รายงานการวิจยั การพฒั นาสายอากาศไมโครสตริปชนิดอ่อนแบบมีภาคขยายสญั ญาณ สาํ หรบั รบั สญั ญาณโทรทศั น์ระบบดิจิทลั ภาคพืน้ ดิน Development of Microstrip Flexible Active Antenna for Terrestrial Digital Television Reception โดย ธีรพงษ์ ประทมุ ศิริ ทนุ วิจยั กองทนุ รชั ดาภิเษกสมโภช ปี งบประมาณ 2561 ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ จฬุ าลงกรณ์มหาวิทยาลยั มีนาคม 2562
i กติ ติกรรมประกาศ ผูวิจัยขอขอบพระคุณกองทุนรัชดาภิเษกสมโภช ประจําป 2561 จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย ที่ให ทุนสนับสนุนโครงการวิจัยในการทําวิจัยคร้ังน้ี ขอขอบคุณ คุณพรมมปภัส ภัครพรพรรณ ผูชวยผูวิจัยและ เจาหนาที่ประจาํ โครงการ Chula Transformation จุฬาลงกรณมหาวิทยาลยั ท่ีไดใหความชวยเหลอื และ ประสานงานกับหนวยงานภายนอกและมีสว นรวมในการการวัดและทดสอบ ขอขอบคุณ ดร.ภาณุวัฒน จันทรภักดี อาจารยประจําสาขาส่ือสาร ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟาและนิสิต ในท่ี ปรึกษาท่ีชวยคนควาสนับสนุนภาคทฤษฎีการออกแบบและสรางภาคขยายสัญญาณของสายอากาศ ขอขอบคุณหองปฏิบัติการพื้นฐานไฟฟาสื่อสาร หองปฏิบัติการวิจัยคลื่นแมเหล็กไฟฟา และหองปฏิบัติการ พื้นฐานไฟฟาส่ือสาร สาขาไฟฟาส่ือสาร ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา คณะวิศวกรรมศาสตร จุฬาลงกรณ มหาวิทยาลัย สําหรับการทําวิจัยคร้ังนี้ คณะผูวิจัยขอขอบพระคุณทานเจาของตํารา เอกสารอางอิง เวป ไซด ตางๆทั้งในและตางประเทศท่ีเปนแหลงคนควาขอมูลทําใหการวิจัยสําเร็จลุลวงไดดวยดี ผูวิจัยจะไดนํา ความรทู ่ไี ดร ับคร้งั นีเ้ ผยแพรเ ปนวทิ ยาทานเพอ่ื ประโยชนตอสังคมสมดงั เจตนารมณของผูใหก ารสนบั สนุนทุน วจิ ยั สืบไป
ii ช่ือโครงการ การพฒั นาสายอากาศไมโครสตริปชนดิ ออนแบบมีภาคขยายสัญญาณสําหรับรับสญั ญาณ โทรทัศนร ะบบดจิ ิทัลภาคพ้ืนดิน ช่อื ผูดําเนินการ นายธีรพงษ ประทมุ ศริ ิ เดือนและปทที่ ําสําเรจ็ มีนาคม 2562 บทคัดยอ การพฒั นาสายอากาศสายอากาศชนดิ ออนแบบมีภาคขยายสญั ญาณสาํ หรบั ใชงานรับสัญญาณโทรทัศน ระบบดิจทิ ัลภาคพน้ื ดินเพอ่ื แกปญ หาในพ้นื ที่ที่มีสัญญาณออนเนื่องจากหางไกลจากสถานีสง สัญญาณ ลกั ษณะโครงสรางของตวั สายอากาศถูกออกแบบเปนเสน ลายวงจรแบบขดวกวนลงบนแผนโพลีไอมายดท่ี ความหนาเพียง 0.3 มิลลิเมตร จึงสามารถโคงบดิ งอได มนี ้ําหนักเบา ขั้นตอนการจาํ ลองการออกแบบและ สรางจะใชโ ปรแกรมเชงิ พาณิชย การเพ่ิมการออกแบบวงจรภาคขยายสญั ญาณฝง ลงบนแผน สายอากาศจะ ทาํ ใหส ายอากาศเปน ชนดิ แอ็คทฟี โดยแทรกวงจรภาคขยายระหวา งปลายเสน ขดวกวนกับจดุ ปอ นสัญญาณ ทัง้ นจ้ี ะตองคํานึงถึงคา อมิ พิแดนซของสายอากาศใหเหมาะสม สายอากาศชนิดออนแบบมีภาคขยาย สัญญาณตน แบบทส่ี รา งขน้ึ จะถูกนาํ ไปทาํ การวัดและทดสอบ 4 ขน้ั ตอน ไดแก วดั ในหองปฏิบัติการวิจัยคลน่ื แมเ หล็กไฟฟา วัดในภาคสนาม ตดิ ตัง้ สายอากาศในรถวดั สัญญาณขณะรถว่ิงและวดั ในหองสภาพแวดลอ ม การใชง านจรงิ ผลการวัดคาพารามิเตอรต างๆเปน ไปตามท่ีตอ งการ ไดแกคา อัตราการสะทอ นกลบั นอยกวา 10 dB คาอตั ราขยายสูงถึง 18 dB รูปแบบการแพรกระจายคล่นื เปนแบบรอบตวั เหมาะสาํ หรับใชง านรบั สญั ญาณโทรทศั นระบบดิจิทัลท่ยี า นความถี่ 510-790 MHz การนาํ สายอากาศตนแบบไปติดตงั้ ในรถยนต นับเปน ส่งิ ทาทายเปน การทดสอบสัญญาณขณะเคล่ือนที่ โดยทาํ การวดั ทั้งในพ้ืนทก่ี รุงเทพมหานคร ปริมณฑลและตา งจังหวดั เพอ่ื ทดสอบประสทิ ธภิ าพสายอากาศพบวา ระดับสัญญาณที่รับไดส มั พันธกบั ความเรว็ เฉลย่ี ท่ี 60-80 กม./ชม. สัญญาณภาพไมเกิดการกระตกุ หรือคา งตลอดเสน ทางการทดสอบแสดงให เห็นวา สายอากาศชนิดออ นแบบมภี าคขยายสญั ญาณฝง ไวใ นสายอากาศท่ีออกแบบและสรางขึน้ น้ี มี ประสทิ ธิภาพสงู ควรมีการพัฒนาตอ ไป คาํ สําคญั : สายอากาศไมโครสตรปิ , สายอากาศชนิดออนแบบมภี าคขยายสัญญาณ, สายอากาศโทรทัศน ดิจิทัล
iii Project Title: Development of Microstrip Flexible Active Antenna for Terrestrial Digital TV Reception Name of the Investigator: Mr. Teerapong Pratumsiri, Abstract The development of a flexible printed active antenna for the digital television (DTV) reception in areas having poor signal or in high-rise buildings. The antenna structure is composed of a meander line printed on a polyimide film as a radiating element. It has a thickness of 0.3 mm, highly flexible, and very lightweight. The design and analysis of the radiating element are based on a full-wave method implemented by a commercial electromagnetic simulation software. The amplifier circuit consisting of a surface-mount transistor and passive components are integrated directly on the polyimide film, residing next to the feed line, to improve the antenna performance and minimize the whole antenna dimension. The impedance matching between the radiating element, the feed line, and the active circuit are considered. The active antenna prototype test and measured by 4 steps, laboratory test, field test, drive test and indoor reception test. The measured results show that the return loss of more than approximately 10 dB, the maximum gain of about 18 dB, and the Omni- directional radiation pattern are achieved in the operating frequency band of 510-790 MHz. The active antenna was installed in a vehicle for a drive field test in several areas of Bangkok and its suburbs with assessed along around the country in the North, East, West, and South directions, each with the speed 60-80 km./hr. good reception quality and reliability was achieved all the way along the test routes in many provinces. The results due to its flexibility, low profile, lightweight, and additional gain, the proposed flexible active antenna could be useful for various specific applications. Keywords: Micro strip antenna, Flexible printed active antenna, Digital television antenna.
iv สารบัญ หนา กติ ติกรรมประกาศ .............................................................................................................. i บทคัดยอภาษาไทย ............................................................................................................ ii บทคัดยอภาษาอังกฤษ ....................................................................................................... iii สารบัญเรื่อง ....................................................................................................................... iv สารบญั ตาราง .................................................................................................................... vi สารบัญรปู ......................................................................................................................... vii บทท่ี 1 บทนํา ..................................................................................................................... 1 1. ความเปน มา ................................................................................................................... 1 2. วัตถุประสงค …………....................................................................................................... 3 3. การดําเนินการวจิ ัย ......................................................................................................... 3 3.1 ขนั้ ตอนการวิจัย ........................................................................................................... 4 3.2 รูปแบบการดําเนนิ งาน ................................................................................................ 6 4. สถานท่ีทาํ วิจยั ................................................................................................................ 7 บทที่ 2 ทฤษฎีสว นวเิ คราะห .............................................................................................. 8 2.1 คาอัตราสว นสะทอ นกลบั ............................................................................................ 8 2.2 อตั ราการขยาย ............................................................................................................ 9 2.3 แบนดว ดิ ธ (Bandwidth) ของชอ งสญั ญาณ.............................................................. 10 2.4 คาอัตราสวนคล่ืนยืน (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR)........................... 13 2.5 คา เรโซแนนท. ............................................................................................................ 14 2.6 คุณสมบัติของแผน Polyimide Print Circuit Board: PCB ชนดิ ออน..................... 15 2.7 วงจรภาคขยายสัญญาณ ........................................................................................... 18 บทที่ 3 การออกแบบและสรางสายอากาศ................................................................. ..... 20 3.1 การออกแบบ ........................................................................................................... 20 3.2 ข้ันตอนการใชโปรแกรม CST MWS ออกแบบสายอากาศ ........................................ 21 3.3 วงจรภาคขยายสัญญาณ ............................................................................................. 25
