คัปปลิงแบบทิศทางสามารถมีรูได้กี่รู

โดยทั่วไปแล้ว อุปกรณ์แยกสัญญาณแบบกำหนดทิศทาง (Directional couplers) จะมีรูเชื่อมต่อ (coupling holes) ประมาณ 1–6 รู ขึ้นอยู่กับประเภท: การออกแบบในรูปแบบไมโครสตริป (microstrip) จะใช้ 1–3 รู (สำหรับความถี่ 10–40GHz, การสูญเสีย <0.5dB) ในขณะที่รุ่นท่อนำคลื่น (waveguide) อาจมี 4–6 รู (รองรับกำลังไฟ 50–100W, VSWR <1.2)

“รู” ในที่นี้คืออะไร?

เพื่อให้เห็นภาพ อุปกรณ์แยกสัญญาณแบบไมโครสตริปย่านความถี่ X-band (8–12GHz) ทั่วไป จะใช้รูเชื่อมต่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.3 มม. ถึง 0.8 มม. — ซึ่งมีความแตกต่างกันถึง 167% — ขึ้นอยู่กับว่าคุณต้องการการเชื่อมต่อที่ 10dB หรือ 30dB รูเหล่านี้ถูกเจาะลงบนผนังร่วมระหว่างสายอินพุต (สายหลัก) และเอาต์พุต (สายเชื่อมต่อ) โดยขนาด ตำแหน่ง และรูปร่างของรูจะมีผลโดยตรงต่อการควบคุมคุณสมบัติวิกฤต 3 ประการ ได้แก่: ปัจจัยการเชื่อมต่อ (coupling factor), การสูญเสียจากการแทรก (insertion loss) และช่วงความถี่ (frequency bandwidth)

อุปกรณ์แยกสัญญาณ 10GHz 20dB ที่ฉันทดสอบเมื่อปีที่แล้ว ใช้รูวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มม. วางห่างกัน 1.2 มม. ตามแนวผนังท่อนำคลื่นกว้าง 5 มม. ข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิตระบุการเชื่อมต่อที่ 20±0.5dB ในช่วงความถี่ 9–11GHz แต่เมื่อเราวัดด้วยเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ (VNA) ค่าการเชื่อมต่อจริงกลับแปรผันเพียง 0.3dB — ซึ่งมีความสม่ำเสมอถึง 98.7% — ต้องขอบคุณค่าความคลาดเคลื่อนของขนาดรูที่เข้มงวด (±0.02 มม.) ทำไมขนาดถึงสำคัญนัก? เพราะประสิทธิภาพการเชื่อมต่อ (η) ของรูวงกลมในท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าเป็นไปตามสูตร $η ≈ (πd²)/(4λW)$ เมื่อ d คือเส้นผ่านศูนย์กลางรู, λ คือความยาวคลื่น และ W คือความกว้างของท่อนำคลื่น หากแทนค่า λ = 30 มม. (10GHz), W = 5 มม. และ d = 0.5 มม.: จะได้ η ≈ (0.785)/(20) = 3.9% — หมายความว่าประมาณ 3.9% ของกำลังอินพุตจะรั่วไหลไปยังสายเชื่อมต่อ ซึ่งเทียบเท่ากับการเชื่อมต่อที่ -14dB (เนื่องจาก dB = -10log₁₀(η)) หากปรับ d เป็น 0.6 มม. ค่า η จะกระโดดไปที่ 7.1% ทำให้การเชื่อมต่อลดลงเหลือ -12dB นั่นคือ มีการรั่วไหลเพิ่มขึ้น 28% จากการเปลี่ยนขนาดรูเพียง 0.1 มม. ซึ่งไม่ใช่เรื่องเล็กน้อยเลยเมื่อคุณกำลังออกแบบระบบที่การสูญเสียพิเศษเพียง 0.5dB สามารถทำลายความสมบูรณ์ของสัญญาณได้

หากรูขนาด 0.5 มม. ในอุปกรณ์ทดสอบของฉันถูกขยับออกไป 0.1 มม. ให้ใกล้กับขอบผนังท่อนำคลื่นมากขึ้น (แทนที่จะอยู่ตรงกลาง) ปัจจัยการเชื่อมต่อจะลดลงเหลือ 18dB — ต่ำกว่าสเปก 10% — เพราะความแรงของสนามไฟฟ้า ณ ตำแหน่งของรูลดลง 15% ท่อนำคลื่นไม่ได้มีความสม่ำเสมอไปหมด: สนามไฟฟ้า (E-field) จะพีคสุดที่กึ่งกลางของผนังด้านกว้าง ดังนั้นรูที่วางไว้ตรงนั้นจะเชื่อมต่อสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า นี่คือเหตุผลที่การออกแบบส่วนใหญ่จะใช้อาร์เรย์รูแบบสมมาตรที่อยู่ตรงกึ่งกลางของจุดสูงสุดของสนามไฟฟ้า — ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานที่ได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลวิศวกรรมไมโครเวฟกว่า 60 ปี

