บล็อก

ประสิทธิภาพ RF: ความสมบูรณ์ของสัญญาณ อิมพีแดนซ์ และการรองรับความถี่

การสูญเสียสัญญาณ (Attenuation), การสะท้อนกลับ (Return Loss), และ VSWR — ตัวชี้วัดหลักสำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณในสายเคเบิลโคแอกเชียล RF

เมื่อพูดถึงการรักษาระดับสัญญาณที่ดีในสายเคเบิลโคแอกเชียลแบบ RF วิศวกรจะพิจารณาปัจจัยหลัก ๆ อยู่สามประการ ได้แก่ การลดทอนสัญญาณ (attenuation) การสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนกลับ (return loss) และสิ่งที่เรียกว่า VSWR เริ่มต้นจากเรื่องการลดทอนสัญญาณ ซึ่งบ่งบอกให้รู้ว่าสัญญาณสูญเสียความแรงไปมากน้อยเพียงใดระหว่างการเดินทางผ่านสายเคเบิล ปัจจัยนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการติดตั้งระยะไกล เพราะแม้ค่าการสูญเสียเพียง 0.5 dB ต่อเมตรอาจดูไม่มากบนกระดาษ แต่ในทางปฏิบัติสามารถสร้างผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญได้ จากนั้นคือการสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนกลับ ซึ่งวัดเป็นเดซิเบล (dB) ตัวเลขนี้แสดงให้เห็นว่าสัญญาณมีการสะท้อนกลับมาเป็นจำนวนเท่าใดแทนที่จะส่งผ่านระบบไปอย่างเหมาะสม โดยทั่วไป ผู้เชี่ยวชาญถือว่าค่าที่สูงกว่า 15 dB ถือว่าดีพอสมควร เนื่องจากหมายความว่าสัญญาณส่วนใหญ่สามารถส่งผ่านไปได้โดยไม่เกิดการสะท้อนกลับ ส่วนอัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (Voltage Standing Wave Ratio: VSWR) ควรคงอยู่ต่ำกว่าประมาณ 1.5 ต่อ 1 เพื่อป้องกันไม่ให้การสะท้อนกลับที่ไม่ต้องการรบกวนอุปกรณ์รับสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อน ข้อมูลบางประการจากอุตสาหกรรมชี้ให้เห็นว่า เมื่อความต้านทานเชิงลักษณะ (impedance) เริ่มเบี่ยงเบนเกินกว่า 5% เราอาจสูญเสียพลังงานที่ส่งออกได้ถึงประมาณ 30% ตัวเลขระดับนี้อธิบายได้ว่าทำไมในปัจจุบันผู้ผลิตจึงใช้เวลานานมากในการพัฒนาและปรับปรุงการออกแบบสายเคเบิลของตน

ความต้านทาน 50-ohm เทียบกับ 75-ohm: การจับคู่ข้อกำหนดของระบบเพื่อลดการสะท้อนของสัญญาณให้น้อยที่สุด

การจับคู่ความต้านทานเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันการสะท้อนของสัญญาณที่ทำลายสัญญาณ

• สายเคเบิล 50 โอห์ม เป็นมาตรฐานในระบบการสื่อสารไร้สาย เช่น เครือข่ายโทรศัพท์มือถือ และเรดาร์ ซึ่งการจัดการกำลังไฟฟ้าอย่างเหมาะสมและการมี VSWR ต่ำมีความสำคัญอย่างยิ่ง
• สายสัญญาณ 75-ohm เป็นที่นิยมในงานกระจายสัญญาณและวิดีโอเนื่องจากมีความจุต่ำ ซึ่งช่วยรักษาความถูกต้องของสัญญาณความถี่สูง
  การต่อเชื่อมอุปกรณ์ที่ไม่สอดคล้องกัน เช่น สายสัญญาณ 75-ohm เข้ากับอุปกรณ์ 50-ohm อาจทำให้เกิดการสะท้อนของพลังงานได้สูงถึง 36% ของพลังงานที่ตกกระทบ สร้างคลื่นนิ่งที่บิดเบือนสัญญาณ การรักษาระบบที่มีความต้านทานสอดคล้องกันตลอดทั้งระบบจึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้

