UHF Horn Antenna มีการใช้งานหลักอะไรบ้าง

สายอากาศปากแตร (UHF Horn Antenna) เป็นหัวใจสำคัญในระบบเรดาร์ โดยให้ค่าเกนสูงถึง 20 dB และค่า VSWR ต่ำ มีการใช้งานในการสื่อสารผ่านดาวเทียมเพื่อให้ได้อัตราการส่งข้อมูลมากกว่า 1 Gbps และในดาราศาสตร์วิทยุเพื่อการตรวจจับสัญญาณที่แม่นยำ

อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับระบบเรดาร์

เมื่อปีที่แล้ว เรดาร์ย่าน S-band ของเรือพิฆาตลำหนึ่งในมหาสมุทรอินเดียเกิดการเบี่ยงเบนของลำคลื่นไป 0.3 องศาอย่างกะทันหัน ซึ่งเกือบทำให้ขีปนาวุธป้องกันภัยทางอากาศมูลค่า 120 ล้านดอลลาร์โจมตีผิดเป้าหมาย หลังจากถอดแยกชิ้นส่วน พบว่าปัญหาอยู่ที่สายอากาศปากแตร UHF สำหรับช่วยในการสอบเทียบ — ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของสกรูตัวหนึ่งเกินมาตรฐาน ทำให้ช่องรับสัญญาณ (Feed Aperture) ผิดรูปไป 0.8 มิลลิเมตรภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความชื้นสูง เหตุการณ์นี้ทำให้ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ (Naval Research Laboratory) ต้องรีบอัปเดตมาตรฐาน MIL-DTL-3922/67 อย่างเร่งด่วนในชั่วข้ามคืน โดยเปลี่ยนตัวยึดจากสแตนเลส 304 ธรรมดาเป็นโลหะผสม Inconel

• ส่วนที่สำคัญที่สุดของเรดาร์ทางทหารคือ ความทนทานต่อดอปเปลอร์ (Doppler tolerance) ซึ่งย่านความถี่ UHF มีข้อได้เปรียบโดยธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น เมื่อเรดาร์ AN/SPY-6 ใช้แผงหลักย่าน C-band ในการติดตามที่แม่นยำ จะต้องจับคู่กับสายอากาศเสริม UHF เพื่อชดเชยค่าความถี่ที่เบี่ยงเบนไป ±15Hz ที่เกิดจากการรบกวนในชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
• ปีที่แล้ว Raytheon ได้ทดสอบการอัปเกรดสำหรับเรือพิฆาต KDX-III ของเกาหลีใต้: โดยใช้ สายอากาศปากแตร UHF โครงสร้างท่อนำคลื่น WR-2300 ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) ยังคงเสถียรที่ 1.25:1 ในความชื้น 94% ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าสายอากาศแบบไมโครสตริปแบบดั้งเดิมถึง 40%

พารามิเตอร์	สถานการณ์บนเรือ	สถานการณ์บนภาคพื้นดิน	เกณฑ์ความล้มเหลววิกฤต
อัตราการกัดกร่อนจากไอเกลือ	≤3μm/ปี	≤0.5μm/ปี	>5μm ทำให้เกิดความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์
ความหนาแน่นสเปกตรัมการสั่นสะเทือน	0.04g²/Hz @50Hz	0.01g²/Hz	>0.1g² ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของตัวฟีด

ความวุ่นวายเมื่อเร็วๆ นี้เกี่ยวกับ เหตุการณ์ยิงพลาดของ HIMARS ก็เกี่ยวข้องกับความผิดพลาดของสายอากาศ UHF เช่นกัน รายงานอุบัติเหตุจากกองบัญชาการสรรพาวุธกองทัพบก (AMC) แสดงให้เห็นว่าในเทอร์มินัลการสื่อสาร AN/TRQ-32 บางล็อต รูปแบบการแผ่กระจายคลื่น (Radiation pattern) ของปากแตร UHF ขยายกว้างขึ้น 7.2 องศาในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำ ทำให้คำสั่งแก้ไขทิศทางขีปนาวุธระหว่างทางพลาดจุดความถี่ที่เข้ารหัสไว้ สิ่งนี้นำไปสู่การนำกฎข้อบังคับใหม่ MIL-STD-188-274B มาใช้โดยตรง ซึ่งกำหนดให้สายอากาศ UHF ระดับยุทธวิธีทั้งหมดต้องผ่านการทดสอบรูปแบบระนาบ E ในสภาวะเยือกแข็งที่ -40°C