สารบญั (ตอ ) v บทที่ 4 การวดั ผลและทดสอบ ................................................................................... หนา 4.1 ข้นั ตอนการวัดและทดสอบสายอากาศ ................................................................ 35 4.2 วัดในหอ งปฏิบตั ิการวิจัย....................................................................................... 35 4.3 การวัดภาคสนาม ................................................................................................ 37 4.4 ติดตัง้ สายอากาศภายในรถยนต........................................................................... 42 4.5 การวัดในสภาพแวดลอ มใชงานจริง...................................................................... 44 บทที่ 5 บทสรุป ......................................................................................................... 51 5.1 สรปุ ผลการวดั คาพารามเิ ตอรข องสายอากาศ .................................................... 52 5.1.1 ผลการวดั ในหองปฏิบัติการวจิ ยั ............................................................... ...... 53 5.1.2 ผลการวัดภาคสนาม ................................................................................. 53 5.1.3 ประสทิ ธิภาพการรบั สัญญาณในรถยนต ................................................... 54 5.1.4 การติดตัง้ วัดสัญญาณในสภาพใชง านจริง ................................................. 54 5.2 วิเคราะหผ ลการวัดและทดสอบ ........................................................................... 55 5.3 ขอเสนอแนะ ........................................................................................................ 56 รายการอางอิง .............................................................................................................. 57 ภาคผนวก .................................................................................................................... 58 ประวตั ิผูวจิ ยั ................................................................................................................... 59 67
vi สารบญั ตาราง ตาราง หนา 3.1 แสดงคา S parameter และ Stability factor ในชวงความถี่ 0 ถงึ 1000 MHz ................. 26 ของทรานซิสเตอรร ุน BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA) 3.2 แสดงคา S parameter และ Stability Factor ในชว งความถี่ 0 ถึง 1000 MHz ................. 29 ของ BFP740 กบั Shunt resistor 113.556 Ω 3.3 ผลการจําลองคา S parameter และ Stability Factor ในชวงความถี่ 0 ถึง 1000 MHz ของ BFP740 (Shunt resistor 113.556 Ω และ Shunt negative-feedback resistor 550 Ω)....... 29 3.4 แสดงคา S parameter, Stability Factor และ Noise Figure ของวงจรขยายสัญญาณ ยานความถ่ีสูง ในชว งความถ่ี 300 – 1000 MHz .......................................................................... 33 4.1 แสดงผลการวัดคาพารามิเตอรใ นหองปฏบิ ัตกิ ารวิจยั ฯ ........................................................... 41 4.2 แสดงคาเปรียบเทยี บของสายอากาศ Passive & Active อางองิ กับสายอากาศ Standard Dipole เพื่อหาคา อัตราขยายของสายอากาศท้งั สองชนิด.............................................................. 44 4.3 ผลการวดั ระดับสัญญาณในพื้นที่ตางจังหวัด ............................................................................ 46 4.4 ผลการวัดระดบั สญั ญาณในพืน้ ท่ี กทม.และปริมณฑล ............................................................. 48 4.5 แสดงระดบั สญั ญาณของสายอากาศทง้ั 3 ชนิดทตี่ ิดต้ังรับสญั ญาณภายในอาคาร ................... 51 5.1 อตั ราขยายของสายอากาศสัมพนั ธกับชว งความถ่ีของโทรทศั นระบบดจิ ิทัล ............................ 52 5.2 คาพารามเิ ตอรท่ีวดั ดวย Network Analyzer ในหอ งปฏบิ ัติการวจิ ยั ..................................... 53 5.3 เปรยี บเทยี บอตั ราขยายของสายอากาศ 2 ชนดิ ยา นความถ่ีโทรทศั นระบบดจิ ิทลั .................... 54 5.4 แสดงคา เฉลี่ยระดบั สญั ญาณสัมพันธก ับความเรว็ รถในพ้ืนทต่ี างจังหวัด ................................... 55 5.5 แสดงคาเฉล่ยี ระดับสัญญาณสมั พันธก บั ความเรว็ รถในพ้ืนท่ี กทม.และปริมณฑล .................... 55 5.6 ผลการวดั ในหอ งสภาพแวดลอ มใชงานจริง ............................................................................... 56
vii สารบัญรปู รปู ท่ี หนา 1.1 ผใู หบริการโครงขายหลักท้งั 5 MUX ................................................................................ 2 1.2 ขน้ั ตอนการออกแบบและสราง วัดผล และทดสอบสายอากาศ ....................................... 5 2.1 Bandwidth ของโทรทัศนร ะบบดิจทิ ัล ................................................................................ 10 2.2 ภาพแสดงอัตราสว นสญั ญาณตอ สญั ญาณรบกวน ................................................................ 11 2.3 ภาพแสดงการผสมสัญญาณแบบ 64 QAM ......................................................................... 12 2.4 ภาพแสดงอัตราสวนจาํ นวนบติ ผดิ พลาดจากการรบั -สง สญั ญาณ ......................................... 12 2.5 แสดงตําแหนงผดิ พลาดของ Phase และ Amplitude ......................................................... 13 2.6 ภาพแสดงรายละเอยี ดของชั้น Polyimide............................................................................ 16 2.7 รัศมีการโคงงอสัมพนั ธก ับความหนาของเสนทองแดงตัวนํา .................................................. 16 2.8 แสดงการจําลองแผนผังวงจรขยายสญั ญาณยานความถ่ีสูงดว ยโปรแกรม ADS .................... 19 3.1 แสดงโครงสรางชน้ั ของแผนโพลีไอมายดชนดิ หนา เดียว ........................................................ 20 3.2 แสดงสวนประกอบและลายเสนวงจรลงบนแผน polyimide ............................................... 24 3.3 แสดงการจาํ ลองแผนผังวงจรขยายสัญญาณยานความถ่ีสูงของทรานซิสเตอร ...................... 26 รุน BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA) 3.4 แสดงคา ������������������������ แหลง จายและโหลดในชว งความถี่ 0 ถึง 1000 MHz ของทรานซสิ เตอร ............ 27 รุน BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA) 3.5 แสดง Output Stability Circle ในชว งความถี่ 0 ถงึ 1000 MHz ของ BFP740 ................ 28 3.6 แสดง Output Stability Circle ในชวงความถ่ี 0 ถงึ 1000 MHz ของ BFP740 ................ 28 กับ Shunt resistor 113.556 Ω 3.7 แสดงแผนผงั วงจรขยายสัญญาณยานความถ่สี งู โดยแทรกฟงกชนั่ DA_LC Band pass ....... 30 Match และ Optimization เพ่อื สราง Matching network ซึง่ เหมาะสมกบั วงจรขยาย 3.8 แสดงการ Optimization โดยต้ังเปาหมาย |S11| และ |S22| มคี านอยกวา -20 dB .............. 31 3.9 (ก) แสดงวงจร Input matching network ทไ่ี ดจากการ Optimization ........................... 31 (ข) แสดงวงจร Output matching network ท่ีไดจ ากการ Optimization
viii 3.10 (ก) แสดงความสัมพนั ธระหวาง S11 และ S22 (Return loss) กับความถ่ี ............................ 32 (ข) แสดงความสมั พันธร ะหวาง S21 (Transducer Gain) กบั ความถี่ 3.11 แสดงวงจรขยายสัญญาณโดยกําหนดคา Lumped component จาก SMT library......... 32 3.12 (ก) แสดงความสมั พันธร ะหวาง S11 และ S22 (Return loss) กบั ความถี่ ............................ 33 (ข) แสดงความสมั พนั ธระหวาง S21 (Transducer Gain) กับความถ่ี 3.13 ออกแบบลายวงจรภาคขยายสัญญาณสาํ หรบั เชื่อมตอกับสายอากาศ ................................. 34 3.14 ภาพแสดงสายอากาศโมโนโพลชนดิ ออ นแบบมีภาคขยายสัญญาณตน แบบ ........................ 34 4.1 การวดั ในหอง Shield room มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือ .............. 37 4.2 คา Return Loss ทอ่ี า นไดจ าก Network Analyzer (S11) = -33.72 dB ............................. 37 4.3 คา Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) = 1 : 1.36 ................................................... 38 4.4 คา Input Impedance : Z0 = 76.113 Ω .......................................................................... 38 4.5 แสดงคาอัตราขยาย (S21) ทีค่ วามถ่ี 420 MHz =18.233dB .................................................. 39 4.6 แสดงคา อัตราขยาย (S21) ทค่ี วามถ่ี 510 MHz =18.164 dB ................................................. 39 4.7 แสดงคา อัตราขยาย (S21) ทค่ี วามถี่ 600 MHz =18.183 dB ................................................. 40 4.8 แสดงคาอัตราขยาย (S21) ที่ความถี่ 700 MHz =18.047 dB ................................................. 40 4.9 แสดงคาอัตราขยาย (S21) ที่ความถี่ 800 MHz =17.954 dB ................................................. 41 4.10 แสดง Spectrum ระดับสัญญาณของสายอากาศอา งองิ Standard Dipole ...................... 42 4.11 แสดง Spectrum ระดับสัญญาณของสายอากาศท่ีไมมีภาคขยายสญั ญาณ ........................ 43 4.12 แสดง Spectrum ระดับสัญญาณของสายอากาศทม่ี ีภาคขยายสญั ญาณ ............................. 43 4.13 ตดิ ตง้ั สายอากาศหนา กระจกรถยนตวัดในพื้นที่ กทม. ปริมณฑลและตา งจงั หวัด .................. 45 4.14 ผลการวัดระดบั สญั ญาณในพื้นท่ีตา งจงั หวัด .......................................................................... 46 4.15 แผนภูมิแสดงระดับสญั ญาณในพื้นทต่ี างจังหวัดของสายอากาศทัง้ 3 ชนดิ ........................... 47 4.16 แผนภูมแิ สดงระดับสัญญาณในพ้ืนที่กทม.และปริมณฑลของสายอากาศทัง้ 3 ชนดิ ............. 50 4.17 แสดงระดบั สญั ญาณในการตดิ ตงั้ เครื่องรบั ภายในอาคารสภาพแวดลอ มใชง านจรงิ .............. 50 4.18 แสดงคา การผสมสญั ญาณ Constellation 64 QAM ของ Phase และ Amplitude .......... 51
สารบญั รปู (ภาคผนวก) ix รูปท่ี ก.1 การวัดคา พารามิเตอรในหอ งปฏิบตั กิ ารวิจยั คลื่นแมเหล็กไฟฟา (Lab Test)................... หนา ก.2 ตดิ ต้งั สายอากาศรว มกบั เครอื่ งมือวัดในรถยนต (Drive Test) ........................................ 60 61 ก.3 ผลการวัดระดบั สัญญาณในขณะรถเคลื่อนท่ีในพน้ื ที่ กทม. ปรมิ ณฑลและตางจงั หวัด..... 62 ก.4 ผลการออกแบบ Input matching network และ Output matching network 63 โดยอาศัยวธิ ี Computer-Aided Design (CAD) ในโปรแกรม ADS ................................... ตาราง ก. แสดงแผนความถีว่ ิทยุและคุณลกั ษณะทางเทคนิคของสถานวี ิทยคุ มนาคม 65 สําหรับกิจการโทรทัศนภาคพ้ืนดินระบบดจิ ิทัลของประเทศ..................................................
