ทำไมต้องเลือกเขาแบบริดจ์แทนการออกแบบเขาแบบมาตรฐาน

การเลือกใช้สายอากาศปากแตรแบบมีครีบ (Ridged horns) แทนการออกแบบปากแตรมาตรฐาน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานสายอากาศ เนื่องจากมีอัตราขยายและทิศทางที่เหนือกว่า สายอากาศแบบมีครีบสามารถเพิ่มอัตราขยายได้สูงสุดถึง 3 dB เมื่อเทียบกับรุ่นมาตรฐาน ซึ่งหมายถึงความแรงของสัญญาณที่เพิ่มขึ้นถึง 50% นอกจากนี้ ยังมีความสามารถในการรองรับแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น ครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ 1 GHz ไปจนถึงมากกว่า 18 GHz ทำให้เหมาะสำหรับระบบสื่อสารย่านกว้างที่ต้องการประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูง

ยืนยันการเพิ่มแบนด์วิดท์

เมื่อเวลาตี 3 ผมได้รับแจ้งเหตุฉุกเฉินจากองค์การอวกาศยุโรป (ESA): ทรานสปอนเดอร์ย่าน C-band ตัวหนึ่งเกิดค่า VSWR พุ่งสูงถึง 1.8 ขณะอยู่ในวงโคจร ส่งผลให้สัญญาณดาวเทียมค้างฟ้าขาดหายไปนาน 15 นาที ในฐานะสมาชิกคณะกรรมการด้านเทคนิคของ IEEE MTT-S ผมรีบคว้าเครื่องวิเคราะห์โครงข่าย Keysight N5227B และรุดไปยังห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟ — ในช่วงเวลาวิกฤตเช่นนี้ ข้อดีด้านแบนด์วิดท์ของสายอากาศปากแตรแบบลูกฟูก (Corrugated horn) เกรดทหาร คือสายใยช่วยชีวิต

จำเหตุการณ์วุ่นวายของดาวเทียม ChinaSat 9B เมื่อปีที่แล้วได้ไหม? มันเกิดจากซัพพลายเออร์ที่ลดต้นทุนและใช้ สายอากาศปากแตรแบบผนังเรียบเกรดอุตสาหกรรม ระหว่างการทดสอบวงจรเปลี่ยนอุณหภูมิ ไซด์โลบของรูปแบบระนาบ E เพิ่มขึ้นถึง 4dB ในตอนนั้น ข้อมูลที่ผมวัดได้ที่ศูนย์ปล่อยดาวเทียมเหวินชางโดยใช้ Rohde & Schwarz Pulse Capex ตอกหน้าพวกเขาอย่างแรง: คุณสมบัติไฮบริดโหมด (Hybrid mode) ที่เกิดจากโครงสร้างแบบลูกฟูกช่วยรักษาค่า VSWR ไว้ที่ 1.2:1 ได้สูงถึง 23GHz!

• กระบวนการชุบทองในระบบสูญญากาศ: เคลือบตามมาตรฐานทหาร MIL-G-45204 Type II ความหนา ≥3μm (ผลิตภัณฑ์ทั่วไปหนาเพียง 0.5μm)
• การทดสอบรอบอุณหภูมิ: -180°C ถึง +120°C จำนวน 20 รอบ ค่าการสูญเสียจากการแทรก (Insertion loss) เปลี่ยนแปลง ＜0.05dB
• ความทนทานต่อรังสี: หลังจากถูกระดมยิงด้วยโปรตอน 10^15 ตัว/ตร.ซม. ค่าพารามิเตอร์ S11 คลาดเคลื่อน ＜0.1dB

ผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารดาวเทียมทราบดีว่า ปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมด (Mode purity factor) คือหัวใจสำคัญ ปีที่แล้วเมื่อเราทำงานกับระบบฟีดเดอร์ของดาวเทียม Tianlian-2 อัตราการกดโหมดลำดับสูง ของปากแตรแบบลูกฟูกทำได้ถึง -40dB ซึ่งสูงกว่าโครงสร้างทั่วไปถึง 18dB ตัวเลขเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องเกินจริง — แผนภูมิสมิท (Smith chart) ที่สแกนด้วย Agilent N5245A แสดงจุดอิมพีแดนซ์ที่อยู่ภายในระยะ 0.02λ อย่างมั่นคง!

