ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมและวงกลมมีความแตกต่างกันในหลายประเด็นหลัก ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีขนาดเช่น $23 mm \times 10 mm$ รองรับโหมดโพลาไรเซชันคู่ ($TE_{10}/TE_{01}$) แต่มีการลดทอนสูงกว่าท่อนำคลื่นวงกลมถึง $15\%$ (โดยทั่วไป $0.1 dB/m$ ที่ $10 GHz$) ท่อนำคลื่นวงกลม (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง $50 mm$) โดดเด่นในการส่งสัญญาณระยะไกลที่มีการสูญเสียน้อย ($0.08 dB/m$) และสามารถรับมือกับกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่า ($30\%$ มากกว่าท่อสี่เหลี่ยม)
อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมทำให้การจัดแนวหน้าแปลนระหว่างการติดตั้งง่ายขึ้นเนื่องจากมีพื้นผิวเรียบ ท่อนำคลื่นวงกลมต้องมีการจัดแนวเชิงมุม แต่ให้การกระจายโหมดที่สมมาตร ทำให้เหมาะสำหรับข้อต่อหมุน การผลิตท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า $20\%$ เนื่องจากกระบวนการกัดที่ง่ายกว่าเมื่อเทียบกับท่อวงกลมที่ต้องกลึงอย่างแม่นยำ
Table of Contents
รูปร่างและการไหลของสัญญาณ
ท่อนำคลื่นมีความสำคัญสำหรับการนำสัญญาณความถี่สูง (โดยทั่วไปสูงกว่า $1 GHz$) โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด รูปร่าง ไม่ว่าจะเป็นสี่เหลี่ยมหรือวงกลม ส่งผลกระทบโดยตรงต่อพฤติกรรมสัญญาณ ประสิทธิภาพ และการใช้งานจริง ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมีความกว้างภายใน $a$ (ปกติอยู่ระหว่าง $10 mm$ ถึง $100 mm$) ในขณะที่ท่อนำคลื่นวงกลมมีเส้นผ่านศูนย์กลาง $D$ (ตั้งแต่ $12 mm$ ถึง $150 mm$) ความถี่คัตออฟ ($f_c$) สำหรับโหมดเด่น ($TE_{10}$ ในสี่เหลี่ยม, $TE_{11}$ ในวงกลม) คำนวณแตกต่างกัน:
- ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม: $f_c = \frac{c}{2a}$ (โดยที่ $c$ = ความเร็วแสง)
- ท่อนำคลื่นวงกลม: $f_c = \frac{1.841 \cdot c}{2\pi r}$ (โดยที่ $r$ = รัศมี)
สำหรับท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม $30 mm$ ความถี่คัตออฟคือ $5 GHz$ ในขณะที่ท่อนำคลื่นวงกลมขนาดเดียวกัน (เส้นผ่านศูนย์กลาง $30 mm$) มีความถี่คัตออฟ $3.68 GHz$ ซึ่งหมายความว่าท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมรองรับความถี่ที่สูงกว่าในพื้นที่ทางกายภาพเดียวกัน
การไหลของสัญญาณและพฤติกรรมโหมด
ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมรองรับ สัญญาณโพลาไรเซชันคู่ โดยธรรมชาติ เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของมันอนุญาตให้มีการแพร่กระจายเท่ากันตามแกนแนวนอนและแนวตั้ง ทำให้เหมาะสำหรับระบบเรดาร์และดาวเทียมที่ต้องการความหลากหลายของโพลาไรเซชัน อย่างไรก็ตาม ท่อนำคลื่นวงกลมจัดการกับ โพลาไรเซชันแบบหมุน ได้ดีกว่าเนื่องจากความสมมาตร ซึ่งมีประโยชน์ในข้อต่อหมุน (เช่น เสาอากาศเรดาร์)