1 บทท่ี 1 บทนาํ 1. ความเปน มา สายอากาศท่ีใชรับสัญญาณโทรทัศนภาคพ้ืนดินแบงตามโครงสรางออกไดเปน 2 ชนิดหลัก [6] คือ สายอากาศชนิดติดตั้งภายนอกอาคาร (Outdoor antenna)หรือเสากางปลา และสายอากาศชนิด ติดตั้งภายในอาคาร (Indoor antenna) หรือหนวดกุง ซ่ึงสายอากาศทั้ง 2 ชนิดจะมีขอเดนและขอดอย ตา งกนั คอื สายอากาศแบบกา งปลาน้ันถูกคํานวณออกแบบไวทีค่ รงึ่ ของความยาวคล่นื ของความถี่ใชงาน โทรทศั นร ะบบดจิ ทิ ัล จึงมีขนาดใหญแตส ามารถรับสญั ญาณไดแรง มีปญหาในการติดตั้งทีย่ ุงยากตองใช ชางทมี่ คี วามชํานาญเพราะมขี นาดใหญแ ละตองติดตง้ั ไวภายนอกอาคาร สําหรบั ผูทอ่ี าศยั ในอาคารชุดจะ มขี อจาํ กัดมากมาย สายอากาศแบบหนวดกุงจึงเปน ทางเลือก แตเ น่อื งจากเครอื่ งรับโทรทัศนรนุ ใหมท่ี เปน จอแบนชนดิ LCD, Plasma หรอื LED จะถูกออกแบบใหยึดติดกบั ผนังหองเพื่อความสวยงามและไม เปลืองพืน้ ที่จงึ ทําใหไ มม ีพ้ืนทดี่ า นบนหลงั จอเคร่ืองรับโทรทศั นแบบตูไวสําหรับตง้ั สายอากาศหนวดกุงอีก ตอ ไป สําหรับวสั ดทุ เ่ี ปนตัวนําคลืน่ สนามแมเ หล็กไฟฟาไดดีท่สี ุดไดแก วสั ดุเงนิ ซง่ึ มีคาความตานทานต่ํา จึงทําใหกระแสไฟฟาสามารถไหลผานไดดีที่สุดรองลงมาไดแก ทองแดง ทองคํา อลูมิเนียม ในเชิง พาณิชยแลวจะเห็นวาวัสดุท่ีนํามาผลิตสายอากาศสําหรับการจําหนายในทองตลาดคืออลูมิเนียมเพราะ น้าํ หนกั เบา เกดิ การผกุ รอ นเปน สนมิ ชา ราคาถูกจงึ ทาํ ใหตน ทุนในการผลติ ตํ่า ในงานวิจัยน้ีกอนหนานี้เปนการสรางสายอากาศไมโครสตริปบนแผนปร๊ินซ FR-4 ความหนา 1.6 มิลลิเมตร โดยออกแบบลายวงจรสายอากาศที่เปนทองแดงที่ฉาบบนแผนปริ๊นซลงบนแผน สายอากาศ แมวาสายอากาศจะมีขนาดกะทดั รัดเหมาะสมสําหรับการใชงานแตจ ะมีความแข็งไมยืดหยุน กบั การใชงานในบางพืน้ ผวิ เชน ผนังกระจกโคง จอทวี แี บบโคง หรือกระจกรถยนตท ม่ี ีความโคง งานวจิ ัย น้ีจะมุงเนนการออกแบบและสรางสายอากาศสําหรับรับสัญญาณภาพจากสถานีโทรทัศนระบบดิจิทัล ภาคพื้นดิน (Terrestrial) [8] ตัวสายอากาศสรางจากวัสดุโพลีไอมายดชนิดฟลมบาง [5] ที่มีคุณสมบัติ ทนสารเคมีและอณุ หภูมิทค่ี วามเยน็ ไดตํา่ กวาตดิ ลบ 700 C และทนความรอนสงู กวา 300o C มคี วามออน ตัวมีขนาดบางโคงงอไดมีลักษณะยืดหยุนเหมือนแผนฟลมเอ็กซเรย เปนช้ินสวนสําหรับประกอบบนตัว ดาวเทยี มทล่ี อยอยใู นอวกาศ สายอากาศแบบออ นนีส้ ามารถบิดตัวเขารูปเม่ือนาํ ไปติดตง้ั ใชง านกบั พ้ืนผิว เชน ผนงั หอ งหรอื ติดกับผนังกระจกหรอื ฝงไวในแผน กระจกจงึ ดูเรยี บรอยสวยงามแตประสทิ ธิภาพการรับ
2 สัญญาณยังคงเดิม สายอากาศถูกออกแบบใหมีอัตราขยายสูง ทํางานในยานความถ่ีของโทรทัศนระบบ ดิจิทัล สายอากาศนี้จะเปนนวัตกรรมใหมท่ีคิดคนโดยวิศวกรคนไทยเพื่อความสวยงามและอํานวย ความสะดวกแกผูบริโภค อีกท้ังเปนชองทางการเพิ่มมูลคาใหกับตัวสินคาในกลุมอุตสาหกรรมผูผลิต เครื่องรับโทรทัศน บริษัทผูผลิตสายอากาศ สถาปนิกผูออกแบบอาคารพักอาศัย อาคารชุดหรืออาคาร สํานักงาน อุตสาหกรรมผูผลิตกระจกและธุรกิจประดับยนตเ พื่อใชงานรับสัญญาณโทรทัศนระบบดิจิทัล แทนสายอากาศภายนอกอาคารแบบกา งปลาหรอื สายอากาศภายในอาคารแบบหนวดกุง ปญหาสําคัญของการรับชมรายการโทรทัศนภาคพ้ืนดินของผูบริโภคในปจจุบันคือสัญญาณของ สถานีผูใหบริการเครือขายท่ียังไมครอบคลุมในทุกพ้ืนที่เหมือนสัญญาณของผูใหบริการเครือขายของ ระบบโทรศัพทมือถือ ในปจจุบันมีผูใหบริการทําหนาที่รับสงสัญญาณจากผูประกอบการที่ผลิตชอง รายการโทรทัศนระบบดิจิทัลท้ังหมด 5 หนวยงานท่ีใหบริการ (Multiplexing : MUX) มีโครงขาย เช่ือมโยงจากสถานีหลกั จาก กทม.กระจายไปยงั ภมู ภิ าคทว่ั ทัง้ ประเทศ 39 โครงขา ย ดังรูปท่ี 1. โครงขา ยการใหบ ริการสถานีสง โทรทศั นร ะบบดิจิทัล (Multiplexing : MUX) ในพ้นื ที่ กทม.(Bandwidth = 8 MHz/1 Ch.) รูปที่ 1.1 ผใู หบริการโครงขายหลักทั้ง 5 MUX ปญหาของผูบริโภคท่ีมีบานพักอาศัยที่ตองรับสัญญาณในพื้นที่ที่มีระยะทางหางไกลจากสถานี โครงขายจึงมีปญหาสัญญาณออนในการรบั ชมรายการ การออกแบบสายอากาศใหมีอัตราขยายสูงโดย
3 ออกแบบวงจรภาคขยายสัญญาณฝงลงบนแผนสายอากาศ (Active Antenna) จึงเปนการทําใหเพ่ิม ประสทิ ธิภาพการรบั สญั ญาณในพน้ื ทที่ ม่ี รี ะดบั สญั ญาณออนใหส ูงขนึ้ 2. วตั ถปุ ระสงค 1 ออกแบบและสรางสายอากาศไมโครสตริปแบบโมโนโพลชนดิ ออ นท่ีมภี าคขยายสญั ญาณฝง ลงในตัวสายอากาศสาํ หรับรับสัญญาณโทรทัศนด จิ ทิ ลั ภาคพืน้ ดนิ 2 วัดและทดสอบสายอากาศตน แบบทีส่ รางขึ้น 4 ขัน้ ตอนเพอ่ื ใหทราบคา ประสิทธภิ าพ อัตราขยายของสายอากาศเปรยี บเทยี บกบั สายอากาศทจี่ ําหนายในทองตลาด 3 เปนนวัตกรรมในการพฒั นาสายอากาศแบบใหมโ ดยนกั วิจัยคนไทยนําไปสูการจดสิทธบิ ตั ร 3. การดําเนนิ การวิจยั ออกแบบสายอากาศชนิดออนไมโครสตรปิ โมโนโพลลงบนแผน วัสดุ Flexible Polyimide Film ดวยโปรแกรม CST MWS ออกแบบวงจรภาคขยายสัญญาณยานความถี่ 510- 790 MHz ซึ่งเปนยาน ความถี่ที่ ITU กําหนดใหใชงานการแพรสัญญาณภาพโทรทัศนระบบดิจิทัลภาคพื้นดินมาตรฐานยุโรป (DVB-T2) เมื่อสรางสายอากาศตนแบบจนไดคาพารามิเตอรที่เหมาะสมที่สุดแลว จากนั้นนําสายอากาศ ตนแบบไปวัดและทดสอบ 4 ข้ันตอน ไดแก ขั้นตอนที่ 1 ติดต้ังและทําการวัดในหอ งปฏิบัตกิ ารวิจยั คลื่น แมเหล็กไฟฟา (Lab test) ดว ยเคร่ืองวเิ คราะหโครงขายคลืน่ แมเหล็กไฟฟา (Network Analyzer) เพื่อ ห า ค า Return loss, ค า Voltage Standing Wave Ratio : VSWR, แ ล ะ ค า Input Impedance ขั้นตอนที่ 2. นําสายอากาศไปติดต้ังวัดและทดสอบสัญญาณภาคสนามบนดาดฟาช้ัน 20 อาคารเจริญ วิศวกรรม (Field test) รวมกับสายอากาศไดโพลมาตรฐานและชุด Rotor Controller เพื่อนํา ขอ มูลคาํ นวณหาคา Radiation Pattern, คา Forward Gain คา Front to Back Ratio และคา Beam width ของสายอากาศ [7] ขั้นตอนท่ี 3 นําสายอากาศมาติดต้ังหนากระจกในรถยนตแลวทดสอบที่ ความเร็วตาง ๆ เพ่ือหาประสิทธิภาพและวัดระดับสัญญาณบนทองถนนในพื้นท่ี กทม.ปริมณฑลและ ตางจังหวดั (Drive Test) เพ่อื เปนขอมลู เปรียบเทยี บกับขอมลู ของ กสทช. ข้นั ตอนท่ี 4 นาํ สายอากาศ ติดต้ังใชงานในสภาพแวดลอมใชงานจริง ติดต้ังกับผนังหอง ผนังกระจกหรือบริเวณใกลเคร่ืองรับ โทรทัศนใชงานจริง (Indoor Reception Test) เพ่ือตรวจวัดระดับความเขมสัญญาณวามีความแรง ระดบั เทาใดดว ยเคร่ืองมือวัดความเขมสนามแมเหล็กไฟฟา (Field Strength Meter) คา พารามิเตอร
4 ทต่ี องการวัดไดแ ก คาระดับความแรงสญั ญาณ (Channel Power) คา อัตราสวนสญั ญาณตอสัญญาณ รบกวน Carrier to Noise Ratio (C/N) คา Modulation Error Ratio นําขอ มูลของสายอากาศตนแบบ มาสรปุ เปรยี บเทียบผลเพ่อื ใหท ราบประสิทธภิ าพของสายอากาศของเดิมท่ีไมมีภาคขยายสัญญาณในการ รบั สัญญาณกับกับสายอากาศท่วี างจาํ หนา ยเชงิ พาณิชยในทองตลาดในปจ จบุ ัน 3.1 ขั้นตอนการวจิ ัย 1. ศึกษาทฤษฎีและวิเคราะหแผน Flexible Polyimide ความหนา 0.3 มม. คาความนําทาง ไฟฟา (εr) = 3.4 แบบฟลม บางชนดิ ออนสาํ หรบั นาํ มาสรางสายอากาศ 2. ออกแบบวงจรภาคขยายสัญญาณโดยใชทรานซิสเตอร BFP 740 Low Noise Silicon Germanium Bipolar RF Transistor และออกแบบวงจร Bias เพื่อใหวงจรทําหนาท่ีขยายสัญญาณให มีประสิทธิภาพสูงสุด จากนั้นออกแบบลายวงจรใหเหมาะสําหรับฝงลงและเชื่อมตอกับ Feeder บน แผน สายอากาศ 3. นําสายอากาศตนแบบท่ีออกแบบและสรางขึ้นเพ่ือวัดหาคาพารามิเตอรในหองปฏิบัติการ วิจัยคลื่นแมเหลก็ ไฟฟา (Lab Test) วัดภาคสนามบนดาดฟาอาคารเจริญวศิ วกรรม (Field Test) ติดตั้ง ในรถยนตเพ่ือวัดในพ้ืนที่ กทม. ปริมณฑลและตางจังหวัด (Drive Test) ข้ันตอนสุดทายนําสายอากาศ ตดิ ตง้ั ไวในหอ งรบั สัญญาณโทรทัศนเพ่อื วดั สภาพใชง านจรงิ (Indoor Reception Test) 4. วเิ คราะหผ ลหาประสิทธภิ าพการรับสัญญาณของสายอากาศท่ีมภี าคขยายสัญญาณตนแบบท่ี สรางขึ้นเปรียบเทียบกับสายอากาศที่ไมมีวงจรภาคขยายสัญญาณและสายอากาศที่จําหนายใน ทองตลาด 5. ปรับและแกไ ขคา พารามิเตอรสายอากาศตน แบบใหมีประสทิ ธภิ าพสงู สดุ 6. สรปุ ผลและจัดทํารายงาน
