พารามิเตอร์การกระเจิงหรือพารามิเตอร์ S เป็นเครื่องมือพื้นฐานที่สำคัญต่อการกำหนดลักษณะเครือข่ายความถี่สูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในความถี่วิทยุ (RF) ไมโครเวฟ และแอปพลิเคชันดิจิทัลความเร็วสูง ซึ่งแตกต่างจากพารามิเตอร์อิมพีแดนซ์ หรือพารามิเตอร์แอดมิทแทนซ์แบบเดิม

พารามิเตอร์ S จะอธิบายถึงการแพร่กระจายของสัญญาณไฟฟ้า ผ่านเครือข่าย ทำให้พารามิเตอร์เหล่านี้จำเป็นต่อการวิเคราะห์วงจร และระบบสมัยใหม่ ในบทความนี้จึงนำเสนอแนวทางปฏิบัติในการทำความเข้าใจพารามิเตอร์ S การวัดโดยใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่าย รวมถึงการใช้งานจริง โดยผู้อ่านสามารถเข้าใจการวัด ตีความแปรผล และใช้พารามิเตอร์ S ได้อย่างชัดเจนและมีประสิทธิภาพ

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับพารามิเตอร์ S

คำจำกัดความและพื้นฐาน

พารามิเตอร์ S คือชุดพารามิเตอร์เชิงเส้นที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ใช้ในการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างคลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนใน เครือข่ายไฟฟ้า

พารามิเตอร์เหล่านี้แสดงในรูปแบบเมทริกซ์ องค์ประกอบ Sij แต่ละอันแสดงถึงการตอบสนองที่พอร์ต I อันเนื่องมาจากอินพุตที่พอร์ต j

สำหรับเครือข่ายสองพอร์ต เมทริกซ์พารามิเตอร์ S คือ

                             [b₁ b₂]  = [S₁₁ S₁₂ S₂₁ S₂₂]   [a₁ a₂]  

ซึ่ง   a₁,a₂  = คลื่นตกกระทบ

      b₁, b₂ = คลื่นสะท้อน

     S₁₁  = ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับของอินพุต

     S₂₁  = ค่าเกนการส่งไปข้างหน้า

     S₁₂  = ค่าเกนการส่งกลับ

     S₂₂  = ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับของเอาต์พุต

ทำไมต้องใช้พารามิเตอร์ S?

• เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูง ซึ่งแตกต่างจากพารามิเตอร์ Z หรือ Y  โดยพารามิเตอร์ S จะหลีกเลี่ยงสภาวะวงจรเปิด/ ไฟฟ้าลัด วงจร ซึ่งไม่เหมาะกับความถี่ RF/ไมโครเวฟ
• การวิเคราะห์กำลังไฟฟ้า เกี่ยวข้องโดยตรงกับการถ่ายเท ของพลังงาน ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน RF และไมโครเวฟเป็นอย่างมาก
• วิธีการวัดง่าย สามารถใช้เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายวัดพารามิเตอร์ S ได้โดยตรง โดยไม่ต้องมีการตรวจสอบแบบใช้ prob ในการตรวจวัด

หลักพื้นฐานของเครื่่องวิเคราะห์เครือข่าย

ประเภทเครื่องวิเคราะห์โครงข่าย

1. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ (VNA) วัดทั้งขนาดและเฟสของพารามิเตอร์ S
2. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายสเกลาร์ (SNA) วัดเฉพาะขนาดเท่านั้น (ราคาถูกกว่าแต่มีข้อจำกัด)

ส่วนประกอบหลัก VNA ประกอบด้วย

1. แหล่งกำเนิดสัญญาณ กวาดความถี่ที่ต้องการ
2. ตัวเชื่อม/ตัวแยกทิศทาง เพื่อแยกคลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อน
3. ตัวรับหรือภาครับ ในการตรวจจับแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณ

การตั้งค่าหรือการ Calibration

การ Calibration เป็นสิ่งสำคัญที่ใช้ในการขจัดข้อผิดพลาดของระบบ โดยทั่วไปมี  2 แบบคือ