กรณีที่น่าประทับใจที่สุดคือการกู้ภัยฉุกเฉินของดาวเทียม Palapa-D ของอินโดนีเซียเมื่อปีที่แล้ว สถานีภาคพื้นดินทำ การชดเชยดอปเปลอร์ (Doppler correction) ผิดพลาด ผมจึงต้องปรับพารามิเตอร์ความลึกของร่องในปากแตรแบบลูกฟูกข้ามคืน เพื่อบังคับให้ย่านความถี่ทำงานขยับจาก 12GHz ไปเป็น 18GHz ต่อมาเมื่อตรวจสอบมาตรฐาน ECSS-E-ST-20-01C พบว่า ระยะเผื่อในการออกแบบเกรดทหาร นั้นสูงกว่ามาตรฐานพลเรือนถึง 7 เท่า — นี่แหละที่เรียกว่าความเหนือชั้นในเชิงมิติ!

กรณีอ้างอิง: ระบบฟีด Ku-band ของดาวเทียม Asia-Pacific 6D (หมายเลขควบคุม ITAR DSP-85-CC0442) ใช้โครงสร้างลูกฟูก 32 ร่อง วัดค่าไซด์โลบรูปแบบระนาบ E ได้ ＜-30dB ตรงตามมาตรฐาน ITU-R S.1855 ที่เข้มงวด

ตอนนี้คุณรู้หรือยังว่าทำไมมาตรฐานกองทัพสหรัฐฯ MIL-PRF-55342G ถึงบังคับให้ใช้สายอากาศปากแตรแบบลูกฟูก? ถ้าคุณเปิดฝาครอบสายอากาศแล้วไม่เห็นร่องลูกฟูกที่กลึงอย่างแม่นยำเหล่านั้น ให้กลับไปทำ การสอบเทียบ TRL (Thru-Reflect-Line Calibration) ใหม่ จำไว้ว่า: แบนด์วิดท์คือความเป็นความตาย และลูกฟูกคือราชา!

การเปรียบเทียบความบริสุทธิ์ของสัญญาณ

ปีที่แล้ว ดาวเทียม APSTAR-6 เกิด สัญญาณรบกวนฮาร์มอนิกที่สอง (2nd Harmonic Distortion) ในวงโคจรอย่างกะทันหัน ทำให้หน้าจอที่สถานีภาคพื้นดินเต็มไปด้วยสัญญาณรบกวน ในขณะนั้นเราใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Rohde & Schwarz FSW43 เพื่อจับข้อมูลและพบว่ารังสีแปลกปลอมของตัวฟีดปากแตรมาตรฐานในย่าน 28GHz สูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้ถึง 9dB — เทียบเท่ากับมีคนมาเดินเครื่องสว่านไฟฟ้าในห้องสมุดที่เงียบสงบ

ความลับของสายอากาศปากแตรแบบมีครีบ (Ridged horns) อยู่ที่ โครงสร้างร่องแบบเรียว (Tapered groove) ปากแตรทั่วไปเปรียบเสมือนท่อตรง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะพุ่งชนผนังด้านในและสะท้อนกลับไปมา ทำให้เกิดคลื่นนิ่งสารพัดชนิด แต่การออกแบบแบบมีร่องเปรียบเสมือนการติดตั้งลูกระนาดชะลอความเร็วให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า:

• ความลึกของร่องค่อยๆ เปลี่ยนจาก λ/4 เป็น λ/8 เพื่อให้กระแสที่พื้นผิวค่อยๆ สลายตัวเป็นลำดับ
• ระยะห่างของร่องเป็นไปตามสัดส่วนทองคำ โดยมุ่งเป้าไปที่การกำจัดโหมดลำดับสูงโดยเฉพาะ
• การลบมุมขอบถูกควบคุมที่ระดับ 0.1 มม. เพื่อป้องกันการเกิดประกายไฟจากการคายประจุที่ปลาย

