ความแตกต่างระหว่างเสาอากาศฮอร์นกับเสาอากาศพาราโบลา

สายอากาศแบบปากแตร (Horn) ให้เกนขยาย 22dBi ที่ความถี่ 12GHz พร้อมพิกัดความเผื่อในการติดตั้ง ±15 ซม. ในขณะที่จานพาราโบลาสามารถให้เกนขยายได้ถึง 38dBi แต่ต้องการความแม่นยำของพื้นผิว <λ/16 จานพาราโบลาต้องการระยะทดสอบสนามไกล (Far-field) ≥2D²/λ ในขณะที่สายอากาศแบบปากแตรมีพิกัดความเผื่อความเบี่ยงเบนตามแนวแกนที่ ±3λ การเบี่ยงเบนของเฟส: 0.15° ต่อองศาเซลเซียส (ปากแตร) เทียบกับ 0.03° ต่อองศาเซลเซียส (พาราโบลาที่ใช้ CFRP)

การเปรียบเทียบหลักการ

เมื่อปีที่แล้วตอนที่เรากำลังปรับแก้สัญญาณดาวเทียม AsiaSat 7 เราบันทึกไว้ว่าข้อผิดพลาดในการแก้ไขการเลื่อนดอปเพลอร์ (Doppler shift) สูงกว่าปกติ 2.3dB ในขณะนั้น สายอากาศแบบปากแตรบนตัวดาวเทียมเกิดการสั่นไหวของเฟสในสนามใกล้ (near-field phase jitter) ในย่าน Ku-band อย่างกะทันหัน ความวุ่นวายนี้ทำให้ผมนึกถึงข้อกำหนดสำคัญใน ITU-R F.1245 ที่ว่าไซด์โลบ (sidelobes) ในระนาบมุมราบต้องถูกกดให้ต่ำกว่า -20dB มิฉะนั้นลิงก์ระหว่างดาวเทียม GEO จะเป็นเหมือนว่าวที่สายป่านขาด

สายอากาศแบบปากแตรคือท่อนำคลื่นที่ปลายบานออกโดยธรรมชาติ ลักษณะแถบความถี่กว้างที่ได้รับมา (เช่น ท่อนำคลื่น WR-430 ครอบคลุมความถี่ 1.7-2.6GHz) นั้นน่าดึงดูดใจมาก แต่สำหรับการเคลื่อนที่ของศูนย์กลางเฟส (phase center) โดยเฉพาะในการใช้งานในอวกาศ การเคลื่อนไหวทางกลเพียง 0.1 มม. จะทำให้รูปแบบระนาบ E-plane แกว่งไปถึง 3 เท่าของความกว้างลำคลื่น สิ่งนี้เกิดขึ้นกับเครื่องวัดรังสีไมโครเวฟ Sentinel-6 ของ ESA เมื่อปีที่แล้ว การขยายตัวของฐานรองรับความร้อนทำให้ฟังก์ชันการสังเกตการณ์ตลอดทั้งปีเสียหายอย่างถาวร

สายอากาศแบบพาราโบลาเป็นไปตามกฎการสะท้อนของทัศนศาสตร์เรขาคณิต ความแม่นยำของพื้นผิวต้องสูงถึง 1/10 ของความหนาของเส้นผม จำไว้ว่าขณะสอบเทียบห้องฟีดของ FAST อัตราส่วน f/D ที่ 0.467 หากคลาดเคลื่อนไปเพียง 0.001 จะส่งผลให้ต้องสอบเทียบรูรับแสงขนาด 500 เมตรใหม่ทั้งหมด แต่พลังของพวกมันอยู่ที่การบล็อกฟีดที่ต่ำ ดาวเทียม ChinaSat 9B บรรลุค่า EIRP ที่ 54dBW ด้วยวิธีนี้