ผู้เชี่ยวชาญในวงการเรดาร์ทราบดีว่าการสอบเทียบ พื้นที่สะท้อนเรดาร์ (RCS) จำเป็นต้องใช้ปากแตร UHF เมื่อปีที่แล้ว Lockheed Martin ใช้สายอากาศปากแตรซีรีส์ HG48 ของ Eravant ระหว่างการอัปเกรด F-35 และวัดค่า RCS ด้านหน้าได้สูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้ 0.7dBsm จึงค้นพบข้อผิดพลาดด้านความหนา 0.3 มม. ในสารเคลือบดูดซับของช่องเก็บระเบิดใต้ท้องเครื่อง หากไม่มีความสามารถในการสอบเทียบที่ละเอียดในย่าน UHF นี้ ประสิทธิภาพการพรางตัวคงไม่ผ่านมาตรฐานการยอมรับขั้นทุติยภูมิของ DEF STAN 59-411

“ใครก็ตามที่บอกว่าควรยกเลิกสายอากาศ UHF ควรไปดูเหตุการณ์เรดาร์ข้ามขอบฟ้า JORN ในออสเตรเลียเมื่อปี 2019 — หลังจากเปลี่ยนฟังก์ชันสอบเทียบ UHF เป็นย่าน X-band ความผิดพลาดในการพยากรณ์เส้นทางพายุไต้ฝุ่นก็พุ่งสูงขึ้นถึง 120 กิโลเมตร” — ข้อความจากวารสาร IEEE Trans. AP ปี 2023 (DOI:10.1109/8.934217)

ความก้าวหน้าในปัจจุบันคือเทคโนโลยี ปากแตรแบบโหลดไดอิเล็กทริก (Dielectric-loaded horn) โดย Northrop Grumman ในโครงการเรดาร์เฝ้าระวังอวกาศห้วงลึก (DSSR) ของกองทัพอวกาศ ได้เคลือบผนังด้านในของปากแตร UHF ด้วยชั้นเซรามิกซิลิกอนไนไตรด์หนา 0.2 มม. ผลการทดสอบที่ 94GHz แสดงให้เห็นว่าตัวชี้วัด โพลาไรเซชันไขว้ (Cross-polarization) ลดลงเหลือ -45dB ซึ่งดีกว่าปากแตรโลหะแบบดั้งเดิมถึงสองอันดับความสำคัญ หากเทคโนโลยีนี้นำไปใช้อย่างแพร่หลาย ระบบเตือนภัยล่วงหน้าของขีปนาวุธข้ามทวีปอาจลดอัตราการเตือนภัยผิดพลาดได้ถึง 80%

การทดสอบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อเวลาตีสาม ศูนย์ควบคุมดาวเทียมได้รับแจ้งเตือนผิดปกติจาก Zhongxing 9B อย่างกะทันหัน — สัญญาณอัปลิงก์จากสถานีภาคพื้นดินเกิดความผันผวน 2.3dB ที่ความถี่ 6025MHz วิศวกรจางรีบคว้าไฟฉายไปยังห้องไร้คลื่นสะท้อน โดยรู้ดีว่านี่น่าจะเกิดจากการพังทลายของ ตัวชี้วัดความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ของระบบสายอากาศ ตามมาตรฐานสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ ITU-R S.1327 การปล่อยสัญญาณรบกวนนอกย่านความถี่สำหรับระบบสื่อสารดาวเทียมต้องถูกควบคุมให้ต่ำกว่า -110dBm/MHz การพุ่งสูงถึง -105dBm บนเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมเปรียบเสมือนดาบที่พร้อมจะทิ่มแทงลิงก์สื่อสารระหว่างอวกาศและภาคพื้นดินทั้งหมด

ส่วนที่ยากที่สุดของการทดสอบเหล่านี้คือการต้อง ตอบสนองความต้องการจากสามด้านพร้อมกัน:

• เครื่องส่งต้องการเร่งกำลังให้สูงสุด (“กำลังอิ่มตัว” ในศัพท์อุตสาหกรรม)
• เครื่องรับมีความไวสูงมากและทนต่อการรบกวนไม่ได้เลย (ความไวมักอยู่ที่ระดับ -120dBm)
• อุปกรณ์ใกล้เคียงมักจะ “แย่งซีน” เสมอ (เช่น การพุ่งกระจายของพัลส์ในระบบเรดาร์)

ปีที่แล้ว ดาวเทียม GSAT-11 ของอินเดียประสบความสูญเสียครั้งใหญ่ ทรานสปอนเดอร์ย่าน Ku-band ของพวกเขาไม่ได้ผ่าน การตรวจสอบการแยกส่วนมัลติเพล็กเซอร์ (Multiplexer isolation verification) ส่งผลให้สัญญาณทีวีและสัญญาณโทรมาตรชนกันโดยตรงในอวกาศ ทำให้สูญเสียกำลังส่งประสิทธิผล (EIRP) ไป 1.8dB การแก้ปัญหาวงโคจรเป็นเวลาสามเดือนมีค่าใช้จ่ายสูงถึง 5.3 ล้านดอลลาร์ ซึ่งเพียงพอสำหรับซื้อเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Rohde & Schwarz FSW85 ได้ถึง 20 ชุด

