วิธีการออกแบบเสาอากาศสำหรับความถี่เฉพาะ

ออกแบบสายอากาศสำหรับความถี่เฉพาะ (เช่น 2.4GHz) โดยการคำนวณความยาวผ่านสูตร f=2Lc​ (≈6.25 ซม. สำหรับไดโพล), ปรับแต่งค่าตามสารไดอิเล็กทริก (FR4 εr​≈4.3) เพื่อให้สั้นลง และปรับอิมพีแดนซ์ให้ตรงกับ 50Ω ผ่านจุดป้อนสัญญาณหรือหม้อแปลงเพื่อการแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพ

เลือกความถี่เป้าหมายของคุณ

ตัวอย่างเช่น เราเตอร์ Wi-Fi ที่ทำงานที่ 2.4 GHz มีข้อกำหนดด้านสายอากาศที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากอุปกรณ์ LoRa ที่ส่งสัญญาณที่ 915 MHz ความถี่เป้าหมายจะเป็นตัวกำหนดความยาวคลื่น (λ) โดยตรง ซึ่งคำนวณได้จาก λ = c / f โดยที่ c คือความเร็วแสง (300,000,000 เมตร/วินาที) และ f คือความถี่ของคุณในหน่วย Hz สัญญาณ 2.4 GHz มีความยาวคลื่นประมาณ 12.5 ซม. ในขณะที่สัญญาณ 433 MHz ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมหลายประเภทมีความยาวคลื่นประมาณ 69 ซม. ความแตกต่างของขนาดทางกายภาพนี้คือเหตุผลที่สายอากาศ 433 MHz มีขนาดใหญ่กว่าอย่างเห็นได้ชัด คุณต้องกำหนด ​​แบนด์วิดท์​​ ที่ต้องการด้วย; ช่องสัญญาณแบบแคบ (narrowband) ขนาด 10 kHz สำหรับเซนเซอร์ที่มีอัตราข้อมูลต่ำ ต้องการวิธีการออกแบบที่แตกต่างจากช่องสัญญาณกว้าง 20 MHz สำหรับการส่งสัญญาณวิดีโอ ข้อจำกัดด้านกฎระเบียบก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน ในสหรัฐอเมริกา FCC อนุญาตให้ใช้งานได้โดยไม่ต้องมีใบอนุญาตในย่านความถี่ ISM 902-928 MHz แต่การออกแบบของคุณต้องปฏิบัติตามกำลังส่งสูงสุดไม่เกิน 1 วัตต์อย่างเคร่งครัด รวมถึงหน้ากากการปล่อยมลพิษ (emission masks) เฉพาะเจาะจงเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนและโทษทางกฎหมาย ในยุโรป มาตรฐาน ETSI สำหรับย่านความถี่ 868 MHz มีกฎเกณฑ์ที่แตกต่างกัน รวมถึงรอบการทำงาน (duty cycle) สูงสุดที่ต่ำกว่าที่ 1% หรือ 10% ขึ้นอยู่กับย่านความถี่ย่อย

สำหรับความถี่เป้าหมาย 2.45 GHz ความยาวคลื่น λ = 300 / 2.45 ≈ 12.24 ซม. สายอากาศไดโพลทั่วไปจะมีความยาวครึ่งหนึ่งของค่านั้น คือประมาณ 6.12 ซม. ต่อองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม ค่าตัวประกอบความเร็ว (velocity factor) ของตัวนำ (โดยปกติคือ 0.95 ถึง 0.98 สำหรับลวดเปลือย) จะลดความยาวทางไฟฟ้านี้ลงเล็กน้อย; องค์ประกอบไดโพล 2.45 GHz ในโลกความเป็นจริงมักจะมีความยาวใกล้เคียงกับ 5.9 ซม. แบนด์วิดท์ก็สำคัญไม่แพ้กัน หากระบบของคุณต้องการ ​​แบนด์วิดท์ 20 MHz​​ ที่ความถี่กลาง 2.45 GHz นั่นหมายถึงแบนด์วิดท์ในการทำงานประมาณ 0.8% ซึ่งถือว่าเป็นช่วงแคบ ทำให้สามารถใช้สายอากาศไดโพลหรือแพตช์ (patch antenna) แบบเรียบง่ายที่มีประสิทธิภาพได้ ในทางกลับกัน ระบบ UWB ที่ทำงานตั้งแต่ 3.1 ถึง 10.6 GHz ต้องการการออกแบบที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง เช่น สายอากาศแบบแฟรกทัล (fractal) หรือแบบเทเปอร์ (tapered) เพื่อให้ได้แบนด์วิดท์ที่เกิน 100% ​​ความถี่กลาง​​ ยังเป็นตัวกำหนดขนาดทางกายภาพด้วย สายอากาศ 900 MHz จะมีขนาดใหญ่กว่าสายอากาศ 2.4 GHz ประมาณ 2.7 เท่า ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อรูปแบบของผลิตภัณฑ์และต้นทุนวัสดุ ตัวอย่างเช่น สายอากาศแบบลายทองแดงบน PCB (PCB trace antenna) มาตรฐาน 2.4 GHz อาจใช้พื้นที่บอร์ดเพียง 25 มม. x 5 มม. ในขณะที่สายอากาศแบบวิป (whip antenna) 900 MHz อาจต้องการพื้นที่แนวตั้งมากกว่า 80 มม.