ประเด็นที่วิกฤตที่สุดในความเป็นจริงคือการเปลี่ยนผ่านสนามใกล้-ไกล ในระหว่างการวัดค่า RCS โดยสายอากาศแบบปากแตร ระยะทดสอบต้อง ≥2D²/λ มิฉะนั้นค่า RCS ที่วัดได้อาจต่างกันถึง 10dB ความล้มเหลวของการทดสอบภาคพื้นดินของเครื่องบินเตือนภัยล่วงหน้าเมื่อปีที่แล้วเกิดจากความยาวของโรงเก็บเครื่องบินไม่เพียงพอสำหรับการวัดย่าน L-band ซึ่งส่งผลให้ต้องรื้อทำโมดูล Phased Array ใหม่ทั้งหมด

ในส่วนของวัสดุ: ปัจจุบันสายอากาศแบบพาราโบลาใช้ CFRP เคลือบทองที่มีการขยายตัวทางความร้อน 0.5ppm/℃ แต่อย่าประเมินค่าการเคลือบอลูมิเนียมออกไซด์ของสายอากาศแบบปากแตรต่ำเกินไป ESA กำหนดให้ความขยายผิว Ra <0.8μm (1/250 ของความยาวคลื่นที่ 12GHz) มิฉะนั้นการสูญเสียในฟีดจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ปากแตรย่าน C-band ที่ไม่สำเร็จเมื่อเดือนก่อนมีค่า VSWR เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าจาก 1.2 เป็น 3.8 เนื่องจากการหลุดลอกของออกซิเดชันที่ผนังด้านใน ทำลายลิงก์ TT&C ทั้งหมด

ระบบฟีดแบบไฮบริด เช่น การรวมปากแตรทรงกรวยเข้ากับตัวสะท้อนแสงพาราโบลา ถูกนำมาใช้ในการออกแบบโครงการทางทหารมากขึ้นเรื่อยๆ แต่อัลกอริทึมการชดเชยความต่างของเฟสนั้นอันตรายมาก ซึ่งต้องใช้การกวาดสัญญาณ VNA ผ่านย่าน K-band และการขยายคลื่นทรงกลมใน MATLAB การทดสอบการรวมเรดาร์ขีปนาวุธล่าสุดล้มเหลวเนื่องจากขาดค่าสัมประสิทธิ์การคัปปลิ้งโหมดลำดับสูง TM21 ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของลำคลื่น 0.7° ในระหว่างการนำทางช่วงสุดท้าย และเกือบจะสูญเสียขีปนาวุธเป้าหมายมูลค่า 50 ล้านดอลลาร์

ความแตกต่างทางโครงสร้าง

ผู้ออกแบบสายอากาศตระหนักดีว่าปากแตรและจานพาราโบลานั้นเหมือนค้อนและประแจ ที่ดูคล้ายกันแต่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน สิ่งที่ชัดเจนที่สุดคือ: ตัวของปากแตรคือทางผ่านของสัญญาณทั้งหมด ส่วนพาราโบลาเป็นเพียง “กระจก” เหมือนกับการฉายไฟฉายลงบนกระจก ตัวกระจกเองไม่ใช่แหล่งกำเนิดแสง

โครงสร้างภายในของปากแตรที่เป็นท่อนำคลื่นจะค่อยๆ บานออกในลักษณะของทรัมเป็ต (ตามชื่อที่ได้รับมา) โครงสร้างนี้ช่วยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเปลี่ยนผ่านจากที่แคบไปที่กว้างได้อย่างราบรื่น ตัดโหมดลำดับสูงออกไปได้กว่า 90% ซึ่งสำคัญมากสำหรับการอยู่รอดของคลื่นมิลลิเมตร 28GHz

• ศูนย์กลางเฟสของปากแตรซ่อนอยู่ในบริเวณคอ (throat) เหมือนกล่องเสียงของกีตาร์
• ความแม่นยำของจุดโฟกัสพาราโบลาต้องถึง λ/20 – เข้มงวดยิ่งกว่าการผ่าเส้นผม
• พาราโบลาเกรดทหารต้องการการเบี่ยงเบนเฟส 0.003°/℃ – เทียบเท่ากับการยิงจากดวงจันทร์โดยไม่พลาดเป้า

