คัปเปลอร์เชิงทิศทางทำจากวัสดุอะไร

ตัวแยกสัญญาณ (Directional couplers) มักใช้ทองเหลือง (โลหะผสมทองแดง-สังกะสี, Cu 60–70%) สำหรับตัวเรือนเพื่อการนำไฟฟ้า, PTFE ($ε_r≈2.1, tanδ<0.001$) สำหรับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ความถี่สูง หรือเซรามิก ($Al_2O_3, ε_r≈9.8$) สำหรับการจัดการพลังงาน เพื่อสร้างสมดุลระหว่างการสูญเสียสัญญาณและความเสถียรทางความร้อน

วัสดุที่ใช้บ่อย

การสูญเสียเนื่องจากการแทรก (insertion loss) ที่เพิ่มขึ้นเพียง 1 dB สามารถลดทอนประสิทธิภาพของระบบได้ถึง 20% ทำให้วัสดุที่มีการสูญเสียต่ำเป็นสิ่งที่ต่อรองไม่ได้สำหรับแอปพลิเคชันความถี่สูง ความถี่ในการใช้งานคือตัวกำหนดหลัก; วัสดุที่เหมาะสำหรับสถานีฐานเซลลูลาร์ 3 GHz มักจะไม่เพียงพอสำหรับโหนด 5G mmWave ความถี่ 26 GHz ซึ่งแม้แต่ความไม่สมบูรณ์เพียงเล็กน้อยก็ทำให้เกิดการลดทอนสัญญาณอย่างมีนัยสำคัญ

ตัวแยกสัญญาณสมัยใหม่ส่วนใหญ่ โดยเฉพาะที่ทำงานสูงกว่า 500 MHz ถูกสร้างขึ้นบน แผ่นวงจรพิมพ์ (PCBs) ดังนั้นวัสดุฐานรอง (substrate) จึงเป็นหัวใจสำคัญของส่วนประกอบ สำหรับแอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์ตั้งแต่ 800 MHz ถึง 6 GHz FR-4 เป็นตัวเลือกยอดนิยมที่มีราคาต่ำ อย่างไรก็ตาม ค่า Dk ที่ค่อนข้างสูงและไม่คงที่ (~4.5 โดยมีความแปรผัน ±10%) และค่า loss tangent (0.02) ทำให้การใช้งานมีขีดจำกัด ตัวแยกสัญญาณขนาด 2 นิ้วบน FR-4 อาจแสดงการสูญเสียจากการแทรกที่ 0.4 dB ที่ความถี่ 3 GHz ซึ่งไม่เป็นที่ยอมรับสำหรับระบบที่ต้องการความแม่นยำ สำหรับประสิทธิภาพที่สูงขึ้นถึง 20 GHz วัสดุ Rogers RO4003C เป็นลามิเนตไฮโดรคาร์บอนเติมเซรามิกที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ด้วยค่า Dk ที่คงที่ 3.38 (±0.05) และค่า Df ที่ต่ำเป็นพิเศษ 0.0027 ที่ 10 GHz ช่วยให้นักออกแบบสร้างตัวแยกสัญญาณที่กะทัดรัดและคาดการณ์ผลได้ ตัวแยกสัญญาณขนาด 2 นิ้วที่เทียบเท่ากันบน RO4003C จะมีการสูญเสียต่ำกว่า 0.15 dB ซึ่งปรับปรุงดีขึ้นกว่า FR-4 ถึง 62.5% สำหรับแอปพลิเคชัน mmWave ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดถึง 67 GHz และสูงกว่านั้น มักจะระบุให้ใช้ Rogers RT/duroid 5880 ซึ่งมีค่า Df ต่ำเป็นพิเศษที่ 0.0009 และค่า Dk ที่สม่ำเสมอ 2.20 เป็นสิ่งจำเป็นในการลดการสูญเสีย แม้ว่าส่วนประกอบ PTFE ที่อ่อนนุ่มจะต้องการการดูแลเป็นพิเศษระหว่างการประกอบ ซึ่งอาจเพิ่มต้นทุนต่อหน่วยได้ 15-20%