ย่านความถี่ 2.4 GHz นั้นหนาแน่นไปด้วย Wi-Fi, Bluetooth และเตาไมโครเวฟ ซึ่งนำไปสู่การรบกวนที่อาจเกิดขึ้นและทำให้ประสิทธิภาพของลิงก์ลดลงได้ 30% หรือมากกว่าในเขตเมือง การเลือกย่านความถี่ที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าอย่าง 915 MHz (ในอเมริกา) สามารถปรับปรุงระยะสัญญาณได้อย่างมาก—มักจะให้ระยะทางที่ครอบคลุม ​​เพิ่มขึ้น 40-50%​​ สำหรับกำลังส่งที่เท่ากัน—โดยแลกกับอัตราข้อมูลที่ต่ำลง สภาพแวดล้อมเองก็ดูดซับและสะท้อนคลื่นวิทยุแตกต่างกัน; สัญญาณ 5.8 GHz จะลดทอนเร็วกว่าสัญญาณ 2.4 GHz เมื่อผ่านผนัง โดยต้องเผชิญกับ ​​การสูญเสียเพิ่มเติมประมาณ 5 dB​​ ต่อผนังภายในหนึ่งชั้น

เลือกรูปแบบและประเภทของสายอากาศ

​​สายอากาศไดโพล​​ อาจให้เกน (gain) ที่สมดุล 2.15 dBi และอิมพีแดนซ์ 50 โอห์มสำหรับการใช้งาน 2.4 GHz แต่ขนาดของมันที่ ​​~6 ซม. ต่อองค์ประกอบ​​ และรูปแบบการแพร่กระจายแบบรอบทิศทางอาจไม่เหมาะสมสำหรับลิงก์แบบระบุทิศทางที่ต้องการระยะทางเพิ่มขึ้น 10 เท่า ในทางตรงกันข้าม ​​สายอากาศแบบแพตช์​​ บน PCB อาจมีราคาเพียง ​​$0.25​​ เมื่อผลิตจำนวนมากและใช้พื้นที่ภายใน ​​20 มม. x 15 มม.​​ แต่โดยปกติจะเสียสละแบนด์วิดท์ โดยทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงเพียง ​​100-150 MHz​​ ที่ความถี่ 5.8 GHz สภาพแวดล้อมเป็นตัวกำหนดทางเลือก: ​​สายอากาศโมโนโพล​​ สำหรับตัวควบคุมโดรนต้องการโพลาไรเซชันแนวตั้งและการครอบคลุมรอบทิศทางแบบ 3D เพื่อรักษาความเสถียรของลิงก์ที่มุมเอียง 45 องศา ในขณะที่ ​​สายอากาศยากิ (Yagi-Uda)​​ สำหรับลิงก์ไร้สายแบบติดตั้งคงที่ ให้เกนด้านหน้า 12 dBi แต่มีความกว้างของลำคลื่น (beamwidth) ที่แคบลงเหลือเพียง ​​30 องศา​​ ซึ่งต้องการการปรับทิศทางที่แม่นยำภายใน ​​±2 องศา​​ เพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณที่ลดลงถึง ​​-10 dB​​