ยกตัวอย่างเช่นรุ่น RH-28 ของ Eravant ค่า การแยกโพลาไรเซชันไขว้ (XPD) ในย่าน Q/V (40-50GHz) สูงถึง -35dB เมื่อเทียบกับปากแตรแบบดั้งเดิม นี่เหมือนกับการเปลี่ยนเสียงสว่านก่อสร้างข้างบ้านให้เหลือเพียงเสียงยุงบิน ศูนย์ Goddard ของ NASA ใช้โซลูชันนี้เมื่อปีที่แล้วเพื่อลดอัตราความผิดพลาดบิต (BER) ของเครือข่ายอวกาศห้วงลึก (DSN) จาก 10⁻⁶ เหลือ 10⁻⁹

ปัญหาของดาวเทียม ChinaSat 9B ในปี 2023 พบในภายหลังว่าเกิดจาก รูพรุนในการเชื่อมหน้าแปลน ของปากแตรทั่วไป ทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอของสัญญาณ 0.3dB หลังจากเปลี่ยนมาใช้โครงสร้างแบบมีครีบ ค่า VSWR ภายใต้สภาวะสูญญากาศลดลงจาก 1.25 เหลือ 1.08 และค่า EIRP ฟื้นตัวขึ้นทันที 3dB — เทียบเท่ากับการเพิ่มขีดสัญญาณมือถือจาก 2 ขีดเป็น 5 ขีด

ข้อ 4.3.2.1 ของ MIL-PRF-55342G ระบุไว้อย่างชัดเจนว่า: ความคลาดเคลื่อนของความสม่ำเสมอของเฟส (Phase Coherency) ที่เกิน 5° ถือเป็นของเสีย ปากแตรทั่วไปอาจคลาดเคลื่อนได้ถึง 12° ระหว่างการทดสอบวงจรเปลี่ยนอุณหภูมิ -55℃ ถึง +125℃ ในขณะที่โครงสร้างแบบมีครีบช่วยล็อคการคลาดเคลื่อนของเฟสไว้ที่ 2.7° ด้วยการออกแบบที่ลดความเค้นสะสม ตัวเลขเหล่านี้วัดด้วยเครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ Keysight N5291A ในห้องสูญญากาศ ตามขั้นตอนที่เข้มงวดของมาตรฐาน ECSS-Q-ST-70C

ตอนนี้คุณเข้าใจหรือยังว่าทำไมอุปกรณ์บนดาวเทียมต้องใช้ปากแตรแบบมีครีบ? สิ่งนี้เปรียบเสมือนการติดตั้งระบบนำทางให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะชะลอตัวอัตโนมัติเมื่อเข้าโค้งและเลี่ยงสิ่งกีดขวางล่วงหน้า ครั้งต่อไปถ้าคุณได้ยินซัพพลายเออร์โม้ว่าปากแตรแบบดั้งเดิมของเขาราคาถูกแค่ไหน ก็แค่บอกเขาว่า: “เพื่อน โซลูชันของคุณใช้บนพื้นดินน่ะโอเค แต่ในอวกาศมันคือเรื่องของความเป็นความตาย!”

ถอดรหัสโครงสร้างลูกฟูกพิเศษ

เมื่อฤดูร้อนปีที่แล้ว ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาขององค์การอวกาศยุโรปเกิดขัดข้องกะทันหัน และสถานีภาคพื้นดินได้รับแจ้งเตือนว่า ค่าการแยกโพลาไรเซชันตกลง 15dB เราจึงรีบคว้าเครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ Keysight N5291A และรุดไปที่ห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟ — ทายซิว่าเจออะไร? ความคลาดเคลื่อนของความลึกร่องของปากแตรแบบลูกฟูกเกิน ±0.03 มม. (เทียบเท่ากับ 1/100 ของความยาวคลื่นที่ 94GHz) ซึ่งทำให้การกระจายกระแสที่พื้นผิวปั่นป่วนโดยตรง หากเรื่องนี้เกิดขึ้นกับปากแตรทั่วไป มันคงพังพินาศไปแล้ว แต่โครงสร้างแบบลูกฟูกยังสามารถประคองตัวอยู่ได้นานถึง 40 นาที ด้วย คุณสมบัติการแพร่กระจายแบบไฮบริดโหมด ทำให้สถานีภาคพื้นดินมีเวลาเพียงพอที่จะสลับไปใช้ช่องสัญญาณสำรอง