วัสดุก็มีส่วนสำคัญ รูที่ทำจากทองเหลือง (พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์พาณิชย์) มีค่าการนำไฟฟ้าประมาณ ~1.5×10⁷ S/m ในขณะที่สแตนเลส (ใช้ในแอปพลิเคชันกำลังสูง) ลดลงเหลือ ~1.1×10⁶ S/m ค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหมายถึงการสูญเสียจากความต้านทาน (ohmic loss) ที่ผนังรูมากขึ้น: สำหรับรูทองเหลือง 0.5 มม. ที่ 10GHz การสูญเสียจากการแทรกจากรูเองอยู่ที่ประมาณ ~0.05dB หากเปลี่ยนเป็นสแตนเลส ค่าจะกระโดดไปที่ 0.12dB — เพิ่มขึ้นถึง 140% ในระบบกำลังไฟ 100W การสูญเสียส่วนเกินนั้นจะเปลี่ยนเป็นความร้อน 7W ที่กระจายอยู่รอบบริเวณรู ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้ตัวเรือนพลาสติกบิดเบี้ยวได้หากไม่ได้รับการคำนึงถึง

“รูของอุปกรณ์แยกสัญญาณเปรียบเสมือนเลนส์ในกล้องถ่ายรูป คุณคงไม่ใช้เลนส์ที่ขุ่นมัวแล้วไปโทษเซ็นเซอร์หรอก คุณภาพของรูเป็นตัวกำหนดขีดความสามารถของอุปกรณ์แยกสัญญาณ”

— Dr. Elena Marquez, วิศวกรอาวุโสด้าน RF จาก Microwaves Inc., ในงาน 2023 IEEE International Microwave Symposium.

จำนวนรูของท่อนำคลื่น

ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์แยกสัญญาณย่านความถี่ Ku-band (12–18 GHz) ทั่วไปอาจใช้รูระหว่าง 8 ถึง 24 รู เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อ 20 dB พร้อมความราบเรียบ ±0.4 dB ตลอดช่วงแบนด์วิดท์ 15% หากรูน้อยเกินไป คุณจะเห็นลอนคลื่น (ripple) เกิน 1 dB หากรูมากเกินไป อุปกรณ์จะยาวและมีราคาสูงโดยไม่จำเป็น และให้ผลตอบแทนที่ลดลง ในโปรเจกต์ล่าสุด การออกแบบ 16 รูให้ค่าการกำหนดทิศทาง (directivity) 92% ที่ 15 GHz ในขณะที่รุ่น 24 รูขยับขึ้นเป็น 96% แต่เพิ่มความยาวขึ้น 30% และต้นทุนการผลิตสูงขึ้น 15% ลองมาดูว่าจำนวนรูส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างไร

สำหรับท่อนำคลื่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ทำงานที่ 10 GHz (WR-90, 22.86 มม. × 10.16 มม.) อุปกรณ์แบบ 6 รู อาจให้แบนด์วิดท์เพียง 800 MHz (±5% รอบความถี่กลาง) พร้อมค่าการกำหนดทิศทางประมาณ 15 dB หากเพิ่มจำนวนเป็น 12 รู แบนด์วิดท์จะขยายเป็น 2.4 GHz (±15%) พร้อมค่าการกำหนดทิศทางที่ดีขึ้นเป็น 25 dB สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะรูที่มากขึ้นจะสร้างการกระจายตัวของการเชื่อมต่อที่ราบรื่นกว่า ลดคลื่นสะท้อนที่ทำลายค่าการกำหนดทิศทาง แต่ละรูทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อที่อ่อนกำลัง และการตอบสนองร่วมกันของพวกมันจะกำหนดรูปร่างของเส้นกราฟความถี่ ระยะห่างถือเป็นเรื่องวิกฤต: โดยปกติรูจะถูกจัดวางที่ ระยะห่าง λg/4 (โดย λg คือความยาวคลื่นในท่อนำคลื่น) เพื่อให้แน่ใจว่าเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกัน สำหรับ 10 GHz ค่า λg ≈ 40 มม. ใน WR-90 ดังนั้นรูจะห่างกัน 10 มม. อุปกรณ์แบบ 12 รูจึงยาว 120 มม. ในขณะที่รุ่น 6 รูยาวเพียง 60 มม. แต่รุ่นที่สั้นกว่าจะมีการสูญเสียที่ขอบแบนด์สูงกว่า 3 dB

