บล็อก

อุณหภูมิที่สุดขั้วส่งผลต่อสมรรถนะของสายเคเบิล RF Coaxial อย่างไร

ความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิกับสมรรถนะของสายเคเบิล RF Coaxial

สายส่งสัญญาณแบบ RF coaxial จะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นเมื่อถูกนำไปใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำกว่าช่วงอุณหภูมิมาตรฐานที่กำหนดไว้ระหว่าง -55°C ถึง +125°C เมื่ออุณหภูมิต่ำ ตัวนำไฟฟ้าจะหดตัว ส่งผลให้เกิดการไม่สอดคล้องของอิมพีแดนซ์ ในขณะที่อุณหภูมิสูงจะทำให้วัสดุฉนวนอ่อนตัว ซึ่งจะเปลี่ยนค่าความจุไฟฟ้าต่อเมตร (capacitance-per-meter) ไปถึง 8% (จากการวิเคราะห์อุตสาหกรรมล่าสุด)

ผลกระทบของการขยายตัวจากความร้อนต่อคุณสมบัติของฉนวนและสัญญาณที่ส่งผ่าน

การขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างตัวนำโลหะและฉนวนโพลิเมอร์ ทำให้เกิดช่องว่างระดับไมโครในสายส่งสัญญาณ ความเครียดทางกลนี้จะลดความสม่ำเสมอของความเร็วเฟสลง 12–18% โดยเฉพาะในสายส่งสัญญาณที่ใช้ฉนวน PTFE มาตรฐาน ซึ่งส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณลดลงจากการเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ

ความเสถียรของเฟสและความถี่ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสำหรับการใช้งานที่ความถี่สูง

ระบบความถี่สูงที่ทำงานที่ระดับสูงกว่า 6 GHz มีความเปราะบางเป็นพิเศษต่อการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดจากอุณหภูมิ ความแปรปรวนที่ไม่ได้รับการชดเชยซึ่งเกิน 0.05°/เมตร/°C สามารถรบกวนการทำงานของการสร้างลำแสง (Beamforming) และการซิงโครไนซ์เรดาร์ ทำให้การชดเชยเฟสแบบแอคทีฟมีความจำเป็นอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพที่เสถียร

ข้อมูล: การลอยตัวของเฟส (Phase Drift) สูงสุดถึง 15° ที่พบในสายเคเบิลมาตรฐานที่อุณหภูมิ -55°C ถึง +125°C

การทดสอบในห้องปฏิบัติการบนสายเคเบิล RG-214 ที่วางจำหน่ายทั่วไป แสดงให้เห็นถึงความไม่เสถียรของเฟสและความแปรปรวนของแอมพลิจูด (Amplitude) อย่างมีนัยสำคัญภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ช่วงอุณหภูมิ	ค่าเฉลี่ยการลอยตัวของเฟส	ความแปรปรวนของแอมพลิจูด
-55°C ถึง +85°C	9.7° ±1.2°	±0.8 dB
-65°C ถึง +125°C	14.3° ±2.1°	±1.4 dB

ในทางตรงกันข้าม สายเคเบิลเกรดการบินและอวกาศที่มีฉนวนกันความร้อนแบบฉีดไนโตรเจนแสดงให้เห็นว่ามีการเลื่อนเฟสต่ำลง 72% ในสภาวะเดียวกัน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณค่าของการออกแบบวัสดุด้วยเทคโนโลยีขั้นสูง

วิธีการทดสอบมาตรฐานสำหรับความน่าเชื่อถือด้านความร้อนของสายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียล

การทดสอบความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบ Thermal Cycling ตามมาตรฐาน MIL-STD-202 และบทบาทของมันในการประเมินความทนทานของสายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียล

มาตรฐาน MIL-STD-202 กำหนดวิธีการทำงานของการทดสอบความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (thermal cycling) สำหรับสายสัญญาณ RF แบบ coaxial เมื่อถูกนำไปใช้งานภายใต้สภาวะอุณหภูมิที่สุดขั้วตั้งแต่ -55 องศาเซลเซียส ไปจนถึง +125 องศาเซลเซียส การทดสอบนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อจำลองสภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างรุนแรงในโลกแห่งความเป็นจริง โดยจุดประสงค์หลักของกระบวนการทดสอบนี้คือการตรวจสอบจุดที่วัสดุเริ่มเสื่อมสภาพตามกาลเวลา จากการสังเกตพบว่าสายสัญญาณมาตรฐานสามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงของเฟส (phase drift) ได้ราว 15 องศา หลังจากที่ผ่านการทดสอบเพียง 50 รอบอุณหภูมิเต็มรูปแบบ นอกจากนี้ ยังมีวิธีการทดสอบสมัยใหม่ที่สามารถติดตามตรวจสอบความเสถียรของค่าอิมพีแดนซ์ (impedance stability) ขณะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะช่วยให้สามารถตรวจจับปัญหาที่โครงสร้างตาข่าย (braid construction) ของสายสัญญาณ และปัญหาที่เกิดจากการยึดเกาะของวัสดุฉนวน (dielectric material) ที่ไม่สมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการผลิต

การวัดค่าการสูญเสียจากการแทรก (Insertion Loss) และประสิทธิภาพอัตราการสะท้อนกำลังงาน (VSWR) ภายใต้ภาวะความเครียดจากอุณหภูมิ

ในการทดสอบความเครียดจากความร้อน การสูญเสียการแทรกและการอัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าแบบยืนนิ่ง (VSWR) ถือเป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก สายสัญญาณคุณภาพสูงสามารถรักษาระดับการสูญเสียการแทรกไว้ต่ำกว่า 0.8 เดซิเบล ตลอดช่วงความถี่ 1–10 กิกะเฮิรตซ์ แม้จะผ่านการทดสอบด้วยความร้อนมากกว่า 200 รอบ โดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ที่ได้รับการปรับเทียบแล้ว ผู้ผลิตสามารถระบุความเบี่ยงเบนของ VSWR ที่เกิน 1.25:1 ซึ่งบ่งชี้ถึงสภาพตัวเชื่อมต่อที่เสื่อมลง เป็นสัญญาณเตือนล่วงหน้าสำหรับการติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการทดสอบสายสัญญาณแบบโคแอกเชียล

มาตรฐานสำคัญที่ใช้ในการตรวจสอบประสิทธิภาพของสายสัญญาณโคแอกเชียล RF ได้แก่

มาตรฐาน	ประเภทการทดสอบ	เกณฑ์ประสิทธิภาพ
MIL-STD-202	การหมุนเวียนทางความร้อน	≤0.5 เดซิเบล การสูญเสียการแทรกแบบแปรผัน
IEC 61196-1	การทดสอบการงอ	ทนต่อการงอมากกว่า 10,000 ครั้งโดยไม่เกิดความล้มเหลว
EIA-364-32	ความต้านทานการสั่น	ไม่มีการสั่นพ้องทางกล ≤2000 เฮิรตซ์

ผู้ผลิตมักจะเกินมาตรฐานพื้นฐานเหล่านี้ โดยมั่นใจในความเสถียรของเฟส (±2°) และการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำ (50Ω ±1Ω) โดยเฉพาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและป้องกันประเทศ ซึ่งความน่าเชื่อถือมีความสำคัญสูงสุด

ความท้าทายด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

ผลกระทบของตัวเชื่อมต่อและจุดเปลี่ยนต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ RF ในอุณหภูมิสุดขั้ว

เมื่อพูดถึงความเครียดจากความร้อน ตัวต่อต่างๆ มักเป็นจุดที่มีแนวโน้มเกิดความล้มเหลว โดยเฉพาะตัวเชื่อมต่อทองเหลืองชุบนิกเกิลที่เราเห็นได้ทั่วไปในระบบอุตสาหกรรม ซึ่งมีอัตราการขยายตัวประมาณ 9 ถึง 14 ไมครอนต่อเมตรต่อองศาเซลเซียส เกิดอะไรขึ้น? ช่องว่างในระดับไมโครจะเกิดขึ้นระหว่างการเชื่อมต่อ และคุณคิดว่าช่องว่างเหล่านี้ทำอะไร? ช่องว่างเหล่านี้จะเพิ่มค่า return loss ประมาณ 0.8 ถึง 1.2 เดซิเบล ในช่วงความถี่ 4 ถึง 12 กิกะเฮิรตซ์ เมื่อส่วนประกอบเหล่านี้ผ่านวงจรอุณหภูมิจากลบ 40 องศาไปจนถึงบวก 85 องศาเซลเซียส ส่วนแบบเคลือบเงินอาจยังคงรักษาการสัมผัสได้ดีกว่า แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน ตัวแบบเคลือบเงินจะเกิดการคล้ำเสียหายเร็วขึ้นมากในพื้นที่ชายฝั่ง เนื่องจากกำมะถันสะสมตัวในช่วงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเดียวกันนี้ การทดสอบเมื่อปี 2022 โดย TÜV Rhineland แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเร็วขึ้นประมาณ 37% เมื่อเทียบกับตัวเชื่อมต่อทั่วไป

การหยุดชะงักของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากการหดตัวจากความร้อนแบบต่างระดับในสายส่ง

ความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน—ฉนวน PTFE (108–126 µm/m/°C) เทียบกับตัวนำไฟฟ้าทองแดง (16.5 µm/m/°C)—ก่อให้เกิดแรงดันเครียดเชิงกลสูงถึง 14 MPa ระหว่างการใช้งานแบบซ้ำๆ แรงดันนี้ทำให้โครงสร้างสายแบบโคแอกเชียลเกิดการบิดงอ ส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์สูงถึง 3.8 Ω ในสายสัญญาณที่มีค่าอิมพีแดนซ์ 50Ω ซึ่งนำไปสู่การเกิดคลื่นรบกวนที่มีแอมพลิจูดสูงถึง 18% ในสัญญาณ 5G NR ที่ความถี่สูงกว่า 24 GHz

กรณีศึกษา: การเสื่อมสภาพของสัญญาณในสายโคแอกเชียล RF สำหรับการบินและอวกาศอันเนื่องมาจากแรงดันจากอุณหภูมิที่เกิดขึ้นซ้ำๆ

งานวิจัยที่เผยแพร่ในปี 2023 ได้ศึกษาระบบแถงแอนเทนาแบบลำดับชั้น (phased array) บนดาวเทียมที่โคจรรอบโลกในระดับต่ำ (low Earth orbit) และค้นพบสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับสายสัญญาณ RF แบบเกลียว (helical RF cables) เหล่านี้ โดยพบว่ามีการเกิดการเปลี่ยนแปลงของเฟส (phase shift) ประมาณ 0.12 องศา ต่อแต่ละรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ตลอดวงโคจรประมาณ 200 รอบ ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงระหว่าง -164 องศาเซลเซียส ถึง +121 องศาเซลเซียส นอกจากนี้ยังมีปัญหาอื่นๆ ตามมาอีกด้วย โดยวัสดุฉนวนที่ใช้เทฟลอน (Teflon) เป็นฐานเกิดรอยร้าวเล็กๆ ตามแนวแกนเมื่อเวลาผ่านไป ส่งผลให้การสูญเสียสัญญาณ (insertion loss) เพิ่มขึ้นอย่างมาก จาก 0.25 เดซิเบลต่อเมตร (dB/m) ไปจนถึง 1.7 dB/m ที่ความถี่ประมาณ 12 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) หลังจากอยู่ในอวกาศนานประมาณ 18 เดือน ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการถูกกระทำซ้ำๆ ด้วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่รุนแรงสามารถก่อให้เกิดปัญหาประสิทธิภาพที่ร้ายแรงในองค์ประกอบสำคัญเหล่านี้

Advanced Materials Enhancing RF Coaxial Cable Thermal Resilience

Performance of PTFE, FEP, and Ceramic-Filled Dielectrics Under Prolonged Thermal Exposure

สายสัญญาณแบบ RF coaxial ในปัจจุบันพึ่งพาสารกันไฟฟ้าที่มีความซับซ้อน เพื่อให้สามารถทำงานได้ดีแม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงจากต่ำสุดที่ลบ 65 องศาเซลเซียส ไปจนถึงสูงสุดที่ 200 องศาเซลเซียส ตัวอย่างเช่น PTFE มันสามารถรักษาระดับค่าคงที่ได้ดี โดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยที่ ±0.02 หลังจากอยู่ที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียสมาเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงติดต่อกัน อีกตัวอย่างคือ FEP ซึ่งไม่แตกร้าวแม้ในอุณหภูมิที่ติดลบถึง 80 องศา ทำให้มันเหมาะมากสำหรับสภาพแวดล้อมที่เย็นจัด เช่น ห้องปฏิบัติการด้านไครโอเจนิกส์ (cryogenics labs) สำหรับสถานการณ์ที่ต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่ร้อนจัดและเย็นจัดสลับกัน วัสดุคอมโพสิตที่ผสมเซรามิกส์กำลังได้รับความนิยม เพราะสามารถลดการขยายตัวจากความร้อนได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับพอลิเอทิลีนแบบธรรมดา สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างมากต่อการทำงานของดาวเทียมที่โคจรรอบโลก ซึ่งอุณหภูมิอาจเปลี่ยนแปลงขึ้นลงอย่างรุนแรงระหว่างช่วงเวลากลางวันและกลางคืน

คุณสมบัติการนำความร้อนและการกระจายความร้อนของวัสดุฉนวนในปัจจุบัน

วัสดุ	ความสามารถในการนำความร้อน (W/m·k)	ช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม
แอโรเจล	0.015	-100°C ถึง +300°C
ซิลิโคน-รูเบอร์ไฮบริด	0.25	-60°C ถึง +180°C
คอมโพสิตโบโรนไนไตรด์	30	+100°C ถึง +500°C

สายเคเบิลที่มีฉนวนแบบแอโรเจลสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพถึง 92% ในสถานีฐาน 5G ป้องกันการบิดเบือนเฟสขณะส่งสัญญาณกำลังสูง คอมโพสิตโบโรนไนไตรด์ช่วยลดจุดร้อนทางความร้อนลง 68% ในระบบเรดาร์ทหาร รักษาค่า VSWR ไว้ต่ำกว่า 1.25:1 ระหว่างที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