ความสามารถของช่วงความถี่และผลกระทบโดยตรงต่อการลดทอนและการเสถียรภาพของเฟส

ความถี่ในการทำงานมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและการเลือกสายสัญญาณ:

การป้องกัน EMI: สถาปัตยกรรมการป้องกันและการทำงานที่มีประสิทธิภาพ

การป้องกันแบบถัก เฟอร์นิเจอร์ และแบบผสม — ข้อแลกเปลี่ยนในด้านการปกคลุม ความยืดหยุ่น และการปฏิเสธสัญญาณรบกวน RF ในสายเคเบิลโคแอ็กเซียล

วิธีการออกแบบการป้องกันมีความสำคัญอย่างมากเมื่อพูดถึงการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ฉนวนแบบถักทอจะประกอบด้วยลวดทองแดงที่สานกันแน่นและให้ความแข็งแรงเชิงกลที่ดี โดยมีพื้นที่ครอบคลุมประมาณ 70 ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ สิ่งเหล่านี้ทำงานได้ดีในพื้นที่ที่มีการสั่นสะเทือนมาก แต่ไม่สามารถทำงานได้ดีนักในความถี่ที่สูงมาก ๆ อีกประเภทหนึ่งคือ ฉนวนแบบฟอยล์ ซึ่งสามารถปกคลุมเกือบทุกส่วนเนื่องจากใช้ชั้นบาง ๆ ของอลูมิเนียมหรือทองแดง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในช่วงความถี่ GHz แต่ฟอยล์เหล่านี้มักจะเสียหายได้ง่ายเมื่อมีการดัดโค้งไปมาหลายครั้ง นั่นจึงเป็นเหตุผลที่วิศวกรจำนวนมากเลือกวิธีแบบผสมผสานที่รวมเอาวิธีทั้งสองเข้าด้วยกัน ซึ่งสามารถป้องกันสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการลดสัญญาณรบกวนมากกว่า 90 เดซิเบล และยังคงความยืดหยุ่นเพียงพอที่จะไม่หักหรือเสียหาย ด้วยเหตุผลของความสมดุลนี้ การป้องกันแบบผสมผสานจึงกลายเป็นทางเลือกหลัก โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ต้องการความไวสูง เช่น อุปกรณ์การบินและอวกาศ และอุปกรณ์ทางการแพทย์ ที่ซึ่งการกำจัดสัญญาณไฟฟ้ารบกวนทั้งหมดไม่สามารถยอม compromise ได้

ค่าประสิทธิภาพการป้องกันสัญญาณรบกวน (SE) และการออกแบบหลายชั้นที่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อสัญญาณรบกวน

ประสิทธิภาพการป้องกันสัญญาณรบกวน (SE) ของสายเคเบิล ซึ่งวัดเป็นเดซิเบล (dB) โดยพื้นฐานจะบ่งบอกถึงความสามารถในการป้องกันสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีเพียงใด สายเคเบิลเชิงพาณิชย์ทั่วไปส่วนใหญ่มีค่าเริ่มต้นอยู่ที่ประมาณ 40 dB แต่เมื่อเข้าสู่ระดับทหาร ตัวเลขเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นอย่างมากเกิน 125 dB ไปแล้ว เมื่อผู้ผลิตเลือกใช้การออกแบบแบบหลายชั้น เช่น การรวมแผ่นฟอยล์กับถักถ่าง (braiding) จะทำให้เกิดเกราะป้องกันสองชั้นที่แตกต่างกันจากการรบกวน ตัวส่วนฟอยล์นั้นทำงานได้ดีเยี่ยมในการสะท้อนสัญญาณความถี่สูงที่ก่อความรำคาญ ในขณะที่ส่วนที่เป็นตาข่ายถักจะจัดการกับความถี่ต่ำได้ดีกว่า การนำทั้งสองส่วนนี้มาประกอบกันจะช่วยลดการรั่วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าลงได้อย่างมาก อาจลดลงได้ถึงประมาณ 85% เมื่อเทียบกับระบบป้องกันแบบชั้นเดียวธรรมดา การต่อปลายสาย (termination) ให้รอบทิศทาง 360 องศา และการต่อสายกราวด์เป็นส่วนๆ อย่างถูกต้อง จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมได้อย่างมาก แนวทางปฏิบัติเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานที่ที่เต็มไปด้วยกิจกรรมแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น หอคอยสัญญาณ 5G สมัยใหม่ หรือระบบเครื่องบิน ซึ่งความชัดเจนของสัญญาณอาจหมายถึงความสำเร็จหรือความล้มเหลว