ชั้นโลหะที่เคลือบ ซึ่งมักจะเป็น ทองแดงรีด (rolled copper) ขนาด 1 ออนซ์ (35 µm) ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน พื้นผิวที่เรียบเนียนของทองแดงรีดช่วยลดการสูญเสียจาก skin effect ที่ความถี่สูง สำหรับตัวแยกสัญญาณที่จัดการกำลังไฟ RF 100W ความสามารถในการนำกระแสและการนำความร้อนของตัวนำ (~400 W/m·K สำหรับทองแดง) เป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการป้องกันความร้อนสูงเกินไปและการหลุดลอกของชั้นวัสดุ

ตัวเรือน ซิงค์อะลูมิเนียมหล่อ (Die-cast zinc aluminum) ให้ความสมดุลที่ดี โดยให้ประสิทธิภาพการป้องกัน EMI ที่ 80-100 dB ที่ 1 GHz สำหรับแอปพลิเคชันที่คำนึงถึงน้ำหนักหรือมีการผลิตจำนวนมาก อาจใช้ พลาสติก ABS เคลือบโลหะ แทนได้ แต่อาจให้การป้องกันเพียง 40-60 dB โครงสร้างต้นทุนขั้นสุดท้ายสำหรับตัวแยกสัญญาณแถบ S-band ทั่วไปอาจแบ่งเป็น วัสดุฐานรอง 50%, ตัวเรือนโลหะ 30% และแรงงานในการประกอบและปรับแต่ง 20%

คุณสมบัติหลักของวัสดุ

การเลือกวัสดุที่ถูกต้องสำหรับตัวแยกสัญญาณไม่ใช่แค่การเลือกชื่อจากรายการ แต่เป็นการทำความเข้าใจชุดคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพที่วัดปริมาณได้ ซึ่งกำหนดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือโดยตรง คุณสมบัติเหล่านี้รวมกันเป็นแผ่นข้อมูลจำเพาะที่เข้มงวด โดยความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยในพารามิเตอร์หนึ่งสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญและมักจะไม่เป็นที่ยอมรับในตัวชี้วัดหลักของตัวแยกสัญญาณ เช่น การสูญเสียจากการแทรก, ทิศทาง (directivity) และความสมดุลของแอมพลิจูด สำหรับตัวแยกสัญญาณที่ทำงานที่ 28 GHz วัสดุฐานรองที่มีความคลาดเคลื่อนของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ±0.50 แทนที่จะเป็น ±0.05 สามารถทำให้ความถี่กลางคลาดเคลื่อนไปกว่า 500 MHz ทำให้ตัวอุปกรณ์ใช้งานไม่ได้ตามวัตถุประสงค์ที่ตั้งไว้

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) เป็นตัวเลขที่สำคัญที่สุด ซึ่งกำหนดขนาดทางกายภาพของเส้นทองแดงในตัวแยกสัญญาณสำหรับความถี่ที่กำหนด ค่า Dk ที่สูงขึ้นช่วยให้ออกแบบได้กะทัดรัดมากขึ้น วัสดุฐานรองที่มีค่า Dk 10.2 สามารถทำให้ตัวแยกสัญญาณ เล็กลงได้ถึง 60% เมื่อเทียบกับวัสดุที่มีค่า Dk 3 อย่างไรก็ตาม ความเสถียร ของค่า Dk มักจะสำคัญกว่าตัวเลขค่าเอง วัสดุที่มีค่า Dk 3.55 ±0.05 นั้นเหนือกว่าวัสดุที่มีค่า 3.00 ±0.50 อย่างมากสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความแม่นยำสูง ความแปรปรวนนี้มักขึ้นอยู่กับความถี่ด้วย เช่น วัสดุอาจมีค่า Dk 3.00 ที่ 1 GHz แต่ลดลงเหลือ 2.85 ที่ 30 GHz ซึ่งเป็นการลดลง 5% ที่ต้องมีการจำลองแบบอย่างแม่นยำ