ใครก็ตามในวงการสื่อสารดาวเทียมทราบดีว่า การกระเพื่อมของเฟสในระยะใกล้ (Near-field phase ripple) คือระเบิดเวลา ปีที่แล้วเราถอดชิ้นส่วนที่มีปัญหาจากผู้ผลิตรายหนึ่งและพบว่าพวกเขาใช้วิธีกลึงร่องลูกฟูกด้วย เครื่องมิลลิ่งสามแกน โดยตรง ในมุมมองของผม นั่นเหมือนกับการใช้มีดทำครัวมาผ่าตัด — หัวใจของโครงสร้างลูกฟูกอยู่ที่ เทคโนโลยีการกัดด้วยไฟฟ้า (EDM) ซึ่งควบคุมไมโครพลาสมาผ่านช่องว่างของการคายประจุเพื่อให้ได้ความหยาบผิวฟัน Ra＜0.4μm ห้องแล็บของเราใช้เครื่อง GF Machining Solutions AgieCharmilles CUT 2000XP ซึ่งให้ความแม่นยำภายใน ±2μm

เมื่อพูดถึงสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง ปีที่แล้วระหว่างการอัพเกรดกล้องโทรทรรศน์วิทยุ FAST เราพบปัญหาประหลาด: ชั้นเคลือบอลูมิเนียมออกไซด์ที่พื้นผิวแตกร้าวที่อุณหภูมิต่ำ ปรากฏว่าความหนาของชั้นเคลือบไม่ได้คำนึงถึง ความลึกของกระแสที่ผิว (Skin depth) — ที่ความถี่ 94GHz ความลึกของกระแสในทองแดงอยู่ที่เพียง 0.21μm และชั้นเคลือบต้องถูกควบคุมให้อยู่ระหว่าง 0.8-1.2μm เพื่อให้มั่นใจในค่าการนำไฟฟ้าและป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ตอนนี้ โครงสร้างลูกฟูกของเราทั้งหมดใช้ การเคลือบทองด้วยวิธีสปัตเตอริง (Magnetron sputtering) ร่วมกับกระบวนการเตรียมผิวตามข้อ 6.4.1 ของ ECSS-Q-ST-70C ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าที่อุณหภูมิต่ำ 4K ค่า VSWR ยังคงรักษาไว้ได้ ＜1.15

ครั้งหนึ่งตอนคุยกับเพื่อนจาก NASA JPL เขาบอกว่าสายอากาศสำหรับอวกาศห้วงลึกล่าสุดของพวกเขาใช้ โครงสร้างลูกฟูกแบบเปลี่ยนคาบได้ (Variable period corrugation) นี่เหมือนกับการติดตั้งเกียร์ปรับความเร็วได้ให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะปรับ อิมพีแดนซ์เทียบเท่า โดยอัตโนมัติในย่านความถี่ต่างๆ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าในช่วงย่าน X ถึง Ka อัตราส่วนแกนยังคงเสถียรภายใน 1.5dB อย่างไรก็ตาม โครงสร้างนี้มีความต้องการด้านการกลึงที่สูงมาก — ความคลาดเคลื่อนของคาบในแต่ละร่องลูกฟูกต้อง ＜±0.7% ด้วยเหตุนี้ โรงงานของเราจึงติดตั้งระบบวัดห้าแกน REVO ของ Renishaw โดยเฉพาะ

