CoverLogo (34)

แม่เหล็กประดิษฐ์ช่วยย่อขนาดสายอากาศ เพิ่มประสิทธิภาพการส่งสัญญาณ

บทความนี้เป็นการนำเสนอการออกแบบสายอากาศจากวัสดุไดอิเล็กทริกขนาดเล็กสำหรับพกพา ที่สามารถนำไปใช้งานในเครื่องมือสื่อสาร การลดขนาดที่เล็กลงนี้จะช่วยส่งผลให้เกิดความสะดวกสบายในการพกพา สามารถบรรจุไว้ในพื้นที่เก็บขนาดแคบๆได้เช่น กระเป๋าเงินอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น ทีมวิจัยจึงทุ่มเทเพื่อประดิษฐ์สิ่งอำนวยความสะดวกนี้ขึ้นมาเพื่อให้เกิดการตอบสนองต่อการนำไปใช้งานดีที่สุดและสามารถนำไปใช้งานได้ในทุกที่แม้พื้นที่จะแคบก็ตาม ทำความรู้จักกับวัสดุประดิษฐ์นี้ได้จากบทความนี้

แหล่งที่มาของงานวิจัย

ปัจจุบันการสื่อสารไร้สายได้ถูกพัฒนามาถึงยุค 3G/4G/LTE และกำลังมุ่งไปสู่ยุค 5G ใน อนาคตอันใกล้ อุปกรณ์สื่อสารต่างๆถูกพัฒนาให้มีขนาดเล็กลง มีฟังก์ชั่นการใช้งานหลากหลายมากขึ้น อุปกรณ์สื่อสารไร้สายเคลื่อนที่ในปัจจุบัน เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์แบบพกพา โทรศัพท์มือถือ ซึ่งบางลงกว่าเดิมและมีความกะทัดรัด รองรับฟังก์ชันการทำงานได้มากขึ้น ดังนั้นสายอากาศภายในก็ต้องพัฒนาตามให้มีขนาดเล็กลง รองรับการทำงานได้มากขึ้นเช่นกัน

งานวิจัยนี้จะนำเสนอวิธีการลดขนาดสายอากาศโดยใช้วัสดุฐานรองแม่เหล็กประดิษฐ์ หรือ Magneto Dielectric Substrate โดยใช้วัสดุฐานรอง Eccosorb MF-124 เป็นวัสดุฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็กเพื่อใช้ลดขนาดของสายอากาศ ซึ่งได้แสดงค่าคุณลักษณะเฉพาะตัวของวัสดุฐานรองที่ใช้ คือค่าสภาพยอมไฟฟ้า ค่าสภาพซึมซาบแม่เหล็ก โดยมีค่าสภาพยอมไฟฟ้าสัมพัทธ์และสภาพซึมซาบแม่เหล็กสัมพัทธ์ในช่วงความถี่ใช้งาน เท่ากับ 22.25 – j0.4 และ 7.05 – j1.24 ตามลำดับ วัสดุฐานรองแม่เหล็กประดิษฐ์ เป็นวัสดุที่ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ได้จากการสังเคราะห์ขึ้นมา พารามิเตอร์ที่สำคัญที่มีผลต่อการลดขนาดของสายอากาศคือ ค่าสภาพยอมไฟฟ้ากับค่าสภาพซึมซาบแม่เหล็ก

การกำหนดระยะการวางโครงสร้างสายอากาศ ด้วยเทคนิค Meander Line

งานวิจัยนี้ ได้ทำการออกแบบและวิเคราะห์พารามิเตอร์ที่เหมาะสมของสายอากาศ และทำการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของสายอากาศ เพื่อให้สายอากาศมีช่วงความถี่ตั้งแต่ 470 ถึง 960 MHz และใช้การแพร่กระจายคลื่นแบบรอบทิศทางตลอดย่านความถี่ใช้งาน โดยการกระจายกระแสเชิงพื้นผิวของสายอากาศ เป็นที่มาของการปรับโครงสร้างหลักเพื่อให้ได้พารามิเตอร์ที่เหมาะสม ดังนี้ ความยาวของเส้นสตริป(lG) จำนวนloop ของ Meander Line และ ความหนาของวัสดุฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็ก(MD) โดยมีค่าพารามิเตอร์ที่ควบคุม ดังนี้ ค่าพารามิเตอร์ เริ่มต้นมีดังนี้ ความยาวระนาบกราวนด์ด้านบน(LH)และด้านล่าง(LL) ของตัวแพร่กระจายคลื่น มีความกว้าง 40 mm และความยาว(H) 85 mm และ ฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็กมีความยาว 25 mm และความกว้าง 10 mm

จากตำแหน่งเชื่อมต่อระหว่างจุดป้อนสัญญาณกับ Meander Line ปรับความยาวของเส้นสตริป(lG)ระหว่างกราวนด์ด้านบนและด้านล่าง ปรับจำนวน Loop ของ Meander Line รวมถึงปรับความหนาของวัสดุฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็ก ผลการจำลองโดยพิจารณาที่อิมพีแดนซ์แบนด์วิดธ์ |S11| < -6 dB ตลอดย่านความถี่ใช้งานที่ต้องการ ตั้งแต่ 470-960 MHz พบว่าช่วงความถี่ที่เหมาะสมจะอยู่ห่างจากขอบบนของ Meander Line ลงมาที่ระยะ 2 mm ส่วน ความยาวของเส้นสตริปที่ดีที่สุดจะมีความยาวอยู่ที่ 40 mm จำนวนรอบของ Meander Line(N) ที่ดีที่สุดอยู่ที่ 6 รอบ และ ความหนาของวัสดุฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็กเท่ากับ 1 mm

