปลอมที่ความถี่พหุคูณของความถี่พื้นฐาน การใช้ขั้วสัมผัสทองแดงเบริลเลียมชุบด้วยทองคำสามารถลดการเพี้ยนของสัญญาณรบกวนระหว่างโมดูลเลชันลงได้ 15 ดีบีซี เมื่อเทียบกับขั้วสัมผัสทองเหลืองชุบเงิน ช่วยรักษาความบริสุทธิ์ของสเปกตรัม
• การสั่นสะเทือนของฉนวน : ฉนวนชนิดโพลิเมอร์แสดงการดูดซับพลังงานที่ความถี่เฉพาะตัวที่สูงกว่า 26 กิกะเฮิรตซ์ การออกแบบที่ใช้อากาศเป็นฉนวนจะกำจัดกลไกนี้ออกไปโดยสิ้นเชิง และรักษาระดับ VSWR ต่ำกว่า 1.15 ได้สูงถึง 50 กิกะเฮิรตซ์

ปัจจัยที่ทำให้เกิดการสูญเสียสัญญาณ: วัสดุตัวนำ, ความหยาบของพื้นผิว, และผลกระทบจากการขยายขนาดทางเรขาคณิตต่อการสูญเสียสัญญาณในขั้วต่อ RF

การสูญเสียการแทรกซึมในตัวเชื่อมต่อคลื่นความถี่มิลลิเมตร (RF) เปลี่ยนแปลงแบบไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากปัจจัยหลักสามประการ:

1. ความต้านทานของตัวนำ : ทองแดงไร้ออกซิเจน (Î = 58 MS/m) ลดการสูญเสียจากเอฟเฟกต์ผิวหนังได้ 22% เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าซิงค์ที่ความถี่ 60 กิกะเฮิรตซ์
2. ความขรุขระของผิว : พื้นผิวขรุขระเฉลี่ย (RMS) เกิน 0.4 ไมโครเมตร จะเพิ่มการสูญเสีย 0.05 เดซิเบลต่อเซนติเมตร ที่ความถี่ 40 กิกะเฮิรตซ์; ขั้วต่อที่ขัดผิวแบบกระจกสะท้อนจะรักษาระดับการเสื่อมสภาพต่ำกว่า 0.01 เดซิเบลต่อการเชื่อมต่อหนึ่งครั้ง
3. ความไม่ต่อเนื่องทางเรขาคณิต : การจัดตำแหน่งแกนกลางของตัวนำที่ผิดเพี้ยนไป 5 ไมโครเมตร จะทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มเติม 0.2 เดซิเบล ที่ความถี่ 50 กิกะเฮิรตซ์ เนื่องจากการรวมตัวของกระแสไฟฟ้า—ชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการใช้รูปร่างขั้วต่อแบบไฮเปอร์โบลิก หรือพื้นผิวรอยหยัก

การตรวจสอบช่วงความถี่: พฤติกรรมการตัดทอน การยับยั้งโหมด และความเสี่ยงจากฮาร์โมนิกที่สูงเกิน 26 กิกะเฮิรตซ์

การทำงานที่มีเสถียรภาพของเฟสที่สูงกว่า 26 กิกะเฮิรตซ์ ต้องควบคุมพารามิเตอร์สามประการอย่างเข้มงวด:

• ค่าความต้านทานเชิงตัวเลข : การรักษาระดับ 50 โอห์ม ±0.5 โอห์ม จะจำกัดการสะท้อนที่เกิดจาก VSWR ตัวเชื่อมต่อ SMA มาตรฐานมีค่าความคลาดเคลื่อนเกิน ±2 โอห์ม ที่ความถี่สูงกว่า 18 กิกะเฮิรตซ์ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในช่วงคลื่น mmWave
• การสูญเสียการกลับคืน : การระบุค่า >20 dB จะป้องกันคลื่นนิ่งในชุดทดสอบได้; ขั้วต่อความแม่นยำสามารถทำได้มากกว่า 26 dB ขึ้นไปจนถึง 40 GHz
• การเลื่อนตำแหน่งทางความร้อน : อัตราส่วนคลื่นนิ่งตามแรงดัน (VSWR) <0.05 ตลอดช่วงอุณหภูมิ −55°C ถึง +125°C รับประกันสมรรถนะที่คงที่ในสภาพแวดล้อมของเรดาร์และอากาศยานอวกาศ