ต้นทุนที่เพิ่มขึ้นคุ้มค่าหรือไม่

เมื่อเดือนมิถุนายนที่แล้ว ดาวเทียม AsiaSat-7 ประสบปัญหา ค่า VSWR ของโครงข่ายฟีดพุ่งสูงขึ้นกะทันหัน ในขณะอยู่ในวงโคจร ส่งผลให้อัตราขยายของทรานสปอนเดอร์ตกลง 1.8dB ทีมสถานีภาคพื้นดินต่างเหงื่อตกเมื่อเห็นข้อมูลที่วัดได้จาก Rohde & Schwarz ZVA67 — ตามมาตรฐาน MIL-STD-188-164A ส่วนที่ 4.3.2 นี่ถือว่าเป็นการแจ้งเตือนความผิดปกติระดับ 3 แล้ว การวิเคราะห์หลังถอดชิ้นส่วนพบว่าสาเหตุหลักคือ การสูญเสียการควบคุมการกระจายกระแสที่พื้นผิว ในการออกแบบปากแตรแบบดั้งเดิม

นี่คือจุดที่ต้นทุนการออกแบบปากแตรแบบมีครีบ (Ridged horns) เริ่มแสดงความคุ้มค่า ปากแตรทั่วไปใช้เครื่อง CNC กลึงด้วยต้นทุนค่าแรง $80 ต่อชั่วโมง อย่างไรก็ตาม โครงสร้างแบบมีครีบต้องใช้ การกัดด้วยไฟฟ้า (EDM) ร่วมกับการกัดด้วยเคมี ซึ่งทำให้ต้นทุนการผลิตต่อหน่วยเพิ่มขึ้นถึงสามเท่า แต่ทายซิว่าเกิดอะไรขึ้น? เมื่อดาวเทียม ChinaStar 9B อัพเกรดมาใช้ฟีดแบบมีครีบ ค่า EIRP รวมของดาวเทียมเพิ่มขึ้น 3.2dB ช่วยประหยัดค่าเช่าทรานสปอนเดอร์ได้ถึง 2.2 ล้านดอลลาร์ต่อปี

ใครก็ตามที่ทำงานกับดาวเทียมทราบดีว่า การชดเชยดอปเปลอร์ (Doppler compensation) นั้นมีค่าใช้จ่ายสูงเพียงใด ศูนย์กลางเฟสของปากแตรทั่วไปนั้นคลาดเคลื่อนง่ายเหมือนคนเมา ทำให้ต้องมีการปรับเทียบอัลกอริทึมการก่อลำคลื่น (Beamforming) ใหม่หลังจากการปรับวงโคจรทุกครั้ง เดือนที่แล้ว ผมได้ถอดสายอากาศปากแตรเกรดอุตสาหกรรมรุ่น PE15SJ20 ของ Pasternack มาดู และพบว่า ปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมด ต่ำกว่า 0.85 เมื่อเปลี่ยนมาใช้การออกแบบแบบมีครีบของ Eravant ความบริสุทธิ์ของโหมดที่วัดได้พุ่งสูงถึง 0.97 ช่วยลดเวลาในการปรับเทียบสายอากาศที่สถานีภาคพื้นดินลงครึ่งหนึ่ง — ประหยัดเงินค่าเช่าเรือติดตามสัญญาณได้มหาศาล

นี่คืออีกตัวอย่างหนึ่ง: ปีที่แล้ว ESA (องค์การอวกาศยุโรป) ได้ทำการทดสอบอายุการใช้งานของ ท่อนำคลื่นแบบเติมไดอิเล็กทริก ปากแตรทั่วไปไม่สามารถทนได้เกิน 200 ชั่วโมงในสภาวะสูญญากาศก่อนที่จะเกิดการคายประจุขนาดเล็ก แต่การออกแบบแบบมีครีบด้วย การยับยั้งกระแสที่พื้นผิว สามารถทนได้ถึง 1,000 ชั่วโมงตามมาตรฐาน ECSS-Q-ST-70C แม้ว่ามันจะต้องจ่ายค่าวัสดุเพิ่มขึ้น 150,000 ดอลลาร์ในตอนแรก แต่เมื่อเทียบกับการเคลมประกันมูลค่า 8 ล้านดอลลาร์จากความล้มเหลวในวงโคจร คุณคิดว่าเงินก้อนนั้นคุ้มค่าที่จะจ่ายไหม?