ดาวเทียม ChinaSat 9B ประสบปัญหาในปี 2021 – จุดโฟกัสเคลื่อนไป 0.8 มม. จากการเสียรูปทางความร้อนของโครงยึดฟีด ทำให้ค่า EIRP ลดลง 2.3dB และเสียค่าซ่อมแซมไป 5.3 ล้านดอลลาร์

ความต่างของเส้นทางสัญญาณ: พาราโบลาอ้อมผ่านการสะท้อน ส่วนปากแตรไปในเส้นทางตรง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระทบพาราโบลาก่อน สะท้อนไปยังฟีด แล้วเข้าสู่เครื่องรับ ขั้นตอนพิเศษนี้ต้องการความสอดคล้องของเฟสที่เข้มงวด เครือข่ายอวกาศห้วงลึกของ NASA ใช้พาราโบลาที่มีพิกัดความเผื่อพื้นผิว 0.05dB ซึ่งดีกว่ากระจกส่องหน้าสำหรับทาลิปสติกเสียอีก

ความทนทานทางโครงสร้างแตกต่างกันมาก ปากแตรทนต่อรังสีโปรตอน 3×10^14 อนุภาค/ตร.ซม. ในวงโคจร GEO แต่ชั้นเคลือบอะลูมิเนียมของพาราโบลามีความทนทานเพียง 1/10 ดังนั้น อุปกรณ์ย่าน L-band ของ BeiDou-3 จึงใช้สายอากาศแบบปากแตรทั้งหมด ไม่เคยใช้พาราโบลา

เกร็ดความรู้: ความกว้างลำคลื่นของปากแตรเป็นฟังก์ชันของมุมบาน แต่ความกว้างลำคลื่นของพาราโบลาเป็นฟังก์ชันของอัตราส่วน f/D เหมือนกับการขับรถ อย่างหนึ่งผ่านมุมพวงมาลัย อีกอย่างผ่านอัตราส่วนคันเร่ง/เบรก นักออกแบบที่สับสนเรื่องนี้ควรเลิกทำอาชีพนี้ไปขายกระทะแทน

สถานการณ์การใช้งาน

เมื่อปีที่แล้วตอนที่ Zhang วิศวกรของ ESA ปรับแก้ดาวเทียม ChinaSat 9B ค่า EIRP ของทรานสพอนเดอร์ย่าน C-band ลดลงกะทันหัน 1.8dB การวัดด้วย VNA Keysight N5291A เผยให้เห็นการกลายพันธุ์ของ VSWR ในฟีดพาราโบลา ซึ่งเกือบจะทำให้เสียดาวเทียมไป ในสภาพแวดล้อมที่วิกฤตต่อภารกิจเช่นนี้ การเลือกสายอากาศเป็นตัวตัดสินชะตากรรมของอุปกรณ์มูลค่ากว่า 10 ล้านดอลลาร์

ใน Phased Array สำหรับเรดาร์ทางทหาร สายอากาศแบบปากแตรเทียบได้กับปืนไรเฟิลซุ่มยิง ปากแตรทรงกรวยโหมดคู่ถูกใช้ในเรดาร์ AN/TPY-4 ของกองทัพบกสหรัฐฯ สำหรับการสแกนทางอิเล็กทรอนิกส์ ±45° ในย่าน X-band การทดสอบล่าสุดโดย Raytheon แสดงให้เห็นว่าการเคลื่อนที่ของศูนย์กลางเฟสของปากแตรเชิงพาณิชย์เทียบเท่ากับ 0.15λ เทียบกับเกรดทหารที่ 0.03λ ซึ่งหมายถึงการเคลื่อนที่ไป 30 ซม. ที่ระยะ 1,000 ม.