สำหรับตัวแยกสัญญาณไมโครสตริปขนาด 2 นิ้วที่ 10 GHz การเปลี่ยนจากวัสดุฐานรอง FR-4 มาตรฐาน (Df ≈ 0.020) ไปเป็นลามิเนตความถี่สูงอย่าง Rogers RO4350B (Df ≈ 0.003) สามารถลดการสูญเสียจากการแทรกจาก 1.2 dB เหลือไม่ถึง 0.3 dB ซึ่งเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพถึง 75% สิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อค่าสัญญาณรบกวน (noise figure) ที่ต่ำลงของระบบและกำลังขับที่สูงขึ้น คุณสมบัติทางความร้อนเป็นสิ่งที่ต่อรองไม่ได้สำหรับการจัดการพลังงาน สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) ต้องสอดคล้องกับชั้นเคลือบทองแดง (ประมาณ 17 ppm/°C) หากไม่สอดคล้องกัน เช่น 70 ppm/°C สำหรับวัสดุฐานรองเทียบกับ 17 สำหรับทองแดง จะทำให้เกิดการหลุดลอกระหว่างการบัดกรี (ซึ่งสูงถึง 250°C) หรือระหว่างรอบการทำงานของกำลังไฟ ซึ่งจะลดอายุการใช้งานของตัวแยกสัญญาณจากที่คาดไว้ 100,000 รอบ เหลือไม่ถึง 10,000 รอบ ในทำนองเดียวกัน สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของ Dk จะกำหนดว่าความถี่กลางจะคลาดเคลื่อนไปเท่าใดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน วัสดุประสิทธิภาพสูงจะมีค่า TCEr ประมาณ -45 ppm/°C หมายความว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 100°C จะทำให้ความถี่เปลี่ยนไปเพียง -0.45% ส่วนวัสดุราคาถูกอาจมีค่าถึง +200 ppm/°C ทำให้ความถี่เคลื่อนไปถึง +2.0% ซึ่งมากพอที่จะทำให้ฟิลเตอร์ 10 GHz หลุดออกจากช่วงความถี่ที่ต้องการได้

วัสดุสำหรับความถี่ต่างๆ

ความถี่ในการใช้งานของตัวแยกสัญญาณไม่ได้แค่มีอิทธิพลต่อการเลือกวัสดุ แต่มันคือตัวกำหนด พฤติกรรมของค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและลักษณะการสูญเสียของวัสดุฐานรองจะเปลี่ยนไปอย่างมากตามช่วงสเปกตรัม ทำให้วัสดุที่สมบูรณ์แบบสำหรับ Wi-Fi 2.4 GHz อาจส่งผลร้ายแรงต่อเรดาร์ยานยนต์ 77 GHz ที่ความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า 1 GHz) การสูญเสียจากตัวนำจะเด่นชัด แต่เมื่อขยับเข้าสู่ช่วง UHF และไมโครเวฟ (สูงกว่า 1 GHz) การสูญเสียจากไดอิเล็กทริกจะกลายเป็นสาเหตุหลักของการลดทอนสัญญาณทั้งหมด การเปลี่ยนแปลงนี้หมายความว่าวัสดุที่มีค่า dissipation factor (Df) 0.02 อาจเป็นที่ยอมรับที่ความถี่ 900 MHz ทำให้เกิดการสูญเสีย 0.8 dB ในตัวแยกสัญญาณยาว 4 นิ้ว แต่ค่า Df เดียวกันนั้นจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียที่รุนแรงถึง 3.2 dB ที่ 10 GHz ซึ่งเท่ากับลดทอนกำลังส่งไปครึ่งหนึ่ง ความยาวคลื่นที่ลดลงตามความถี่ที่เพิ่มขึ้นยังต้องการความคลาดเคลื่อนในการผลิตที่เข้มงวดมากขึ้น ความผิดพลาดในการกัดลายวงจร ±0.1 มม. มีผลกระทบเพียงเล็กน้อย 0.5% ที่ 1 GHz แต่จะมีผลกระทบรุนแรงถึง 5% ที่ 30 GHz ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อค่าการแยกสัญญาณ (coupling factor) และทิศทาง (directivity)