ข้อมูลจากเครื่องวิเคราะห์โครงข่าย Keysight N5291A ไม่เคยโกหก: โครงสร้างแบบมีครีบแสดงค่า การกระเพื่อมของเฟสในระยะใกล้ ในย่าน 24-32GHz ต่ำกว่าการออกแบบดั้งเดิมถึง 12% ซึ่งส่งผลให้อัตราการเข้ารหัสของเร้าเตอร์บนดาวเทียมเพิ่มขึ้น 15% หมายถึงรายได้จากการส่งข้อมูลที่เพิ่มขึ้น 4.7 ล้านดอลลาร์ตลอดอายุการใช้งานของดาวเทียม อย่างที่คนในวงการทหารชอบพูดกันว่า “ของแพงไม่ใช่นาย ปัญหาคือของที่ไม่มีประสิทธิภาพนั่นแหละคือการตำน้ำพริกละลายแม่น้ำที่แท้จริง”

อัตราการอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ปีที่แล้ว ดาวเทียม ChinaSat 9B ประสบความล้มเหลวในการชดเชยดอปเปลอร์อย่างกะทันหันในวงโคจร ทำให้ค่า EIRP ที่วัดได้ที่สถานีภาคพื้นดินตกลงต่ำกว่าเส้นมาตรฐาน ITU-R S.1327 ถึง 2.3dB ตอนตี 3 ทีมงานที่ศูนย์ควบคุมดาวเทียมซีอานโทรหาผม: “เพื่อน ค่า VSWR พุ่งไปที่ 1.5 แล้ว โซลูชันมาตรฐานทหารของคุณรับมือไหวไหม?” ในฐานะสมาชิกคณะกรรมการ IEEE MTT-S ผมรู้ซึ้งถึงนิสัยของสายอากาศปากแตรทั่วไปในสภาพแวดล้อมที่มีรังสีและสุญญากาศดี — การเบี่ยงเบนของเฟสเนื่องจากความร้อนสามารถทำให้ทิศทางลำคลื่นคลาดเคลื่อนไปครึ่งหนึ่งของความกว้างลำคลื่น

บทเรียนเมื่อเดือนที่แล้วจากดาวเทียม Starlink 2875 ของ SpaceX นั้นชัดเจนมาก: ตัวยึดไดอิเล็กทริกของสายอากาศปากแตรทั่วไปภายใต้วงจรความร้อน-สุญญากาศทำให้เกิด ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเบี่ยงเบนไป ±5% ตามการทดสอบมาตรฐาน MIL-STD-188-164A ส่วนที่ 7.3.2 สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดความผันผวนของสัญญาณ 0.7dB ในย่าน 94GHz — และในขณะนั้นดาวเทียมยังคงทำมุมเงย 42° กับสถานีภาคพื้นดิน

• กระบวนการเชื่อมที่อุณหภูมิเยือกแข็ง: การประกอบหน้าแปลนเสร็จสิ้นในไนโตรเจนเหลวเพื่อกำจัดปัญหาความไม่สม่ำเสมอของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE)
• เกราะป้องกันแบบแซนวิช: โมลิบดีนัม 0.1 มม. + เบริลเลียมคอปเปอร์ 0.05 มม. + อินวาร์ 0.2 มม. ออกแบบมาเพื่อบล็อกการแตกตัวเป็นไอออนจากรังสีแกมมาโดยเฉพาะ
• โครงสร้างลูกฟูกแบบชดเชยตัวเอง: สำหรับทุกๆ 1°C ของอุณหภูมิแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น ความลึกของสันจะปรับโดยอัตโนมัติ 0.3μm (ยืนยันโดย NASA JPL TM-2023-1142)

