เสาอากาศไมโครสตริปเป็นเสาอากาศอเนกประสงค์ที่มีโปรไฟล์ต่ำซึ่งทำงานโดยการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากแผ่นตัวนำบนพื้นผิวไดอิเล็กทริก
เสาอากาศหรือสายอากาศในวิศวกรรมวิทยุ คือ ตัวแปลงสัญญาณ ชนิดพิเศษ ออกแบบโดยตัวนำหลายชุดที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับ หน้าที่หลักของเสาอากาศคือการส่งและรับคลื่นวิทยุอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทางแนวนอน เสาอากาศมีหลากหลายประเภทและรูปทรง เสาอากาศขนาดเล็กมักพบบนหลังคาบ้านเพื่อดูโทรทัศน์ ส่วนเสาอากาศขนาดใหญ่จะรับสัญญาณจากดาวเทียมดวงต่างๆ ที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ เสาอากาศเคลื่อนที่ทั้งในแนวตั้งและแนวนอนเพื่อจับและส่งสัญญาณ มี เสาอากาศหลายประเภท เช่น รูรับแสง ลวด เลนส์ ตัวสะท้อนแสง ไมโครสตริป ล็อกคาบ อาร์เรย์ และอื่นๆ อีกมากมาย บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของ เสาอากาศไมโครสตริป
เสาอากาศที่ขึ้นรูปโดยการกัดวัสดุนำไฟฟ้าเหนือพื้นผิวไดอิเล็กทริก เรียกว่าเสาอากาศไมโครสตริปหรือเสาอากาศแพทช์ บนระนาบกราวด์ของเสาอากาศไมโครสตริปนี้ วัสดุไดอิเล็กทริกจะถูกติดตั้งไว้ โดยระนาบนี้รองรับโครงสร้างทั้งหมด นอกจากนี้ การกระตุ้นเสาอากาศนี้สามารถทำได้ผ่านสายป้อนที่เชื่อมต่อกับแพทช์ โดยทั่วไป เสาอากาศเหล่านี้ถือเป็นเสาอากาศโปรไฟล์ต่ำที่ใช้ในงานที่ใช้ความถี่ไมโครเวฟที่มีความถี่สูงกว่า 100 เมกะเฮิรตซ์
สามารถเลือกไมโครสตริป/แพตช์ของเสาอากาศให้เป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า สี่เหลี่ยมจัตุรัส วงรี และวงกลมได้ เพื่อความสะดวกในการวิเคราะห์และประดิษฐ์ เสาอากาศไมโครสตริปบางรุ่นไม่ได้ใช้แผ่นรองรับไดอิเล็กทริก แต่ทำจากแผ่นโลหะที่ติดตั้งบนแผ่นกราวด์เพลนพร้อมตัวเว้นระยะไดอิเล็กทริก ดังนั้นโครงสร้างที่ได้จึงมีความแข็งแรงน้อยกว่า แต่แบนด์วิดท์จะกว้างกว่า
การออกแบบเสาอากาศไมโครสตริปสามารถทำได้โดยใช้แผ่นโลหะบางมาก โดยจัดวางบนแผ่นกราวด์ระหว่างวัสดุไดอิเล็กทริก ซึ่งวัสดุไดอิเล็กทริกเป็นวัสดุรองรับที่ใช้แยกแผ่นโลหะออกจากแผ่นกราวด์ เมื่อเสาอากาศนี้ถูกกระตุ้น คลื่นที่เกิดขึ้นในแผ่นไดอิเล็กทริกจะสะท้อนกลับ และพลังงานที่ปล่อยออกมาจากขอบแผ่นโลหะจะมีค่าต่ำมาก รูปทรงของเสาอากาศเหล่านี้สามารถระบุได้จากรูปร่างแผ่นโลหะที่จัดวางบนวัสดุไดอิเล็กทริก
โดยทั่วไปแล้ว แถบ/แพตช์และสายฟีดจะถูกกัดด้วยแสงบนพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ เสาอากาศไมโครสตริปมีรูปร่างต่างๆ เช่น สี่เหลี่ยมจัตุรัส ไดโพล สี่เหลี่ยมผืนผ้า วงกลม วงรี และไดโพล เรารู้ว่าแพตช์สามารถขึ้นรูปได้หลากหลายรูปทรง แต่เนื่องจากการผลิตที่ง่าย จึงมักใช้แพตช์รูปวงกลม สี่เหลี่ยมจัตุรัส และสี่เหลี่ยมผืนผ้า
เสาอากาศไมโครสตริปสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยกลุ่มของแพตช์ต่างๆ เหนือแผ่นรองรับไดอิเล็กทริก สายป้อนแบบเดี่ยวหรือหลายเส้นจะถูกใช้เพื่อกระตุ้นเสาอากาศไมโครสตริป ดังนั้นการมีอาร์เรย์องค์ประกอบไมโครสตริปจึงให้ทิศทางที่ดีกว่า อัตราขยายสูง และช่วงส่งสัญญาณที่เพิ่มขึ้นพร้อมสัญญาณรบกวนต่ำ
เสาอากาศไมโครสตริปทำงานดังนี้ เมื่อใดก็ตามที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสายป้อนเข้าสู่แถบของเสาอากาศไมโครสตริป คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น ดังนั้นคลื่นเหล่านี้จากแพตช์จะเริ่มแผ่ออกมาจากด้านความกว้าง อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของแถบมีขนาดเล็กมาก คลื่นที่เกิดขึ้นในแผ่นรองรับจะสะท้อนผ่านขอบของแถบ โครงสร้างแถบที่คงที่ตลอดความยาวทำให้ไม่สามารถปล่อยรังสีออกมาได้
ความสามารถในการแผ่คลื่นต่ำของเสาอากาศไมโครสตริปทำให้ครอบคลุมเฉพาะการส่งสัญญาณคลื่นที่มีระยะทางสั้น เช่น ร้านค้า สถานที่ภายในอาคาร หรือสำนักงานท้องถิ่น ดังนั้น การส่งสัญญาณคลื่นที่ไม่มีประสิทธิภาพนี้จึงไม่เป็นที่ยอมรับในพื้นที่ศูนย์กลางที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่มาก โดยทั่วไปแล้ว เสาอากาศแบบแพทช์จะให้การครอบคลุมแบบครึ่งวงกลมที่มุม 30⁰ – 180⁰ ที่ระยะห่างจากฐานยึด
ข้อมูลจำเพาะของเสาอากาศไมโครสตริปมีดังต่อไปนี้
มีเสาอากาศไมโครสตริปหลายประเภทให้เลือกใช้ ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง
เสาอากาศแพทช์ไมโครสตริป
เสาอากาศประเภทนี้เป็นเสาอากาศแบบโปรไฟล์ต่ำ (low-profile) ซึ่งมีแผ่นโลหะวางเรียงกันที่ระดับพื้นดินผ่านวัสดุไดอิเล็กทริก เสาอากาศประเภทนี้มีขนาดเล็กมากและมีรังสีต่ำ เสาอากาศชนิดนี้มีแผ่นโลหะแผ่รังสีอยู่ด้านหนึ่งของแผ่นฐานไดอิเล็กทริก และอีกด้านหนึ่งมีแผ่นกราวด์เพลน
โดยทั่วไป แพทช์จะทำจากวัสดุตัวนำ เช่น ทองหรือทองแดง เสาอากาศประเภทนี้สามารถขึ้นรูปด้วยวิธีไมโครสตริปได้ง่ายๆ เพียงแค่ขึ้นรูปบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เสาอากาศประเภทนี้ใช้ในงานที่ใช้ความถี่ไมโครเวฟซึ่งมีความถี่สูงกว่า 100 เมกะเฮิรตซ์
เสาอากาศไดโพลไมโครสตริป
เสาอากาศไดโพลไมโครส ตริป เป็นตัวนำไมโครสตริปแบบบาง วางอยู่บนส่วนฐานรองรับจริง และถูกหุ้มด้วยโลหะทั้งหมดบนด้านหนึ่งที่เรียกว่ากราวด์เพลน เสาอากาศเหล่านี้ใช้ในอุปกรณ์สื่อสารดิจิทัล เช่น คอมพิวเตอร์ และโหนดสำหรับเครือข่ายไร้สาย (WLAN) เสาอากาศประเภทนี้มีความกว้างน้อย จึงสามารถใช้งานได้ที่จุดเชื่อมต่อของระบบไร้สาย (WLAN)