​​สายอากาศแบบลายทองแดงบน PCB​​ ซึ่งมักจะกัดลายลงบนบอร์ดโดยตรง เป็นทางเลือกที่ถูกที่สุดที่ราคาต่ำกว่า ​​0.30 ต่อหน่วยในการผลิต 10,000 ชิ้น และช่วยประหยัดพื้นที่แนวตั้ง แต่มีความอ่อนไหวสูงต่อสัญญาณรบกวนจากอุปกรณ์ใกล้เคียง และโดยปกติจะแสดงประสิทธิภาพการแผ่รังสีเพียง 40-60% สำหรับการใช้งานระยะไกล ​​สายอากาศยากิ​​ คือเครื่องมือสำหรับงานนี้ ยากิแบบ 9 องค์ประกอบสำหรับ 915 MHz สามารถให้ ​​เกน 12 dBi​​ ซึ่งเพิ่มระยะการส่งสัญญาณเป็นสี่เท่าเมื่อเทียบกับสายอากาศไดโพล แต่มาพร้อมกับ ​​ความกว้างลำคลื่นแนวนอน 60 องศา​​ และความยาวทางกายภาพมากกว่า ​​500 มม.​​ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานอื่นนอกจากการติดตั้งแบบคงที่ โพลาไรเซชันเป็นอีกหนึ่งสเปกที่สำคัญ; อุปกรณ์อุปโภคบริโภคส่วนใหญ่ใช้โพลาไรเซชันเชิงเส้น แต่หากอุปกรณ์ของคุณ เช่น โดรน จะมีการหมุนและเอียงอย่างอิสระ ​​สายอากาศแบบเฮลิคอล (helical)​​ ที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลมเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันสัญญาณจางที่หายไปมากกว่า ​​20 dB​​ ในระหว่างการหลบหลีก แม้ว่าจะมีต้นทุนส่วนประกอบเพิ่มขึ้น 30% และเครือข่าย ​​การปรับอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม​​ ที่ซับซ้อนกว่าซึ่งต้องการ ​​วงจรกรอง LC แบบ 3 ส่วน​​ ที่ปรับจูนภายใน ​​±5%​​ ของความถี่กลาง

คำนวณความยาวและรูปร่าง

สายอากาศไดโพลครึ่งคลื่นสำหรับ 2.4 GHz ไม่ใช่แค่ 300 / 2.4 / 2 = 62.5 มม. เสมอไป; ​​ค่าตัวประกอบความเร็ว​​ ของลวดทองแดงเปลือย (ประมาณ 0.95) และ ​​ผลกระทบที่ปลายสาย (end effects)​​ จากฉนวนจะลดความยาวนี้ลงเหลือประมาณ ​​58-60 มม.​​ ต่อข้าง การทำความยาวนี้ผิดพลาดเพียง ​​5%​​ สามารถเลื่อนความถี่เรโซแนนซ์ไปได้ถึง ​​120 MHz​​ ซึ่งจะทำให้หลุดออกจากย่านความถี่ ISM 2.4 GHz ไปโดยสิ้นเชิง และทำให้ประสิทธิภาพของสายอากาศลดลงจากกว่า 90% เหลือต่ำกว่า 40% รูปร่างไม่ว่าจะเป็นไดโพลแบบตรง ไดโพลแบบพับ (folded dipole) หรือลายทองแดงแบบคดเคี้ยว (meandered trace) จะปรับเปลี่ยนอิมพีแดนซ์และแบนด์วิดท์เพิ่มเติม สายอากาศลายทองแดงแบบคดเคี้ยวอาจบีบอัดไดโพล 60 มม. ลงในพื้นที่ 15 มม. x 6 มม. แต่โดยปกติจะ ​​ลดแบนด์วิดท์ลง 30%​​ และทำให้เกิด ​​การสูญเสียประสิทธิภาพ 15%​​ เนื่องจากความสูญเสียจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นและการเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการภายในรูปแบบที่คดเคี้ยวนั้น

ความผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดคือการใช้สูตรความยาวคลื่นในที่ว่างโดยไม่คำนวณตัวประกอบความเร็ว สำหรับสายอากาศไดโพลแบบลวด ความยาวที่ตัดจริงควรเป็น 95% ของความยาวทางทฤษฎีที่คำนวณได้ ควรสร้างต้นแบบให้ยาวกว่าที่ต้องการเสมอและวางแผนที่จะเล็มออกทีละน้อยในขณะที่วัดค่า return loss (การสูญเสียจากการสะท้อนสัญญาณ)