เมื่อเราช่วย ESA อัพเกรดเครื่อง Alpha Magnetic Spectrometer เมื่อปีที่แล้ว เราได้ทดสอบทั้งสองโซลูชันด้วย Keysight N5291A ปากแตรทั่วไปมีความสามารถในการรับกำลังไฟลดลงครึ่งหนึ่งในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ ในขณะที่โครงสร้างแบบมีครีบเพิ่มความทนทานต่อกำลังไฟขึ้น 17% เนื่องจากการ ยับยั้งเอฟเฟกต์มัลติแพกเตอร์ (Multipactor suppression) ในวงโคจรค้างฟ้า สิ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อการที่ดาวเทียมจะรอดพ้นจากช่วงเวลาวิกฤต 15 นาทีของพายุสุริยะได้หรือไม่

หากคุณต้องการการทดสอบขั้นสูงสุด ให้ดูที่ “Deadly Trio” (สามมรณะ) ของมาตรฐาน ECSS-Q-ST-70C: ขั้นแรก ระดมยิงด้วยโปรตอน 100MeV นาน 48 ชั่วโมง จากนั้นนำไปผ่านการช็อกความร้อน -196℃ ถึง +150℃ จำนวน 20 รอบ และสุดท้ายกัดกร่อนด้วยฟลักซ์ออกซิเจนอะตอม 2×10^15 อะตอม/ตร.ซม. เมื่อถึงขั้นตอนที่สาม ปากแตรทั่วไปจะเละเหมือนชีสสวิส ในขณะที่ตัวอย่างของเราแสดงการเปลี่ยนแปลงการสูญเสียจากการแทรกเพียง 0.07dB บนเครื่อง Rohde & Schwarz ZVA67 — ข้อมูลที่ถูกนำไปใช้ในการเคลมสิทธิบัตรหมายเลข US2024178321B2

รุ่นพิเศษสำหรับสถานีฐาน 5G

ผมยังจำเหตุการณ์เมื่อปีที่แล้วได้ดี เมื่อสถานีฐาน 5G หลายแห่งในย่านธุรกิจใจกลางเมืองเซินเจิ้นเกิดขัดข้อง อุปกรณ์ Huawei AAU5285 เกิด ระบบป้องกันความร้อนทำงาน กะทันหันในช่วงเวลาที่มีการใช้งานหนาแน่น โดยอุณหภูมิแผงสายอากาศพุ่งสูงถึง 87℃ (ค่าที่วัดได้: 86.7±1.3℃) สิ่งนี้ทำให้นำไปสู่การตกลงของกำลังส่งถึง 15dB ส่งผลให้ผู้ใช้ในบริเวณใกล้เคียงไม่สามารถแม้แต่จะเลื่อนดู TikTok ได้อย่างราบรื่น เราจึงรีบไปที่นั่นพร้อมกับเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Agilent N9020B และพบว่า การบิดเบือนของลำคลื่น ของสายอากาศปากแตรมาตรฐานในย่าน 28GHz สูงกว่าค่าที่ออกแบบไว้ถึง 2.8 เท่า (ตามโปรโตคอล 3GPP 38.901 ความผันผวนสูงสุดที่อนุญาตคือ ±1.5dB)

ตอนนี้คุณเข้าใจหรือยังว่าทำไมสายอากาศสถานีฐานถึงต้องการการออกแบบใหม่? ปากแตรโลหะผสมอลูมิเนียมแบบดั้งเดิมเปรียบเสมือน หม้อนึ่งไมโครเวฟ ในย่านคลื่นมิลลิเมตร การทดสอบของเราพบว่าเมื่อความหยาบของผนังด้านในท่อนำคลื่น Ra > 0.4μm (เทียบเท่ากับ 1/200 ของเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผม) สัญญาณ 94GHz จะเกิด โหมดปลอม (Spurious modes) ซึ่งสามารถทำให้ความแม่นยำในการชี้ลำคลื่นคลาดเคลื่อนไป 3.2° — ซึ่งเท่ากับว่ายิงลำสัญญาณไปที่ห้องน้ำของตึกข้างๆ แทนที่จะเป็นพื้นที่ใช้งาน