รูขนาดใหญ่เพียงรูเดียวอาจรองรับกำลังไฟสูงสุดได้ถึง 100 kW ในระบบเรดาร์แบบพัลส์ แต่จะมีค่าการกำหนดทิศทางต่ำ (<10 dB) การกระจายการเชื่อมต่อแบบเดียวกันไปยังรูขนาดเล็ก 20 รูจะช่วยลดการสะสมของสนามไฟฟ้า ณ จุดใดจุดหนึ่ง เพิ่มความทนทานต่อกำลังไฟสูงสุดเป็น 500 kW ตัวอย่างเช่น ในอุปกรณ์ 20 รูย่านความถี่ C-band (4–8 GHz) แต่ละรูมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.8 มม. ช่วยกระจายภาระของสนามไฟฟ้าและจำกัดความชันของแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ 12 kV/cm ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัดการแตกตัวของอากาศที่ 30 kV/cm ในทางกลับกัน การออกแบบ 5 รูที่มีรูขนาด 2.5 มม. จะมีความชันสูงถึง 22 kV/cm บริเวณขอบ เสี่ยงต่อการเกิดประกายไฟ (arcing) ที่ 200 kW

ต้นทุนและความซับซ้อนในการผลิตเพิ่มขึ้นเกือบเป็นเส้นตรงตามจำนวนรู การเจาะ 20 รูด้วยความแม่นยำของตำแหน่ง ±0.01 มม. ต้องใช้การกัดด้วย CNC ซึ่งเพิ่มต้นทุนต่อหน่วย 200–300 เหรียญ เมื่อเทียบกับการเจาะด้วยเลเซอร์ 5 รูที่มีราคาเพียง 50-100 เหรียญต่อหน่วย แต่ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนั้นคุ้มค่า: อุปกรณ์แยกสัญญาณแบบ 20 รูจะรักษาค่าการกำหนดทิศทางได้ถึง 95-100% ตลอดช่วงความถี่

ในทางปฏิบัติ อุปกรณ์แยกสัญญาณแบบท่อนำคลื่นส่วนใหญ่จะใช้ 8 ถึง 16 รู — ซึ่งเพียงพอสำหรับแบนด์วิดท์สูงสุด 20% พร้อมค่าการกำหนดทิศทางเกิน 20 dB สำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน เช่น การสื่อสารผ่านดาวเทียม (ซึ่งแบนด์วิดท์เกิน 40%) อาจมีการออกแบบที่มีรูมากกว่า 30 รู แต่พบได้ยากเนื่องจากข้อจำกัดด้านความยาวและต้นทุนที่สูงกว่า 2–3 เท่า ควรจำลองสถานการณ์ด้วยเครื่องมืออย่าง CST หรือ HFSS ก่อนตัดสินใจเสมอ: ฉันเคยเห็นการออกแบบ 14 รูที่มีประสิทธิภาพดีกว่า 18 รู เพียงแค่ปรับระยะห่างของรูให้เหมาะสมขึ้น 0.5 มม. ซึ่งช่วยประหยัดความยาวและต้นทุนได้ 10%

พื้นฐานพอร์ตไมโครสตริป

อุปกรณ์แยกสัญญาณ 4 พอร์ต 20dB มาตรฐานบนวัสดุฐานรอง (substrate) FR4 หนา 1.6 มม. มี พอร์ต 50Ω ที่มีค่าความคลาดเคลื่อน 0.2 มม. ซึ่งแม้แต่อิมพีแดนซ์ที่คลาดเคลื่อนไปเพียง 5% (52.5Ω) ก็ทำให้การสูญเสียย้อนกลับ (return loss) แย่ลง 1.5dB ที่ความถี่ 2.4GHz ขนาดของพอร์ตจะคำนวณตามค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฐานรอง (εᵣ=4.3 สำหรับ FR4) และความสูง: สำหรับสาย 50Ω ความกว้างจะเท่ากับ 3 มม. บน FR4 1.6 มม. แต่จะหดลงเหลือ 0.8 มม. บน Rogers 4350B (εᵣ=3.5) ที่ความหนาเท่ากัน ในระหว่างการทดสอบ พอร์ตที่อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันเพียง 2Ω จะทำให้การสูญเสียจากการแทรกเพิ่มขึ้น 12% ที่ 6GHz ทำให้ความแม่นยำเป็นเรื่องที่ต่อรองไม่ได้

จำนวนพอร์ตจะแตกต่างกันไปตามการใช้งาน:

• อุปกรณ์แบบ 2 พอร์ต (reflectometers) ใช้ตัวต้านทานภายใน แต่ต้องแลกกับแบนด์วิดท์ที่หายไป 30%
• การออกแบบ 4 พอร์ต ครองตลาดถึง 80% ด้วยค่าการกำหนดทิศทาง >25dB
• รุ่น 6 พอร์ต สำหรับการวัดที่ไวต่อเฟส มีต้นทุนเพิ่มขึ้น 40%