5 เร่ิมตน ออกแบบและสรา งสายอากาศชนิดออ นแบบมภี าคขยายสญั ญาณ วัดและทดสอบคาพารามเิ ตอรใ นพื้นท่ี กทม. ปริมณฑล และตางจงั หวดั ไมใ ช วเิ คราะหข อ มลู ใช เปรยี บเทยี บประสทิ ธภิ าพของสายอากาศ ปรับปรงุ แกไ ขสายอากาศตน แบบใหมีประสิทธภิ าพสงู สดุ สรุปผล – จดั ทาํ รายงาน จบ รปู ท่ี 1.2 ขั้นตอนการออกแบบและสรางวดั ผลทดสอบสายอากาศ
6 3.2 รปู แบบการดําเนินงาน โครงการวิจัยนี้จะออกแบบและสรางสายอากาศไมโครสตริปแบบโมโนโพลท่ีมีภาคขยาย สัญญาณฝงลงบนแผนสายอากาศตนแบบเพื่อศึกษาคุณสมบัติรูปแบบการกระจายคลื่น (Radiation pattern) อัตราขยาย (Forward Gain) อัตราสวนคลื่นยืนของแรงดัน (Voltage Standing Wave Ratio: VSWR) คาอิมพีแดนซคุณลักษณะ (Characteristic impedance) และคาการสูญเสียยอนกลับ (Return loss) เพื่อศึกษาประสิทธิภาพในการรับสัญญาณโทรทัศนภาคพ้ืนดินระบบดิจิทัล ในยาน ความถี่ 510-790 MHz โดยเปรียบเทียบคาคุณสมบัติที่คํานวณไดจากการวิเคราะหแบบจําลองดวย โปรแกรมคอมพิวเตอรและคาที่วัดทดสอบสายอากาศตนแบบภายในหองปฏิบัติการวิจัยคลื่น แมเหล็กไฟฟา และการทดลองรับสัญญาณภาคสนามของสถานีโทรทัศนภาคพื้นดินระบบดิจิทัล มาตรฐานระบบ (DVB-T2) ติดตั้งสายอากาศในรถยนตวัดสัญญาณขณะรถยนตว่ิงที่ความเร็วตาง ๆ ติดตง้ั รับสญั ญาณภายในหองผนงั คอนกรีตเสรมิ เหล็กสภาพแวดลอ มการใชงานจรงิ อุปกรณแ ละเคร่ืองมอื ท่ใี ชในการวจิ ยั 1. Network Analyzer 2. Spectrum Analyzer 3. Field Strength Meter 4. ชุดสายอากาศไดโพลมาตรฐาน (Standard Dipole) 5. สายอากาศยากิ 5 ตัวประกอบและสายอากาศโมโนโพล แผนการดาํ เนนิ โครงการวจิ ยั ท่ี รายการ เดือนท่ี 1 ศกึ ษาทฤษฎพี น้ื ฐานของวัสดุ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2 ออกแบบสายอากาศชนดิ ออน 3 ออกแบบวงจรภาคขยายสญั ญาณ 4 สรางสายอากาศตนแบบ 5 วดั และทดสอบ 4 ขัน้ ตอน Lab Test, Field Test, Drive Test และ Indoor Reception Test 6 สรุปผลและจดั ทาํ รายงานฉบบั สมบูรณ
7 4. สถานทท่ี าํ วจิ ัย หอ งปฏบิ ัตกิ ารวจิ ัยระบบไฟฟาสื่อสาร สาขาไฟฟา ส่ือสาร ภาควชิ าวศิ วกรรมไฟฟา คณะ วศิ วกรรมศาสตร จุฬาลงกรณมหาวทิ ยาลัย
8 บทที่ 2 ทฤษฎีสวนวเิ คราะห สายอากาศคืออุปกรณท่ีใชส ําหรับสงและรับสัญญาณคล่ืนสนามแมเหล็กไฟฟา ทางดานภาคสง สายอากาศภาคสงจะสงพลังงานคล่ืนไปยังสายอากาศภาครับโดยอาศัยอากาศเปนตัวกลาง คือการ สงผานระบบไรสาย สายอากาศท่ีใชงานทั่ว ๆ ไปมีหลายชนิดขึ้นอยูกับวาจะนําไปใชงานอะไรใชกับ ความถี่ยานใดตั้งแตความถี่ต่ําถึงความถ่ีสูง คาพารามิเตอรท่ีสําคัญที่ตองคํานึงถึงในการออกแบบ สายอากาศจะตองใหไ ดค าตามที่มาตรฐานกําหนด แบง ไดด ังน้ี 2.1 คาอตั ราสวนการสะทอ นกลบั (Return Loss S11) หมายถึงคาอัตราสวนของสัญญาณท่ีสงผานไปยังโหลดปลายทางแตจะมีสัญญาณบางสวน เกิด สภาวะ mismatch จึงมีสญั ญาณสะทอนกลบั มาดานสง เราเรยี กคา นี้วา return loss ดงั สมการ ������������ = ������������������������−������������0 ……….(1) ������������������������+������������0 โดยที่ ������������ คอื สัมประสทิ ธกิ์ ารสะทอนของคลื่น ������������0 คือ อิมพิแดนซค ณุ ลักษณะ ������������������������ คือ อิมพแดนซของโหลด ดงั นน้ั RL = 20 log ⌊������������⌋ dB ……….(2) สายอากาศชนิดท่ใี ชง านภายนอกอาคาร (Outdoor Antenna) จะมกี ารออกแบบและสรา งเพ่ือ การติดตั้งใหใชงานงายเน่ืองจากสามารถออกแบบใหมีขนาดใหญไดตามตองการอีกท้ังวัสดุสําหรับผลิต ตัวสายอากาศมีจําหนายทั่วไปอีกทั้งสามารถเพ่ิมตัวประกอบ (Element) ไดตามตองการตัวอยาง เชน สายอากาศแบบยากิ-อูดะ จะใหอัตราการขยายสูงและท่ีสําคัญในการติดต้ังภายนอกอาคารน้ันสามารถ ปรับหาทิศทางไปยังสถานีสงเพ่ือรับสัญญาณคล่ืน (Incident Wave) ในทิศทางที่แรงท่ีสุดได เนื่องจาก การแพรภาพของสถานีโทรทัศนภาคพ้ืนดินจะมีตัวแปรท่ีทําใหเกิดการสะทอนของคลื่น (Reflection Wave) เชน อาคารสูง ตึกสูง สายไฟฟาแรงสงู ตน ไม ภูเขา ฯลฯ [7]
9 2.2 อัตราการขยาย (Power Gain) หมายถึงอัตราขยายของสายอากาศท่ีใชคุณสมบัติไดเร็คติวิต้ี (directivity) สามารถระบุ ปริมาณการแพรของคลื่นมีมากในทิศทางใดหรือความสามารถในการสงหรือรับคล่ืนของสายอากาศน้ัน เมื่อเปรียบเทียบกับสายอากาศมาตรฐานไดโพลแบบครึ่งความยาวคล่ืน (half wave dipole) หรือ แหลง กําเนิดแบบจดุ (point source) โดยจะตองคํานึงถึงคาการสญู เสยี ในตัวสายอากาศและการเกิดคา mismatch กันระหวางสายนําสัญญาณกับสายอากาศ เชนเม่ือเราปอนกําลังไฟฟาขาเขาใหแก สายอากาศคา หน่งึ เปรยี บเทียบกับสายอากาศไดโพลมาตรฐาน อตั ราขยายของสายอากาศในทิศใดๆของ สายอากาศน้ันคอื อัตราสวนระหวา ง pointing power ทเ่ี กดิ จากสายอากาศน้นั กับ pointing power ท่ี เกิดจากสายอากาศมาตรฐาน ตามสมการ (3) ������������(������������, ∅) = ���������������������������0���⃗[[((���������������������,���,∅∅))]]22//���������������������0���0 = �������������[(������������,∅)]2 ……….(3) ���������������0�[(������������,∅)]2 โดยท่ี ������������(������������, ∅) คอื อตั ราขยายของตวั สายอากาศในทศิ (������������, ∅) �������������[(������������, ∅) คอื สนามไฟฟาจากสายอากาศท่ีตองการรูคาอตั ราขยาย ����������������0⃗[(������������, ∅)คือ สนามไฟฟา จากสายอากาศท่ใี ชเ ปนมาตรฐาน หนวยวัดอัตราขยายสายอากาศคือ dB (decibel) ท่ีนิยมใชงานจะแบงออกเปน 2 หนวยคือ dBi หมายถึงคาเปรียบเทียบกับสายอากาศแบบ Isotropic Radiator ในอากาศเม่ืออางอิงกับ สายอากาศไดโพล (0 dB) จะมอี ัตราขยาย = 2.15 dBi dBd หมายถงึ อตั ราขยายสายอากาศอา งอิงกบั สายอากาศไดโพลแบบครึ่งความยาวคลืน่ สรุปคือ คาเปรียบเทียบอัตราการขยายสายอากาศ Isotropic หนวยจะเปน dBi (decibel Over Isotropic) แต คา เปรยี บเทียบกบั สายอากาศไดโพล หนว ยจะเปน dBd (Decibel Over Dipole)
10 2.3 แบนดวิดธ (Bandwidth) ของชอ งสัญญาณ แบนดวิดธเปนสัดสวนโดยตรงของจํานวนขอมูลท้ังหมดท่ีสงผานหรือขอมูลท่ีรับตอหนวยเวลา ในความหมายเชิงคุณภาพน้ันแบนดวิดธเปนสัดสวนความซับซอนของขอมูลในการทํางานของระบบที่ รองรับได ตัวอยางเชนการดาวนโ หลดไฟลประเภทรปู ภาพในหน่ึงวนิ าทีจะใชแบนดวิดธม ากกวา ดาวน โหลดขอความหรือการดาวนโหลดไฟลวิดีโอก็จะใชแบนดวิดธมากข้ึนตามลําดับ โดยท่ัวไปเราใช คณุ สมบัติของรปู แบบการแพรกระจายกับอิมพแิ ดนซแบนดว ดิ ธเ ปน ตวั กําหนดแบนดวิดธของสายอากาศ (Pattern Bandwidth) หมายถึงคาความตางระหวางความถี่ท่ีทําใหกําลังคลื่นที่รับไดลดลงครึ่งหนึ่ง (Half Power Bandwidth : HPBW) ของคาสูงสุดในทิศทางการแพรกระจายคลื่น เชนสายอากาศยาน UHF ควรจะรับสัญญาณความถี่ไดตั้งแต 510-790 MHz นั่นคือสายอากาศควรมีแบนดวิดธกวาง 280 MHz ครอบคลุมยาน UHF ของระบบดิจิทัลทีวี [1] ในการคํานวณเพื่อออกแบบสายอากาศควรตองให มีแบนดวิดธกวางถึง 280 MHz ในงานวิจัยน้ีมุงเนนการออกแบบสายอากาศชนิด Broadband ท่ีมี แบนดวิดธรองรับความถ่ีโทรทัศนระบบดิจิทัลมาตรฐาน DVB-T2 กําหนดใหในแตละชองสําหรับผสม สัญญาณกอนสงสัญญาณ (Multiplex : MUX) ใชแบนดวิดธกวาง 8 MHz สามารถสงได 8-12 ชอง รายการที่คุณภาพสัญญาณแบบ Standard : SD หรือ 3 ชองรายการในคุณภาพสัญญาณแบบ High Definition : HD ในขณะท่ีโทรทัศนระบบอนาล็อก มาตรฐาน PAL จะใชแบนดวิดธกวาง 7 MHz./1 ชองรายการเทาน้ัน แสดงใหเห็นวาระบบดิจิทัลซึ่งใชเทคโนโลยีการบีบอัดสัญญาณที่ทันสมัยเขาชวย จึงชวยทาํ ใหประหยัดแบนดว ดิ ธไดมากกวา ตามรูป 2.1 [9] รูปท่ี 2.1 Bandwidth ของโทรทัศนร ะบบดจิ ิทัล