นวัตกรรมในการทดสอบในห้องปฏิบัติการเพื่อประเมินสมรรถนะทางความร้อนในสภาพจริง

การจำลองสภาพแวดล้อมจริงโดยใช้ห้องทดสอบสภาพอากาศและเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายแบบเวกเตอร์

ห้องทดสอบสภาพอากาศทำงานร่วมกับเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายแบบเวกเตอร์ (VNAs) เพื่อจำลองสภาพอุณหภูมิสุดขั้ว เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่าง -65°C ถึง +200°C พร้อมทั้งตรวจสอบความเสถียรของเฟสและความต้านทานไฟฟ้า VNAs วัดค่าการสูญเสียการแทรก (ยอมรับการเสื่อมสภาพได้ ≤0.15 dB) และค่าการสูญเสียการสะท้อน (เป้าหมาย ≥25 dB) ที่ความละเอียด 0.1 dB ให้ข้อมูลเชิงลึกที่แม่นยำเกี่ยวกับพฤติกรรมของสายเคเบิลภายใต้ภาวะความเครียด

การศึกษาเกี่ยวกับการผลิตแบบไฮบริดในปี 2024 ได้ให้การรับรองวิธีนี้ โดยแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์กัน 98% ระหว่างการจำลองในห้องทดลองกับข้อมูลภาคสนามจากระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมที่เผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในวงโคจร

การปรับเทียบระบบคลื่นความถี่วิทยุ (RF) ด้วยความแปรปรวนของสายสัญญาณที่เกิดจากอุณหภูมิ

เมื่อต้องทำงานกับสายสัญญาณแบบโคแอกเชียล วิศวกรมักหันไปใช้อัลกอริทึมการปรับเทียบแบบปรับตัว เพื่อรับมือกับปัญหาที่เกิดจากแรงขยายและหดตัวจากความร้อน โดยระบบจะรับข้อมูลอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ จากนั้นจึงปรับแต่งเครือข่ายจับคู่เฟส (phase matching networks) ทำให้ลดการเกิดคลื่นแอมพลิจูด (amplitude ripple) ให้อยู่ต่ำกว่า 0.8 เดซิเบล แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงในช่วงกว้างถึง 50 องศาเซลเซียส การทดสอบภาคสนามยังได้แสดงผลลัพธ์ที่น่าประทับใจอีกด้วย การปรับแต่งเหล่านี้สามารถลดค่า VSWR ลงได้ประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ ในแถวลำแสงความถี่มิลลิเมตร (millimeter wave arrays) ที่ 28 GHz ซึ่งเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันสูงสุดถึง 100 องศาเซลเซียส สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดความน่าเชื่อถือของสัญญาณที่ดีขึ้นมาก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบการสื่อสารที่ความถี่สูง ที่ซึ่งการปรับปรุงเล็กน้อยก็มีความหมายมาก

คำถามที่พบบ่อย

สายสัญญาณโคแอกเชียล RF คืออะไร

สายสัญญาณโคแอกเชียล RF คือประเภทหนึ่งของสายไฟฟ้าที่ใช้หลักในการส่งสัญญาณความถี่วิทยุในงานประยุกต์ต่างๆ เช่น โทรคมนาคม การกระจายเสียง และเครือข่าย

อุณหภูมิสุดขั้วมีผลต่อสายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียลอย่างไร

อุณหภูมิสุดขั้วสามารถทำให้สายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียลเสื่อมสภาพเร็วขึ้น โดยส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานเนื่องจากตัวนำไฟฟ้าหดตัวและวัสดุฉนวนขยายตัว ซึ่งก่อให้เกิดการไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ และเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสัญญาณ

จะป้องกันหรือแก้ไขปัญหาประสิทธิภาพของสายสัญญาณ RF แบบโคแอกเชียลที่ใช้งานในอุณหภูมิสุดขั้วได้อย่างไร

วัสดุขั้นสูง เช่น PTFE, FEP และวัสดุฉนวนที่ผสมสารเซรามิกส์ ช่วยเพิ่มความทนทานต่อความร้อน วิธีการทดสอบในห้องปฏิบัติการด้วยเครื่องมือจำลองสภาพแวดล้อมและเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายแบบเวกเตอร์ (VNA) ยังสามารถใช้จำลองสภาพการใช้งานจริง เพื่อประเมินและปรับปรุงประสิทธิภาพได้

เหตุใดความเสถียรของเฟสจึงมีความสำคัญในระบบ RF

ความเสถียรของเฟสมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณและประสิทธิภาพในการทำงานที่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะในแอปพลิเคชันที่มีความถี่สูง เนื่องจากเฟสที่เปลี่ยนแปลงไปอาจรบกวนการทำงาน เช่น การควบคุมลำแสง (beamforming) และการซิงโครไนซ์ (synchronization)