การสูญเสียการลดทอน แตกต่างกันอย่างมาก:
- ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม $50 mm$ ที่ $10 GHz$ มีการสูญเสีย $\sim 0.03 dB/m$
- ท่อนำคลื่นวงกลม $50 mm$ ที่ความถี่เดียวกันมีการสูญเสีย $\sim 0.05 dB/m$
นี่เป็นเพราะท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมีมุมที่คมกว่า ซึ่งช่วยลดการผสมโหมดที่ไม่ต้องการ ท่อนำคลื่นวงกลมแม้จะเรียบกว่า แต่สามารถพัฒนา โหมดลำดับสูงขึ้น (เช่น $TE_{21}$) ที่บริเวณโค้งงอ ทำให้การสูญเสียเพิ่มขึ้นถึง $15\%$ เมื่อเทียบกับท่อสี่เหลี่ยม
การจัดการพลังงานและการกระจายความร้อน
ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมกระจายความร้อนสม่ำเสมอมากขึ้นเนื่องจากผนังเรียบ ทำให้สามารถ จัดการพลังงานได้สูงกว่า $20-30\%$ (สูงสุด $5 kW$ ต่อเนื่อง) ก่อนที่จะเกิดการผิดรูปทางความร้อน ท่อนำคลื่นวงกลม แม้จะแข็งแรง แต่สามารถพัฒนา จุดร้อน ใกล้บริเวณโค้งงอ จำกัดกำลังไฟฟ้าต่อเนื่องไว้ที่ประมาณ $3.5 kW$
ตารางเปรียบเทียบ: ความแตกต่างที่สำคัญ
| พารามิเตอร์ | ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม | ท่อนำคลื่นวงกลม |
|---|---|---|
| ความถี่คัตออฟ (ขนาด $30 mm$) | $5 GHz$ | $3.68 GHz$ |
| การลดทอน ($10 GHz$, $50 mm$) | $0.03 dB/m$ | $0.05 dB/m$ |
| การจัดการโพลาไรเซชัน | คู่เชิงเส้น | แบบหมุน |
| การจัดการพลังงาน (ต่อเนื่อง) | $5 kW$ | $3.5 kW$ |
| การควบคุมโหมด | ง่ายกว่า (ขอบคมช่วยลดโหมดที่สูงกว่า) | ยากกว่า (โหมดผสมกันที่บริเวณโค้งงอ) |
ข้อแลกเปลี่ยนทางปฏิบัติ
หากคุณต้องการ การทำงานที่ความถี่สูง (สูงกว่า $8 GHz$) และ สัญญาณโพลาไรเซชันหลายแบบ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมจะดีกว่า แต่ถ้าหากระบบของคุณต้องการ การหมุนที่ราบรื่น (เช่น ในเครื่องสแกนเรดาร์) ท่อนำคลื่นวงกลมจะชนะแม้ว่า การสูญเสียต่อเมตรจะสูงกว่า $\sim 40\%$ ในบางกรณี การเลือกขึ้นอยู่กับว่าประสิทธิภาพความถี่หรือความยืดหยุ่นทางกลมีความสำคัญมากกว่า
การสูญเสียที่บริเวณโค้งงอ
เมื่อท่อนำคลื่นโค้งงอ การสูญเสียสัญญาณจะเพิ่มขึ้น แต่มากน้อยเพียงใดขึ้นอยู่กับรูปร่างเป็นอย่างมาก ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมักจะสูญเสีย $0.1–0.3 dB$ ต่อการโค้งงอ $90^\circ$ ที่ $10 GHz$ ในขณะที่ท่อนำคลื่นวงกลมสามารถสูญเสีย $0.2–0.5 dB$ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ความแตกต่างมาจากการออกแบบทางเรขาคณิต: มุมที่คมชัดในท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมสร้างการสะท้อนที่คาดการณ์ได้ ในขณะที่การโค้งงอวงกลมกระจายพลังงานไม่สม่ำเสมอ นำไปสู่ การสูญเสียที่สูงขึ้น $10–40\%$ ในส่วนที่โค้งงอ