11 คาพารามเิ ตอรทีส่ ําคัญในการสงสญั ญาณโทรทัศนร ะบบดิจิทัลภาคพ้ืนดิน สามารถใชเ ครื่องวัด ความเขมคลื่นสนามแมเหลก็ ไฟฟา ในการวดั ระดบั ของสญั ญาณเพื่อดูคา พารามิเตอรตาง ๆ ไดแก 1. Carrier to Noise Ratio (C/N) คืออตั ราสวนสัญญาณตอสญั ญาณรบกวนดงั สมการ (4) C/N(dB) = …………(4) เม่อื C = Video Carrier level และ N = Noise power reflected to BWx measurement. มาตรฐานทั่วไปกําหนดใหไ มน อ ยกวา 43 dB หรือคานย้ี ่งิ สงู ยิง่ ดี รูปที่ 2.2 ภาพแสดงอัตราสว นสัญญาณตอสัญญาณรบกวน 2. การวัด Channel power หมายถึงการวัดคาของกําลังของชองสัญญาณดิจิทัลท่ีมีการ Streaming และชองสัญญาณดิจิทัลมอดูเลช่ัน เชน QAM, COFDM, QPSK, 8PSK การวัดคา Channel power จะทาํ การคํานวณตรงพื้นท่ีสเี่ หล่ียมผนื ผาโดยใชว ิธีการ Integration หรอื หา คาเฉล่ยี (Average) หนวยในการวัดคือ dBuV, dBmV, dBm, สําหรับโทรทัศนร ะบบ DVB-T2 มาตรฐานกําหนดใหทาํ การ Modulated สัญญาณแบบ 64 QAM
12 รูปท่ี 2.3 ภาพแสดงการผสมสญั ญาณแบบ 64 QAM 3. การวัดอัตราการผิดพลาดของขอมูลที่ไดรับ Bit Error Rate: BER เนื่องจากโปรแกรมรายการ ถกู ทาํ การ Stream ใหเปนสญั ญาณดจิ ทิ ลั จากนัน้ ทาํ การรบั และสงขอมูลแบบอนุกรมจึงจําเปน ในการตรวจสอบขอมูลผิดพลาดของทกุ Bit rate เพ่อื ใหอยใู นระดบั 1x10-1 – 1x10-8 การสง ขอ มูลจาํ นวน 1 package จะประกอบดวย Frame, Headerและ Data รปู ท่ี 2.4 ภาพแสดงอตั ราสวนจํานวนบิตผดิ พลาดจากการรบั -สงสัญญาณ 4. Modulation Error Ratio : MER เพ่ือเปรียบเทียบอัตราสวนการผิดพลาดการมอดูเลต สัญญาณในแตละตําแหนง ของ Phase และ Amplitude
13 รูปท่ี 2.5 แสดงตาํ แหนงผิดพลาดของ Phase และ Amplitude 2.4 คา อัตราสวนคลน่ื ยนื (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR) หมายถงึ อัตราสวนแรงดันสูงสดุ และแรงดนั ตํา่ สุดของรปู คล่ืนน่ิงในสายนาํ สญั ญาณ อตั ราสวนน้ี เปนคาวดั ปริมาณทโ่ี หลดผดิ ไปจากสภาวะที่โหลดแมทซมากนอยเทาไร มคี ามากกวาหรือเทากบั 1 เสมอ ถา โหลดท่มี ีตอคาความตา นทานเทากับ RL และสายนาํ สัญญาณมี Impedance ของสายเทา กับ ������������������������ เรา สามารถคํานวณคา VSWR ไดจาก VSWR = ������������������������/������������������������ หรอื VSWR = ������������������������ /������������������������ .……….(5) โดยพิจารณาวาคาใดมีคามากกวาจะอยูคาบนหรือถามี Reflection Coefficient ซึ่งแทนดวย Γ สามารถหาไดจาก = 1+Γ ………. (6) VSWR 1−Γ
14 2.5 คา เรโซแนนท การออกแบบและสรางสายอากาศใชงานท่ีคากําธร (Resonant) คือการทําใหคา XL = XC การออกแบบสายอากาศชนิดโมโนโพลแบบเสนขดวกวนนั้นโครงสรางของสายอากาศจะประกอบดวย โมโนโพลเสนขดวกวนตอกับจุดปอนสัญญาณ (Feed line) ซ่ึงมีระนาบดิน (Ground plane) อยูดานขางของวัสดุฐานรองเช่ือมตอกับเสน Sleeve line ปลายอีกดานหนึ่งของสายปอนจะตอกับ ตัวเชื่อมตอชนิด RF Connector ซึ่งจะเปนขั้วขาเขา (Input terminal) ของสายอากาศ ปลายขาง หน่ึงเช่ือมตอกับระนาบดินของวัสดุฐานรอง สายอากาศที่เปนโมโนโพลเสนขดวกวนจะมีขอดีกวาเปน โมโนโพลแบบเสนตรง (Straight monopole) เนื่องจากที่ความถ่ีเรโซแนนซเดียวกันโมโนโพล เสนขดวกวนจะมีความยาวนอยกวาโมโนโพลเสนตรง จึงทําใหสามารถออกแบบสายอากาศท่ีมีขนาด โดยรวมเลก็ กวาได ขอ ดีอกี ประการหน่ึงในการเลือกออกแบบและสรา งสายอากาศชนิดนคี้ อื กระบวนการ ผลติ ใชเ ทคโนโลยวี งจรพิมพ (Printed Circuit Board Technology) สามารถออกแบบใหใ ชงานรวมกับ วงจรรวม (Monolithic Microwave Integrated Circuit : MMIC) ซ่ึงเปนองคประกอบของภาคสง หรือภาครับสัญญาณบนแผนวงจรเดียวกันได มีโครงสรางงายไมซับซอนในการผลิต มีรูปแบบการแผ พลังงานกระจายท่ัวทุกทิศทาง (Omni-directional radiation pattern) จึงสามารถรับสัญญาณไดดี จากทุกทิศทาง เหมาะแกการใชรับสัญญาณภาพโทรทัศนซึ่งอาจสงมาจากทิศทางใดๆ สําหรับแนวคิด ในการออกแบบนี้อาศัยทฤษฎีหลักการ ทําอยางไรทําใหสายอากาศที่ออกแบบถูกกระตุนใหทํางาน ในสภาวะเรโซแนนซ (Resonant mode) เพ่ือใหมีสมรรถนะความถี่กวางครอบคลุมตลอดชวงแถบ ความถ่ีใชงานท่ีตองการ คือชวง Band IV และ Band V โดยกําหนดความถ่ีกลางอยูท่ี 620 MHz คาอิมพีแดนซขาเขาของโมโนโพลใหเปนคา 75 โอหม และเช่ือมตอกับ RF Connector ที่มี คาอิมพิแดนซ 75 โอหมตอเขาเคร่ืองรับ [8] เหตุผลในการออกแบบสายอากาศแบบโมโนโพลแบบเสน ขดวกวน มี 5 ประการคอื 1. การออกแบบสายอากาศเพ่ือใหไดการโพลาไรซแบบวงกลม (Circular polarization) จะตอง ไมออกแบบแพตซเปนรูปส่ีเหล่ียม (Rectangular patch) ที่มีการโพลาไรซแบบเสนตรง (Linear polarization) จงึ เลือกออกแบบเปน เสนขดวกวน 2. การออกแบบโมโนโพลแบบเสนขดวกวนเปนการเพิ่มทางเดินของกระแส (Current path) ไดมากข้ึน หากเปรียบเทียบกับสายอากาศโมโนโพลธรรมดาจะตองออกแบบเปนเสนตรงที่มีความยาว เปนหนงึ่ ในสีข่ องความยาวคลื่น ทาํ ใหสายอากาศทไ่ี ดม ีขนาดใหญ
15 3. การไหลของกระแสในสายอากาศโมโนโพลแบบเสน ขดวกวนเกดิ ที่พ้ืนผิวของเสน ลายวงจรตัวนํา มีลกั ษณะเปน คา Inductance และ Capacitance เพอ่ื เพ่มิ ประสทิ ธิภาพของการเหนีย่ วนาํ 4. การปรับขนาดระยะหางของเสนขดวกวน เสน sleeve และขนาดความหนาของซับสเตรท จะมผี ลตอแบนดวทิ ธค อื ปรบั คา ใหไ ดแ บนดว ทิ ธและความถ่ีเรโซแนนตต ามท่ีตองการ 5. การออกแบบสายอากาศเสนขดวกวนแบบตอเน่ืองทําใหคา Quality factor (Q) ลดลง เน่อื งจากพลังงานสะสม (Stored energy) ทําใหแ บนวิดธก วางขึ้น 2.6 คุณสมบัติของแผ่น Polyimide Print Circuit Board : PCB ชนิดอ่อน วัสดุ Polyimide ที่ฉาบดวยทองแดงคาความนําทางไฟฟาสูง (High Conductivity Copper) ซ่ึงเปนทองแดงบริสุทธ์มิ ีคาการนําไฟฟาไมนอยกวา 100% IACS (International Annealed Copper Standard) ท่ี 200 C เมื่อทดสอบตามมาตรฐาน ASTM B193 หรือตามมาตรฐาน JIS C3002 เปน มาตรฐานใชในการเปรียบเทียบการนําไฟฟาของโลหะชนิดตาง ๆ ตามมาตรฐาน (International Electro technical Commission,1993) จึงทําใหวัสดุโพลีไอมายดถูกนําไปสรางเปน สว นประกอบของ ดาวเทียมท่ีลอยอยูในอวกาศที่สามารถทนกับทุกสภาพอากาศเปนเวลานานนับ 10 ป แผน Print Circuit Board แบบออ นตวั ชนดิ ยืดหยุน (Flexibility PCB) เปน วสั ดุ PCB อาจเปน FR-4 ท่มี คี วามหนา เพียง 0.21 มิลลิเมตรหรืออีกชนิดหน่ึงเรียกวา Flexible Print Circuit (FPC) เปนวัสดุประเภท Kapton [5] ที่มีสีสมแดงฉาบดวยทองแดงบริสุทธ์ิจะมีความออนตัวสูงทนอุณหภูมิตํ่าสุดติดลบจนถึง รอ นสุด เปนท่ีนยิ มใชกับคอมพวิ เตอรโนตบุคท่ีเชื่อมตอระหวางจอ LCD กับสว นท่เี ปน CPU ทอี่ อกแบบ สําหรับใหพับได หรือถูกนําไปใชงานกับจุดหมุนของแขนกลตาง ๆ ในการออกแบบใชงานน้ัน ถาตอง วางอุปกรณตาง ๆ เชนตัวคาความตานทาน คาตัวเก็บประจุหรือตัว Chip IC ลงบนแผนปร๊ินซอาจจะมี ปญหา เพราะตัวอุปกรณเหลาน้ันไมไดออนตามแผนวงจร แตสําหรับในงานวิจัยนี้เรามุงเนนออกแบบ เสนลายวงจรเปนสายอากาศลงบนแผน Flexible Kapton Polyimide ซึ่งเปนวัสดุสําหรับผลิต แผนวงจรอิเล็กทรอนิกสชนดิ ออนมคี า ความนาํ ทางไฟฟา ������������r =3.34 มีคณุ สมบัติทนอณุ หภูมิต่ําติดลบ ถึง –730C ถงึ อณุ หภูมสิ งู มากถงึ 3000C จึงสามารถทนแรงดันไฟฟา ไดส ูงและทนตอ Corona discharge หรือรังสีซึ่งเปนสาเหตุของการเกิดไอออน อันจะเปนผลทําใหสูญเสียสภาพความเปนฉนวนไฟฟาเม่ือ แรงดันไฟฟาถึงคาวิกฤต วัสดุนี้จึงเหมาะสําหรับนํามาผลิตแผงวงจรทางไฟฟาสามารถใชงานไดใน ทุกสภาพภูมิอากาศไดแกบนพ้ืนโลกหรือในอวกาศ สายอากาศท่ีออกแบบมีความหนา 0.3 mm