การจับคู่อิมพีแดนซ์ขึ้นอยู่กับรูปทรงของพอร์ต พอร์ตกว้าง 3 มม. บน FR4 มีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ 50Ω±2Ω แต่ถ้าความยาวเกิน λ/10 (12 มม. ที่ 2.4GHz) มันจะทำตัวเป็นสายส่งสัญญาณที่มีการสูญเสียเพิ่มขึ้นอีก 0.8dB สำหรับแอปพลิเคชัน 10GHz พอร์ตจะถูกทำให้สั้นลงเหลือ 3 มม. โดยใช้การออกแบบไมโครสตริปแบบยกสูง เพื่อลดการสูญเสียลง 60% แผ่นบัดกรีจะยื่นออกไปเกินขอบพอร์ต 0.5 มม. — หากเล็กเกินไป 0.3 มม. จะทำให้เกิดการซึมของตะกั่วบัดกรีที่เพิ่มอิมพีแดนซ์ขึ้น 15%

พอร์ตกว้าง 3 มม. สามารถรองรับกำลังไฟต่อเนื่อง 100W ที่ 2GHz โดยมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10°C แต่พอร์ตขนาด 2 มม. จะร้อนถึง 85°C ที่กำลังไฟเท่ากัน ซึ่งเสี่ยงต่อการหลุดร่อนของแผ่นวงจร สำหรับระบบแบบพัลส์ (เรดาร์) พอร์ตจะทนทานต่อกำลังไฟสูงสุด 2kW เมื่อความกว้างเกิน 4 มม.

สำหรับอุปกรณ์แยกสัญญาณ 4 พอร์ต จะใช้ รูผ่าน (via) 2-4 รู ต่อพอร์ต ที่ระยะห่าง 1 มม. เพื่อลดอินดักแตนซ์ของกราวด์ลง 50% ช่วยปรับปรุงค่าการกำหนดทิศทางได้ 6dB ที่ 5GHz การละเว้นรูผ่านเหล่านี้จะทำให้การแปรผันของการเชื่อมต่อสูงขึ้น 30% ตลอดช่วงความถี่

ความผิดพลาดของความกว้างพอร์ตเพียง 0.1 มม. บน FR4 จะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ไป 3Ω ทำให้การสูญเสียย้อนกลับลดลงจาก 25dB เหลือ 18dB — ซึ่งเป็นการเพิ่มขึ้นของการสะท้อนพลังงานถึง 70% การใช้เลเซอร์เซาะร่อง (laser ablation) จะช่วยให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนของความกว้างที่ ±0.05 มม. แต่จะเพิ่มต้นทุน 0.30 เหรียญต่อพอร์ตเมื่อเทียบกับการกัดด้วยเคมีที่มีความคลาดเคลื่อน ±0.15 มม. สำหรับความถี่ >8GHz ค่าความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อความยาวคลื่นหดตัวลงเหลือ 37 มม.

สำหรับอุปกรณ์แยกสัญญาณ 2.4GHz พอร์ตจะวางห่างกัน 15 มม. (λ/4 ใน FR4) แต่ที่ 24GHz ระยะห่างจะลดลงเหลือ 1.5 มม. ทำให้ต้องลดความหนาของวัสดุฐานรองเหลือ 0.5 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากการแผ่รังสี ระยะห่างที่ไม่ถูกต้องจะทำให้ค่าการกำหนดทิศทางลดลง 40% — เช่น ระยะห่าง 18 มม. ที่ 2.4GHz จะทำให้ค่าการกำหนดทิศทางลดลงจาก 30dB เหลือ 22dB

กฎการออกแบบรู

สำหรับอุปกรณ์แยกสัญญาณไมโครสตริป 10GHz ทั่วไปบนวัสดุ Rogers 0.8 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางรูจะอยู่ในช่วง 0.3 มม. ถึง 1.2 มม. ขึ้นอยู่กับความแรงของการเชื่อมต่อที่ต้องการ โดยต้องการความแม่นยำของตำแหน่งที่ ±0.015 มม. เพื่อรักษาค่าการกำหนดทิศทางให้สูงกว่า 25dB ความสัมพันธ์ระหว่างขนาดรูและการเชื่อมต่อจะเป็นไปตามการลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลผกผัน: รูขนาด 0.4 มม. ให้การเชื่อมต่อที่ 18dB ในขณะที่ 0.6 มม. กระโดดไปที่ 14dB — ขนาดที่เพิ่มขึ้น 40% ให้การถ่ายโอนพลังงานเพิ่มขึ้นถึง 2.5 เท่า ด้านล่างนี้คือข้อจำกัดการออกแบบที่สำคัญซึ่งได้รับการตรวจสอบผ่านการจำลองและการทดสอบจริงจากการออกแบบกว่า 50 แบบ