ฟิสิกส์เบื้องหลังเรื่องนี้เป็นเรื่องง่าย ในท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม การโค้งงอ $90^\circ$ ที่มีรัศมี $50 mm$ บังคับให้สัญญาณสะท้อนออกจากผนังด้านในอย่างหมดจด ทำให้พลังงานส่วนใหญ่ยังคงอยู่ แต่ในท่อนำคลื่นวงกลม การโค้งงอเดียวกันจะกระจายพลังงานไปทั่วพื้นที่ที่กว้างขึ้น กระตุ้นให้เกิดโหมดลำดับสูงขึ้นที่ไม่ต้องการ (เช่น $TE_{21}$ หรือ $TM_{01}$) ซึ่งดูดซับ พลังงานมากกว่า $5–15\%$ เมื่อเทียบกับการออกแบบสี่เหลี่ยม ผลกระทบนี้แย่ลงที่ความถี่สูงขึ้น—สูงกว่า $15 GHz$ การสูญเสียต่อการโค้งงอของท่อนำคลื่นวงกลมสามารถกระโดดไปถึง $0.7 dB$ ในขณะที่ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมยังคงต่ำกว่า $0.4 dB$
ความหนาของวัสดุก็มีบทบาทเช่นกัน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมอะลูมิเนียมหนา $2 mm$ จัดการกับการโค้งงอได้ดีกว่าท่อวงกลมที่มีความหนาเท่ากัน เนื่องจากพื้นผิวเรียบต้านทานการผิดรูป หากผนังบิดเบี้ยวแม้เพียง $0.5 mm$ เกินความคลาดเคลื่อน การสูญเสียจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วถึง $20\%$ ในการออกแบบวงกลม แต่เพียง $10\%$ ในท่อสี่เหลี่ยม นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมจึงโดดเด่นในระบบขนาดกะทัดรัด เช่น เรดาร์แบบแผงเฟส (phased-array radars) ที่การโค้งงอหลายครั้งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ท่อนำคลื่นวงกลมแม้จะมีการสูญเสีย แต่ก็ยังถูกใช้ในข้อต่อหมุน เนื่องจากความสมมาตรของมันป้องกันการบิดเบือนของโพลาไรเซชัน—แต่ทุก การหมุน $360^\circ$ สามารถเพิ่ม $1.2–2 dB$ ของการลดทอน ซึ่งจะสะสมอย่างรวดเร็วในการใช้งานสแกนความเร็วสูง
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้สิ่งต่าง ๆ แย่ลง การเพิ่มขึ้น $30^\circ C$ สามารถขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อนำคลื่นวงกลมได้ $0.1 mm$ ซึ่งรบกวนการไหลของสัญญาณและเพิ่มการสูญเสียการโค้งงอได้ $8–12\%$ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมที่มีมุมแข็งแกร่งจะมีการสูญเสียเพิ่มขึ้นเพียง $3–5\%$ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ความชื้นเป็นอีกสาเหตุหนึ่ง: การสะสมความชื้นภายในส่วนโค้งงอวงกลมสามารถเพิ่มการลดทอนได้ $0.05 dB/เมตร$ ในขณะที่ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมระบายน้ำจากการควบแน่นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น จำกัดผลกระทบไว้ที่ $0.02 dB/เมตร$