16 ประกอบดว ย ชนั้ Polyimide Cover เปนชนั้ บนสดุ เคลือบสารปอ งกนั การขูดขดี ชัน้ ท่ี 2 คือ Adhesive คือชั้นฉนวนกาวข้ันระหวางกลาง ช้ันท่ี 3 คือช้ันสําคัญเปนวสั ดุทองแดงตัวนําบริสุทธิ์ ช้ันทองแดงน้ี จะถูกออกแบบเปนลายวงจรสายอากาศแบบ ขดวกวนเรียงตอกันจนเกิดคา Resonant ดวยโปรแกรม CST MWS มีจุดปอนสัญญาณเช่ือมตอไปยังเครื่องรับโทรทัศน ช้ันที่ 4 เปน Adhesive ฉนวนกาวข้ัน ชน้ั ทองแดงดานลาง และชน้ั ท่ี 5 Polyimide Substrate ช้ันลา งสุดปองกนั รอยขีดขวน รูปท่ี 2.6 ภาพแสดงรายละเอียดของชน้ั Polyimide จากคุณสมบัติของโพลีไอมายดท ี่เปนตัวนาํ ทางไฟฟาที่ดอี ีกทั้งสามารถโคงงอได จึงเกิดแนวคิดนําวัสดุนี้ มาสรางสายอากาศความถี่ยาน UHF 510-790 MHz สําหรับรับสัญญาณโทรทัศนระบบดิจิทัล ภาคพ้ืนดิน โดยทําการออกแบบลายเสนวงจรสายอากาศใหมีลักษณะเปนขดวกวนลงบนชั้นทองแดงที่ อยูต รงกลางทม่ี คี วามหนา = 0.050 คาดชั นีความโคงงอ คอื r = 10T รปู ท่ี 2.7 รศั มกี ารโคงงอสมั พันธก ับความหนาของเสน ทองแดงตวั นํา สายอากาศไมโครสตริปประกอบดวยองคประกอบพ้ืนฐาน 4 สวน ไดแก แผนตัวแผพลังงาน (Radiator) แผนระนาบดิน (Ground plane) ช้ันวัสดุฐานรอง (Dielectric substrate) และระบบปอน กําลัง (Feed system) องคประกอบท้ัง 4 สวนนี้เปนปจจัยสําคัญที่กําหนดลักษณะสมบัติของ สายอากาศไมโครสตรปิ ดงั นี้
17 1. แผน ตวั แผพลังงาน (Radiator) โดยทัว่ ไปผลิตมาจากทองแดง เงนิ หรืออลูมเิ นยี ม วัสดุที่ เลอื กใชจะสง ผลตอประสิทธภิ าพของสายอากาศ แผน ตัวแผพลงั งานอาจมีรปู รางตา งๆ เชน ส่เี หลย่ี ม สามเหลย่ี ม วงกลม วงรี วงแหวน เปนตน ซึ่งรูปรางและขนาดเปนปจจยั ท่ีกําหนดความถี่ใชง าน และ สง ผลตอ แบบรปู การแผพ ลงั งาน (Radiation pattern) และอิมพแี ดนซดา นเขา (Input impedance) ของสายอากาศ 2. ชนั้ วสั ดุฐานรอง (Dielectric substrate) เปนวัสดฉุ นวนทางไฟฟา ชนิดวสั ดแุ ละขนาดความ หนาของช้ันวัสดุฐานรองเปนปจจัยสําคัญท่ีกําหนดคุณสมบัติทางไฟฟาและทางกลของสายอากาศ ไมโครสตริปรวมถึงมีผลตอขนาดของแผนตัวแผพลังงานสําหรับความถี่ใชงานใดๆ ดวย คุณสมบัติทาง ไฟฟาของชนั้ วสั ดุฐานรองข้ึนอยูกับคา คงตัวไดอิเล็กทริก (Dielectric constant) และคา แทนเจนตการ สญู เสยี (Loss tangent) ของวสั ดุ 3. แผนระนาบดนิ (Ground plane) โดยทั่วไปจะมขี นาดใหญก วา แผนตวั แผพ ลงั งานมาก แตใ น บางกรณีอาจมีขนาดเล็กลงเพื่อลดขนาดของสายอากาศโดยรวมซ่ึงจะมผี ลทําใหเกิดพูหลัง (Back lobe) และเพิ่มขนาดพูขาง (Side lobes) ของสายอากาศ เน่อื งจากคลน่ื ทแ่ี ผจากแผน ตัวแผพลังงานเกดิ การ เลี้ยวเบนทบี่ ริเวณขอบของแผนระนาบดนิ สาํ หรับสายอากาศแบบรอบทศิ ทางในระนาบเดยี่ วอาจมแี ผน ระนาบดินท่ีมขี นาดเล็กได เน่ืองจากไมไดต องการลักษณะสมบัติการแผพลังงานไปในทิศทางเดยี ว 4. ระบบปอ นกาํ ลัง (Feed system) ทําหนา ที่ควบคุมการสง สญั ญาณไปยังแผนตัวแผพ ลงั งาน ระบบปอ นกําลังเปนปจจัยสําคญั ทม่ี ีผลตอกระแสกระตนุ บนแผน ตัวแผพ ลังงาน ซง่ึ จะสง ผลกระทบตอ ลกั ษณะเฉพาะของสายอากาศ เชน รูปแบบการแผพลังงานและโพลาไรเซชนั นอกจากนี้พลงั งานท่ี สูญเสยี ในระบบปอนกาํ ลงั ยงั มีผลตอประสทิ ธิภาพของสายอากาศ โครงสรางของสายอากาศที่สรางข้ึนจะประกอบดวยโมโนโพลที่ออกแบบใหมีรูปรางเปนขด วกวนเรียงตอกันสรางบนวัสดุฐานรองไดอิเล็กตริก (Dielectric substrate) เชน Flexible Polyimide PCB สายปอนเปนแบบไมโครสตริป (Micro strip feed line) มีระนาบกราวด (Ground plane) เหตุผลท่ีออกแบบสายอากาศโดยใชโมโนโพลแบบขดวกวนแทนที่จะเปนโมโนโพลแบบเสนตรง (Straight monopole) โดยทั่วไปเน่ืองจากท่ีความถ่ีเรโซแนนซเดียวกันสายอากาศแบบโมโนโพลชนิด ขดวกวนจะมีความยาวนอยกวาโมโนโพลแบบเสนตรง จึงทําใหขนาดโดยรวมของสายอากาศมีขนาด เล็กลง นอกจากน้ียังมีเสน Sleeve line ประกบขนานอยู 2 ขางของขดวกวนเพื่อเพ่ิมแบนดวิทธ ของ สายอากาศใหกวางข้ึน ในสวนของสายอากาศแบบ Flexible PCB โดยรวมท่ีออกแบบจะมีขนาด 50.30 x 176.34 มิลลเิ มตร ความหนาของ Flexible PCB ชนิด Polyimide 0.3 mm. จํานวน 1 Layer ลายเสนวงจรถูก เคลอื บทองเพอื่ ปองกนั ผิวหนา ความหนาทองแดงลายวงจร มขี นาด = 1 oz. แบง ออกเปน 4 ชัน้ ชัน้ ที่ 1 Polyimide Substrate ชน้ั ที่ 2 Adhesive ชั้นท่ี 3 Copper ชั้นที่ 4 Adhesive ช้นั ท่ี 5 Polyimide
18 Cover จุดตอ Connector ตองใชแผน PCB FR-4 ความหนา 1.0 mm. สําหรับยึด หัวตอเช่ือมชนิด SMA สายอากาศถูกออกแบบใหม ีคาอิมพิแดนซข าเขา (Input impedance) = 75 โอหม เพือ่ ใหความ กวางแถบความถ่ี (Bandwidth) ของสายอากาศครอบคลุมตลอดชวงความถ่ีใชงาน ความถ่ีเรโซแน นซของสายอากาศถูกกําหนดโดยขนาดและรูปรางของโมโนโพลรวมถึงขนาดของสายปอนซ่ึงทําหนาที่ เขาคูอิมพีแดนซ (Matching impedance) ของโมโนโพลและปลายดานเขา (Input terminal) ของ สายอากาศมี Sleeve line ขนาน 2 ขาง โดยการเลอื กคาพารามเิ ตอรข องสายอากาศที่มคี วามกวา งแถบ ความถ่ีครอบคลุมยา นความถ่ที ต่ี อ งการใชงาน 2.7 วงจรภาคขยายสญั ญาณ ปญหาสัญญาณออนเม่ือติดต้ังสายอากาศแบบภายในอาคารหรือหนวดกุงเม่ือตองรับสัญญาณ ระยะหางไกลจากสถานีโครงขายที่สงสัญญาณ หากเราออกแบบวงจรภาคขยายสญั ญาณท่ีมีอตั ราขยาย ท่ีเหมาะสมติดตั้งไวในตัวสายอากาศจะทําใหสายอากาศมีอัตราขยายสูงข้ึน ผูบริโภคไดรับความสะดวก ไมตองติดต้ังกลองขยายสัญญาณใหยุงยาก มีความสวยงามและประหยัดงบประมาณ วงจรภาคขยาย สัญญาณน้ีจะตองขยายสัญญาณใหครอบคลุมความถ่ียาน UHF ของโทรทัศนระบบดิจิทัล วงจร ภาคขยายสัญญาณถูกออกแบบโดยใชทรานซิสเตอรชนิด Low Noise Silicon Germanium Bipolar RF Transistor ในการใชงานวงจรทรานซิสเตอรแตละวงจรตองการกระแสไมเทากันหรือจุดทํางานท่ี แตกตางกันออกไป ถาวงจรไบแอสใหกระแสไหลในวงจรมากเกินไปจะทําใหทรานซิสเตอรเขาสูสภาวะ อิ่มตัวแตถาเราลดกระแสไบแอสมากไปอาจทําใหทรานซิสเตอรตัวนั้นๆถึงจุดคัทออฟไดเชนกัน เรา สามารถคํานวณหาคาไบแอสตามทฤษฎีกฎของโอหมโดยการปรับคาความตานทานอนุกรมรวมกับ แหลง จายไฟเพ่ือใหไ ดค า กระแสตามทต่ี องการ ในงานวิจัยน้ีการออกแบบทรานซิสเตอรใหทํางานรวมกับวงจรไบแอสแบบกระแสตรง (DC Bias Circuit) เพ่ือออกแบบวงจรไบแอสที่เหมาะสมจะทําใหไดกระแสสูงแตใชพ ลงั งานตํ่าเกิดกําลงั ขยาย สูง สัญญาณรบกวนจะตองตํ่ามากๆและมีขนาดกะทัดรัด โดยพิจารณาเลือกใชทรานซิสเตอรเบอร BFP740 [10] จาํ ลองการออกแบบดวยโปรแกรม ADS
19 รปู ที่ 2.8 แสดงการจาํ ลองแผนผังวงจรขยายสัญญาณยา นความถ่ีสงู ดว ยโปรแกรม ADS
20 บทที่ 3 การออกแบบและสรา งสายอากาศ งานวจิ ยั ทผี่ า นมาไดออกแบบและสรางสายอากาศไมโครสตริปลงบนแผนปร๊ิน FR-4 ความหนา 1.6 มิลลิเมตร สําหรับรับสัญญาณโทรทัศนระบบดิจิทัลภาคพื้นดิน ทําอยางไรจึงจะสามารถทําให สายอากาศติดต้ังใชงานไดกับทุกสภาพพื้นผิว เชนฝงลงบนแผนกระจกโคง ติดกับผนังอาคารท้ังท่ีบาน และสํานักงานใหมีความสวยงาม ติดตั้งไวกับกระจกหนารถยนตหรือติดกับหนาจอเคร่ืองรับโทรทัศนใช งานแทนสายอากาศชนิดหนวดกุงหรือกางปลา งานวิจัยน้ีจึงมุงเนนการพัฒนาสายอากาศไมโครสตริป ชนิดออนแบบมีภาคขยายสัญญาณลักษณะฟลมบางขนาดเล็กบนแผน polyimide ชนิดหนาเดียว (Single Layer) นวตั กรรมใหมสายอากาศน้ีมีคุณสมบัติออ นตัวโคงบิดงอได ลายเสนวงจรมลี กั ษณะเปน โมโนโพล ขดวกวนเพื่อใหเกิดการเหน่ียวนาํ จนเกิดคา resonant สายอากาศถูกออกแบบที่ความถ่ียาน ยู เอช เอฟ 510-790 MHz บนแผน Polyimide แบบฟลมบาง 0.3 มม. สายอากาศมีขนาดกะทัดรัด กวาง 3.5 ซม. ยาว 17 ซม. 3.1 การออกแบบ เปน การออกแบบสายอากาศโครงสรางไมโครสตริปแบบแพทซโมโนโพลระนาบรว มชนดิ ออน สายอากาศจากการออกแบบใหมเี สนลายวงจรเปนขดวกวน (Strip Meaner Line) ลงบนแผนฟล ม โพลไี อมายดค วามหนา 0.3 มิลลิเมตรชนดิ หนา เดียว โครงสรางของแผนประกอบดว ย 5 ชัน้ ไดแ กชัน้ Polyimide substrates, ชน้ั Adhesive, ช้ัน Copper, ชนั้ Adhesive, และช้นั Polyimide cover รูปท่ี 3.1 แสดงโครงสรา งชน้ั ของแผน โพลีไอมายดชนดิ หนาเดยี ว