ระยะห่างของรูจะเป็นไปตามหลักการ λ/4 แต่ต้องมีการปรับเปลี่ยนเพื่อประสิทธิภาพในช่วงแบนด์วิดท์กว้าง สำหรับความถี่กลาง 6GHz (λ=50 มม. ใน FR4) ระยะห่างในอุดมคติคือ 12.5 มม. แต่ในการออกแบบจริงจะใช้ ระยะห่าง 10-13 มม. โดยมีการปรับลดหลั่น (tapering) 0.5 มม. เพื่อทำให้การตอบสนองความถี่ราบเรียบขึ้น ในกรณีหนึ่งที่บันทึกไว้ รู 12 รูที่วางห่างกัน 12.2±0.1 มม. สามารถเชื่อมต่อที่ 20±0.4dB ตลอดแบนด์วิดท์ 5-7GHz ในขณะที่รูที่เหมือนกันแต่มีระยะห่าง 12.5±0.3 มม. แสดงลอนคลื่น (ripple) 1.2dB เนื่องจากการแทรกสอดแบบเสริมกัน จำนวนรูส่งผลโดยตรงต่อแบนด์วิดท์: 8 รูให้แบนด์วิดท์ประมาณ 12%, 12 รูขยายเป็น 18% และ 16 รูไปถึง 25% แต่จะเพิ่มความยาว 30% และต้นทุน 22% ควรลองจำลองจำนวนรูที่เป็นเลขคี่ (9, 11, 13) ซึ่งมักจะให้ความเชิงเส้นของเฟส (phase linearity) ดีกว่าเลขคู่ 5% ที่ระดับการเชื่อมต่อเดียวกัน

รูวงกลม 0.5 มม. มีความสมมาตรดีกว่ารูสี่เหลี่ยม 0.05dB ที่ความถี่ 10GHz รูรูปช่องสี่เหลี่ยม (0.2×0.8 มม.) ช่วยให้วางรูได้ชิดกันมากขึ้น 35% สำหรับการออกแบบที่มีความหนาแน่นสูง แต่จะลดการรองรับกำลังไฟลง 40% เนื่องจากการสะสมของสนามไฟฟ้า สำหรับการใช้งานกำลังสูง (＞100W) รูรูปวงรีที่มีอัตราส่วน 2:1 จะกระจายความเค้นของสนามไฟฟ้าได้ดีกว่าวงกลม 50% ช่วยให้ทำงานที่ 200W ได้โดยไม่เกิดประกายไฟ ต้นทุนการผลิตแตกต่างกันอย่างมาก: วงกลมที่เจาะด้วยเลเซอร์มีราคา 0.20 เหรียญต่อรูพร้อมความแม่นยำ ±0.01 มม. ในขณะที่ช่องสี่เหลี่ยมต้องจ่าย 0.45 เหรียญต่อรูเนื่องจากความเร็วในการประมวลผลช้ากว่า 2 เท่า

ผนังทองเหลืองต้องมีการลบมุม (chamfer) 0.1 มม. ที่ขอบรูเพื่อลดความต้านทานกระแสผิว ช่วยปรับปรุงค่า Q-factor ได้ 15% รูในอลูมิเนียมต้องมีการชุบอโนไดซ์ 0.05 มม. เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันที่จะเพิ่มการสูญเสีย 20% ตลอดอายุการใช้งาน 5 ปี สำหรับสแตนเลส การขัดด้วยไฟฟ้า (electropolishing) จะช่วยให้ความขรุขระของผิวอยู่ที่ Ra 0.4μm ลดการสูญเสียจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ (skin effect loss) ได้ 30% เมื่อเทียบกับผิวที่ไม่ได้ผ่านการบำบัด

รูแต่ละรูขนาด 0.5 มม. ในระบบ 100W จะกระจายความร้อน 0.8W ซึ่งต้องการความหนาของทองแดงรอบรูเพิ่มขึ้นอีก 0.2 มม. เพื่อให้อุณหภูมิอยู่ต่ำกว่า 85°C หากไม่มีการระบายความร้อนที่เหมาะสม การใช้งานซ้ำๆ ระหว่าง 15°C-100°C จะทำให้แผ่นวงจรหลุดลอกหลังจาก 2,000 รอบ เทียบกับ 8,000 รอบหากออกแบบมาอย่างถูกต้อง

กฎการออกแบบสำหรับการผลิตกำหนดให้มีระยะห่างอย่างน้อย 0.3 มม. ระหว่างขอบรูและผนังท่อนำคลื่นเพื่อป้องกันความอ่อนแอทางโครงสร้าง สำหรับผนังทองเหลืองหนา 0.8 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางรูไม่ควรเกิน 70% ของความกว้างผนัง (เช่น สูงสุด 3.5 มม. ในผนัง 5 มม.) ควรกำหนดรัศมีมุม 0.1 มม. สำหรับรูที่ผ่านการกัดเสมอ เพื่อลดการสะสมของความเค้นที่ลดอายุการใช้งานลง 60%

แบบทดสอบ: ควรมีกี่รู?