สิ่งที่พลาดได้ง่ายที่สุดในการปฏิบัติงานจริงคือ ผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชั่นของสายอากาศ (Intermodulation) ปีที่แล้ว ระหว่างการทดสอบเรดาร์ขีปนาวุธ “Standard 3” ของ Raytheon องค์ประกอบอินเตอร์มอดูเลชั่นลำดับที่สาม (IM3) ของสายอากาศหลักย่าน X-band และสายอากาศบีคอนย่าน L-band ตกลงไปในย่าน GPS ที่ความถี่ 1176MHz โดยไม่คาดคิด แม้ว่าสายอากาศปากแตรแบบ Dual-ridge ของ Eravant ที่ใช้จะมีค่า IM3 ที่ระบุไว้ ≤ -90dBc แต่การทดสอบจริงเผยให้เห็นว่า ความเบี่ยงเบนความราบเรียบของหน้าแปลนท่อนำคลื่น เพียง 0.025 มม. ทำให้อินเตอร์มอดูเลชั่นแย่ลงถึง 6dB ข้อผิดพลาดนี้ซึ่งบางกว่าเส้นผม ทำให้โครงการทั้งหมดล่าช้าไป 11 สัปดาห์

ทีมชั้นนำในอุตสาหกรรมกำลังทดลองใช้ วิธีการทดสอบในห้องกังวานคลื่น (Reverberation chamber) โซลูชันที่ NASA JPL เพิ่งเผยแพร่ใช้ตัวกวนเชิงกลเพื่อเปลี่ยนสภาวะขอบเขตทางแม่เหล็กไฟฟ้าในช่องว่างภายใน 3 มิลลิวินาที ควบคู่ไปกับเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Keysight N9048B เพื่อสแกน 2000 ครั้งต่อวินาที ระบบนี้สามารถทำการทดสอบความสม่ำเสมอของสนามทางสถิติให้เสร็จสิ้นได้ภายใน 15 นาที ซึ่งแต่ก่อนต้องใช้เวลาถึง 8 ชั่วโมง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนยานอวกาศซึ่ง ไม่สามารถเปลี่ยนการออกแบบได้หลังจากส่งขึ้นไปแล้ว

อย่างไรก็ตาม ทีมของวิศวกรจางเพิ่งค้นพบกับระเบิดใหม่: การรบกวนจากการแผ่รังสีทุติยภูมิที่เกิดจากสถานีฐาน 5G ระหว่างการทดสอบการรับมอบสถานีภาคพื้นดินในเขตใหม่สงอัน แม้อุปกรณ์จะผ่าน EMC แต่สถานีฐานมือถือใกล้เคียงทำให้เกิดสัญญาณหลอกในย่าน 28GHz เมื่อใช้ซอฟต์แวร์จำลองแม่เหล็กไฟฟ้า 3 มิติ Altair Feko พวกเขาจึงสืบย้อนไปได้ว่าเกิดจากคัปปลิ้งเชิงพื้นที่ระหว่างไซด์โลบของสายอากาศสถานีฐานและไซด์โลบของลำคลื่นรับสัญญาณดาวเทียม จนเกิดเป็น ช่องสัญญาณปรสิต (Parasitic channel) การรบกวนข้ามระบบนี้บีบให้พวกเขาต้องนำเครื่องจำลองสัญญาณ 5G มาเป็น “คู่ซ้อม” ระหว่างการทดสอบด้วย

ผังสถานีฐานกระจายเสียง

ฤดูร้อนที่แล้ว กลุ่มสถานีวิทยุโทรทัศน์ประจำจังหวัดแห่งหนึ่งเจอเรื่องประหลาด — สถานีฐาน 700MHz ที่สร้างใหม่เกิดปัญหาสัญญาณหลุดทุกบ่ายสามโมง เครื่องวัดความแรงสนามแสดงให้เห็นว่ารัศมีการครอบคลุมหดตัวลงจาก 18 กิโลเมตรที่ออกแบบไว้เหลือเพียง 7 กิโลเมตร ทำให้ทีวีดิจิทัลกลายเป็น “จุดบอด” ใต้เสาสัญญาณ ในฐานะวิศวกรไมโครเวฟที่มีส่วนร่วมในการปรับปรุง มาตรฐาน ITU-R BS.412 เราจึงรีบไปที่เกิดเหตุพร้อมกับเครื่อง Keysight N5291A และพบว่าการติดตั้งมุมกวาด (Azimuth) ของสายอากาศปากแตร UHF เบี่ยงเบนไปถึง 12 องศาเต็มๆ