สำหรับระบบที่มีการโค้งงอบ่อย—เช่น เครือข่ายฟีดดาวเทียมหรือเครื่องมือแพทย์ RF—ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมักจะชนะ การตั้งค่า 5 โค้งงอ ทั่วไปในท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมอาจสูญเสีย $1.5 dB$ โดยรวม ในขณะที่เวอร์ชันวงกลมอาจสูงถึง $2.8 dB$ การสูญเสีย $1.3 dB$ ที่เพิ่มขึ้นหมายถึง การลดลง $25\%$ ของพลังงานสัญญาณที่ใช้งานได้ ซึ่งอาจต้องใช้เครื่องขยายสัญญาณที่มีราคาแพงเพื่อแก้ไข ในทางกลับกัน หากการออกแบบของคุณต้องการการหมุนที่ราบรื่นและต่อเนื่อง (เช่น ในแท่นเรดาร์) ท่อนำคลื่นวงกลมเป็นทางเลือกเดียว—เพียงแค่วางแผนงบประมาณสำหรับ การสูญเสียที่สูงขึ้น $50\%$ ต่อการโค้งงอและวางแผนตามนั้น
ความยากในการผลิต
การสร้างท่อนำคลื่นไม่ใช่แค่การเลือกรูปร่าง แต่เป็นการต่อสู้กับความคลาดเคลื่อน ความเค้นของวัสดุ และต้นทุนการตัดเฉือน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมต้องการ ความแม่นยำ $\pm 0.05 mm$ บนผนังด้านในเพื่อรักษาการควบคุมโหมดที่เหมาะสม ในขณะที่ท่อนำคลื่นวงกลมต้องการ ความร่วมศูนย์ $\pm 0.03 mm$ ที่เข้มงวดกว่าเพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบือนของสัญญาณ ความแตกต่างนี้เพียงอย่างเดียวทำให้ตัวแปรวงกลม มีราคาแพงกว่า $20–30\%$ ในการผลิตในชุดเล็ก
ท่อนำคลื่นวงกลม $50 mm$ มีค่าใช้จ่าย $120–180$ ต่อเมตรเมื่อกลึง CNC จากอะลูมิเนียม เทียบกับ $90–140$ สำหรับท่อสี่เหลี่ยม ช่องว่างราคาจะกว้างขึ้นสำหรับทองแดง: ท่อวงกลมกระโดดไปที่ $200–250$/เมตร เนื่องจากการทำงานของเครื่องกลึงเพิ่มเติม ในขณะที่ท่อสี่เหลี่ยมยังคงอยู่ที่ $150–190$
ปัญหาหลักคือความซับซ้อนของเครื่องมือ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมถูกตัดผ่าน การกัด 3 แกน ด้วยดอกกัดมาตรฐาน ทำให้ได้ ความสามารถในการทำซ้ำ $95\%$ ในทุกชุด เวอร์ชันวงกลมต้องการ เครื่องกลึง 4 แกน หรือ EDM (การตัดเฉือนด้วยไฟฟ้าสถิต) สำหรับภายในที่เรียบ เพิ่ม เวลาตั้งค่า $15–25\%$ ต่อหน่วย แม้แต่ข้อผิดพลาดเล็กน้อย เช่น การโก่งตัวของเครื่องมือ $0.1 mm$ ในระหว่างการเจาะ ก็สามารถทำลายประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นวงกลมได้ เพิ่มการลดทอน $0.1 dB/เมตร$ การออกแบบสี่เหลี่ยมทนทานต่อ ความเบี่ยงเบน $0.2 mm$ ก่อนที่จะแสดงการสูญเสียที่คล้ายกัน
การสูญเสียวัสดุทำให้ปัญหารุนแรงขึ้น การผลิต ท่อนำคลื่นวงกลม $2$ เมตร จากแท่งตันจะสูญเสีย $40–50\%$ ของวัตถุดิบ เป็นเศษและสารหล่อเย็น โปรไฟล์สี่เหลี่ยมสูญเสียเพียง $25–35\%$ เนื่องจากด้านที่เรียบของมันอนุญาตให้มีรูปแบบการตัดแบบซ้อนกันได้ สำหรับการผลิตจำนวนมาก การอัดรีดช่วยได้ แต่การอัดรีดแบบวงกลมยังคงมีค่าใช้จ่าย $12–18\%$ มากกว่าต่อกิโลกรัม เนื่องจากอัตราการสึกหรอของแม่พิมพ์ สูงกว่า $3\times$ แม่พิมพ์สี่เหลี่ยม
“ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมอะลูมิเนียมอัดรีดมีราคา $60$/เมตร ที่ $100+$ ยูนิต ในขณะที่ท่อวงกลมอยู่ที่ $75$/เมตร แม่พิมพ์อัดรีดวงกลมมีอายุการใช้งานเพียง $5,000$ เมตรก่อนที่จะต้องมีการซ่อมแซม $8,000$—แม่พิมพ์สี่เหลี่ยมทนทาน $15,000$ เมตร”