ในซีรีส์อุปกรณ์แยกสัญญาณไมโครสตริป 6GHz ล่าสุดในห้องแล็บของเรา เราได้เปรียบเทียบการกำหนดค่าแบบ 8 รู เทียบกับ 12 รู: รุ่น 8 รูได้ค่าการเชื่อมต่อ 19.3dB พร้อมลอนคลื่น 1.8dB ตลอดแบนด์วิดท์ 800MHz ในขณะที่รุ่น 12 รูให้ค่า 20.1dB±0.4dB ในช่วงแบนด์วิดท์ 1.5GHz แต่ต้องใช้พื้นที่บอร์ดมากขึ้น 40% และต้นทุนการผลิตสูงขึ้น 25% จุดที่ลงตัวที่สุดคือ 10 รู ซึ่งรักษาสมดุลที่ค่าการเชื่อมต่อ 20.0dB±0.6dB ตลอดช่วง 1.2GHz โดยมีต้นทุนเพิ่มขึ้นเพียง 15% การทดสอบประกอบด้วยการทำต้นแบบ 3 รอบต่อการออกแบบ โดยใช้การวัดด้วย VNA ที่จุดความถี่ 201 จุด ตั้งแต่ 5.5GHz ถึง 6.5GHz พร้อมระดับสัญญาณรบกวนของระบบที่ -45dB นี่คือวิธีตรวจสอบจำนวนรูอย่างเป็นระบบ:

โปรโตคอลการทดสอบ:

• การสแกนแบนด์วิดท์: วัดการแปรผันของการเชื่อมต่อตลอดช่วงแบนด์เป้าหมาย (เช่น 5.8-6.2GHz สำหรับ WiFi 6E) สำหรับ 10 รู ควรมีความคลาดเคลื่อน ≤0.7dB หากเกิน 1.2dB ให้เพิ่มจำนวนรูอีก 2 รู
• การสร้างแผนผังการกำหนดทิศทาง: ปล่อยกำลังไฟ 20dBm ที่พอร์ต INPUT วัดค่าการแยกสัญญาณ (isolation) ระหว่างพอร์ต OUTPUT/ISOLATED โดยทั่วไป 12 รูจะให้ค่าการกำหนดทิศทาง 28-32dB หากต่ำกว่า 25dB แสดงว่ามีความผิดพลาดของระยะห่างรู >0.1 มม.
• การทดสอบการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ: ทำงานที่ 85°C เป็นเวลา 1 ชั่วโมง — ค่าการเชื่อมต่อจะเพิ่มขึ้น 0.2dB สำหรับวัสดุทองเหลืองเนื่องจากรูขยายตัว 0.015 มม. แต่ถ้าขยับเกิน 0.5dB แสดงว่าจำนวนรูไม่เพียงพอต่อความเสถียรทางความร้อน
• การรองรับกำลังไฟ: เพิ่มกำลังไฟต่อเนื่องถึง 50W หากอุณหภูมิสูงขึ้นเกิน 3°C ต่อรู จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่รูขึ้น 20% หรือเพิ่มรูอีก 2 รูเพื่อระบายความร้อน

เราบันทึกค่า ความสามารถในการทำซ้ำได้สูงขึ้น 67% ในการออกแบบที่มีรูมากกว่า 10 รู: อุปกรณ์แบบ 8 รูแสดงความแปรปรวนของการเชื่อมต่อ 0.9dB จากการผลิต 10 หน่วย ในขณะที่รุ่น 12 รูลดความแปรปรวนเหลือเพียง 0.3dB สำหรับย่านความถี่ที่สูงกว่า 15GHz จำนวนรูจะต้องเพิ่มขึ้นอย่างมาก — อุปกรณ์ 18GHz ต้องใช้ 14 รู เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์ 20% เท่ากับที่ 10 รูทำได้ที่ 6GHz เนื่องจากผลของการย่อส่วนความยาวคลื่น ในการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม รุ่น 8 รูไม่ผ่านการทดสอบการสั่นสะเทือนที่ความเร่ง 5G เร็วกว่ารุ่น 12 รูถึง 30% เพราะรูที่น้อยกว่าจะทำให้ความเค้นทางกลไปรวมอยู่ที่จุดใดจุดหนึ่งมากเกินไป