สำหรับแอปพลิเคชันที่ต่ำกว่า 1 GHz เช่น ในวิทยุเพื่อความปลอดภัยสาธารณะหรืออุปกรณ์กระจายเสียง มาตรฐาน FR-4 เป็นตัวเลือกหลัก เหตุผลหลักคือประสิทธิภาพด้านต้นทุนที่สูงมาก วัสดุฐานรอง FR-4 หนึ่งแผ่นอาจมีราคา ถูกกว่าลามิเนตความถี่สูงถึง 80% ที่ความยาวคลื่นที่ยาวขนาดนี้ การสูญเสียสุทธิจากค่า Df ที่สูง (0.02) ของวัสดุฐานรองยังอยู่ในระดับที่จัดการได้ ตัวแยกสัญญาณที่ยาว 6 นิ้วอาจแสดงการสูญเสียจากการแทรกเพียง 1.1 dB จุดเน้นจะอยู่ที่ความแข็งแกร่งทางกลและความทนทานต่ออุณหภูมิการบัดกรีแบบ reflow ที่สูงกว่า 250°C

ช่วง 1 GHz ถึง 6 GHz (ซึ่งครอบคลุมย่านความถี่ 4G/5G และ Wi-Fi ส่วนใหญ่) เป็นสนามรบระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ FR-4 มาตรฐานยังคงสามารถใช้ได้กับงานที่ไม่วิกฤตและต้องการประหยัดต้นทุนจนถึงประมาณ 2.5 GHz แต่ค่า Dk ที่ไม่คงที่ของมันนำไปสู่ค่าทิศทาง (directivity) ที่แย่ลงกว่าวัสดุที่สร้างมาเพื่อการนี้ถึง 10 dB สำหรับการออกแบบกระแสหลัก เรซินไฮโดรคาร์บอนเติมเซรามิกอย่าง Rogers RO4350B เป็นกำลังหลัก ด้วยค่า Dk 3.48 (±0.05) และค่า Df 0.0031 ที่ 10 GHz พวกมันช่วยลดการสูญเสียลง 40% เมื่อเทียบกับ FR-4 ที่ความถี่ 3.5 GHz ในขณะที่รักษาต้นทุนวัสดุให้ต่ำกว่าตัวเลือก PTFE แบบแปลกใหม่ประมาณ 50% สิ่งนี้ช่วยให้ตัวแยกสัญญาณขนาดประมาณ 2.5 นิ้วมีค่าทิศทางที่คงที่ 20 dB และมีการสูญเสียจากการแทรกต่ำกว่า 0.4 dB

ขั้นตอนการผลิต

กระบวนการผลิตตัวแยกสัญญาณคือการผสมผสานที่แม่นยำระหว่างวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมไฟฟ้า ซึ่งความคลาดเคลื่อนในระดับไมครอนจะส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในหน่วยเดซิเบล ไม่เหมือนกับ PCB ทั่วไป สิ่งเหล่านี้คือส่วนประกอบ RF แบบพาสซีฟที่ รูปทรงทางกายภาพของลายวงจร กลายเป็นตัววงจรเอง ความคลาดเคลื่อนเพียง ±0.05 มม. ในความกว้างหรือระยะห่างของลายเส้นสามารถเปลี่ยนค่าการแยกสัญญาณได้ถึง 3 dB หรือลดทอนค่าทิศทางลง 15 dB ทำให้ตัวแยกสัญญาณลอตนั้นใช้งานไม่ได้ การเลือกระหว่างการออกแบบด้วย FR-4 ราคาถูกและตัวแยกสัญญาณ mmWave ประสิทธิภาพสูงไม่ใช่แค่เรื่องของต้นทุนแผ่นลามิเนต แต่เป็นเรื่องของขั้นตอนการทำงานที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง โดยมีอัตราของเสียที่ผันผวนตั้งแต่ 5% ไปจนถึงกว่า 30% สำหรับการออกแบบที่ซับซ้อน ซึ่งท้ายที่สุดจะเป็นตัวกำหนดราคาต่อหน่วย

การเดินทางจากแผ่นลามิเนตดิบไปสู่ตัวแยกสัญญาณที่เสร็จสมบูรณ์ประกอบด้วยขั้นตอนสำคัญหลายประการ:

• การเตรียมแผงและการสร้างลวดลายต้นแบบ (Artwork)
• การกัดลายวงจรที่มีความแม่นยำและการสร้างเส้นวงจร
• การอัดลามิเนตและการซ้อนชั้นวัสดุ (หากเป็นแบบหลายชั้น)
• การตัดแต่งและการเซาะร่องโพรง (Cavity Routing)
• การเคลือบผิวและการตกแต่งพื้นผิวสุดท้าย
• การทดสอบทางไฟฟ้าและการตรวจสอบประสิทธิภาพ 100%

สำหรับตัวแยกสัญญาณความถี่สูง ข้อมูลไม่ใช่แค่เส้นและจุดเชื่อมต่อ ไฟล์จำลองของวิศวกร RF (มักจะมาจากเครื่องมืออย่าง ADS หรือ HFSS) จะถูกแปลงเป็นคำแนะนำในการผลิตโดยตรง ลวดลายต้นแบบต้องเผื่อค่าชดเชยการกัด (etch compensation); เนื่องจากกระบวนการกัดมีความเป็น isotropic เล็กน้อย จึงมีการกัดกินใต้แผ่นฟิล์มไวแสง (photoresist) หมายความว่าความกว้างลายเส้นที่ออกแบบไว้ 0.20 มม. อาจต้องวาดไว้ที่ 0.22 มม. เพื่อให้ได้ขนาดสุดท้ายตามเป้าหมายภายใน ความคลาดเคลื่อน ±0.015 มม. สิ่งนี้สำคัญมากเพราะลายเส้น 0.20 มม. บนวัสดุฐานรอง Dk 3.48 อาจถูกคำนวณไว้สำหรับอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม แต่หากกัดเกินไป 10% จนเหลือ 0.18 มม. จะทำให้อิมพีแดนซ์เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 55 โอห์ม ส่งผลให้ค่า return loss แย่ลง 0.3 dB

ความขรุขระของฟอยล์ทองแดงจะถูกระบุไว้ตั้งแต่ต้น สำหรับตัวแยกสัญญาณ 10 GHz อาจใช้ทองแดง ED (Electrodeposited) มาตรฐานที่มีความขรุขระ 2.0 µm สำหรับตัวแยกสัญญาณ 40 GHz คุณต้องใช้ ทองแดงแบบ low-profile หรือ reverse-treated ที่มีความขรุขระ ≤ 0.3 µm เพื่อลดการสูญเสียของตัวนำที่เกิดจาก skin effect ซึ่งอาจเพิ่มการสูญเสียได้ 0.15 dB/นิ้ว ที่ความถี่สูง หลังการกัดลาย แผงวงจรมักจะผ่าน การวัดด้วยแสง (optical measurement) เพื่อตรวจสอบว่าทุกความกว้างของลายเส้นและช่องว่างที่สำคัญอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อน 0.01 มม. ก่อนจะดำเนินการต่อ

สำหรับตัวแยกสัญญาณที่ต้องการการจัดการกำลังไฟสูงหรือมีการติดตั้งหัวต่อเฉพาะ การตัดแต่งทางกลจึงมีความสำคัญ แผ่นวัสดุฐานรองจะถูกเซาะร่องโดยใช้ เครื่องเจาะและกัดแบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) พร้อมดอกกัดคาร์ไบด์ ความแม่นยำในการระบุตำแหน่งของเครื่องจักรเหล่านี้ต้องอยู่ภายใน ±0.025 มม. เพื่อให้แน่ใจว่ารูยึดและช่องโพรงตรงกับรูปแบบวงจรอย่างสมบูรณ์ ขอบของวัสดุที่ถูกตัดต้องเรียบเนียน ขอบที่ขรุขระสามารถสร้างค่าความจุแฝง (parasitic capacitance) ซึ่งจะเปลี่ยนความยาวทางไฟฟ้าของเส้นคู่ควบเล็กน้อย สำหรับวัสดุที่มีพื้นฐานเป็น PTFE อย่าง Rogers 5880 ซึ่งอ่อนนุ่มและเสียรูปง่าย พารามิเตอร์การตัดแต่ง เช่น อัตราการป้อน (เช่น 2.5 ม./นาที) และความเร็วรอบ (เช่น 30,000 RPM) จะถูกปรับจูนอย่างละเอียดเพื่อป้องกันวัสดุฉีกขาดหรือหลุดลอก ซึ่งอาจทำให้แผ่นวงจรราคาหลายร้อยดอลลาร์กลายเป็นของเสียได้