วิธีการต่อก็เพิ่มความยากลำบากเช่นกัน หน้าแปลนสี่เหลี่ยมจัดแนวด้วย ช่องว่าง $0.1 mm$ โดยใช้สลักเกลียวธรรมดา ทำให้สัญญาณรั่ว $<-30 dB$ หน้าแปลนวงกลมต้องใช้ ซีล RF ขอบมีด ที่กลึงให้ เรียบ $0.02 mm$ ผลักดันแรงงานประกอบขึ้น $1.5$ ชั่วโมงต่อข้อต่อ การเคลือบเงินภายในท่อวงกลม (ทั่วไปสำหรับการใช้งาน $40+ GHz$) เพิ่ม $35$/เมตร ในค่าใช้จ่ายในการเคลือบเทียบกับ $25$/เมตร สำหรับการเคลือบสี่เหลี่ยม—ส่วนเพิ่ม $10$ มาจากการปิดบังพื้นผิวโค้ง
ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมขยายความคลาดเคลื่อน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของโรงงาน $10^\circ C$ จะขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อนำคลื่นวงกลม $0.008 mm$ เสี่ยงต่อการรั่วไหลของโหมดหากไม่ได้รับการชดเชยระหว่างการตัดเฉือน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมเติบโต $0.005 mm$ ต่อ $10^\circ C$ แต่ยังคงมีเสถียรภาพทางมิติ ความชื้นที่สูงกว่า $60\%$ RH สามารถทำให้รูวงกลมอะลูมิเนียมบวมได้ $0.003 mm$ ใน 48 ชั่วโมง—เพียงพอที่จะต้องมีการตัดเฉือนใหม่หากไม่ได้ตรวจสอบ วัสดุสี่เหลี่ยมต้านทานสิ่งนี้ด้วย การขยายน้อยลง $50\%$
สำหรับการสร้างต้นแบบ ท่อนำคลื่นพอลิเมอร์พิมพ์ $3D$ เปิดเผยช่องว่างอีกช่องหนึ่ง เวอร์ชันสี่เหลี่ยมพิมพ์ได้อย่างน่าเชื่อถือที่ ความสูงของชั้น $0.1 mm$ ด้วย การคงความแข็งแรง $85\%$ หลังการบ่ม เวอร์ชันวงกลมต้องการ ชั้น $0.05 mm$ เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งแปลกปลอมแบบขั้นบันได ซึ่งเพิ่มเวลาพิมพ์เป็นสองเท่าและลดความแข็งแรงลงเหลือ $72\%$ ของวัสดุแข็ง การประมวลผลภายหลัง (เช่น การปรับให้เรียบด้วยไออะซีโตน) เพิ่ม $12$/เมตร ให้กับการพิมพ์วงกลม แต่เพียง $7$/เมตร สำหรับท่อสี่เหลี่ยม
การควบคุมโหมด
รูปร่างของท่อนำคลื่นกำหนดโดยตรงว่าโหมดแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายอย่างไร และคุณสามารถป้องกันไม่ให้โหมดที่ไม่ต้องการทำลายสัญญาณของคุณได้ง่ายเพียงใด ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมจะลดโหมดลำดับสูงลงตามธรรมชาติเนื่องจากมุม $90^\circ$ ที่คมชัด ในขณะที่ท่อนำคลื่นวงกลมประสบปัญหาในการผสมโหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สูงกว่า $15 GHz$ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม WR-90 มาตรฐาน ($22.86 \times 10.16 mm$) รักษาความเป็นโหมด $TE_{10}$ ที่สะอาดได้ถึง $18 GHz$ ด้วยการลดโหมด $TE_{20}$ เพียง $-25 dB$ ในขณะเดียวกัน ท่อนำคลื่นวงกลมที่มีพื้นที่เทียบเท่ากัน (เส้นผ่านศูนย์กลาง $25.4 mm$) เริ่มแสดงสัญญาณรบกวนโหมด $TE_{21}$ ที่ $12 GHz$ ซึ่งต้องใช้ตัวกรองเพิ่มเติมเพื่อให้ได้การลดที่เทียบเท่ากัน
ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่ความถี่คัตออฟ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมีความถี่คัตออฟของโหมดที่แยกจากกันอย่างชัดเจน—$TE_{10}$ ที่ $6.56 GHz$ เทียบกับ $TE_{20}$ ที่ $13.12 GHz$ ใน WR-90—สร้าง หน้าต่างแบนด์วิดท์ $100\%$ สำหรับการทำงานแบบโหมดเดียว ท่อนำคลื่นวงกลมมีความถี่ที่ใกล้กันกว่า: $TE_{11}$ คัตออฟที่ $4.71 GHz$ ในขณะที่ $TM_{01}$ ปรากฏที่ $7.32 GHz$ เหลือเพียง แบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้ $55\%$ สิ่งนี้บังคับให้วิศวกรต้องยอมรับ การสูญเสียพลังงาน $3-8\%$ จากการรบกวนของโหมด หรือใช้ตัวกรองโหมดขนาดใหญ่ที่เพิ่ม $0.5-1.2 dB$ ของการสูญเสียการแทรก
ความเสถียรของโพลาไรเซชันแยกทั้งสองออกจากกันต่อไป ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมรักษาโพลาไรเซชันเชิงเส้นด้วย การบิดเบือน $<1^\circ$ เหนือระยะทาง $10$ เมตร ทำให้เหมาะสำหรับแผงเฟส ท่อนำคลื่นวงกลมในขณะที่ยอดเยี่ยมสำหรับการหมุนโพลาไรเซชัน แสดงให้เห็น การเลื่อนโพลาไรเซชัน $5-15^\circ$ ต่อเมตรเมื่อเกิดความเค้นทางกล—ฝันร้ายสำหรับระบบที่มีความแม่นยำ ที่ $30 GHz$ การเลื่อนนี้สามารถทำให้เกิด การรบกวนโพลาไรเซชันไขว้ $12-18\%$ ซึ่งต้องใช้ตัวชดเชยราคาแพง
| พารามิเตอร์ | ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม (WR-90) | ท่อนำคลื่นวงกลม ($25.4mm$) |
|---|---|---|
| โหมดเด่น | $TE_{10}$ | $TE_{11}$ |
| การลดโหมดที่สูงกว่า | $-25 dB$ @ $18 GHz$ | $-18 dB$ @ $12 GHz$ |
| แบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้ | $6.56–13.12 GHz$ ($100\%$) | $4.71–7.32 GHz$ ($55\%$) |
| ความเสถียรของโพลาไรเซชัน | การบิดเบือน $<1^\circ$ บน $10m$ | การเลื่อน $5-15^\circ$ ต่อเมตร |
| ข้อกำหนดตัวกรองโหมด | ไม่มีต่ำกว่า $18 GHz$ | จำเป็นต้องมีเหนือ $7.32 GHz$ |
ความไม่สมบูรณ์ของการผลิตส่งผลกระทบต่อท่อนำคลื่นวงกลมรุนแรงกว่า ข้อผิดพลาดของเส้นผ่านศูนย์กลาง $0.1 mm$ เพิ่มการรั่วไหลของโหมด $TE_{21}$ ได้ $6-9 dB$ ในขณะที่ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมทนทานต่อ การเยื้องศูนย์ของผนัง $0.3 mm$ ก่อนที่ $TE_{20}$ จะกลายเป็นปัญหา สิ่งนี้ทำให้ท่อนำคลื่นวงกลม ไวต่อข้อบกพร่องในการผลิต $40\%$ มากกว่า แม้แต่การโค้งงอเล็กน้อย—$30^\circ$ หรือมากกว่า—กระตุ้นโหมดที่ไม่ต้องการในการออกแบบวงกลม เพิ่มการสูญเสีย $0.2-0.5 dB/เมตร$ เทียบกับ $0.1-0.3 dB/เมตร$ ในท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม
การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิทำให้ปัญหาเหล่านี้รุนแรงขึ้น การเพิ่มขึ้น $20^\circ C$ ขยายเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อนำคลื่นวงกลม $0.02 mm$ มากพอที่จะเปลี่ยนความถี่คัตออฟ $TE_{11}$ ได้ $0.11 GHz$ และเชิญชวนให้เกิดการรบกวน $TM_{01}$ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมเติบโต $0.015 mm$ ต่อ $20^\circ C$ แต่การเว้นระยะห่างของโหมดของพวกเขายังคงเสถียร ความชื้นที่สูงกว่า $70\%$ RH สามารถลดประสิทธิภาพของท่อนำคลื่นวงกลมได้อีก เพิ่มการรั่วไหลของ $TE_{21}$ ได้ $1.2 dB$ หลังจาก 500 ชั่วโมง—ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมแสดงให้เห็น การลดลงเพียง $0.4 dB$ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน
สำหรับการใช้งานความถี่สูง ($24+ GHz$) ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมครองตลาดอย่างชัดเจน รูปทรงเรขาคณิตที่แข็งแกร่งของพวกเขาให้ ความบริสุทธิ์ของโหมด $92-95\%$ แม้จะมีส่วนโค้งงอหลายส่วน ในขณะที่เวอร์ชันวงกลมต้องดิ้นรนเพื่อรักษา $80-85\%$ โดยไม่มีการกรองแบบแอคทีฟ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือระบบหมุน—ที่ความยืดหยุ่นของโพลาไรเซชันของท่อนำคลื่นวงกลมมีน้ำหนักมากกว่าข้อบกพร่องของโหมด ในที่อื่น ๆ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมให้ประสิทธิภาพที่ง่ายกว่าและคาดการณ์ได้มากกว่า
การใช้พื้นที่
เมื่อออกแบบระบบไมโครเวฟ ทุกมิลลิเมตรมีความสำคัญ ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมักจะใช้ ปริมาตรน้อยกว่า $15-25\%$ เมื่อเทียบกับท่อวงกลมสำหรับช่วงความถี่ที่เทียบเท่ากัน ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม WR-90 มาตรฐาน ($22.86 \times 10.16 mm$) ให้ความถี่คัตออฟเดียวกัน ($6.56 GHz$) กับท่อนำคลื่นวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง $25.4 mm$ ในขณะที่ใช้ พื้นที่หน้าตัดน้อยกว่า $40\%$ ข้อได้เปรียบด้านขนาดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในเสาอากาศแบบอาร์เรย์หนาแน่น ซึ่งต้องมีทางวิ่งของท่อนำคลื่นหลายร้อยเส้นพอดีภายในกล่องหุ้มที่คับแคบ
ความแตกต่างของประสิทธิภาพการบรรจุภัณฑ์นั้นชัดเจน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมสามารถซ้อนกันขอบชนขอบได้โดยมี ระยะห่าง $0.5 mm$ บรรลุ การใช้พื้นที่ $93\%$ ในระบบหลายช่องสัญญาณ ท่อนำคลื่นวงกลมต้องมี ช่องว่างอย่างน้อย $2 mm$ ระหว่างยูนิตที่อยู่ติดกัน ทำให้การใช้งานที่มีประสิทธิภาพลดลงเหลือ $78\%$ ในเครือข่ายฟีดดาวเทียมทั่วไปที่ต้องใช้ $36$ ช่องสัญญาณ นี่แปลเป็น อาร์เรย์ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม $150 \times 150 mm$ เทียบกับ อาร์เรย์วงกลม $190 \times 190 mm$ ซึ่งคือ การเพิ่มขึ้น $60\%$ ของพื้นที่โดยรวม
| พารามิเตอร์ | ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยม (WR-90) | ท่อนำคลื่นวงกลม ($25.4mm$) |
|---|---|---|