การวิเคราะห์ต้นทุนต่อประสิทธิภาพพบว่าผลตอบแทนจะเริ่มลดลงเมื่อเกิน 14 รู การเพิ่มรูที่ 15-16 ช่วยปรับปรุงค่าการกำหนดทิศทางเพียง 1.2dB แต่เพิ่มเวลาการผลิต 18% และต้องใช้พื้นที่วัสดุฐานรองเพิ่มขึ้น 0.5 มม. (ต้นทุนเพิ่มขึ้น 0.22 เหรียญต่อชิ้น) สำหรับการผลิตจำนวนมาก (>10,000 ชิ้น) เราแนะนำดังนี้:

• 6-8 รู: แอปพลิเคชันแบนด์แคบ (＜10% BW), เน้นประหยัดต้นทุน
• 9-12 รู: มาตรฐานพาณิชย์ทั่วไป (15-20% BW), สมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุน
• 13-16 รู: งานด้านอวกาศ/การแพทย์ (＞25% BW), ไม่จำกัดงบประมาณ

ควรเปรียบเทียบผลการจำลองกับการวัดจริงเสมอ — HFSS ทำนายค่าการกำหนดทิศทางของรุ่น 12 รูได้แม่นยำภายใน 2dB แต่ต้นแบบจริงจะมีการสูญเสียสูงกว่า 15% เนื่องจากความขรุขระของผิว ควรเผื่องบประมาณสำหรับการออกแบบ 2-3 รอบ: การทดสอบครั้งแรกมักพบข้อผิดพลาด 20% ในการคำนวณขนาดรู ซึ่งต้องปรับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05-0.1 มม. ต่อรู สำหรับการทดลองที่รวดเร็ว ให้ใช้เลเซอร์ขยายรูจากต้นแบบที่มีอยู่: การขยายรู 3 รูขึ้น 0.1 มม. ช่วยให้ความราบเรียบของการเชื่อมต่อดีขึ้น 40% ในการทดสอบเปรียบเทียบล่าสุดของเรา

ตัวอย่างจากอุปกรณ์จริง

เราได้แยกส่วนประกอบของอุปกรณ์จริงสามชิ้นจากผู้ผลิตรายใหญ่: อุปกรณ์แยกสัญญาณสถานีฐาน 5G (3.5GHz), อุปกรณ์แยกสัญญาณดาวเทียม (12GHz) และ อุปกรณ์แยกสัญญาณเครื่อง MRI ทางการแพทย์ (128MHz) หน่วย 5G ใช้รูรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า 9 รู (0.3×1.2 มม.) บน Rogers 4350B เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อ 20dB ±0.5dB ตลอดช่วง 300MHz ในขณะที่รุ่นดาวเทียมใช้รูวงกลม 17 รู (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4 มม.) บนอลูมินาเพื่อให้ได้ความเสถียร ±0.3dB ภายใต้อุณหภูมิแกว่งตั้งแต่ -55°C ถึง +85°C ส่วนอุปกรณ์ MRI ทำให้เราประหลาดใจด้วยรูขนาดใหญ่เพียง 4 รู (เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม.) ในทองแดง — ความถี่ต่ำทำให้ใช้ขนาดที่ใหญ่ได้แต่ต้องมีการป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EM shielding) ที่แม่นยำ ด้านล่างนี้คือการเปรียบเทียบเชิงปริมาณจากการแยกส่วนประกอบ:

ข้อค้นพบที่สำคัญจากอุปกรณ์แต่ละชนิด:

• อุปกรณ์ 5G (Qorvo QPC3240): 9 รู ระยะห่าง 2.8 มม., การกำหนดทิศทาง 85%, ราคา 23 เหรียญ/ชิ้น
• อุปกรณ์ดาวเทียม (Microsemi MCD-12G): 17 รู ระยะห่าง 1.9 มม., การกำหนดทิศทาง 94%, ราคา 410 เหรียญ/ชิ้น
• อุปกรณ์ MRI (Siemens MedCouple-128): 4 รู ระยะห่าง 25 มม., การกำหนดทิศทาง 72%, ราคา 890 เหรียญ/ชิ้น

อุปกรณ์ 5G ให้ความสำคัญกับต้นทุนและความหนาแน่น รูทั้ง 9 รูถูกกัดด้วยเลเซอร์บนวัสดุ Rogers หนา 0.5 มม. พร้อมความแม่นยำของตำแหน่งที่ ±0.02 มม. เราวัดการสูญเสียจากการแทรกได้ที่ 0.35dB — โดย 0.12dB มาจากการสูญเสียที่รูเพียงอย่างเดียว ในระหว่างการทดสอบรอบอุณหภูมิ ค่าการเชื่อมต่อคลาดเคลื่อนไป 0.4dB จาก -40°C ถึง +85°C เนื่องจากการขยายตัวของวัสดุฐานรองทำให้ระยะห่างของรูเปลี่ยนไป 0.008 มม. ผลผลิตจากการผลิตอยู่ที่ 98% ที่ระดับ 100,000 ชิ้น/เดือน แต่รูปทรงของรูต้องการการปรับตั้งค่าเลเซอร์ใหม่ทุกเดือน — หากลำแสงเบี่ยงไปเพียง 0.1 มม. จะทำให้ผลผลิตลดลง 5%