ความสมบูรณ์ของความต้านทานเชิงลักษณะและการควบคุมอัตราส่วนคลื่นนิ่งในอินเตอร์เฟซขั้วต่อสัญญาณความถี่สูง

ความคลาดเคลื่อนสะสม การจัดแนวขั้วกลาง และการเสื่อมถอยของค่าสะท้อนกลับที่ความถี่สูงกว่า 20 GHz

การรักษากลุ่มความต้านทานให้มีเสถียรภาพจะยากขึ้นมากเมื่อความถี่สูงเกิน 20 กิกะเฮิรตซ์ ที่ระดับความถี่สูงนี้ การเปลี่ยนแปลงทางกลเล็กน้อยเพียงไมครอนเดียวก็สามารถทำให้อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดัน (VSWR) เสียหายได้อย่างมีนัยสำคัญ เมื่อมีความไม่สอดคล้องกัน 5 โอห์มระหว่างชิ้นส่วน จะทำให้การสะท้อนสัญญาณเพิ่มขึ้นประมาณ 40% ในระบบคลื่นความยาวมิลลิเมตร นอกจากนี้ยังมีปัญหาการจัดแนวตัวนำตรงกลาง หากคลาดเคลื่อนเกิน 0.05 มิลลิเมตร ซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยเนื่องจากความคลาดเคลื่อนที่สะสมกันมาตามเวลา จะทำให้การสูญเสียการสะท้อนลดลง 3 ถึง 6 เดซิเบล ที่ความถี่ 40 กิกะเฮิรตซ์ สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดปัญหาจริง เช่น การสูญเสียพลังงานและการบิดเบือนเฟส ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานที่ถูกต้องของเสาอากาศแบบอาร์เรย์ขั้นตอน

เทคนิคการจัดแนวที่แม่นยำช่วยลดผลกระทบเหล่านี้

• รูปทรงสัมผัสแบบไฮเปอร์โบลิกช่วยลด VSWR ให้ต่ำกว่า 1.15:1
• อินเทอร์เฟซแบบร่องแสดงความเสถียรทางความร้อนดีขึ้น 18% ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจาก −40°C ถึง +85°C
• ช่องว่างอากาศที่ลดลงช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงกลุ่มความต้านทานที่เกิดจากไดอิเล็กทริก

เหนือ 30 กิกะเฮิรตซ์ พื้นผิวที่มีความขรุขระจะเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการสูญเสีย สัมผัสที่ขัดเงาจนมีค่าผิวเรียบต่ำกว่า 0.1 ไมโครเมตร เอรา (Ra) จะช่วยให้การสูญเสียจากการเชื่อมต่อ (insertion loss) ต่ำกว่า 0.1 เดซิเบลต่อการเชื่อมต่อหนึ่งครั้ง หากไม่มีการควบคุมดังกล่าว อัตราส่วนแรงดันคลื่นยืน (VSWR) จะเกิน 1.5:1 ซึ่งสะท้อนพลังงานกลับมากกว่า 4% ของพลังงานที่ส่งไป ส่งผลให้ค่าความคลาดเคลื่อนเวกเตอร์ (EVM) ในสัญญาณที่มอดูเลตแบบ 256-QAM เสื่อมสภาพอย่างรุนแรง

การรวมสายเคเบิลกับตัวเชื่อมต่อ RF: การลดรอยต่อและสัญญาณสะท้อนให้น้อยที่สุด

การเชื่อมต่อให้ถูกต้องระหว่างสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อ RF มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาระดับสัญญาณให้สะอาดในระบบความถี่สูงที่เราใช้งานอยู่เป็นประจำทุกวัน แม้แต่ความไม่สอดคล้องกันของอิมพีแดนซ์เพียงเล็กน้อยประมาณ 5 โอห์ม ก็สามารถทำให้เกิดการสะท้อนของสัญญาณได้สูงถึง 40% การสะท้อนเหล่านี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อค่าการวัด EVM บนสัญญาณที่มีการดัดแปลง ปัญหานี้จะรุนแรงขึ้นที่ความถี่ mmWave เนื่องจากความยาวคลื่นที่สั้นมาก สิ่งที่ดูเหมือนเป็นจุดหยุดชะงักเล็กน้อย กลับกลายเป็นแหล่งที่มาของการกระจายสัญญาณที่สำคัญที่ความถี่สูงเหล่านี้ วิศวกรจึงต้องระมัดระวังเรื่องนี้ เพราะการติดตั้งตัวเชื่อมต่ออย่างถูกต้องมีผลต่อประสิทธิภาพของระบบโดยรวมเป็นอย่างมาก เมื่อเผชิญกับความท้าทายเหล่านี้ วิศวกรโดยทั่วไปมักใช้วิธีการต่าง ๆ หลายประการเพื่อลดการสะท้อนของสัญญาณที่ไม่ต้องการ