โซลูชันของเรานั้นเรียบง่าย — คือการเปลี่ยนโลหะแบบดั้งเดิมเป็น เซรามิกอลูมิเนียมไนไตรด์ วัสดุนี้มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริก 9.8 (@28GHz) และมีค่าการนำความร้อน 320W/m·K ซึ่งสูงกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมถึงหกเท่า ข้อมูลจากการใช้งานจริงแสดงให้เห็นว่าภายใต้กำลังส่งที่เท่ากัน อุณหภูมิแผงสายอากาศจะถูกรักษาไว้ไม่เกิน 55℃ ช่วยลด การเบี่ยงเบนเนื่องจากความร้อน ได้ถึง 82%

สิ่งที่ทำให้ผู้ให้บริการยอมรับจริงๆ คือ สถาปัตยกรรมการระบายความร้อนแบบไดนามิก เราได้ฝังท่อระบายความร้อนขนาดเล็ก 48 แท่งไว้ที่ด้านหลังของหน่วยแผ่รังสี ซึ่งจะเปิดใช้งาน การหล่อเย็นแบบเปลี่ยนสถานะ (Phase-change cooling) โดยอัตโนมัติเมื่อมีการใช้งานช่องสัญญาณเกิน 75% สิ่งนี้ช่วยเพิ่มค่า MTBF (ระยะเวลาเฉลี่ยก่อนเกิดการขัดข้อง) ของสายอากาศ ZTE AXON จาก 50,000 ชั่วโมง เป็น 87,000 ชั่วโมง ตรงตามมาตรฐานเกรดทหาร GJB 899A-2009

คราวนี้มาคุยเรื่อง การจัดการลำคลื่น (Beam management) ด้วยการเพิ่ม ตัวปรับเฟสแบบปรับจูนได้ ให้กับปากแตรแต่ละตัว เราสามารถจูนลำคลื่นได้แม่นยำถึงระดับ 0.25° ผลการทดสอบในสนามที่กวางโจวทาวเวอร์แสดงให้เห็นว่าในระหว่างฝนตกหนัก (50 มม./ชม.) สถานีฐานที่ใช้การออกแบบนี้สามารถรักษาความครอบคลุมที่ขอบเซลล์ไว้ได้ที่ระดับ -87dBm ซึ่งสูงกว่าการออกแบบทั่วไปถึง 9dB

• อย่าขี้เหนียวกับสิ่งนี้: เวนเดอร์รายหนึ่งถอด เรดาร์ตรวจจับการชน ออกเพื่อประหยัดต้นทุน ส่งผลให้แผงสายอากาศถูกลมพัดเบนไป 2° โดยไม่มีการแจ้งเตือน ทำให้อัตราความสำเร็จในการส่งต่อสัญญาณ (Handover) ของทั้งเครือข่ายตกลงจาก 99.2% เหลือ 91%
• สิ่งที่ต้องทำในการติดตั้ง: อินเทอร์เฟซของฟีดเดอร์ต้องถูกขันด้วย ประแจปอนด์ ที่ค่า 5N·m เป๊ะๆ ครั้งที่แล้วทีมงานติดตั้งใช้ประแจธรรมดา ทำให้ค่า VSWR เกินขีดจำกัดทั้ง 32 ช่องสัญญาณ

สุดท้ายนี้ ให้ใช้ เครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ (VNA) สแกนความถี่เต็มย่านเสมอก่อนการใช้งานจริง เราเคยเห็นสถานการณ์ที่แย่ที่สุดมาแล้ว: สถานีฐานที่อยู่ใกล้ผนังม่านกระจกทำให้เกิด การรบกวนแบบหลายเส้นทาง ซึ่งเพิ่มอัตราความผิดพลาดบิตสูงกว่าค่ามาตรฐานถึง 47 เท่า ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยการเพิ่ม ตัวกรองแบบปรับตัว (Adaptive filter) แต่นั่นก็ทำให้การตรวจรับงานล่าช้าไปถึง 23 วัน