วัสดุส่งผลต่อประสิทธิภาพอย่างไร

ค่า Dissipation Factor (Df) ของวัสดุจะเปลี่ยนพลังงานสัญญาณให้กลายเป็นความร้อนโดยตรง ในขณะที่ความเสถียรของค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) จะกำหนดว่าความถี่กลางจะเคลื่อนไปเท่าใดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยน ตัวอย่างเช่น วัสดุฐานรองที่มีค่า Df ปานกลางที่ 0.010 จะทำให้เกิด การสูญเสียจากการแทรกสูงขึ้น 35% ต่อหน่วยความยาว เมื่อเทียบกับวัสดุที่มีค่า Df 0.003 ที่ความถี่ 10 GHz

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักที่กำหนดโดยวัสดุฐานรองโดยตรงคือ:

• การสูญเสียจากการแทรกและการลดทอนสัญญาณโดยรวม
• ความราบเรียบและความแม่นยำของค่าการแยกสัญญาณ (Coupling Factor)
• ทิศทาง (Directivity) และความแม่นยำในการวัด
• ความเสถียรทางความร้อนและการเลื่อนของความถี่
• ความสามารถในการจัดการพลังงานและการเกิดความร้อนสะสมเกินควบคุม (Thermal Runaway)

การสูญเสียจากไดอิเล็กทริกเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของความถี่และค่า Df สำหรับสายไมโครสตริปยาว 2 นิ้วที่ 20 GHz การเปลี่ยนจาก FR-4 มาตรฐาน (Df=0.020) เป็นเซรามิกไฮโดรคาร์บอนขั้นสูง (Df=0.003) จะลดส่วนประกอบของการสูญเสียไดอิเล็กทริกลงจาก 0.35 dB เหลือประมาณ 0.05 dB การสูญเสียจากตัวนำจะถูกควบคุมโดย ค่าเฉลี่ยรากที่สองของความขรุขระ (RMS roughness) ของฟอยล์ทองแดง ที่ความถี่ 30 GHz ความลึกของกระแส (skin depth) อยู่ที่เพียง 0.38 µm หากทองแดงมีความขรุขระ 2.0 µm (ทั่วไปสำหรับทองแดง ED) กระแสจะต้องเดินทางเป็นระยะทางที่ยาวขึ้นและไม่มีประสิทธิภาพ ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น การใช้ทองแดงรีดที่มีความขรุขระ RMS 0.3 µm สามารถลดการสูญเสียจากตัวนำลงได้ กว่า 25% ที่ความถี่ mmWave ซึ่งอาจเป็นจุดตัดสินระหว่างการออกแบบที่สำเร็จและล้มเหลว

ค่าทิศทาง (Directivity) วัดว่าตัวแยกสัญญาณสามารถแยกคลื่นไปข้างหน้าและคลื่นสะท้อนได้ดีเพียงใด; ค่าทิศทางที่สูง (เช่น 30 dB) เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวัด SWR และการสะท้อนที่แม่นยำ พารามิเตอร์นี้จะแย่ลงอย่างรุนแรงหากค่า Dk ไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุฐานรอง วัสดุที่มีค่า Dk ตามที่ระบุคือ 3.48 แต่อาจมีความแปรผันในพื้นที่ ±0.10 จะสร้างความผิดพลาดทางเฟสในสัญญาณที่คู่ควบ สิ่งนี้สามารถลดค่าทิศทางในทางทฤษฎีของตัวแยกสัญญาณที่ออกแบบมาอย่างดีจาก 40 dB ลงเหลือ 15-20 dB นั่นหมายความว่าสัญญาณกำลังสะท้อนที่ควรวัดได้ด้วยความแม่นยำ 99.99% (ทิศทาง 40 dB) จะวัดได้ด้วยความแม่นยำเพียง 98% (ทิศทาง 20 dB) นำไปสู่ความผิดพลาดที่สำคัญในการตรวจสอบและควบคุมระบบ

วิธีเลือกวัสดุ

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับตัวแยกสัญญาณคือปัญหาการปรับปรุงหลายตัวแปร โดยความต้องการของระบบจะเป็นตัวกำหนดตัวเลือกที่ใช้ได้โดยตรง ไม่มีวัสดุใดที่ “ดีที่สุด” ในระดับสากล การเลือกคือการชั่งน้ำหนักที่ผ่านการคำนวณระหว่าง ความถี่ในการทำงาน, งบประมาณการสูญเสียที่ยอมรับได้, เป้าหมายต้นทุนต่อหน่วย และ สภาพแวดล้อม การตัดสินใจที่ผิดพลาดอาจส่งผลกระทบต่อเนื่อง: การประหยัดค่าวัสดุ $15 ต่อหน่วยอาจดูน่าดึงดูด แต่หากนำไปสู่การสูญเสียจากการแทรกที่เพิ่มขึ้น 0.5 dB มันอาจบีบให้ต้องใช้แอมพลิจูดขยายกำลังไฟที่แพงขึ้นถึง $80 ซึ่งจะกลบผลกำไรจากการประหยัดและลดประสิทธิภาพของระบบลง

• ความถี่ในการทำงานและแบนด์วิดท์
• การสูญเสียจากการแทรกสูงสุดที่ยอมรับได้
• ต้นทุนต่อหน่วยและข้อจำกัดด้านงบประมาณ
• ช่วงอุณหภูมิการทำงานในสภาพแวดล้อม
• ความต้องการในการจัดการพลังงาน
• ความคลาดเคลื่อนในการผลิตและอัตราผลผลิต (Yield)

สำหรับแอปพลิเคชันที่ต่ำกว่า 2 GHz เช่น ในอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมและอุปโภคบริโภคจำนวนมาก มาตรฐาน FR-4 มักจะเป็นตัวเลือกเริ่มต้นเนื่องจากความได้เปรียบด้านต้นทุนที่มหาศาล แผ่นวัสดุฐานรอง FR-4 อาจมีราคาเพียง $2 ต่อตารางฟุต เมื่อเทียบกับ $15-$30 ต่อตารางฟุต สำหรับลามิเนตความถี่สูง ที่ความถี่เหล่านี้ แม้ว่าจะมีค่าการสูญเสียที่สูงกว่า (Df ≈ 0.020) แต่การสูญเสียสุทธิในตัวแยกสัญญาณที่มีขนาดเล็กทางกายภาพ (เช่น ยาว 3 นิ้ว) ยังอยู่ในระดับที่จัดการได้ โดยทั่วไปจะต่ำกว่า 1.0 dB ความกังวลหลักคือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าผู้ผลิตบอร์ดสามารถรักษาความคลาดเคลื่อนของอิมพีแดนซ์ได้ด้วยวัสดุที่มีความคลาดเคลื่อนของค่า Dk ถึง ±0.40

สำหรับแอปพลิเคชันไร้สายส่วนใหญ่ระหว่าง 2 GHz และ 15 GHz (รวมถึง 5G, Wi-Fi 6/6E และย่านความถี่เรดาร์หลายย่าน) การตัดสินใจจะขยับไปที่ วัสดุผสมไฮโดรคาร์บอนเติมเซรามิก เช่น Rogers RO4350B วัสดุประเภทนี้ให้ความสมดุลที่ดีที่สุด ด้วยค่า Df ~0.003 และค่า Dk ที่ควบคุมอย่างเข้มงวดที่ 3.48 ±0.05 ส่วนต่างของราคาที่สูงกว่า FR-4 นั้นมีนัยสำคัญ (ประมาณ 500% ต่อแผ่น) แต่ผลตอบแทนด้านประสิทธิภาพนั้นคุ้มค่ามาก มันช่วยให้ ลดการสูญเสียจากการแทรกได้ถึง 40% และปรับปรุงค่าทิศทางให้ดีขึ้นอย่างมากจาก 15 dB เป็นกว่า 25 dB สำหรับตัวแยกสัญญาณในสถานีฐาน 5G วัสดุนี้มักจะเป็นตัวเลือกพื้นฐาน เนื่องจากตอบโจทย์ความต้องการทางไฟฟ้าในขณะที่รักษาต้นทุนต่อหน่วยไว้ที่ $18 ถึง $45 ในการผลิตจำนวนมาก