วัสดุและการผลิตที่มีคุณภาพเพื่อประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอของสายสัญญาณ RF Coaxial

วัสดุฉนวน (โฟม PE, PTFE) และความบริสุทธิ์ของตัวนำตรงกลาง — บทบาทของพวกมันต่อความเร็วในการแพร่กระจายและการสูญเสียสัญญาณ

สิ่งที่อยู่ระหว่างตัวนำตรงกลางและชั้วปกคลุม มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของสายเคเบิล วัสดุโฟมโพลีเอทิลีนและพีทีเฟ (PTFE) ช่วยลดการสูญเสียสัญญาณลงได้ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับไดอิเล็กทริกแบบแข็งทั่วไป เนื่องจากวัสดุดังกล่าวมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำมาก อยู่ในช่วงประมาณ 1.3 ถึง 2.1 ส่งผลให้สัญญาณเดินทางผ่านได้เร็วกว่า และยังคงความเสถียรภาพแม้ที่ความถี่สูงเกิน 6 กิกะเฮิรตซ์ สำหรับตัวนำตรงกลางนั้น ทองแดงปราศจากออกซิเจน (OFC) กำลังกลายเป็นตัวเลือกยอดนิยมในปัจจุบัน ซึ่งสามารถส่งสัญญาณได้มากกว่า 100% ของระดับการนำไฟฟ้ามาตรฐานตามการวัดค่า IACS หมายความว่ามีความต้านทานต่ำกว่าตัวนำอลูมิเนียมประมาณ 25% อีกทั้ง เนื่องจาก OFC มีความบริสุทธิ์สูง ทำให้เกิดการบิดเบือนสัญญาณจากผลกระทบผิวหนัง (skin effect) น้อยลงในอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ช่วยรักษาคุณภาพของสัญญาณไม่ว่าอุปกรณ์จะทำงานในสภาวะร้อนหรือเย็น ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานคงที่อยู่เสมอ ไม่ว่าอุปกรณ์จะเผชิญกับสภาพแวดล้อมแบบใด

สารประกอบเปลือกนอก (LSZH, TPE, ฟลูออรีนโพลิเมอร์) เพื่อความเข้ากันได้กับสิ่งแวดล้อมและความทนทานเชิงกล

ปลอกสายเคเบิลทำหน้าที่เป็นแนวป้องกันแรกจากการเสียหายจากสิ่งแวดล้อมและการสึกหรอทางกล วัสดุที่ระบุว่า LSZH มีสูตรพิเศษเพื่อลดควันพิษเมื่อเผชิญกับไฟ และผ่านการทดสอบ UL 1685 ที่สำคัญสำหรับการติดตั้งแบบถาดแนวตั้ง ซึ่งทำให้วัสดุดังกล่าวเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับพื้นที่ที่มีคนรวมตัวกันหรือทำงานใกล้ชิดกัน TPE มีความโดดเด่นในเรื่องความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยมแม้ในอุณหภูมิที่หนาวจัดถึงประมาณลบ 55 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ยังทนทานต่อการดัดและเสียดสีอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นสิ่งที่สายเคเบิลต้องเผชิญบ่อยครั้งในสภาพการใช้งานจริง สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง สารเคลือบฟลูออร์โพรพิลีน เช่น FEP ให้การป้องกันที่เหนือกว่าจากแสงแดดที่ทำให้วัสดุเสื่อมสภาพ ความร้อนที่สูงถึง 150 องศาเซลเซียส และสารกัดกร่อนที่พบในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรม สิ่งสำคัญที่สุดคือ โซลูชันปลอกหุ้มสมัยใหม่เหล่านี้ยังคงความสมบูรณ์มากกว่าสิบปีเมื่อใช้งานกลางแจ้ง รักษาระดับคุณภาพของสัญญาณให้มีเสถียรภาพ แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงจนเกิดการขยายตัวและหดตัวตามปกติ