สำหรับ ​​สายอากาศโมโนโพลหนึ่งในสี่คลื่น​​ บนระนาบกราวด์ ความยาวเริ่มต้นคือ L = λ/4 สำหรับ 868 MHz ความยาวนี้คือ 300 / 0.868 / 4 = 86.4 มม. อย่างไรก็ตาม การไม่มีระนาบกราวด์ที่กว้างไม่สิ้นสุดจะทำให้ความยาวทางไฟฟ้าสั้นลง; บน PCB ขนาดเล็กที่มีระนาบกราวด์ 50 มม. x 50 มม. ความยาวที่มีประสิทธิภาพจะต้องลดลงประมาณ ​​5%​​ เหลือประมาณ ​​82 มม.​​ เพื่อให้เกิดเรโซแนนซ์ ​​เส้นผ่านศูนย์กลางของตัวนำ​​ ส่งผลกระทบอย่างมากต่อแบนด์วิดท์ ลวดขนาดบาง 0.5 มม. สำหรับไดโพล 433 MHz มีแบนด์วิดท์ที่ใช้งานได้ประมาณ ​​2 MHz​​ ในขณะที่การเพิ่มความหนาขององค์ประกอบเป็น ​​3 มม.​​ (เช่น การใช้ท่ออลูมิเนียม) สามารถขยายแบนด์วิดท์ได้มากกว่า ​​6 MHz​​ ซึ่งเป็นการปรับปรุงถึง 300% โดยการลดค่า Q-factor สำหรับ ​​สายอากาศแบบแพตช์บน PCB​​ การคำนวณจะซับซ้อนกว่า ความยาว (L) ของแพตช์สี่เหลี่ยมจะอยู่ที่ประมาณ L = ​​0.49 * λ / √(εᵣ)​​ โดยที่ εᵣ คือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ สำหรับวัสดุ FR4 (εᵣ ≈ 4.3) ที่ความถี่ 2.45 GHz จะได้ L ≈ 0.49 * 122.4 มม. / 2.07 ≈ ​​29 มม.​​ ส่วน ​​ความกว้าง​​ ของแพตช์ (W) จะควบคุมอิมพีแดนซ์ขาเข้า; กฎทั่วไปคือ W = ​​1.5 * L​​ ซึ่งสำหรับตัวอย่างนี้คือประมาณ ​​43.5 มม.​​ รูปทรงของจุดป้อนสัญญาณนั้นสำคัญมาก; การป้อนที่ขอบจะให้อิมพีแดนซ์ใกล้เคียง ​​200 Ω​​ ในขณะที่การขยับจุดป้อนเข้าหาเส้นกึ่งกลางจะช่วยลดอิมพีแดนซ์ลง จุดป้อนที่ระยะ ​​8.5 มม.​​ จากขอบมักจะให้อิมพีแดนซ์มาตรฐาน ​​50 Ω​​ สำหรับแพตช์ขนาดนี้

คำนึงถึงสภาพแวดล้อมรอบข้าง

สายอากาศ Wi-Fi ที่ปรับจูนมาอย่างสมบูรณ์แบบที่ 2.45 GHz บนโต๊ะทดลอง สามารถเลื่อนความถี่ลงไปที่ 2.3 GHz ได้เมื่อวางห่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมของอุปกรณ์เพียง 10 มม. ทำให้มันไร้ประสิทธิภาพ สัญญาณจะลดทอนลงในอัตราที่แตกต่างกันอย่างมากตามวัสดุทั่วไป: ผนังคอนกรีตเพียงชั้นเดียวสามารถทำให้เกิดการสูญเสีย ​​-15 dB ถึง -20 dB​​ ที่ความถี่ 2.4 GHz ในขณะที่ผนังยิปซั่มอาจทำให้เกิดการสูญเสียเพียง ​​-3 dB ถึง -6 dB​​ ความแตกต่าง 14 dB นี้เทียบเท่ากับ ​​การเปลี่ยนแปลงกำลังสัญญาณถึง 25 เท่า​​ หมายความว่าลิงก์ที่เคยใช้งานได้ที่ 50 เมตรในที่โล่งอาจล้มเหลวหลังจากผ่านไปเพียง 5 เมตรในอาคาร ความชื้นเป็นนักฆ่าเงียบอีกรายหนึ่ง; ระดับความชื้นสัมพัทธ์ 90% สามารถเพิ่มการลดทอนพิเศษ ​​0.5 dB/km​​ ที่ความถี่ 24 GHz เมื่อเทียบกับอากาศแห้ง ซึ่งสำคัญมากสำหรับลิงก์คลื่นมิลลิเมตร คุณต้องออกแบบสำหรับสถานการณ์ที่แย่ที่สุด ไม่ใช่สภาวะในอุดมคติ

• ​​สิ่งกีดขวางที่เป็นโลหะ:​​ ฮีทซิงค์โลหะขนาดใหญ่หรือแบตเตอรี่ที่วางอยู่ภายในระยะ ​​λ/4 (30 มม. ที่ 2.4 GHz)​​ ของสายอากาศบน PCB สามารถทำให้ความถี่เคลื่อนไปได้มากกว่า ​​200 MHz​​, ลดประสิทธิภาพลง ​​40%​​ และสร้างจุดบอดสัญญาณ (null) ขนาด ​​-10 dB​​ ในรูปแบบการแผ่รังสี
• ​​กล่องพลาสติก:​​ เคสพลาสติก ABS ทั่วไป (εᵣ ≈ 3.0) ที่มี ​​ความหนาผนัง 2 มม.​​ จะทำให้เกิดโหลดทางความจุต่อสายอากาศ ทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ลดลงประมาณ ​​3%​​
• ​​การปรากฏตัวของมนุษย์:​​ คนที่ยืนห่างจากสายอากาศไดโพล ​​3.5 dBi​​ ในระยะ 1 เมตร สามารถดูดซับการแผ่รังสี สร้างเอฟเฟกต์เงาที่ทำให้ความแรงของสัญญาณลดลง ​​15-20 dB​​ และทำให้เกิดการจางหายของสัญญาณอย่างรุนแรงพร้อมความผันผวนถึง ​​30 dB​​ เมื่อมีการเคลื่อนไหว