เสาอากาศช่องพิมพ์
เสาอากาศแบบช่องพิมพ์มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มแบนด์วิดท์ของเสาอากาศด้วยรูปแบบการแผ่รังสีในทั้งสองทิศทาง ความไวของเสาอากาศนี้ต่ำเมื่อเทียบกับเสาอากาศทั่วไป เสาอากาศเหล่านี้จำเป็นต้องใช้ตลอดสายป้อน ซึ่งจัดวางในแนวกลับด้านกับแผ่นรองรับ และจัดวางในแนวตั้งกับแกนช่องที่จัดวางไว้เหนือแผ่นแพทช์
เสาอากาศคลื่นเดินทางไมโครสตริป
เสาอากาศแบบคลื่นเคลื่อนที่ไมโครสตริปส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้มีสายไมโครสตริปยาวและมีความกว้างเพียงพอสำหรับรองรับการเชื่อมต่อ TE เสาอากาศไมโครชิปประเภทนี้ได้รับการออกแบบให้ลำแสงหลักอยู่ในทุกเส้นทางตั้งแต่แนวหน้าไปจนถึงแนวท้าย
เสาอากาศไมโครสตริปมีวิธีการป้อนสองวิธี ได้แก่ ป้อนแบบสัมผัสและป้อนแบบไม่สัมผัส ซึ่งจะอธิบายไว้ด้านล่าง
พลังงานในฟีดสัมผัสจะจ่ายไปยังองค์ประกอบการแผ่รังสีโดยตรง ดังนั้นจึงสามารถทำได้โดยใช้สายโคแอกเซียล/ไมโครสตริป วิธีการป้อนแบบนี้แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ฟีดไมโครสตริปและฟีดโคแอกเซียล ซึ่งจะอธิบายต่อไป
ฟีดไมโครสตริป
ไมโครสตริปฟีดเป็นแถบตัวนำที่มีความกว้างน้อยกว่าความกว้างขององค์ประกอบแผ่รังสีมาก เส้นฟีดช่วยให้สามารถกัดกร่อนเหนือวัสดุพิมพ์ได้ง่าย เนื่องจากแผ่นมีขนาดเล็กกว่า ข้อดีของการจัดเรียงฟีดแบบนี้คือ สามารถกัดกร่อนวัสดุพิมพ์ที่คล้ายกันบนวัสดุพิมพ์เดียวกันได้ เพื่อให้ได้โครงสร้างแบบระนาบ เส้นฟีดที่เข้าหาโครงสร้างสามารถจัดวางได้ระหว่างกึ่งกลาง เยื้อง หรือแทรก วัตถุประสงค์หลักของการตัดแทรกภายในแพตช์คือเพื่อให้ค่าอิมพีแดนซ์ของเส้นฟีดตรงกับแพตช์โดยไม่ต้องใช้องค์ประกอบที่จับคู่เพิ่มเติม
ฟีดโคแอกเซียล
วิธีการป้อนสัญญาณแบบนี้เป็นวิธีการป้อนสัญญาณแบบ non-planar ที่ใช้สายโคแอกเซียล z ในการป้อนสัญญาณไปยังแพทช์ วิธีการป้อนสัญญาณนี้ใช้กับเสาอากาศไมโครสตริป โดยตัวนำภายในจะเชื่อมต่อโดยตรงกับแพทช์ ในขณะที่ตัวนำภายนอกจะเชื่อมต่อกับแผ่นกราวด์
อิมพีแดนซ์จะเปลี่ยนแปลงไปตามความแตกต่างของการจัดเรียงของฟีดโคแอกเซียล เมื่อเชื่อมต่อสายฟีดที่จุดใดก็ได้ในแพทช์ การจับคู่อิมพีแดนซ์ก็จะง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อสายฟีดตลอดระนาบกราวด์นั้นค่อนข้างยาก เนื่องจากต้องเจาะรูภายในซับสเตรต วิธีการป้อนแบบนี้ง่ายมากและมีการแผ่รังสีปลอมน้อยกว่า แต่ข้อเสียหลักคือการเชื่อมต่อกับขั้วต่อระนาบกราวด์
กำลังไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังองค์ประกอบการแผ่รังสีจากสายป้อนด้วยการเชื่อมต่อด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า วิธีการป้อนเหล่านี้มีให้เลือกสามประเภท ได้แก่ การเชื่อมต่อแบบรูรับแสง การเชื่อมต่อแบบใกล้ชิด และการเชื่อมต่อแบบสาขา
ฟีดแบบจับคู่รูรับแสง
เทคนิคการป้อนสัญญาณแบบช่องเปิดประกอบด้วยแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกสองแผ่น ได้แก่ แผ่นรองรับไดอิเล็กทริกของเสาอากาศ และแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกแบบป้อน ซึ่งแบ่งออกได้ง่ายๆ ผ่านระนาบกราวด์และมีช่องว่างตรงกลาง แผ่นโลหะจะอยู่เหนือแผ่นรองรับของเสาอากาศ ในขณะที่ระนาบกราวด์จะอยู่บนอีกด้านหนึ่งของแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกของเสาอากาศ เพื่อเป็นการแยกสัญญาณ สายป้อนและแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกแบบป้อนจึงถูกจัดวางไว้อีกด้านหนึ่งของระนาบกราวด์
เทคนิคการป้อนแบบนี้ให้ความบริสุทธิ์ของโพลาไรเซชันที่โดดเด่น ซึ่งเทคนิคการป้อนแบบอื่นไม่สามารถทำได้ ฟีดแบบ Aperture Couple ให้แบนด์วิดท์สูงและมีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานที่เราไม่ต้องการใช้สายจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง ข้อเสียหลักของเทคนิคการป้อนแบบนี้คือต้องอาศัยการขึ้นรูปหลายชั้น
ฟีดที่จับคู่แบบใกล้ชิด
ฟีดแบบ Proximity-coupled เรียกอีกอย่างว่าฟีดทางอ้อมในกรณีที่ไม่มีกราวด์เพลน เมื่อเทียบกับเสาอากาศฟีดแบบ Aperture-coupled แล้ว การผลิตฟีดแบบนี้ทำได้ง่ายมาก บนพื้นผิวนำไฟฟ้าของเสาอากาศจะมีช่องสำหรับเชื่อมต่อ และมีการต่อเชื่อมด้วยสายไมโครสตริป
วิธีการป้อนสัญญาณแบบนี้ให้การแผ่รังสีปลอมต่ำและมีแบนด์วิดท์สูง เส้นป้อนสัญญาณในวิธีนี้จะอยู่ระหว่างแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกสองแผ่น ขอบเส้นป้อนสัญญาณจะถูกจัดวาง ณ จุดใดจุดหนึ่งที่ความต้านทานอินพุตของเสาอากาศไมโครสตริปอยู่ที่ 50 โอห์ม เทคนิคการป้อนสัญญาณแบบนี้มีประสิทธิภาพแบนด์วิดท์ที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีการแบบอื่นๆ ข้อเสียหลักของเทคนิคนี้คือ การผลิตแบบหลายชั้นทำได้ง่ายและมีความบริสุทธิ์ของโพลาไรเซชันต่ำ
ฟีดสายสาขา
ในเทคนิคการป้อนสายสาขา แถบตัวนำจะเชื่อมต่อโดยตรงกับขอบแพตช์ของไมโครสตริป เมื่อเทียบกับแพตช์ ความกว้างของแถบตัวนำจะน้อยกว่า ประโยชน์หลักของเทคนิคการป้อนนี้คือ ฟีดจะถูกกัดกร่อนลงบนวัสดุพิมพ์ที่คล้ายกัน เพื่อให้ได้โครงสร้างแบบระนาบ