| พื้นที่หน้าตัด | $232 mm²$ | $507 mm²$ |
| ระยะห่างต่ำสุด | $0.5 mm$ | $2 mm$ |
| พื้นที่อาร์เรย์ ($36ch$) | $150 \times 150 mm$ | $190 \times 190 mm$ |
| ปริมาตรต่อเมตร | $232 cm³$ | $507 cm³$ |
| รัศมีโค้งงอ | $50 mm$ (โค้ง $90^\circ$) | $75 mm$ (โค้ง $90^\circ$) |
ความยืดหยุ่นในการติดตั้งยังเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบสี่เหลี่ยม ผิวเรียบของพวกมันอนุญาตให้ติดตั้งโดยตรงกับผนังแชสซีด้วย สกรู M3 ที่ระยะห่าง $25 mm$ โดยไม่ต้องมีระยะห่างเพิ่มเติม ท่อนำคลื่นวงกลมต้องการ แหวนยึดที่ระยะห่างทุก $100 mm$ ซึ่งเพิ่ม $3-5 mm$ ให้กับเส้นผ่านศูนย์กลางโดยรวม ในเรโดมเครื่องบินที่ทุกกรัมมีความสำคัญ ทางวิ่งของท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมมีน้ำหนัก น้อยกว่า $30\%$ ต่อเมตร ($145g$ เทียบกับ $210g$ สำหรับเวอร์ชันอะลูมิเนียม) ซึ่งช่วยลดความต้องการโครงสร้างรองรับโดยตรง
การจัดการความร้อนได้รับประโยชน์จากความแตกต่างของรูปร่างเช่นกัน ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมกระจายความร้อน เร็วขึ้น $20\%$ เนื่องจากมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ใหญ่กว่า ($58 mm²/cm³$ เทียบกับ $39 mm²/cm³$) สิ่งนี้ช่วยให้สามารถวางซ้อนกันได้แน่นขึ้นในการใช้งานที่มีกำลังไฟฟ้าสูง – สูงถึง $8 kW/m²$ ของความหนาแน่นพลังงาน เทียบกับขีดจำกัด $5 kW/m²$ ของท่อนำคลื่นวงกลมก่อนที่จะต้องมีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ พื้นผิวสัมผัสเรียบยังช่วยให้ อินเทอร์เฟซระบายความร้อนดีขึ้น $50\%$ กับฮีทซิงค์เมื่อเทียบกับการสัมผัสบางส่วนของท่อนำคลื่นวงกลม
การเข้าถึงเพื่อบำรุงรักษาเผยให้เห็นข้อดีอีกอย่าง หน้าแปลนท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมให้ ระยะห่างเครื่องมือ $100\%$ สำหรับประแจมาตรฐาน ในขณะที่สลักเกลียวหน้าแปลนวงกลมมักมี การเข้าถึงที่จำกัด $30-40\%$ ในการติดตั้งที่หนาแน่น ความแตกต่างนี้สามารถลดเวลาการบริการจาก 45 นาที เหลือ 25 นาที ต่อการเชื่อมต่อในการซ่อมแซมภาคสนาม รูปร่างสี่เหลี่ยมผืนผ้ายังช่วยให้สามารถตรวจสอบพื้นผิวภายในด้วยสายตาผ่านพอร์ตเข้าถึงได้—เป็นไปไม่ได้กับแบบวงกลมหากไม่มีการถอดชิ้นส่วน
สำหรับแพลตฟอร์มมือถือเช่น UAV การประหยัดขนาดจะเพิ่มขึ้น เรดาร์โดรนทั่วไปที่ใช้ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมประหยัด $300-400 cm³$ ในปริมาตรและ $120-150g$ ในน้ำหนักเมื่อเทียบกับเทียบเท่าแบบวงกลม—เพียงพอที่จะเพิ่ม ความจุแบตเตอรี่ $15\%$ หรือขยายเวลาบินได้ $8-12$ นาที ในสถานีฐานคลื่นมิลลิเมตร $5G$ อาร์เรย์ท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมช่วยให้ มีองค์ประกอบเสาอากาศเพิ่มขึ้น $40\%$ ต่อตารางเมตร ซึ่งช่วยเพิ่มความจุของเครือข่ายโดยตรง