สำหรับสัญญาณ 5.8 GHz ที่เดินทางผ่านสำนักงานในอาคาร คุณต้องคำนวณการสูญเสียในที่ว่าง (free-space path loss) (​​-68 dB​​ ที่ 10 เมตร) บวกกับ ​​-6 dB​​ สำหรับผนังยิปซั่มแต่ละชั้น และเผื่อค่าเผื่อความปลอดภัย (margin) เพิ่มเติมอีก ​​-10 dB​​ สำหรับเฟอร์นิเจอร์และกิจกรรมของมนุษย์ สิ่งนี้ทำนายการสูญเสียรวมของเส้นทางที่ ​​-84 dB​​ ซึ่งระบบวิทยุของคุณต้องเอาชนะให้ได้ พื้นดินเองก็สร้างระนาบสะท้อนที่ทำให้เกิดการรบกวนทั้งแบบเสริมและแบบหักล้าง สำหรับสายอากาศที่สูง ​​1.5 เมตร​​ เพื่อสร้างลิงก์ระยะ ​​500 เมตร​​ การสะท้อนที่เกิดขึ้นอาจทำให้เกิดจุดพีคของสัญญาณ ​​+6 dB​​ หรือจุดบอด ​​-20 dB​​ ขึ้นอยู่กับความสูงและระยะทางที่แน่นอน ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียแพ็กเก็ตข้อมูลเป็นระยะ เพื่อต่อสู้กับสิ่งนี้ การใช้สายอากาศแบบหลากหลาย (antenna diversity) โดยใช้สายอากาศสองชุดวางห่างกันอย่างน้อย ​​λ/2 (60 มม. ที่ 2.4 GHz)​​ เป็นสิ่งสำคัญ; ระยะห่างนี้ช่วยรับประกันความน่าจะเป็น ​​99%​​ ว่าหากสายอากาศหนึ่งอยู่ในจุดบอด อีกชุดหนึ่งจะไม่เป็นเช่นนั้น เพื่อป้องกันการหลุดของลิงก์ทั้งหมด สำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนยานพาหนะหรือเครื่องจักร การสั่นสะเทือนคือปัจจัยทำลายทางกลไก

สายอากาศที่ยึดไม่แน่นหนาซึ่งสั่นสะเทือนที่ความถี่ ​​100 Hz​​ ด้วยความกว้างการสั่น ​​2 มม.​​ จะทำให้จุดบัดกรีล้าและนำไปสู่ความล้มเหลวโดยสิ้นเชิงภายใน ​​1000 ชั่วโมง​​ ของการทำงาน วิธีแก้ไขคือการใช้ฐานยึดที่มีวัสดุลดแรงสั่นสะเทือนหรือองค์ประกอบสายอากาศแบบยืดหยุ่นที่สามารถทนต่อแรงเร่งได้ถึง ​​5 Gs​​ สุดท้าย สำหรับการติดตั้งกลางแจ้ง ฝาครอบสายอากาศ (radomes) ที่ ​​ทนต่อรังสียูวี​​ เป็นสิ่งที่ต่อรองไม่ได้ พลาสติกมาตรฐานจะเสื่อมสภาพหลังจากถูกแสงแดดโดยตรงเป็นเวลา ​​18 เดือน​​ โดยจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองและเพิ่มการสูญเสีย RF จาก ​​0.2 dB​​ เป็นมากกว่า ​​2.0 dB​​ ซึ่งจะลดทอนความแรงของสัญญาณคุณอย่างเงียบเชียบ