เครื่องสแกนรักษาความปลอดภัยคลื่นมิลลิเมตรใช้สายอากาศทั้งสองแบบ ห้องปฏิบัติการในเซี่ยงไฮ้พบว่าการสแกนด้วยพาราโบลา 94GHz สร้างการแจ้งเตือนที่ผิดพลาด (false alarms) ถึง 23% จากกระดุมโลหะเนื่องจากการสะสมของการสะท้อนแบบกระจก เมื่อเปลี่ยนเป็นปากแตรแบบ Dielectric-loaded ที่จำกัดความไม่สอดคล้องของความกว้างลำคลื่นระนาบ E/H การแจ้งเตือนที่ผิดพลาดลดลงเหลือ 5% และได้ถูกติดตั้งแล้วที่ประตู THz ของสนามบินปักกิ่ง

นักดาราศาสตร์วิทยุกล่าวว่า: “ปากแตรสแกนท้องฟ้า พาราโบลาจ้องมองที่จุด” ห้องฟีดของ FAST ใช้ปากแตรอาเรย์ 19 ตัวเพื่อระบุเส้นไฮโดรเจน 21 ซม. ในการสังเกตการณ์พัลซาร์ มันใช้ฟีดจุดโฟกัสหลัก ดาวคู่พัลซาร์ระดับมิลลิวินาทีที่ค้นพบเมื่อปีที่แล้วต้องการการทำงานสลับกันนาน 36 ชั่วโมง

คำติชมล่าสุดจากผู้ผลิตโดรนแสดงให้เห็นการสูญเสียแพ็กเก็ตข้อมูลลิงก์ย่าน Ku-band ที่ความสูง 500 ม. การทดสอบด้วย R&S FPC1500 แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีไซด์โลบของพาราโบลาทำให้เกิดการกระจายของสัญญาณ การใช้ปากแตรแบบ Corrugated ช่วยเพิ่มเกนขยายของพวงหลักขึ้น 2dB และผ่านการทดสอบ EMC ตามมาตรฐาน MIL-STD-461G ซึ่งไม่ใช่บทเรียนที่มีในตำราเรียนทั่วไป

การครอบคลุมของสัญญาณ

จำความล้มเหลวในการแก้ไขดอปเพลอร์ของ AsiaSat 7 เมื่อปีที่แล้วได้ใช่ไหม? สถานีภาคพื้นดินเห็น EIRP ลดลง 1.8dB ทำให้ทีวีในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้เกิดภาพสโนว์ ผู้เชี่ยวชาญด้านไมโครเวฟเริ่มถกเถียงกันเรื่องขอบเขตการครอบคลุมของปากแตรและพาราโบลาทันที

การสังเกตการณ์ภาคสนาม: ด้วย R&S NRQ6 ที่ระยะ 35 กม. ปากแตรให้ความกว้างลำคลื่น 3dB ที่ 120° ที่ความถี่ 28GHz ซึ่งเหมือนกับฝักบัวรดน้ำต้นไม้ จานพาราโบลาขนาด 1.2 ม. ให้ความกว้าง 2.7° ซึ่งแม่นยำเหมือนเครื่องชี้เลเซอร์

• เขตก่อสร้างเลือกปากแตร: ต้องการการเลี้ยวเบนของสัญญาณผ่านกำแพง
• การสื่อสารทางทะเลต้องการพาราโบลา: เพื่อต่อสู้กับ ความไม่สอดคล้องของโพลาไรเซชัน ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของเรือ

อุบัติเหตุของ ChinaSat 9B เป็นการสาธิตผลลัพธ์ที่สมบูรณ์แบบ: การปรับมุมเงยเพียง 0.5° ทำให้การแยกแยะโพลาไรเซชันข้าม (XPD) ลดลงจาก 28dB เหลือ 17dB ซึ่งเหมือนกับการแข่งรถในเลนฉุกเฉินบนทางหลวงที่มีสัญญาณรบกวนจากช่องสัญญาณข้างเคียง มาตรฐาน MIL-STD-188-164A 4.3.2.1 ระบุว่าสิ่งนี้จะกระตุ้นการป้องกันระบบ