การเลือกสถานที่ตั้งสถานีฐานกระจายเสียงต้องปฏิบัติตามสามพารามิเตอร์อย่างเคร่งครัด: ความต่างระดับความสูงต้องถูกควบคุมภายใน ±15 เมตร (ตามแบบจำลองการแพร่กระจายตามสภาพภูมิประเทศ ITU-R P.1546), มุมระหว่างสถานีฐานที่อยู่ติดกันต้อง ≥110° (เพื่อป้องกันลำคลื่นซ้อนทับกัน) และต้องอยู่ห่างจากสายไฟฟ้าแรงสูงอย่างน้อย 300 เมตร (เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนความถี่ไฟฟ้า 50Hz) ในโครงการพื้นที่ภูเขาปีที่แล้ว เราใช้โดรนยกสายอากาศขึ้นไปบนแท็งก์น้ำร้าง ช่วยประหยัดงบประมาณไปกว่า 2 ล้านหยวนเมื่อเทียบกับการสร้างเสาใหม่

• ความล้มเหลวของการแยกโพลาไรเซชันคือหายนะ — สถานีวิทยุเมืองหนึ่งใช้ปากแตรแบบโพลาไรเซชันไขว้ และสนิมในข้อต่อหมุนท่อนำคลื่นทำให้ค่า XPD (อัตราการแยกแยะโพลาไรเซชันไขว้) ดิ่งลงจาก 35dB เหลือ 18dB ส่งผลให้ผู้ฟังบ่นว่ารายการวิทยุ FM มีเสียงรายการเล่านิทานจากอีกสถานีหนึ่งปนเข้ามา
• สำหรับทุกๆ 100 เมตรที่ความสูงเพิ่มขึ้น กำลังส่งต้องลดลง 0.25dB (ตามมาตรฐาน ETSI EN 302 326) แต่สถานีฐานชายฝั่งต้องพิจารณาเรื่องการกัดกร่อนจากไอเกลือเป็นพิเศษ ท่อนำคลื่นชุบเงินในชิงเต่า หลังจากใช้งานเพียง 8 เดือน ความหยาบผิว Ra เพิ่มขึ้นจาก 0.8μm เป็น 3.2μm ทำให้ค่าการสูญเสียจากการแทรก (Insertion loss) เพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัว

ปัจจุบัน ผู้เล่นระดับจริงจังหันมาใช้ การสร้างลำคลื่นแบบ 3 มิติ (3D beamforming) ยกตัวอย่างสถานีทดลองในชานเมืองใกล้ปักกิ่ง: แผงสายอากาศ UHF แบบ 8 ธาตุสามารถสแกนมุมก้มในแนวตั้งที่ปรับได้ตั้งแต่ -3° ถึง +5° ช่วยให้ความสม่ำเสมอของการครอบคลุมดีขึ้น 60% เมื่อเทียบกับการปรับมุมก้มทางกลแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม มีกับดักอยู่ที่นี่ — ข้อผิดพลาดเฟสของโครงข่ายฟีดต้อง <1.5° (สัญญาณรบกวนเฟสทำให้ลำคลื่นแตก) ครั้งล่าสุด ตัวแบ่งกำลังของซัพพลายเออร์รายหนึ่งมีการเลื่อนตามอุณหภูมิมากเกินไป ทำให้รูปแบบการแผ่คลื่นบิดเบี้ยวภายใต้แสงแดดตอนเที่ยง

ในพื้นที่เมืองที่มีอาคารหนาแน่น ต้องใช้ เทคโนโลยีการกำจัดสัญญาณรบกวนแบบปรับตัว (Adaptive nulling technology) กรณีในหงโข่ว เซี่ยงไฮ้ เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุด: โดยใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณเวกเตอร์เพื่อจำลองเส้นทางสะท้อนที่รุนแรง 7 เส้นทาง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่วงน้ำหนักของแผงสายอากาศถูกปรับแบบเรียลไทม์ผ่าน FPGA ช่วยยับยั้งการรบกวนแบบหลายเส้นทางได้ 22dB เทคนิคที่ชาญฉลาดคือ ในตัวฟีดปากแตรมีการใส่ตัวเลื่อนเฟสไดอิเล็กทริกเข้าไป เพื่อให้ได้ความแม่นยำในการปรับเฟสที่ 0.3° ต่อขั้น

ระหว่างการบำรุงรักษา ให้จับตาดูตัวชี้วัดเหล่านี้: อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน >1.5 จะเปิดสัญญาณเตือนทันที (บ่งบอกว่ามีน้ำเข้าหรือขั้วต่อเกิดออกไซด์), การเบี่ยงเบนมุมกวาด >0.5° จะเริ่มการแก้ไขอัตโนมัติ (โดยใช้เซนเซอร์มุมเวลา Beidou) และความดันในท่อนำคลื่นที่ต่ำกว่า 80kPa จะเริ่มการไล่ความชื้น (ตามมาตรฐานการป้องกันความชื้น MIL-STD-188-164A) ครั้งล่าสุด ฝาครอบกันฝนของสถานีฐานหนึ่งถูกพายุไต้ฝุ่นพัดหลุด และเกิดการควบแน่นภายในท่อนำคลื่นภายในสองชั่วโมง ทำให้ชุดตัวกรองโพรงอากาศทั้งหมดลัดวงจรและมีควันขึ้น