• รักษาระดับอิมพีแดนซ์ 50Ω อย่างเคร่งครัดตลอดทุกอินเทอร์เฟซ
• เป้าหมาย VSWR <1.2:1 โดยเฉพาะในสถานีฐาน massive MIMO ที่ความไม่สอดคล้องกันแบบต่อเนื่องจะทวีความรุนแรงขึ้น
• ใช้ตัวนำแบบร่องซึ่งให้ความเสถียรทางความร้อนดีขึ้น 18% เมื่อเทียบกับตัวนำแบบผิวเรียบ ในช่วงอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ −40°C ถึง +85°C

การจัดตำแหน่งที่แม่นยำของขั้วกลางและโครงสร้างรองรับไดอิเล็กทริก ช่วยป้องกันการเสื่อมสภาพของค่าการสะท้อนกลับ (return loss) เกิน 20 GHz การวิเคราะห์อุตสาหกรรมระบุว่าเกือบหนึ่งในสามของปัญหาความหน่วงสัญญาณ 5G ในเขตเมืองเกิดจากความไม่สอดคล้องกันของสายโคแอกเซียล ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการติดตั้งที่เหมาะสมที่สุดนั้นต้องอาศัยความสม่ำเสมอทางเรขาคณิตร่วมกับวัสดุที่ออกแบบมาเพื่อให้พื้นผิวขรุขระน้อยที่สุด และยับยั้งการเกิดโหมดรบกวน (parasitic mode) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ส่วน FAQ

• ข้อเสียหลักของขั้อต่อ SMA คืออะไร

  ข้อเสียหลักของขั้วต่อ SMA คือ เกลียวของขั้วต่อจะสึกหรอหลังจากการต่อและถอดประมาณ 500 ครั้ง ทำให้การต่อเชื่อมซ้ำๆ มีความน่าเชื่อถือลดลงตามเวลา

• เหตุใดขั้วต่อที่ใช้ไดอิเล็กทริกเป็นอากาศจึงได้รับความนิยมมากกว่า 40 GHz

  ขั้วต่อฉนวนอากาศ เช่น ซีรีส์ APC-7 มีความต้องการสูงกว่า 40 กิกะเฮิรตซ์ เนื่องจากช่วยกำจัดปัญหาความไม่เสถียรของเฟส และรักษาความสม่ำเสมอของแอมพลิจูดได้อย่างยอดเยี่ยม ลดการกระโดดของอิมพีแดนซ์เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น

• ปัจจัยใดบ้างที่มีส่วนทำให้เกิดการสูญเสียการแทรกในขั้วต่อคลื่นความถี่ไมโครเวฟ?

  การสูญเสียการแทรกในขั้วต่อ RF คลื่นความถี่ไมโครเวฟได้รับอิทธิพลจากความต้านทานของตัวนำ ความขรุขระของพื้นผิว และความไม่ต่อเนื่องทางเรขาคณิต

• วิศวกรสามารถลดการสะท้อนของสัญญาณในระบบความถี่สูงได้อย่างไร?

  วิศวกรลดการสะท้อนของสัญญาณโดยการรักษาระดับอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม ให้คงที่ มุ่งเป้าค่า VSWR ต่ำกว่า 1.2:1 และใช้ตัวนำแบบร่องเพื่อเพิ่มความเสถียรทางความร้อนระหว่างการใช้งานแบบไซเคิล

• ทำไมการจัดแนวขั้วสัมผัสตรงกลางจึงมีความสำคัญที่ความถี่สูงกว่า 20 กิกะเฮิรตซ์?

  การจัดแนวขั้วสัมผัสตรงกลางมีความสำคัญที่ความถี่สูงกว่า 20 กิกะเฮิรตซ์ เนื่องจากการจัดแนวที่ผิดพลาดสามารถทำให้ค่า return loss เสื่อมสภาพอย่างมาก ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานและการบิดเบือนเฟส ซึ่งมีความจำเป็นต่อการทำงานของเสาอากาศแบบอาร์เรย์ขั้นตอน