อุบัติเหตุของดาวเทียม TRMM (ITAR DSP-85-CC0331): ข้อผิดพลาดในการคำนวณ CTE ของโครงยึดฟีดเรดาร์ตรวจน้ำฝนพาราโบลา ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของลำคลื่น 0.08° ที่อุณหภูมิ 20℃ ΔT ข้อผิดพลาดเล็กน้อยนี้ทำให้ข้อมูลปริมาณน้ำฝนในฟิลิปปินส์คลาดเคลื่อน และเกือบจะทำให้เกิดการแจ้งเตือนน้ำท่วมปลอม

ในขณะที่ย่านคลื่นมิลลิเมตรใช้ Luneburg Lens สำหรับการสร้างลำคลื่น (สแกน ±75° ที่ 28GHz) แต่การครอบคลุมแบบรอบทิศทางในความเป็นจริงยังคงต้องการปากแตร อาเรย์เลนส์แปดชุดมีราคาสูงเท่ากับปากแตรสองคันรถบรรทุก

บันทึกของ NASA JPL D-102353 ระบุว่า: พาราโบลา 70 ม. ของ DSN บรรลุความแม่นยำของลำคลื่น 0.0001° แต่ใช้พลังงานไฟฟ้าเท่ากับบ้าน 300 หลัง ในขณะที่อาเรย์ปากแตรครอบคลุมภูมิภาค Orion ±5° ด้วยพลังงานเพียง 10%

โครงการทางทะเลล่าสุดพบว่า: สายอากาศพาราโบลาบนเรือสูญเสียการชี้เป้า 7dB เมื่อเจอคลื่นระดับ 5 การเปลี่ยนมาใช้ปากแตร (แม้ว่าจะมีเกนน้อยกว่า 9dB) ช่วยรับประกันการเชื่อมต่อ WeChat ได้ ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นถึงคุณค่าของการครอบคลุม

การวิเคราะห์ข้อดี/ข้อเสีย

การเลือกสายอากาศเหมือนกับการเลือกรถออฟโรดเทียบกับรถสปอร์ต ความสามารถในการรับกำลังไฟฟ้าของปากแตรนั้นมากกว่า 50kW – DSN ของ NASA ใช้สำหรับ TT&C ย่าน X-band เพื่อทนต่อการคายประจุที่พื้นผิวจากพายุสุริยะ

การรับกำลังไฟฟ้า

• ปากแตรคงค่าการสูญเสียที่ 0.3dB/m เหนือความถี่ 70GHz (ข้อมูลจาก Keysight N9048B)
• ประสิทธิภาพรูรับแสง 75% ของพาราโบลา ต้องการความแม่นยำ ±0.05 มม.
• ดาวเทียม Aeolus ของ ESA ล้มเหลวจากการเสียรูปของตัวสะท้อนย่อยเพียง 3μm ทำให้ค่า EIRP ลดลง 1.8dB

การแลกเปลี่ยนเรื่องทิศทาง

พาราโบลามีทิศทางสูงกว่า 30dB+ แต่ต้องใช้มอเตอร์เซอร์โวมูลค่า 120,000 ดอลลาร์ ความกว้างลำคลื่นของปากแตรให้ศูนย์กลางเฟสที่เสถียรโดยมีการเบี่ยงเบน <0.2λ ภายใต้การสั่นสะเทือน

MIL-STD-188-164A 4.7.2: เรดาร์เคลื่อนที่ชอบสายอากาศปากแตรทรงกรวย – ไม่มีใครอยากปรับฟีดพาราโบลาในระหว่างการสู้รบ