สร้างและตรวจสอบอิมพีแดนซ์

หากไม่มีการปรับจูน 50 โอห์มที่เหมาะสม กำลังส่งส่วนใหญ่ของคุณ—มักจะอยู่ที่ ​​60% หรือมากกว่า​​—จะสะท้อนกลับเข้าไปยังเครื่องส่งสัญญาณ และเปลี่ยนเป็นความร้อนแทนที่จะเป็นสัญญาณที่แผ่ออกไป การไม่แมตช์ (mismatch) นี้ไม่เพียงแต่จะลดระยะสัญญาณเท่านั้น แต่มันยังสร้างภาระให้กับส่วนประกอบขยายกำลัง (power amplifier) เพิ่มอุณหภูมิในการทำงานขึ้น ​​20°C​​ และอาจทำให้อายุการใช้งานสั้นลงถึง ​​40%​​ สำหรับโมดูล Wi-Fi ​​2.4 GHz​​ ที่ให้กำลังขับ ​​+20 dBm (100 mW)​​ ค่า ​​VSWR 2:1​​ (ซึ่งตรงกับค่า return loss ที่ ​​-10 dB​​) หมายความว่า ​​90 mW​​ ถูกส่งไปยังสายอากาศ ซึ่งเป็นการสูญเสียที่จัดการได้ อย่างไรก็ตาม ค่า ​​VSWR 3:1​​ ที่ไม่ดี (return loss ​​-6 dB​​) จะลดกำลังส่งลงเหลือเพียง ​​75 mW​​ ทำให้สูญเสียเปล่าไปถึง ​​25 mW​​ และลดประสิทธิภาพรวมของลิงก์ลงอย่างมาก การตรวจสอบและปรับจูนอิมพีแดนซ์ไม่ใช่ทางเลือก แต่เป็นสิ่งที่แยกแยะระหว่างต้นแบบที่ใช้งานได้กับผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้

• ​​เครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ (VNA) เป็นสิ่งจำเป็น:​​ VNA พื้นฐานราคา ​​$800​​ สามารถวัดค่า S11 (return loss) ด้วยความแม่นยำ ​​±1.5 dB​​ ได้ถึง ​​3 GHz​​ ซึ่งจะเผยให้เห็นว่าสายอากาศของคุณเรโซแนนซ์ที่ความถี่ที่ถูกต้องหรือไม่ ค่า ​​return loss -10 dB​​ บ่งบอกถึงการส่งกำลังได้ 90% ในขณะที่ค่า ​​-15 dB​​ หรือดีกว่าคือเป้าหมายการออกแบบสำหรับระบบประสิทธิภาพสูง
• ​​ส่วนประกอบเครือข่ายแมตชิ่ง (Matching Network):​​ ใช้ตัวเหนี่ยวนำ (inductor) และตัวเก็บประจุ (capacitor) ขนาด ​​0402 หรือ 0603​​ ที่มีค่า Q สูง (>30 ที่ความถี่เป้าหมาย) สำหรับเครือข่ายแมตชิ่ง ตัวเก็บประจุที่มีค่า Q ต่ำ (<10) สามารถเพิ่มความต้านทานอนุกรมแฝง (parasitic series resistance) ได้ ​​2-3 Ω​​ ซึ่งจะทำลายการแมตชิ่ง
• ​​ผลกระทบของลายทองแดงบน PCB:​​ เส้นไมโครสตริป (microstrip line) ขนาด ​​50 โอห์ม​​ บนวัสดุฐาน ​​FR4 หนา 1.6 มม.​​ จะต้องมี ​​ความกว้าง 2.8 มม.​​; ลายทองแดงที่คำนวณผิดพลาดเหลือ ​​2.0 มม.​​ สามารถแสดงอิมพีแดนซ์ ​​65 โอห์ม​​ ทำให้เกิดการไม่แมตช์ขึ้นทันทีที่จุดป้อนสัญญาณ