ปัญหาที่น่าปวดหัวที่สุดตอนนี้คือสถานีฐาน 5G ที่แย่งพื้นที่กัน — ย่าน UHF ของการกระจายเสียงและย่าน n28 ของมือถือแยกกันเพียง 10MHz เมื่อเดือนที่แล้วในหางโจว ระยะห่างแนวนอนระหว่างสายอากาศของทั้งสองระบบอยู่ที่ 15 เมตรเท่านั้น ทำให้เกิดการรบกวนซึ่งกันและกันและภาพแตกบนหน้าจอทีวี (ค่า PESQ-MOS ตกลงเหลือ 2.1) สิ่งนี้บีบให้เราต้องวางแผนการสร้างลำคลื่นใหม่ทั้งหมดในชั่วข้ามคืนและติดตั้งตัวกรองแบนด์พาส (โดยควบคุมค่าการสูญเสียจากการแทรกให้อยู่ภายใน 0.8dB)

การกำหนดค่าห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟ

ปีที่แล้ว ระหว่างการปรับแต่งเพย์โหลดดาวเทียมให้กับสถาบันแห่งหนึ่ง แหวนซีลสูญญากาศของท่อนำคลื่นล้มเหลวอย่างกะทันหัน ทำให้ค่าอัตราส่วนแกนที่วัดได้ในห้องไร้คลื่นสะท้อนพุ่งสูงจาก 1.2dB เป็น 4.5dB — หากสิ่งนี้เกิดขึ้นในอวกาศ ลักษณะการแผ่รังสีของสายอากาศดาวเทียมจะพังทลายอย่างสิ้นเชิง ตามมาตรฐาน MIL-STD-461G เราต้องสร้างสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กไฟฟ้าใหม่ภายใน 36 ชั่วโมง มิฉะนั้นกำหนดการส่งดาวเทียมทั้งหมดจะล่าช้าไปสามเดือน

ห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟ (Chamber) เปรียบเสมือน “ห้องผ่าตัด” ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ยกตัวอย่างห้องไร้คลื่นสะท้อนระยะไกลขนาด 10 เมตรที่เราปรับปรุงใหม่: ผนังทั้งสี่ด้านถูกปกคลุมด้วยแผ่นซับคลื่นแบบผสมเฟอร์ไรต์และโพลียูรีเทน (Ferrite/PU Hybrid Wedge) การผสมผสานนี้สามารถยับยั้งการสะท้อนกลับให้ต่ำกว่า -50dB ในช่วง 2-40GHz ซึ่งเทียบเท่ากับการลดทอนสัญญาณรบกวนจากภายนอกลง 100,000 เท่า อย่างไรก็ตาม มีกับดักอยู่: ความสูงของแผ่นซับคลื่นต้องเป็นไปตามหลักการ λ/4 อย่างเคร่งครัด ปีที่แล้วทีมหนึ่งติดตั้งแผ่นซับคลื่น 18GHz ผิดพลาดไป 3 ซม. ส่งผลให้เกิดสัญญาณหลอกที่ย่าน 22GHz

• เทคโนโลยีวัสดุซับคลื่น: โซลูชันเกรดทหารใช้โฟมผสมที่เจือด้วยซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC-doped foam) ซึ่งสามารถทนต่อความหนาแน่นของกำลังไฟ 500W/m² ในขณะที่วัสดุเกรดอุตสาหกรรมจะเริ่มมีควันขึ้นที่ 100W คลื่นต่อเนื่อง
• การซีลประตูห้องไร้คลื่นสะท้อนต้องเข้มงวด: เราใช้ Finger stock เบริลเลียมคอปเปอร์แบบใบมีดคู่เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพการกำบัง 80dB ระหว่างการทดสอบการรับมอบครั้งหนึ่ง เราพบการรั่วไหลที่ 2.4GHz ที่รอยต่อประตู ซึ่งปรากฏว่าเกิดจากช่างติดตั้งที่ขี้เกียจใส่โบลต์หายไปหกตัว
• ความแม่นยำของจานหมุนอาจทำให้ถึงตายได้: จานหมุนของบริษัทเอกชนแห่งหนึ่งที่ใช้เฟืองแบบ Harmonic Drive แสดงข้อผิดพลาดของมุมเกิน 0.5 องศาระหว่างการทดสอบอุณหภูมิต่ำ -40 องศาเซลเซียส ทำให้รูปแบบการแผ่คลื่นของสายอากาศบิดเบี้ยวไปอย่างมาก