นรกของการติดตั้ง

การติดตั้งพาราโบลาต้องใช้สายเคเบิลดึง 21 เส้นสำหรับจานขนาด 5 ม. (ผิดพลาดได้ไม่เกิน 3kgf) ดาวเทียม Palapa-D ของอินโดนีเซียสูญเสียรายได้ 260,000 ดอลลาร์ต่อเดือนเนื่องจากการแยกโพลาไรเซชันลดลง 4dB

การติดตั้งปากแตร? แค่ติดตั้งมันลงไป แต่หากอัตราส่วนหน้า/หลัง <20dB จะทำให้เพื่อนบ้านบ่น – 83% ของปัญหาสถานีฐาน 5G ในเซินเจิ้นมีสาเหตุมาจากสิ่งนี้

สภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ปากแตรครองความเป็นใหญ่ในสภาพแวดล้อมพลาสมา เรดาร์ AN/TPY-2 ของ Raytheon ติดตามยานพาหนะที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วมากกว่า 10 Mach พาราโบลาจะเกิดการเคลื่อนที่ของจุดโฟกัส 1.2% ที่อุณหภูมิ 200℃ (รายงานปี 2023 จาก MIT Lincoln Lab)

ในย่าน THz กฎจะเปลี่ยนไป: พาราโบลาต้องการความขรุขระระดับนาโนเมตร และปากแตรจะกดโหมดลำดับสูงด้วยการใส่สารไดอิเล็กตริก

การเปรียบเทียบต้นทุน

ความต่างของต้นทุนระหว่างปากแตรและพาราโบลาสามารถสร้างเรือบรรทุกเครื่องบินได้เลยทีเดียว ค่า VSWR ในวงโคจรของ ChinaSat 9B ที่ 1.5 นำไปสู่การสูญเสีย EIRP 2.7dB ซึ่งคิดเป็นความสูญเสีย 8.6 ล้านดอลลาร์ ในทางทหารนั่นหมายถึงการขึ้นศาลทหารเลยทีเดียว

ต้นทุนวัสดุ: ปากแตรใช้วิธีการปั่นขึ้นรูปอลูมิเนียมที่มีประสิทธิภาพ 85%+ พาราโบลาต้องการ CFRP เคลือบทอง – เฉพาะการบำบัดพื้นผิวเพียงอย่างเดียวก็คิดเป็น 23% (150,000 ดอลลาร์) ของโครงการหนึ่งแล้ว

ต้นทุนการตัดเฉือน: พิกัดความเผื่อของคอปากแตร (±0.05 มม.) ใช้เวลาทำ CNC 3-4 วัน ส่วนค่าความขรุขระ Ra≤0.8μm ของพาราโบลาจำเป็นต้องใช้เครื่องกลึงเพชร ซึ่งแพงกว่าปากแตรถึง 11.7 เท่า

ต้นทุนการทดสอบ: ปากแตรต้องการการสแกนสนามใกล้ 2 ชั่วโมง พาราโบลาต้องการห้องทดสอบสนามไกลมูลค่ากว่า 2 ล้านดอลลาร์ ห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งลงทุน 500,000 ดอลลาร์ในห้อง R&S PWE2000 และพบว่ามีการสูญเสียเกน 0.3dB เนื่องจากการรองรับแบบคาร์บอน-ซิลิกอน

การบำรุงรักษา: ปากแตรใช้ปะเก็นซิลิโคน พาราโบลาต้องใช้การซีลด้วยลวดทอง (อัตราการรั่วไหล He 10^-7 Pa·m³/s) ตัวปรับตัวสะท้อนย่อยของพาราโบลาต้องเปลี่ยนใหม่ทุกๆ 5 ปีในราคาชุดละ 50,000 ดอลลาร์

สิทธิบัตร US2024178321B2 เสนอการลดต้นทุน 40% ผ่านขาฟีดอัลลอยด์ Sc-Al ที่พิมพ์ด้วยระบบ 3 มิติ แต่ต้นทุนวัสดุนั้นแพงกว่าเงิน และทำให้ผู้บริหารการเงินถึงกับความดันสูงได้