21 3.2 ขน้ั ตอนการใชโ ปรม CST MWS ออกแบบสายอากาศ ขั้นตอนท่ี 1 เปดโปรแกรม CST Template เปน (Coupler, Planar, Micro strip, cpw) กําหนดยา นความถ่ีใหค รอบคลุมการใชง าน จากนั้นสราง Substrate โดยใช Brick ในการสรา ง เลอื กชนดิ วัสดุเปน Polyimide ขน้ั ตอนท่ี 2 กําหนดพอรทท่ีจะวดั ในที่นจ้ี ะวัดเปน Waveguide port ใชโปรแกรมคํานวณ ความกวาง port สราง Buick สายอากาศแบบ Strip line แบบขดวกวน และ Sleeve ทง้ั 2 ดาน
22 ข้ันตอนที่ 3 กําหนด Boundaries and Symmetry conditionกาํ หนด Waveguide Port ทต่ี าํ แหนง Feeder ของสายอากาศ ขั้นตอนท่ี 4 แสดงคา S-Parameter S-11 (magnitude in dB) ที่ไดจากการออกแบบ คา Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) ท่ีไดจากการออกแบบ
23 คา Input Impedance (Z0) ที่ไดจากการออกแบบ คา Linear Omnidirectional Direction Pattern ในรูปแบบ 3Dจากการออกแบบ ขั้นตอนท่ี 5 ภาพแสดงสายอากาศตนแบบ
24 การออกแบบเสนลายวงจรสายอากาศอยูบนแผน (Flexible Polyimide film) ประกอบดว ย ชน้ั แพทซ (Patch Radiator Meander-line monopole) ประกอบดว ยคา Inductance (XL) และ Capacitance (XC) ทาํ หนา ทีร่ บั สัญญาณคลื่นแมเ หลก็ ไฟฟาทาํ ใหเ กดิ การเหน่ยี วนาํ และขยายสญั ญาณ เพอื่ สง ผานไปยังระบบปอนกําลัง (Feed Point) ท่ีมหี วั ตอ ชนิด SMA ตอกบั สายนําสัญญาณ 75 โอหม เขา เครื่องรับ โดยมีแผนระนาบดนิ (Ground plane) ตอเชอ่ื มกบั Sleeve line ซึ่งขนานอยทู ง้ั 2 ขางอยู บนระนาบเดยี วกันซ่ึงจะทําหนาทีข่ ยาย Bandwidth ใหก วางข้นึ รปู ที่ 3.2 แสดงสวนประกอบและลายเสนวงจรลงบนแผน polyimide อัตราสวนความยาวของสายปอน (Feed System) ตอความหนาของแผน Polyimide เปนไป ตามสมการท่ี (7) สายอากาศจะถูกออกแบบใหมีคา Input Impedance = 75 โอหม คาคงท่ีไดอิเล็กตริกของ Polyimide (εr) = 3.4 คํานวณความกวางของสายปอน Wf = 0.7 mm. เพื่อใหไดคา Input Impedance ของสายปอน Z0 = 75 Ω สายอากาศไมโครสตริปน้ี จะถูกกระตุนใหทํางานที่สภาวะ
25 เรโซแนนซ (Resonant mode) โดยกําหนดใหคา Q ต่ําเพื่อใหได Bandwidth กวาง การออกแบบให สายอากาศทต่ี อ งการมีคา Reflection Coefficient ตํา่ S11 = R − Z0 + jX R + Z0 − jX R + Z0 + jX R + Z0 − jX R2 − Z 2 + X 2 + j2 XZ0 ………………….(8) 0 + x2 S11 = (R + Z0)2 กําหนดใหสายอากาศมีรปู แบบการแพรกระจายกําลงั คลนื่ คลนื่ (Power Pattern) ในรูป Dθ,φ เพ่ือกําหนดทิศทาง Linear Polarization สายอากาศถูกออกแบบใหรับสัญญาณรูปแบบ Omni Directional Radiation Pattern ตัวแปรสําคัญอีกคาหนึ่งคือ คืออัตราสวนคล่ืนยืน (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR) เพ่ือใหมีคาเขาใกล 1 มากที่สุด การคํานวณหาพื้นท่ีความกวาง ความยาวและความสูงของ Patch เปนการกําหนดคา Input Impedance ใหไดคาใกล 75 Ω จากน้ัน จึงนําผลมาออกแบบสายอากาศไมโครสตริปแบบโมโนโพลขดวกวนลงบนแผนโพลีไอมายดเพื่อใหได สายอากาศท่ีออกแบบมขี นาดเล็กตามตองการ 3.3 วงจรภาคขยายสัญญาณ สายอากาศชนิดติดต้ังใชงานภายในอาคารนิยมใชสายอากาศชนิดท่ีมีภาคขยายสัญญาณ (Active Antenna) เพื่อแกปญหาพ้ืนท่ีรับสัญญาณหางไกลจากสถานีสงสัญญาณซ่ึงจะเกิดปญหา สัญญาณออน ดังนั้นการเพ่ิมภาคขยายสัญญาณฝงลงบนสายอากาศคือการนําวงจรซึ่งประกอบดวย ทรานซิสเตอรและวงจรไบแอสทําหนาท่ีจายกระแสไฟฟาปอนใหวงจรทํางาน ในงานวิจัยน้ีเลือก ทรานซิสเตอรชนิด Low Noise Silicon Germanium Bipolar RF Transistor # BFP 740 ซึ่งมีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณสูงแตใชพลังงานตํ่า ทําการออกแบบและจําลองผลวงจรขยาย สัญญาณดวยโปรแกรม ADS ดังน้ี - ออกแบบจาํ ลองผลแผนผงั วงจรขยายสัญญาณยานความถี่สงู 510 – 790 MHz - ออกแบบและจาํ ลองผลแผนผังวงจรไบแอสกระแสตรง (DC Bias Circuit) - ออกแบบแผนวงจรพิมพ (Printed Circuit Board)
26 3.3.1 ขั้นตอนการออกแบบและจําลองวงจรขยายยา นความถ่ีสูงยานความถี่ท่ี 510 – 790 MHz จําลองคา S parameter และ Stability Factor ของทรานซสิ เตอรร นุ BFP 740 ดว ย โปรแกรม ADS รปู ที่ 3.3 แสดงการจําลองแผนผงั วงจรขยายสัญญาณยา นความถี่สงู ของทรานซิสเตอรรุน BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA) ตารางท่ี 3.1 แสดงคา S parameter และ Stability factor ในชว งความถ่ี 0 ถึง 1000 MHz ของทรานซสิ เตอรร นุ BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA)
27 รปู ที่ 3.4 แสดงคา ������������ แหลงจา ยและโหลดในชว งความถี่ 0 ถงึ 1000 MHz ของ ทรานซสิ เตอรร ุน BFP740 (VCE = 4 V, IC = 40 mA) รูปท่ี 3.3 แสดงการจําลองแผนผังวงจรขยายสัญญาณยานความถี่สูงของทรานซิสเตอรรุน BFP740 ที่จุดทํางาน VCE = 4 V และ IC = 40 mA โดยใชโปรแกรม ADS ผลลัพธจากการจําลองใน ตารางที่ 3.1 และรูปที่ 3.4 พบวาทรานซิสเตอรสามารถทํางานไดแตไมมีเสถียรภาพ เน่ืองจากคา Stability factor มีคานอยกวา 1 และ คา ������������ แหลงจายและโหลดมีคานอยกวา 1 จึงจําเปนตองเพ่ิม Shunt resistor ฝงขาออก เพ่ือใหวงจรขยายสัญญาณยานความถี่สูงสามารถทํางานไดอยางมี เสถยี รภาพโดยไมมเี ง่ือนไข (Unconditionally stable) กําหนดคา Shunt resistor ฝง ขาออก เพอ่ื ใหว งจรขยายสญั ญาณยานความถส่ี ูงสามารถทํางาน ไดอยางมีเสถียรภาพโดยไมมีเง่ือนไข (Unconditionally stable) นําขอมูลคา S parameter จาก ตารางที่ 3.1 มาสราง Output Stability Circle บน Smith Chart โดยใชโปรแกรม Smith V.4.1 ดังแสดงในรูปท่ี 3.6 จากนั้นเพิ่ม Shunt resistor ฝงขาออกซ่ึงมีคา 113.556 โอหม ลงในแผนผัง วงจรขยายสัญญาณยานความถี่สูงแลวทําการจําลองเพ่ือนําคา S parameter ดังแสดงตารางท่ี 3.1 มา สราง Output Stability Circle ใหมอีกคร้ัง จากรูปที่ 3.7 จะเห็นวาหลังจากเพ่ิม Shunt resistor ไมมี สวนใดของ Output Stability Circle มาตัดผานบริเวณใดบน Smith chart เปนผลใหเกิดความ เสถยี รภาพอยางไมมีเง่ือนไข (Unconditionally stable) อยางไรกต็ าม จากตารางท่ี 3.2 จะสังเกตเห็น วา S21 มีคาเปล่ียนแปลงตามความถี่คอนขางมาก ดวยเหตุนี้จึงจําเปนตองเพ่ิม Shunt negative- feedback resistor เพื่อปรับคา S21 ของวงจรใหมีความสมํ่าเสมอในแถบความถ่ีกวาง (Broadband frequency)
28 รูปท่ี 3.5 แสดง Output Stability Circle ในชว งความถ่ี 0 ถงึ 1000 MHz ของ BFP740 รูปท่ี 3.6 แสดง Output Stability Circle ในชวงความถ่ี 0 ถึง 1000 MHz ของ BFP740 กบั Shunt resistor 113.556 Ω
29 ตารางท่ี 3.2 แสดงคา S parameter และ Stability Factor ในชวงความถ่ี 0 ถึง 1000 MHz ของ BFP740 กับ Shunt resistor 113.556 Ω กําหนดคา Shunt negative-feedback resistor เพื่อปรบั คา S21 ของวงจรใหมีความสมํ่าเสมอ ในแถบความถีก่ วา ง (Broadband frequency) ������������������������ = 10 ������������������������������������|������������21|2 กําลงั ขยายท่ีตอ งการ GT = 20 dB จะได |S21| = 10 คาํ นวณคา Shunt negative-feedback resistor (R2) ไดจาก ������������2 = ������������������������(1 + |������������21|) จะได R2 = 550 Ω จากน้นั เพิ่ม Shunt negative-feedback resistor (R2) 550 Ω ลงบนแผนผังวงจร แลวทําการจําลองคา S parameter และ Stability Factor ตารางที่ 3.3 ผลการจําลองคา S parameter และ Stability Factor ในชว งความถี่ 0 ถงึ 1000 MHz ของ BFP740 (Shunt resistor 113.556 Ω และ Shunt negative-feedback resistor 550 Ω )