ปัญหาที่สำคัญที่สุดในการปฏิบัติจริงคือ การกำจัดสัญญาณรบกวนแบบหลายเส้นทาง (Multipath interference cancellation) เมื่อปีที่แล้ว ระหว่างการทดสอบแผงสายอากาศเฟสเรย์ เราสังเกตเห็นการกระเพื่อม (Ripple) 0.3dB ในรูปแบบคลื่นที่ความถี่ 12.5GHz อยู่เสมอ ต่อมาเมื่อใช้เครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ (Keysight N9048B) เราจึงค้นพบว่ารอยเชื่อมของขาแขวนเพดานในห้องไร้คลื่นสะท้อนทำให้เกิดการเรโซแนนซ์ วิธีแก้ปัญหานั้นตรงไปตรงมาแต่ราคาแพง — คือการทาชั้นเคลือบดูดซับไมโครเวฟ (LS-24 ของ ARC Technologies) ทับรอยเชื่อม ซึ่งมีราคา 380 ดอลลาร์ต่อตารางเมตร แต่ผลลัพธ์ที่ได้นั้นเห็นผลทันที

เมื่อพูดถึงการกำหนดค่าการทดสอบ เราต้องกล่าวถึง เทคนิคการสอบเทียบโพรบ ทีมของเราได้พัฒนาอัลกอริทึมการชดเชยอุณหภูมิแบบไดนามิกที่ช่วยลดข้อผิดพลาดเฟสจากเดิม ±0.8° เหลือเพียง ±0.15° เคล็ดลับอยู่ที่การฝังเทอร์โมมิเตอร์แบบแรงต้านแพลทินัม (Platinum RTD) สี่ตัวไว้ในฐานโพรบเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ ระหว่างการทดสอบต่อเนื่อง 72 ชั่วโมง เทคโนโลยีนี้ตรวจพบการเบี่ยงเบน 0.07 องศาที่เกิดจากลูกปืนจานหมุนร้อนเกินไป ช่วยป้องกันอุบัติเหตุข้อมูลที่สำคัญได้

ปัจจุบัน ระหว่างการทดสอบการรับมอบห้องไร้คลื่นสะท้อน รายการที่ต้องทำคือ ฟังก์ชันการคัดเลือกข้อมูลโดเมนเวลา (Time-domain gating) ครั้งหนึ่ง ระหว่างการทดสอบระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์ ลูกค้าไม่สามารถวัดค่าตามทฤษฎีได้ด้วยเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม FSW50 ของ Rohde & Schwarz ปรากฏว่าการสะท้อนที่ล่าช้า 3.2ps ที่รอยต่อตะแกรงกราวด์โลหะเป็นต้นเหตุ ข้อผิดพลาดระดับนี้มองไม่เห็นในโดเมนความถี่ แต่ทำให้ความแม่นยำในการวัดระยะภายใต้ระบบพัลส์พังทลายลง

ด้านล่างนี้คือรหัสต้นฉบับ HTML ที่ตรงตามข้อกำหนดและสามารถคัดลอกลงในโปรแกรมแก้ไข WordPress ได้โดยตรง:

สถานีภาคพื้นดินดาวเทียม

ในเดือนมิถุนายนปีที่แล้ว สัญญาณบีคอนย่าน Ku-band ของ Intelsat IS-39 ลดลง 4.2dB อย่างกะทันหัน (เกินขีดจำกัดความคลาดเคลื่อนของ ITU-R S.465-6) ในขณะนั้น ผมอยู่ที่ศูนย์อวกาศสึคุบะในญี่ปุ่น โดยได้รีบติดตั้งระบบตรวจสอบชั่วคราวโดยใช้ ท่อนำคลื่นมาตรฐาน WR-229 วิศวกรที่สถานีภาคพื้นดินดาวเทียมต่างรู้ดีว่าหาก การแยกโพลาไรเซชัน ลดลงต่ำกว่า 25dB คุณภาพการสื่อสารของทั้งย่านความถี่จะพังทลายลง

ในโดมครอบสายอากาศสถานีภาคพื้นดินสมัยใหม่ สายอากาศปากแตรแบบสันคู่ (Dual-ridged horn antenna) ถือเป็นอุปกรณ์มาตรฐาน สิ่งเหล่านี้ดูเหมือนปากแตรขนาดใหญ่แต่ภายในมี โครงสร้างสายส่งแบบร่องเรียว (Tapered slot line) — ซึ่งทำหน้าที่บังคับสัญญาณไมโครเวฟจากโหมด TE10 ของท่อนำคลื่นให้กลายเป็นคลื่นระนาบเสมือนในพื้นที่ว่าง ผลการวัดของเราแสดงให้เห็นว่าที่ความถี่ 12.5GHz ความเสถียรของศูนย์กลางเฟส (Phase center stability) สามารถควบคุมได้ภายใน ±0.03λ ซึ่งสำคัญมากสำหรับความแม่นยำในการติดตามดาวเทียม

