ออกแบบสายอากาศตามความถี่: 6 ขั้นตอนคำนวณและตรวจสอบ

การออกแบบสายอากาศสำหรับความถี่เฉพาะต้องเริ่มจาก ย่านใช้งาน รูปแบบการแผ่รังสี โครงสร้างและสภาพติดตั้ง สูตร λ = c/f ให้ขนาดอ้างอิงทางไฟฟ้า แต่ยังไม่ใช่แบบผลิตสำเร็จ ตัวเครื่อง แบตเตอรี่ สายป้อนและระนาบกราวด์อาจเปลี่ยนความถี่เรโซแนนซ์และประสิทธิภาพได้

1. กำหนดความถี่และแบนด์วิดท์

ระบุความถี่ต่ำสุดและสูงสุด ช่องสัญญาณ โพลาไรเซชันและทิศทางที่ต้องครอบคลุม คำว่า 2.4 GHz เพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกข้อกำหนดของทุกช่องหรือทุกบริการ

อุปกรณ์ 433 MHz, 868 MHz และ 915 MHz ใช้ขนาดตั้งต้นต่างกัน ต้องตรวจแผนความถี่และเงื่อนไขของบริการในพื้นที่ด้วย ไม่ควรกำหนดกำลังส่ง 1 W เป็นข้ออนุญาตสากลของทุกระบบในย่านเดียวกัน

2. คำนวณความยาวตั้งต้น

ใช้ c ≈ 299 792 458 m/s และความถี่ f ในหน่วย Hz จะได้ λ ในหน่วยเมตร สำหรับไดโพลครึ่งคลื่น ความยาวรวมของแขนทั้งสองเริ่มพิจารณาจาก λ/2 ไม่ใช่ให้แต่ละแขนยาว λ/2

ความถี่	λ ในอากาศโดยประมาณ	λ/4
433 MHz	692.4 mm	173.1 mm
868 MHz	345.4 mm	86.35 mm
2.4 GHz	124.9 mm	31.23 mm

ที่ 2.4 GHz ครึ่งคลื่นมีค่าประมาณ 62.46 mm เส้นผ่านศูนย์กลางลวด ปลายตัวนำ ฉนวนและสิ่งรอบข้างทำให้ความยาวที่เหมาะสมจริงเปลี่ยนไป จึงต้องปรับและวัดในสภาพใช้งาน

3. เลือกโครงสร้างและทางกลับของกระแส

โมโนโพลหนึ่งในสี่คลื่นต้องมีทางกลับของกระแสที่ออกแบบไว้ เช่น ระนาบกราวด์หรือเรเดียล ไดโพล ลูปและสายอากาศพิมพ์มีการกระจายกระแสต่างกัน

การเพิ่มอัตราขยายสูงสุดด้วยทิศทางที่แคบลงไม่เท่ากับการเพิ่มประสิทธิภาพการแผ่รังสี หากต้องครอบคลุมรอบตัวเครื่อง ให้ตรวจทั้งแนวราบและแนวดิ่ง ไม่ใช้คำว่า omnidirectional แทนรูปแบบทรงกลมที่เท่ากันทุกทิศ

การย่อขนาดมากอาจแลกกับแบนด์วิดท์และการสูญเสีย ประเมินพื้นที่รวมที่ใช้กับกราวด์และอุปกรณ์ปรับอิมพีแดนซ์ ไม่ดูเฉพาะส่วนตัวนำที่มองเห็น

4. รวมวัสดุและตัวเครื่องในแบบจำลอง

สำหรับสายอากาศบนแผ่นวงจร ให้พิจารณาซับสเตรต ความหนา ตัวนำ ระนาบกราวด์และชั้นประกอบ FR4 ไม่ได้มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก 4.3 เหมือนกันทุกความถี่และทุกล็อต

ไม่ควรหารความยาวทุกชนิดด้วย √ε_r โดยตรง สนามบางส่วนอาจอยู่ในอากาศ และค่าประสิทธิผลขึ้นกับโครงสร้าง สายลวดในอากาศไม่ได้สั้นลงตามสัดส่วนเดียวกับสายส่งบนแผ่นวงจรเสมอไป

เพิ่มฝาครอบ แบตเตอรี่และตำแหน่งใกล้มือผู้ใช้เมื่อเป็นสภาพใช้งานที่เกี่ยวข้อง การวัดบอร์ดเปล่าอาจไม่แทนผลิตภัณฑ์สำเร็จ

5. ออกแบบการป้อนและการแมตช์

กำหนดอิมพีแดนซ์อ้างอิงและจุดวัดให้ตรงกับวงจร ไดโพลสมมาตรที่ต่อสายโคแอกเชียลไม่สมมาตรอาจต้องใช้บาลันหรือวิธีควบคุมกระแสบนผิวนอกสาย

วงจรแมตช์แปลงอิมพีแดนซ์และมีการสูญเสียของตัวเอง ค่า S11 ต่ำจึงไม่รับรองว่าสายอากาศแผ่รังสีได้ดีทั้งหมด โครงสร้างที่สูญเสียมากก็อาจดูแมตช์ดีได้

6. สร้าง วัดและปรับอย่างมีขั้นตอน

1. คาลิเบรต VNA ถึงระนาบอ้างอิงที่กำหนด
2. วัด S11 ตลอดย่านในสภาพประกอบจริง
3. เปลี่ยนรูปทรงหรือวงจรแมตช์ทีละปัจจัย
4. ตรวจรูปแบบการแผ่รังสี อัตราขยายหรือประสิทธิภาพด้วยวิธีที่เหมาะสม
5. ทดสอบหลายตัวอย่างและสภาพแวดล้อมที่ต้องรองรับ

เก็บเวอร์ชันแบบ ขนาด วัสดุและผลวัดไว้ การปรับความถี่กลางได้ไม่ได้หมายความว่าทุกช่องมีความครอบคลุมและโพลาไรเซชันที่ถูกต้อง

ข้อมูลที่ควรระบุในแบบสุดท้าย

ระบุย่านความถี่ ตัวเครื่อง ระนาบกราวด์ สายป้อน จุดอ้างอิงและความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ แยกค่าคำนวณเริ่มต้นออกจากขนาดที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว

อ่านหลักการของ ไดโพล, โมโนโพล และ ประสิทธิภาพสายอากาศ เพื่อเลือกวิธีวัดให้ตรงกับสิ่งที่ต้องการปรับปรุง