สำหรับ ​​สายอากาศแบบลายทองแดงบน PCB​​ จุดเชื่อมต่อคือแผ่นรับสัญญาณ (pad) กว้าง ​​0.5 มม.​​ ที่วางห่างจากองค์ประกอบสายอากาศเองเพียง ​​0.2 มม.​​; แผ่นรับสัญญาณที่ใหญ่กว่าหรือระยะห่างที่มากกว่าจะเพิ่มความจุแฝง (parasitic capacitance) ที่สามารถทำให้ความถี่สายอากาศเลื่อนไปได้ถึง ​​50 MHz​​ การบัดกรีสายโคแอกเชียลโดยตรงเข้ากับต้นแบบต้องใช้ลายทองแดงยาว ​​5 มม. กว้าง 0.5 มม.​​ ไปยังจุดป้อนสายอากาศ; ลายทองแดงที่หนาหรือยาวกว่านั้นจะทำหน้าที่เป็นตัวเหนี่ยวนำเพิ่มเติม ทำให้อิมพีแดนซ์เลื่อนขึ้นด้านบน เมื่อสร้างสายอากาศไดโพลแบบลวด ฉนวนที่จุดป้อนเป็นสิ่งสำคัญมาก การใช้ท่อ ​​PVC ยาว 2 ซม.​​ (εᵣ ≈ 3.0) เป็นบาลันแทนแกนเฟอร์ไรต์ที่เหมาะสมสามารถเพิ่มความจุ ​​5 pF​​ คร่อมจุดป้อน ซึ่งจะลดความถี่เรโซแนนซ์ลง ​​3%​​ เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ให้เชื่อมต่อ VNA และวัด ​​พารามิเตอร์ S11​​ เป้าหมายคือการเห็นจุดจุ่มที่ชัดเจนบน Smith chart ที่เข้าใกล้จุดศูนย์กลาง (จุด 50 โอห์ม) ที่ความถี่เป้าหมายของคุณ หากจุดอิมพีแดนซ์อยู่ในครึ่งบนของแผนภูมิ (เช่น ​​30 + j25 Ω​​) แสดงว่ามีความเหนี่ยวนำมากเกินไป คุณต้องเพิ่ม ​​ตัวเก็บประจุแบบอนุกรม​​ หรือ ​​ตัวเหนี่ยวนำแบบขนาน (shunt)​​ เพื่อหักล้างมัน ค่า ​​1.2 pF​​ แบบอนุกรม หรือ ​​8.2 nH​​ แบบขนาน อาจเป็นสิ่งที่ต้องการสำหรับการแมตช์ที่ ​​2.4 GHz​​ หากจุดอยู่ในครึ่งล่าง (เช่น ​​70 – j40 Ω​​) แสดงว่ามีความจุมากเกินไป ต้องการ ​​ตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม​​ หรือ ​​ตัวเก็บประจุแบบขนาน​​ เช่น ขดลวดอนุกรมขนาด ​​5.6 nH​​ ควรใช้ ​​เครื่องมือจำลอง (simulation tool)​​ เพื่อคำนวณค่าส่วนประกอบเริ่มต้นเสมอ แต่ให้เตรียมตัวที่จะต้องปรับจูนด้วยมือโดยการเปลี่ยนชิ้นส่วนอุปกรณ์

ทดสอบและปรับแต่งประสิทธิภาพ

หากไม่มีข้อมูลนี้ คุณก็แค่เดา สายอากาศที่วัดค่า ​​return loss ได้ -25 dB​​ อย่างสมบูรณ์แบบบน VNA อาจจะยังมีประสิทธิภาพการแผ่รังสีเพียง ​​40%​​ เนื่องจากวัสดุที่มีความสูญเสียอยู่ใกล้เคียง ซึ่งเท่ากับเสียกำลังส่งไปเป็นความร้อนกว่าครึ่งหนึ่ง สเปกเกน ​​3 dBi​​ จะไม่มีความหมายเลยหากรูปแบบการแผ่รังสีมี ​​จุดบอด (null) ขนาด -15 dB​​ อยู่ในทิศทางเดียวกับตัวรับสัญญาณของคุณ ซึ่งจะทำให้ความแรงสัญญาณลดลงถึง ​​97%​​ ในมุมนั้น การทดสอบประสิทธิภาพประกอบด้วยตัวชี้วัดหลักสามตัว: ​​กำลังการแผ่รังสีรวม (TRP)​​ ซึ่งวัดว่ากำลังไฟออกจากระบบจริงเท่าไหร่; ​​ความไวรวมแบบรอบทิศทาง (TIS)​​ ซึ่งวัดความสามารถในการรับสัญญาณ; และรูปแบบการแผ่รังสีแบบ 3D ซึ่งแสดงแผนผังความแรงสัญญาณในทุกทิศทาง

• ​​การวัดรูปแบบการแผ่รังสี:​​ ใช้สนามทดสอบสายอากาศหรือจานหมุนแบบง่ายๆ เพื่อพล็อตเกนทุกๆ ​​15 องศา​​ ทั้งในแนวราบ (azimuth) และแนวตั้ง (elevation) ระบุ ​​จุดบอดที่ลึกกว่า -10 dB​​ ซึ่งอาจทำให้ลิงก์ของคุณขาดหายได้
• ​​การวัดประสิทธิภาพ:​​ ห้องสะท้อนสัญญาณ (reverberation chamber) ราคา ​​$15,000​​ จะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำที่สุด แต่การใช้สายอากาศอ้างอิงที่ผ่านการสอบเทียบแล้วและสายอากาศรับสัญญาณที่ระยะ ​​3 เมตร​​ ก็สามารถให้ค่าประสิทธิภาพที่มีความแม่นยำภายใน ​​±10%​​ ได้
• ​​การทดสอบระยะทางในโลกจริง:​​ ดำเนินการทดสอบในระยะสายตา (line-of-sight) ​​1 กม.​​ โดยวัดอัตราข้อผิดพลาดของแพ็กเก็ต (PER) ที่กำลังรับสัญญาณ ​​-95 dBm​​ ค่า PER ที่ต่ำกว่า ​​1%​​ จะเป็นการยืนยันประสิทธิภาพของระบบ RF ทั้งหมด