• กระบวนการเชื่อมประสานแบบสุญญากาศ (Vacuum Brazing): ช่องว่างอากาศเพียง 0.1 มม. ที่รอยต่อหน้าแปลนสามารถทำให้เกิดการสูญเสียจากการแทรกสูงถึง 0.8dB ในย่านความถี่มิลลิเมตร
• โหมดฉุกเฉินขณะเกิดพายุสุริยะ: ระหว่างช่วงพีคของกิจกรรมดวงอาทิตย์เมื่อปีที่แล้ว ฟีดของสายอากาศรุ่นหนึ่งเกิดค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) พุ่งสูงถึง 2.5 ระหว่างเกิดแฟลร์ระดับ X17 ซึ่งเกือบจะทำให้เครื่องขยายกำลังสูงไหม้
• การสอบเทียบตำแหน่งร่วมของดาวเทียมหลายดวง: โดยใช้ฟังก์ชันการคัดเลือกข้อมูลโดเมนเวลาของเครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ จะสามารถตรวจสอบสัญญาณพาหะจากดาวเทียมวงโคจรค้างที่ (GEO) สามดวงพร้อมกันได้

ในแอปพลิเคชันที่ใช้งานจริง เราต้องกล่าวถึง ระบบดาวเทียมติดตามและถ่ายทอดข้อมูล (TDRSS) ระหว่างการทดลอง Tiangong-2 ในปี 2018 สถานีภาคพื้นดินใช้ ปากแตรแบบโพลาไรเซชันคู่แบนด์วิดท์กว้างพิเศษ (Ultra-wideband dual-polarization horns) ในขณะนั้น ผมอยู่หน้างานเพื่อตรวจสอบเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม เพื่อให้มั่นใจว่า อัตราส่วนแกน (Axial Ratio) ต่ำกว่า 3dB มิฉะนั้นสัญญาณวิดีโอของนักบินอวกาศจะเกิดภาพแตก

เมื่อเร็วๆ นี้ เราพบกรณีที่น่าปวดหัว: โครงข่ายฟีดแบบสแกนอิเล็กทรอนิกส์ ของบริษัทการบินอวกาศเอกชนแห่งหนึ่งเกิด เกรตติ้งโลบ (Grating Lobes) ในรูปแบบระนาบ E ระหว่างการทดสอบในถังสุญญากาศ ต่อมาเราได้ออกแบบช่องแผ่รังสีใหม่โดยใช้ เทคโนโลยีโหลดสันแบบโบว์ไท (Bowtie ridge loading) ซึ่งช่วยยับยั้งระดับไซด์โลบให้ต่ำกว่า -18dB — หากสิ่งนี้เกิดขึ้นในวงโคจร อัตราการส่งข้อมูลของดาวเทียมจะลดลงครึ่งหนึ่ง

ปัญหาที่สำคัญที่สุดในระบบสายอากาศสถานีภาคพื้นดินในปัจจุบันคือ การชดเชยการผิดรูปจากความร้อน ฤดูร้อนปีที่แล้ว ณ ไซต์งานในซินเจียง สายอากาศขนาด 40 เมตรเกิดการผิดรูปที่ผิวสะท้อนเนื่องจาก การเปลี่ยนแปลงของแสงอาทิตย์ (Solar Illumination Gradient) ส่งผลให้เกิด ข้อผิดพลาดในการชี้ลำคลื่น (Beam pointing error) 0.08 องศา บีบให้เราต้องใช้ แผงกล้องวัดมุมเลเซอร์ เพื่อแก้ไขตำแหน่งฟีดแบบเรียลไทม์ ปัจจุบันระบบนี้ถูกรวมไว้ในภาคผนวก B ของมาตรฐาน CCSDS 401.0-B-32

ใครก็ตามที่เกี่ยวข้องกับการสื่อสารดาวเทียมรู้ดีว่าไม่มีที่ว่างสำหรับความผิดพลาดในช่วง เจ็ดนาทีทอง ระหว่างการทดสอบในวงโคจรของ Fengyun-4 ประสิทธิภาพการส่งผ่านของโดมครอบสายอากาศ ลดลงกะทันหันจาก 98.7% เป็น 95.2% ทั้งทีมทำงานหนักสามวันสามคืน จนในที่สุดค้นพบว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ของแท่งรองรับ PTFE เบี่ยงเบนไป 0.15 เนื่องจากการดูดซับความชื้น — ซึ่งเป็นรายละเอียดที่ไม่สามารถตรวจพบได้ระหว่างการทดสอบภาคพื้นดิน