30 ออกแบบ Input matching network แล ะ Output matching network โ ดยอาศัยวิธี Computer-Aided Design (CAD) ในโปรแกรม ADS แทรกบลอ็ กฟง กช ั่น DA_LC Band pass Match เพ่ือสรางวงจร Input matching network และ Output matching network ดังแสดงในรูปที่ 3.9 จากนั้นใชฟงกชั่น Optimization ดังแสดงในรูปท่ี 3.10 เพ่ือปรับคา Lumped component ให เหมาะสมโดยตัง้ เปา หมาย |S11| และ |S22| มคี า นอ ยกวา -20 dB ในชว งความถ่ีต้งั แต 300 – 1000 MHz รูปที่ 3.11 แสดงผลลัพธของวงจร Input matching network และ Output matching network ซึ่งไดจากการ Optimization ตอจากน้ันทําการจําลองคา S parameter เพื่อดูคา Return loss และ Transducer Gain ดังแสดงในรูปท่ี 3.12 จะสังเกตเห็นวาคา Return loss มีคานอยกวา -10 dB และ Transducer Gain มปี ระมาณ 23 dB ตลอดชว ง 510 – 790 MHz รปู ท่ี 3.7 แสดงแผนผงั วงจรขยายสัญญาณยา นความถสี่ ูงโดยแทรกฟง กชน่ั DA_LC Band pass Match และ Optimization เพอ่ื สราง Matching network ซึ่งเหมาะสมกบั วงจรขยาย
31 รูปท่ี 3.8 แสดงการ Optimization โดยต้ังเปาหมาย |S11| และ |S22| มีคานอยกวา -20 dB รปู ที่ 3.9 (ก) แสดงวงจร Input matching network ทีไ่ ดจากการ Optimization (ข) แสดงวงจร Output matching network ท่ีไดจากการ Optimization
32 รูปท่ี 3.10 (ก) แสดงความสัมพนั ธร ะหวา ง S11 และ S22 (Return loss) กับความถ่ี (ข) แสดงความสมั พนั ธร ะหวา ง S21 (Transducer Gain) กบั ความถี่ กําหนดคา Lumped component ใหมีคุณสมบัติใกลเคียงกับวงจรท่ีไดจากการออกแบบโดย อางอิงจาก SMT library พรอมกับจําลองผลลัพธ (S parameter, Gain, Noise, Return loss)คนหา รายการ Component part จาก SMT library ท่ีมีคุณสมบัติใกลเคียงกับ Lumped component ซึ่งไดจ ากการวิเคราะห ดงั แสดงในรปู ท่ี 3.13 รูปที่ 3.11 แสดงวงจรขยายสัญญาณโดยกาํ หนดคา Lumped component จาก SMT library
33 (ก) (ข) รปู ท่ี 3.12 (ก) แสดงความสมั พนั ธระหวา ง S11 และ S22 (Return loss) กบั ความถ่ี (ข) แสดงความสัมพันธระหวาง S21 (Transducer Gain) กบั ความถ่ี ตารางท่ี 3.4 แสดงคา S parameter, Stability Factor และ Noise Figure ของวงจรขยายสัญญาณ ยานความถ่สี ูง ในชว งความถ่ี 300 – 1000 MHz จากน้ันทําการจําลองคา S parameter เพ่ือดูคา Return loss และ Transducer Gain ดังแสดงในรูปที่ 3.12 จะสังเกตเห็นวาคา Return loss มีคานอยกวา -10 dB และ Transducer Gain ประมาณ 23 dB ตลอดชวง 510 – 790 MHz และคา Noise Figure ไมเกิน 0.4 dB ผูวิจัยจึงเลือก ทรานซิสเตอรชนิด Low Noise Silicon Germanium Bipolar RF Transistor # BFP 740 ทําหนาท่ี เปนภาคขยายสัญญาณโดยออกแบบลายวงจรพรอมวงจรไบแอสฝงลงสวนทายเชื่อมตอกับเสนลายขด วกวนลงบนแผน สายอากาศตน แบบ ตามรปู ที่ 3.13 และ รปู ที่ 3.14
34 รูปท่ี 3.13 ออกแบบลายวงจรภาคขยายสญั ญาณสาํ หรับเช่อื มตอกับสายอากาศ รูปท่ี 3.14 ภาพแสดงสายอากาศโมโนโพลชนดิ ออ นแบบมีภาคขยายสญั ญาณตน แบบ
35 บทที่ 4 การวัดผลและทดสอบ งานวิจัยนี้เปนการพัฒนาตอยอดจากงานวิจัยท่ีผานมาเรื่องการออกแบบและสรางสายอากาศ สายอากาศไมโครสตริปชนิดออนสําหรับรับสัญญาณโทรทัศนระบบดิจิทัล [4] โดยงานวิจัยนี้มุงเนน ออกแบบสายอากาศใหมีอัตราขยายสัญญาณสูงข้ึนเปนการออกแบบวงจรภาคขยายสัญญาณเพ่ิมโดย ฝง ลงบนแผนสายอากาศใหเ ปนสายอากาศชนิด Active antenna การออกแบบวงจรภาคขยายสญั ญาณ ในงานวิจัยนี้จะเลือกใชทรานซิสเตอรชนิด Low Noise Silicon Germanium Bipolar RF Transistor # BFP 740 [10] เพ่ือใหไดคาอัตราขยายตามขอกําหนดของทรานซิสเตอรที่กําหนดคา Transducer Gain ไวท ี่ 20 dB ตลอดความถ่ยี าน UHF ที่ 300 – 1000 MHz จากขอ มูลงานวิจัยเร่ืองการออกแบบ และสรางสายอากาศสายอากาศไมโครสตริปชนิดออนสําหรับรับสัญญาณโทรทัศนระบบดิจทิ ัลท่ีผา นมา สายอากาศมีคาอัตราขยายท่ี 6 dB เมื่อนําไปติดตั้งใชงานในพ้ืนที่หางไกลจากสถานีสงสัญญาณหรือ ติดต้ังในรถยนตเมื่อใชความเร็วสูงขึ้นจะพบปญหาสัญญาณภาพคางหรือภาพกระตุกการนําผลลัพธที่ได จากการออกแบบวงจรขยายสัญญาณฝงลงบนแผนสายอากาศตนแบบจากบทท่ี 3 มาทําการวัดและ ทดสอบเพือ่ หาคา พารามเิ ตอรต างๆและอัตราการขยายในบทน้ี 4.1 ขนั้ ตอนการวดั และทดสอบสายอากาศ การหาคาประสิทธิภาพของสายอากาศจะทําการวัดเพื่อใหทราบคาพารามิเตอรตางๆของ สายอากาศทสี่ รา งขนึ้ มีหลายข้ันตอน ซ่ึงในงานวิจยั นี้จะทาํ การวดั และทดสอบ 4 ข้ันตอนไดแก ข้นั ตอนที่ 1. การวัดในหอ งปฏิบัตกิ ารวจิ ัยคล่นื แมเ หลก็ ไฟฟา (Laboratory Test) ขนั้ ตอนที่ 2. การวัดภาคสนาม (Field Test) ข้นั ตอนที่ 3. ติดตั้งในรถเพือ่ วัดสญั ญาณในพ้ืนท่ี กทม.ปรมิ ณฑลและตางจังหวดั (Drive Test) ข้นั ตอนท่ี 4. ติดต้งั สายอากาศกบั เครอ่ื งรับโทรทัศนในหอ งเพื่อวดั ในสภาพแวดลอ มใชงานจริง (Indoor Reception Test)
36 เหตุผลที่ตองทําการวัดทั้ง 4 ข้ันตอน เนื่องจากคาพารามิเตอรบางคาไมสามารถวัดในภาคสนามได จะตองใชเคร่ืองมือเฉพาะทาง เชน Network Analyzer และตองทําการวัดและทดสอบในหองไรคล่ืน รบกวนเปนระบบปด ไดแก การวัดคาอัตราการสะทอนกลับของสัญญาณ (Return loss) คา Input Impedance ค า อั ต ร า ส ว น ค ลื่ น ยื น (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR) แ ต สํ า ห รั บ คาพารามิเตอรบางอยางตองวัดกับสัญญาณโทรทัศนดิจิทัลของจริงที่สงจากสถานีสงสัญญาณระบบ ดิจิทัลภาคพ้ืนดินมาตรฐาน DVB-T2 [8] สําหรับในพื้นท่ีกรุงเทพฯและปริมณฑลจะวัดสัญญาณท่ีสงมา จากจากอาคารใบหยก 2 ประตูนํ้า โดยทําการวัดดวยเคร่ืองมือ Field Strength Meter เพ่ือหาคา รูปแบบการแพรกระจายคลื่น (Radiation pattern) ระดับความแรงของชองสัญญาณ Channel Power, คาอัตราสวนสัญญาณตอสัญญาณรบกวน Carrier to Noise Ratio : C/N, คา Modulation Error Ratio : MER, คา Bit Error Rate : BER, และคา Constellation ขอมูลผลการวัดและทดสอบ ท่ีไดจะทําใหทราบคาพารามิเตอรท่ีบงบอกถึงประสิทธิภาพการทํางานของสายอากาศ เพ่ือเปนขอมูล สาํ หรบั การแกไ ขปรับปรุงประสทิ ธิภาพของสายอากาศใหเ หมาะสมตอไป 4.1.1 อุปกรณก ารวดั และทดสอบ 1 ชุด - สายอากาศไดโพลมาตรฐาน (Anritsu UHF) 1 ตน - สายอากาศชนิดออนแบบมีภาคขยายสัญญาณตน แบบ 1 ตน - สายอากาศยากิ 5 ตวั ประกอบ 1 ตน - สายอากาศโมโนโพลแบบมีภาคขยายสัญญาณ 1 เครอื่ ง - Network Analyzer (Agilent) เครอ่ื ง - Field Strength Meter (PROMAX HD Ranger+) 1 ชดุ - Rotor Controller (Yeasu-600) 1 ชุด - สายนาํ สญั ญาณพรอ มหวั ตอ ตางๆ 1
37 4.2 วัดในหอ งปฏิบัตกิ ารวิจยั คลน่ื แมเหล็กไฟฟา (Laboratory Test) นําสายอากาศทําการติดตั้งในหองปฏิบัติการวิจัย กลุมวิจัยส่ือสารไรสาย ของมหาวิทยาลัย เทคโนโลยีพระจอมเกลาพระนครเหนือ ดวยเครื่องวิเคราะหโครงขาย Network Analyzer เพ่ือวัดหา 3 คา พารามเิ ตอร ไดแก - อัตราการสญู เสียจากการสะทอนกลับ (Return Loss : S11) - อัตราสว นคลนื่ ยืน (Voltage Standing Wave Ratio : VSWR) - คา Input Impedance : Zo รปู ท่ี 4.1 การวดั ในหอง Shield room มหาวทิ ยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกลา พระนครเหนือ รูปที่ 4.2 คา Return Loss ทอ่ี านไดจ าก Network Analyzer (S11) = -33.72 dB
38 รปู ที่ 4.3 คา Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) = 1 : 1.36 รปู ท่ี 4.4 คา Input Impedance : Z0 = 76.113 Ω
39 รปู ท่ี 4.5 แสดงคาอัตราขยาย (S21) ที่ความถี่ 420 MHz =18.233dB รปู ท่ี 4.6 แสดงคา อตั ราขยาย (S21) ทีค่ วามถี่ 510 MHz =18.164 dB
40 รปู ที่ 4.7 แสดงคาอตั ราขยาย (S21) ที่ความถี่ 600 MHz =18.183 dB รูปท่ี 4.8 แสดงคา อตั ราขยาย (S21) ท่ีความถี่ 700 MHz =18.047 dB
Search