• SOLT (Short-Open-Load-Thru) การ calibrationที่มีทั้งหมด 4 ขั้นตอน ใช้ลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากสายสัญญาณ หัวสาย และตัวเครื่อง VNA ซึ่งเป็นการวัดตามมาตรฐานอ้างอิงที่ถูกต้อง
• TRL (Thru-Reflect-Line) การ calibrationที่มีทั้งหมด 3 ขั้นตอน ใช้เพิ่มความแม่นยำให้สูงขึ้น โดยที่ไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับ สภาพแวดล้อมที่ไม่มีขั้วต่อ เช่น PCB โพรบบนเวเฟอร์ เป็นต้น

การวัดค่าพารามิเตอร์ S

1. การวัดค่าพอร์ตเดียวเทียบกับหลายพอร์ต

• Single port วัด S₁₁  ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน
• Two port วัดแบบเต็มระบบ  S₁₁, S₁₂,  S₂₁, S₂₂‍

2. ขั้นตอนการวัดทีละขั้นตอน

1. เชื่อมต่อ DUT (อุปกรณ์ที่ทดสอบ) กับ VNA โดยใช้สายเคเบิลที่เหมาะสม
2. เลือกช่วงความถี่ (เช่น 1 GHz ถึง 10 GHz)
3. ดำเนินการสอบเทียบ (SOLT/TRL)
4. เริ่มการกวาดและบันทึกพารามิเตอร์ S
5. วิเคราะห์ข้อมูล (แผนภูมิ Smith Chart, กราฟขนาด/เฟส)

การแปรข้อมูลพารามิเตอร์ S

1. การวิเคราะห์ขนาดและเฟส
   - ขนาด (dB): S21Insertion loss/gain,  S11 Return loss (คุณภาพการจับคู่)
   - เฟส: ระบุเวลาหน่วงและการกระจายตัว
2. การแสดงแผนภูมิสมิธชาร์ต
   แผนภูมิสมิธชาร์ตแสดงการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์
   - จุดศูนย์กลาง 50Ω ( จับคู่ตรงกันอย่างสมบูรณ์)
   - วงกลมด้านนอก มีการสะท้อน (reflection) สูง

ความท้าทายและแนวทางแก้ไขทั่วไป

1. ข้อผิดพลาดในการวัดและการตั้งค่าCalibration เช่น งอสายเคเบิล ทำให้เฟสไม่เสถียร นอกจากนี้ ความสามารถในการทำซ้ำ ของข้อต่อสาย ต้องใช้ประแจแรงบิดเพื่อให้เชื่อมต่อสม่ำเสมอ
2. เงื่อนไขการวัดอื่นๆ การหาค่าเฉลี่ยของสัญญาณรบกวน เพิ่มจุดกวาดหรือปัจจัยการหาค่าเฉลี่ย มีผลต่อการแปรค่าของพารามิเตอร์ S

การนำพารามิเตอร์ S ไปประยุกต์ใช้งาน

1. วิศวกรรมไฟฟ้าด้านการสื่อสาร RF และไมโครเวฟ การออกแบบเสาอากาศ การกำหนดลักษณะของตัวกรองการวิเคราะห์เสถียรภาพของตัวขยายสัญญาณ
2. การออกแบบวงจรดิจิทัลความเร็วสูง
3. การวิเคราะห์วงจร PCB การประเมินครอสทอล์ค หรือการสูญเสีย

บทสรุป

พารามิเตอร์ S มีกรอบทำงานในการวัดและแสดงคุณภาพ ในการวิเคราะห์เครือข่ายความถี่สูง เทคนิคการวัด การตั้งค่า Calibration และการแปรผลพารามิเตอร์ที่เหมาะสม พารามิเตอร์ S จึงสำคัญต่อการทำให้ผลลัพธ์แม่นยำขึ้น ไม่ว่าจะเป็นใน RF ไมโครเวฟ หรือแอปพลิเคชันวงจรดิจิทัลความเร็วสูง การเรียนรู้พารามิเตอร์ S จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการออกแบบและการแก้ไขปัญหาระบบเครือข่ายสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพ

‍