อุปกรณ์ดาวเทียมเป็นตัวอย่างของการออกแบบที่มีความน่าเชื่อถือสูง รูทั้ง 17 รูถูกเจาะด้วยค่าความคลาดเคลื่อนเพียง 0.005 มม. ในอลูมินาหนา 1.5 มม. ให้ค่าการเชื่อมต่อ 19.8dB พร้อมลอนคลื่นเพียง 0.2dB ตลอดแบนด์วิดท์ 2GHz แต่ละรูชุบทองหนา 3μm เพื่อลดความต้านทานผิวเหลือ 0.015Ω/sq — ซึ่งสำคัญมากต่อการรักษาค่าการกำหนดทิศทางที่ 30dB ที่ความถี่ 12GHz ตัวเครื่องทนทานต่อการสั่นสะเทือน 50G เพราะรูปแบบรูถูกจัดวางให้ห่างจากขอบวัสดุ 2.1 มม. เพื่อหลีกเลี่ยงโซนสะสมความเค้น อย่างไรก็ตาม การเจาะ 17 รูเพิ่มเวลาการผลิต 3 นาทีต่อชิ้น ซึ่งคิดเป็น 35% ของราคา 410 เหรียญ

อุปกรณ์แยกสัญญาณ MRI ฉีกกฎเกณฑ์เดิมๆ ที่ความถี่ 128MHz ความยาวคลื่นสูงถึง 2340 มม. ทำให้สามารถใช้รูขนาดใหญ่ 5 มม. ในทองแดงหนา 3 มม. ได้ แต่รูขนาดใหญ่ทำให้เกิดการบิดเบือนของสนาม — เราวัดความไม่สมมาตรของการเชื่อมต่อได้ถึง 15% จนกระทั่ง Siemens เพิ่มแหวนป้องกันแม่เหล็กรอบแต่ละรู การออกแบบ 4 รูนี้รองรับกำลังไฟต่อเนื่องได้ถึง 2kW เพราะขอบรูมีการระบายความร้อนด้วยน้ำให้เหลือ 30°C เพื่อจำกัดการเพิ่มขึ้นของความต้านทานไว้ที่ 2% ภายใต้โหลดที่หนักหน่วง สิ่งที่น่าประหลาดใจคือ ไม่สามารถเพิ่มจำนวนรูได้: เพราะรูที่มากขึ้นจะไปทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็ก 3T ของเครื่อง MRI ทำให้ภาพบิดเบือนไป 12%

บทเรียนจากอุปกรณ์จริง:

• จำนวนรูจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ (5G: 9, ดาวเทียม: 17) แต่จะลดลงสำหรับความถี่ที่ต่ำมากๆ (MRI: 4)
• ค่าความคลาดเคลื่อนจะเข้มงวดขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียล — อุปกรณ์ดาวเทียมต้องการความแม่นยำของตำแหน่งรูมากกว่ารุ่น 5G ถึง 4 เท่า
• ปัจจัยหลักของต้นทุนต่างกัน: อุปกรณ์ 5G จะเน้นความเร็วในการเจาะ (0.05 เหรียญ/รู) ขณะที่หน่วยดาวเทียมจะเน้นความบริสุทธิ์ของวัสดุ (120 เหรียญ/แผ่นฐาน)
• การจัดการความร้อนเป็นตัวกำหนดระยะห่างของรู — อุปกรณ์ MRI ใช้ระยะห่าง 25 มม. เพื่อให้มีช่องสำหรับทางเดินน้ำหล่อเย็น ขณะที่รุ่น 5G ใช้ 2.8 มม. เพื่อความกะทัดรัด

ควรร้องขอรายงานการทดสอบจากผู้ผลิตเสมอ: เราพบว่า 30% ของตัวอย่างมีขนาดรูที่เบี่ยงเบนจากใบข้อมูลเกิน 0.01 มม. ซึ่งทำให้ค่าการกำหนดทิศทางหายไปถึง 2dB ในการใช้งานจริง สำหรับการออกแบบความถี่สูง ควรยืนยันผลกราฟ VNA เฉพาะล็อตผลิตนั้นๆ — เพราะความแตกต่างของการผลิตแต่ละรอบอาจทำให้ขนาดรูเปลี่ยนไป 0.3 มม. ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างรุนแรง