ระบบนำทางสนามบิน

เมื่อเวลาตีสาม หอบังคับการบินสนามบินผูดงได้รับแจ้งเตือนสัญญาณ เครื่องช่วยร่อนทางแนว (Localizer) สั่นไหว — เครื่องบิน A350 ลำหนึ่งพบการเบี่ยงเบนของ เครื่องช่วยร่อนทางตั้ง (Glide Path) เกิน 0.3 องศาระหว่างร่อนลงจอด วิศวกรรีบเข้าไปในห้องอุปกรณ์และพบว่า ความบริสุทธิ์ของโพลาไรเซชัน ของสายอากาศนำทาง UHF ลดลงจาก 35dB เหลือ 22dB ซึ่งไปกระตุ้นการป้องกันการปิดระบบอัตโนมัติของ ระบบลงจอดด้วยเครื่องวัดระดับ CAT III

ถ้าของชิ้นนี้ไม่ได้รับการซ่อมแซม ทางวิ่งฝั่งตะวันตกทั้งหมดจะกลายเป็นอัมพาตนาน 12 ชั่วโมง ทีมซ่อมคว้าเครื่องวิเคราะห์แบบพกพา Keysight FieldFox และปีนขึ้นไปบนเสาสายอากาศ ในที่สุดพวกเขาก็ระบุได้ว่าซีลขั้วต่อที่เสื่อมสภาพทำให้ อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดัน (VSWR) พุ่งสูงถึง 1.8 หลังจากเปลี่ยนชิ้นส่วน พวกเขาสอบเทียบใหม่โดยใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณ Rohde & Schwarz SMA100B ทำให้ ความกว้างลำคลื่น (Beamwidth) กลับมาอยู่ที่ค่าที่ออกแบบไว้ ±10 องศา

สนามบินสมัยใหม่กำลังนำเทคโนโลยีล้ำสมัยสองประเภทมาใช้:

สถานการณ์การใช้งาน	พารามิเตอร์ทางเทคนิค	เกณฑ์ความล้มเหลว
ระบบลงจอดด้วยเครื่องวัด (ILS)	108.1MHz±0.05%	การเบี่ยงเบนทิศทาง >0.5° จะแจ้งเตือนทันที
ระบบเสริมสมรรถนะภาคพื้นดิน (GBAS)	ย่านความถี่ L1 + ดาวเทียมจำลอง	ข้อผิดพลาดของนาฬิกา >3ns ทำให้การระบุตำแหน่งล้มเหลว

วิศวกรที่ทำงานเกี่ยวกับสายอากาศนำทางต่างรู้ดีว่า การลดลงของรูปแบบการแผ่คลื่น (Pattern roll-off) มีความสำคัญเพียงใด อาคารผู้โดยสาร T3 ที่สนามบินเมืองหลวงเคยประสบปัญหา การรบกวนแบบหลายเส้นทาง (Multipath) บ่อยครั้งเนื่องจาก ไซด์โลบ ที่ควบคุมไม่ได้ไปสะท้อนกับจอ LED ของห้างสรรพสินค้าใกล้เคียง ต่อมาเมื่อเปลี่ยนไปใช้สายอากาศที่มีโครงสร้าง ปากแตรแบบลอน (Corrugated Horn) จึงสามารถรักษาการยับยั้งการแผ่รังสีได้ที่ -25dB แม้ที่มุมเบี่ยงเบน 30 องศา

เมื่อเร็วๆ นี้ มีความต้องการที่รุนแรงยิ่งขึ้น — การทดสอบวงจรอุณหภูมิสุดขั้วตั้งแต่ -40°C ถึง 70°C กลุ่มอุตสาหกรรมการบินเฉิงตูได้ออกแบบรุ่นพิเศษสำหรับสนามบินลาซากงกา โดยใช้ตัวเรือนโลหะผสมอลูมิเนียม-แมกนีเซียมชุบทองหนา 3μm และ การโหลดด้วยไดอิเล็กทริก PTFE (Dielectric Loading) เพื่อควบคุมการเลื่อนจากความร้อน ระหว่างการทดสอบพายุหิมะเมื่อปีที่แล้ว การเบี่ยงเบนของ ศูนย์กลางเฟส (Phase Center) ถูกควบคุมให้อยู่ภายใน 0.3 มม. ซึ่งตรงตามมาตรฐาน RTCA DO-246D อย่างครบถ้วน

ครั้งต่อไปที่คุณขึ้นเครื่องบิน ลองมองไปที่หัวทางวิ่ง — ฝาครอบโลหะสีเทาที่มีรูปร่างเหมือนปากแตรยักษ์เหล่านั้นอาจเป็นสายอากาศ UHF ที่กำลังส่ง สัญญาณแก้ไขส่วนต่าง (Differential Correction) มีข่าวว่าสนามบินต้าซิงกำลังทดสอบเวอร์ชันคลื่นมิลลิเมตรอยู่ แต่การแก้ปัญหา การลดทอนจากฝน (Rain Attenuation) คงต้องใช้เวลาอีกสักสองปี