การทดสอบที่สำคัญที่สุดคือการวัด ​​รูปแบบการแผ่รังสี 3D​​ สิ่งนี้จะเผยให้เห็นว่าเกน ​​5 dBi​​ นั้นรวมศูนย์อยู่ในทิศทางที่มีประโยชน์หรือเสียเปล่าไป ให้ติดตั้งต้นแบบบนจานหมุนที่ตั้งโปรแกรมได้ในพื้นที่โล่งหรือในห้องไร้คลื่นสะท้อน (anechoic chamber) ส่งสัญญาณคลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) และใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม (spectrum analyzer) ที่สอบเทียบแล้วพร้อมสายอากาศอ้างอิงที่วางห่างออกไป ​​5 เมตร​​ หมุนอุปกรณ์ ​​360 องศา​​ โดยเพิ่มทีละ ​​15 องศา​​ และบันทึกกำลังสัญญาณที่รับได้ในแต่ละจุด สิ่งนี้จะเผยให้เห็นความกว้างของลำคลื่น; สายอากาศรอบทิศทางที่ดีควรมีความผันผวนน้อยกว่า ​​±3 dB​​ ในแนวราบ

ความผันผวนที่เกิน ​​6 dB​​ บ่งบอกถึงความผิดเพี้ยนของรูปแบบสัญญาณ ซึ่งมักเกิดจากแบตเตอรี่หรือสายเคเบิลหน้าจอที่อยู่ใกล้เคียง ต่อไปให้วัดประสิทธิภาพโดยใช้ ​​วิธีแทนที่ค่าเกน (gain substitution method)​​ แทนที่ต้นแบบของคุณด้วยสายอากาศมาตรฐานที่มีค่าเกนที่ทราบแน่นอน เช่น ​​10.0 dBi​​ วัดความแตกต่างของกำลังส่งที่รับได้; หากสายอากาศของคุณให้สัญญาณอ่อนกว่า ​​7 dB​​ เกนของมันจะอยู่ที่ประมาณ ​​3 dBi​​ ในการหาประสิทธิภาพ ให้เปรียบเทียบเกนที่วัดได้นี้กับค่า directivity ที่ได้จากการจำลอง สุดท้าย ให้ดำเนินการทดสอบ ​​อัตราข้อผิดพลาดของบิต (BER)​​ ตามระยะทาง วางผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ในกล่องบรรจุจริงให้ห่างจากตัวรับสัญญาณ ​​50 เมตร​​ ส่งข้อมูลที่อัตรา ​​1 Mbps​​ และวัดค่า BER ในขณะที่ลดกำลังส่งลง ระบบที่ออกแบบมาอย่างดีควรบรรลุค่า ​​BER 10⁻⁶​​ (ผิดพลาด 1 บิตต่อล้านบิต) ที่ระดับกำลังรับสัญญาณ ​​-85 dBm​​ หากค่า BER พุ่งสูงขึ้นที่ ​​-75 dBm​​ ปัญหาน่าจะเกิดจากสัญญาณรบกวนจากวงจรดิจิทัลในตัวอุปกรณ์ของคุณเองที่รบกวนตัวรับสัญญาณ ซึ่งต้องการการชีลด์ (shielding) ที่ดีขึ้นหรือส่วนประกอบตัวกรองบนสายไฟ การทดสอบแต่ละรอบควรนำไปสู่การปรับเปลี่ยนทางกายภาพ: การดัดองค์ประกอบโมโนโพล ​​3 มม.​​ เพื่อเลื่อนเรโซแนนซ์, การเพิ่มแผ่นชีลด์อลูมิเนียมฟอยล์หนา ​​2 มม.​​ ที่ต่อลงกราวด์เพื่อบล็อกสัญญาณรบกวนจากโปรเซสเซอร์ หรือการติดแผ่นซับสัญญาณ RF (RF absorber) หนา ​​0.5 มม.​​ บนเคสพลาสติกเพื่อลดทอนคลื่นพื้นผิวที่ทำให้รูปแบบสัญญาณผิดเพี้ยน

อย่าสรุปการออกแบบโดยพึ่งพาเพียงค่า return loss สายอากาศสามารถมีการแมตช์ 50 โอห์มที่สมบูรณ์แบบแต่แผ่รังสีได้แย่มาก ให้ตรวจสอบความถูกต้องด้วยรูปแบบการแผ่รังสีเบื้องต้นและการวัดประสิทธิภาพเสมอก่อนการผลิตจำนวนมาก ความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดคือการละเลยที่จะทดสอบอุปกรณ์ในสภาวะที่ประกอบเสร็จสมบูรณ์และจ่ายไฟให้กับทุกส่วนประกอบแล้ว