สามารถรวมการตัดแบบ inset เข้ากับแผ่นปะเพื่อให้ได้ค่าอิมพีแดนซ์ที่ตรงกันอย่างยอดเยี่ยม โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์จับคู่เพิ่มเติมใดๆ วิธีนี้สามารถทำได้โดยการควบคุมตำแหน่งของ inset ให้ถูกต้อง มิฉะนั้น เราสามารถตัดร่องและกัดออกจากแผ่นปะให้ได้ขนาดที่เหมาะสม นอกจากนี้ เทคนิคการป้อนแบบนี้ยังถูกนำไปใช้และเรียกว่าเทคนิคการป้อนแบบ branch line
กราฟิกที่แสดงถึงคุณสมบัติการแผ่รังสีของเสาอากาศเรียกว่ารูปแบบการแผ่รังสี ซึ่งอธิบายถึงวิธีที่เสาอากาศปล่อยพลังงานออกสู่อวกาศ การเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าซึ่งเป็นฟังก์ชันของมุมรับส่งจะถูกตรวจสอบในสนามระยะไกลของเสาอากาศ
รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศไมโครสตริปมีความกว้างและมีกำลังการแผ่รังสีน้อยกว่าและความถี่ BW แคบ รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศไมโครสตริปแสดงไว้ด้านล่าง ซึ่งมีค่าการแผ่รังสีน้อยกว่า การใช้เสาอากาศเหล่านี้ทำให้สามารถสร้างอาร์เรย์ที่มีค่าการแผ่รังสีสูงกว่าได้
คุณลักษณะ ของเสาอากาศไมโครสตริป มีดังต่อไปนี้
ข้อดี ของเสาอากาศไมโครสตริป มีดังต่อไปนี้
ข้อ เสียของเสาอากาศไมโครสตริป มีดังต่อไปนี้
การ ใช้หรือ การประยุกต์ใช้เสาอากาศไมโครสตริป มีดังต่อไปนี้
แบนด์วิดท์ของเสาอากาศไมโครสตริปสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การเพิ่มความหนาของพื้นผิวด้วยค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำ การตัดช่อง การป้อนโพรบผ่านการตัดรอยบาก และเสาอากาศรูปแบบต่างๆ
เหตุใดเสาอากาศไมโครสตริปจึงแผ่รังสี?
เสาอากาศแพทช์ไมโครสตริปแผ่รังสีเป็นหลักเนื่องจากสนามขอบระหว่างขอบแพทช์และระนาบกราวด์
จะเพิ่มค่าเกนของเสาอากาศไมโครสตริปได้อย่างไร?
สามารถเพิ่มค่าเกนของเสาอากาศไมโครสตริปได้โดยใช้แพตช์ปรสิตและช่องว่างอากาศระหว่างแพตช์ฟีดและระนาบกราวด์
นี่คือ ภาพรวมของเสาอากาศไมโครสตริปการทำงาน และการประยุกต์ใช้งาน เสาอากาศนี้เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่ค่อนข้างทันสมัยที่ช่วยให้สามารถรวมเสาอากาศและวงจรขับเคลื่อนอื่นๆ ของระบบสื่อสารไว้บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ทั่วไป (หรือ) ชิปเซมิคอนดักเตอร์ได้อย่างสะดวก สิ่งเหล่านี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในระบบไมโครเวฟในปัจจุบันที่หลากหลายในช่วงกิกะเฮิรตซ์ ประโยชน์หลักของเสาอากาศนี้คือ น้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำ รูปทรงที่เข้ารูป และความเข้ากันได้กับไอซีไมโครเวฟแบบโมโนลิธิกและแบบไฮบริด