ความน่าเชื่อถือทางกลและสิ่งแวดล้อมสำหรับการติดตั้งที่มีความต้องการสูง

สายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียลที่ออกแบบมาเพื่อประสิทธิภาพสูงสามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงได้ดี สายเหล่านี้สร้างขึ้นมาเพื่อต้านทานแรงบีบอัดที่มากกว่า 500 นิวตัน ทนต่อการโค้งงอได้ประมาณ 10,000 ครั้ง และทำงานได้อย่างเชื่อถือได้แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงระหว่าง -55 องศาเซลเซียส ถึง +125 องศาเซลเซียส ชั้นฉนวนหุ้มด้านนอกทนต่อความเสียหายจากแสงยูวีที่เกิดจากแสงแดด และชั้นพิเศษช่วยป้องกันความชื้น ทำให้สายรักษาระดับคุณภาพของสัญญาณได้ดีแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง ผลิตจากวัสดุที่ไม่เกิดปฏิกิริยาทางเคมี สายเหล่านี้จึงทนต่อเชื้อเพลิง ตัวทำละลายต่างๆ และอากาศที่มีความเค็ม ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในสถานที่เช่น เครื่องบิน เรือ และโรงงานอุตสาหกรรม เมื่อเกิดการสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง โครงสร้างของสายจะช่วยยึดตัวนำไม่ให้ขยับ ซึ่งช่วยรักษาระดับสัญญาณให้ชัดเจนแม้จะอยู่ภายใต้แรงเครียดเชิงกลอย่างต่อเนื่อง ตัวเชื่อมต่อที่ได้รับการจัดอันดับ IP67 ป้องกันฝุ่นและน้ำไม่ให้ซึมเข้าไปภายใน ทำให้เหมาะสมสำหรับใช้ในทะเลทรายที่มีฝุ่นหรือแท่นผลิตนอกชายฝั่งที่มีความชื้นสูง สายเหล่านี้ได้ผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวด รวมถึงการทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันตามมาตรฐานทางทหารและการทดสอบเร่งการเสื่อมสภาพ ด้วยเหตุนี้ สายจึงให้ระดับ PIM ต่ำ รักษาระดับความหน่วงเวลาให้คงที่ และส่งสัญญาณได้อย่างต่อเนื่อง จึงให้ประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในจุดที่ไม่สามารถเกิดความล้มเหลวได้

คำถามที่พบบ่อย

ปัจจัยใดบ้างที่มีผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในสายส่ง RF แบบโคแอกเชียล?

ปัจจัยสำคัญ ได้แก่ การสูญเสียสัญญาณ (attenuation), การสูญเสียจากการสะท้อนกลับ (return loss) และ VSWR ซึ่งมีความสำคัญต่อการรักษาระดับความแรงของสัญญาณ ลดการสะท้อนของสัญญาณ และรับประกันการส่งสัญญาณอย่างมีประสิทธิภาพ

การจับคู่ความต้านทานเชิงซ้อน (impedance matching) มีผลต่อประสิทธิภาพของสายส่ง RF แบบโคแอกเชียลอย่างไร?

การจับคู่ความต้านทานเชิงซ้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการสะท้อนของสัญญาณและการสูญเสียพลังงาน เพื่อให้ระบบทำงานได้อย่างมั่นคงและสม่ำเสมอ

วัสดุใดบ้างที่เหมาะสมสำหรับเปลือกหุ้มสายส่ง RF แบบโคแอกเชียล?

เปลือกหุ้มที่ทำจาก LSZH, TPE และฟลูออรีนโพลิเมอร์ ให้การป้องกันสิ่งแวดล้อมและความทนทานทางกล ช่วยรักษาระดับคุณภาพของสัญญาณภายใต้สภาวะต่างๆ