ผสานการลดขนาดสายอากาศร่วมด้วย 2 เทคนิค

หลังจากการปรับลดขนาดของสายอากาศโดยใช้วัสดุไดอิเล็กตริกแม่เหล็กสำหรับอุปกรณ์สื่อสาร เคลื่อนที่โดยการนำเทคนิคที่ใช้ในการลดขนาดสายอากาศ 2 วิธีการมาทำงานร่วมกันคือ เทคนิค Meander Line และ วัสดุฐานรองไดอิเล็กตริกแม่เหล็ก โครงสร้างของสายอากาศประกอบด้วยตัวแพร่กระจายคลื่นซึ่งใช้เทคนิค Meander line (MLA) วางอยู่บนขอบล่างของระนาบกราวนด์ด้านบน ของโครงสร้างชนิดฝาพับ (ตำแหน่ง A) ซึ่งระนาบกราวด์ด้านบนและด้านล่างเชื่อมต่อผ่านเส้นไมโครสตริป (ตำแหน่ง B) ส่วนแพร่กระจายคลื่น MLA ถูกวางทับด้วยวัสดุไดอิเล็กตริกแม่เหล็ก (Eccosorb MF-124) สายอากาศที่ออกแบบมีขนาดทางกายภาพเล็กมากเท่ากับ 10 mm × 25 mm × 1 mm หรือมีขนาดทางไฟฟ้า เท่ากับ 0.015λ × 0.039λ × 0.0015λ โดยคิดเทียบที่ความถี่ 470 MHz สายอากาศที่นำเสนอมีแบบรูปการแพร่กระจายคลื่นแบบรอบทิศทาง ผลผลการทดสอบช่วงกว้างความถี่ (Bandwidth) ต่ำกว่า -6 dB ครอบคลุมย่านความถี่ตั้งแต่ 467 MHz ถึง 1012 MHz คิดเป็น เปอร์เซ็นต์ 73.6% โดยมีค่าประสิทธิภาพการแพร่กระจายคลื่นมากกว่า 90% ซึ่งเหมาะสมกับการใช้ งานระบบสื่อสารแบบ DVB-H/LTE13/GSM850/900

ในงานวิจัยนี้ ทําให้เห็นว่าการลดขนาดของสายอากาศอย่างมีประสิทธิภาพเป็นปัญหาที่ท้าทายเพราะมักต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่งระหว่างขนาดและสมรรถนะของสายอากาศด้วยเหตุที่ว่าประสิทธิภาพของสายอากาศขึ้นอยู่กับข้อจำกัดขั้นพื้นฐานที่ขึ้นอยู่กับขนาดของสายอากาศ รวมถึงชนิดของวัสดุที่ใช้ในการทำไดอิเล็กตริกแม่เหล็กด้วยเช่นกัน โดยหากใช้สายอากาศที่ความถี่ที่ใช้งานต่ำ(ต่ำกว่า 30 MHz) สารประกอบของ spinel ferrite และวัสดุ high-dielctric เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดที่จะทำให้เกิดค่าดัชนีการหักเหสูง เมื่อความถี่ที่ใช้งานอยู่ระหว่าง 30 MHz ถึง 100 MHz ควรใช้วัสดุ spinel-based เป็นวัสดุไดอิเล็กตริกแม่เหล็กเพื่อให้เกิดค่าดัชนีการหักเหสูงและการสูญเสียต่ำ แต่เมื่อความถี่ที่ใช้งานอยู่ระหว่าง 100 MHz ถึง 500 MHz การใช้วัสดุ hexagonal-based เป็นวัสดุไดอิเล็กตริกแม่เหล็กจะให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า และเมื่อความถี่ที่ใช้งานมากกว่า 500 MHz การใช้ สารประกอบของ hexaferrite และ organic medium จะทำให้ได้ค่าสภาพความยอมไฟฟ้าสัมพัทธ์และค่าสภาพซึมซาบแม่เหล็กสัมพัทธ์ที่เหมาะสมใกล้เคียงกัน

แนวทางการพัฒนาในอนาคต

ไม่แน่ว่าในอนาคตอาจจะเห็นสายอากาศที่ถูกออกแบบจากงานวิจัยนี้อยู่บนอุปกรณ์สื่อสารที่สามารถเชื่อมต่อข้อมูลระหว่างอุปกรณ์สื่อสารที่อยู่ในระยะใกล้กันได้ โดยข้อมูลที่เชื่อมต่อกันนั้น จะถูกส่งไปยังแหล่งรับสัญญาณที่อยู่ระยะไกลได้อีกด้วย ซึ่งเป็นการทำงานร่วมกันระหว่างการสื่อสารระยะใกล้และระยะไกล เช่น สามารถชำระเงินผ่านอุปกรณ์สื่อสารได้โดยตรงด้วยวิธีการง่ายๆเพียงการแตะบัตรที่มีชิปการ์ดลงบนอุปกรณ์สื่อสาร ก็สามารถทำธุรกรรมได้เลยทันที เพื่อตอบโจทย์ความต้องการความสะดวกสบายของมนุษย์ในยุคเทคโนโลยีเช่นนี้

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “สายอากาศลดขนาด โดยใช้วัสดุไดอิเล็กตริกแม่เหล็กสำหรับอุปกรณ์สื่อสาร”

หัวหน้าโครงการ : บัญชา เหลือแดง
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist