เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเป็นเครื่องมือสำคัญในวิศวกรรม RF (คลื่นความถี่วิทยุ) และไมโครเวฟ ทำหน้าที่กำหนดลักษณะเครือข่ายไฟฟ้าด้วยการวัดพารามิเตอร์ การกระเจิง (พารามิเตอร์ S)

ในบทความนี้จะกล่าวถึงหลักการพื้นฐาน ประเภท การทำงาน และการใช้งานเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย โดยเน้นไปที่บทบาทของเครื่องในระบบสื่อสารสมัยใหม่ การอภิปรายจะรวมถึงเทคนิคการตั้งค่า Calibration ข้อผิดพลาดทั่วไป และความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีของเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเป็นเครื่องมือซับซ้อนที่ใช้วัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าในส่วน ประกอบความถี่สูงเช่น ตัวกรอง การขยายสัญญาณ สายอากาศ และสายส่ง โดยการวิเคราะห์ว่าอุปกรณ์ตอบสนองต่อความถี่แต่ละประเภทอย่างไร วิศวกรจึงจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในระบบสื่อสาร เรดาร์ และเทคโนโลยีไร้สายได้

เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายมี 2 ประเภทได้แก่

1. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายสเกลาร์ (SNA) – วัดการตอบสนองเฉพาะขนาด
2. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ (VNA) – วัดทั้งขนาดและเฟส โดยให้พารามิเตอร์ S ที่ซับซ้อน

หลักการพื้นฐานของเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

พารามิเตอร์ S (พารามิเตอร์การกระเจิง)

พารามิเตอร์ S อธิบายการแพร่กระจายพลังงาน RF ผ่านเครือข่าย สำหรับเครือข่าย 2 PORT

 S₁₁: ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนอินพุต (การสูญเสียการส่งกลับ)

 S₂₁: อัตราขยายหรือค่าเกนการส่งไปข้างหน้า

 S₁₂: อัตราขยายหรือค่าเกนการส่งย้อนกลับ

 S₂₂: ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนเอาต์พุต

พารามิเตอร์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับความถี่และแสดงเป็นจำนวนตัวเลขเชิงซ้อน (ขนาดและเฟส)

ลักษณะสถาปัตยกรรมเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

VNA ทั่วไปประกอบไปด้วย

1. แหล่งกำเนิดสัญญาณ กวาดสัญญาณข้ามช่วงความถี่
2. ชุดทดสอบ ส่งสัญญาณไปยังอุปกรณ์ที่ทดสอบ (DUT)
3. ตัวรับหรือภาครับ วัดคลื่นที่ตกกระทบ คลื่นที่สะท้อน และคลื่นที่ส่งผ่าน
4. โปรเซสเซอร์ คำนวณพารามิเตอร์ S และแสดงผลลัพธ์

ประเภทเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

1. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายสเกลาร์ (SNA)

• วัดเฉพาะขนาดสัญญาณเท่านั้น (ไม่มีข้อมูลเฟส)
• ใช้สำหรับวัด insertion loss และ return loss พื้นฐาน
• ราคาถูกแต่มีข้อจำกัดในการใช้งานขั้นสูง

2. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ 2 เครื่อง (VNA)

• วัดทั้งขนาดและเฟส
• ให้ลักษณะเฉพาะพารามิเตอร์ S อย่างสมบูรณ์
• จำเป็นสำหรับการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์และการออกแบบตัวกรอง

3. เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายสัญญาณขนาดใหญ่ (LSNA)

• ใช้สำหรับระบุลักษณะอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นเช่น เครื่องขยายเสียง เป็นต้น
• วัดความเพี้ยนฮาร์มอนิกและผลกระทบของการบีบอัด (Compression Effect)

หลักการทำงานของเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

โหมดการกวาดความถี่ Frequency Sweep Modes

• การกวาดเชิงเส้นที่ชั้นความถี่เท่ากัน เช่น ความถี่ 1 GHz ถึง 2 GHz ในความถี่ 100 MHz
• การกวาดลอการิทึม แบบเลขชี้กำลัง มีประโยชน์สำหรับการวัดแบนด์กว้าง
• การกวาดแบบแบ่งส่วน ช่วงความถี่ที่กำหนดเองด้วยขนาดขั้นตอนที่แตกต่างกัน

เทคนิคการตั้งค่า Calibration

การตั้งค่า Calibration จะขจัดข้อผิดพลาดเชิงระบบโดยใช้มาตรฐานที่ทราบกันดี คือ

• SOLT (Short-Open-Load-Thru) ใช้ในการวัดแบบโคแอกเซียล
• Thru-Reflect-Line (TRL) ใช้กับอุปกรณ์ที่ไม่ใช่โคแอกเซียล
• การ calibration แบบอิเล็กทรอนิกส์ (E-Cal) โมดูลการcalibrateอัตโนมัติ

ข้อผิดพลาดในการวัดที่อาจจะเกิดขึ้นทั่วไป

• ข้อผิดพลาดเชิงระบบที่เกิดขึ้นซ้ำได้ เช่น การจับคู่ผิดพลาด
• ข้อผิดพลาดแบบสุ่ม สัญญาณรบกวนและการดริฟท์
• ข้อผิดพลาดการดริฟท์ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ส่งผลต่อเสถียรภาพ

การใช้งานเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

1. การทดสอบส่วนประกอบ RF และไมโครเวฟได้แก่ ตัวกรองวัดพาสแบนด์ สต็อปแบนด์ และค่า insertion loss หรือตัวขยายสัญญาณที่มี การวิเคราะห์ค่าเกน  ค่า return loss และความเสถียร รวมถึงการนำไปใช้กับสายอากาศ ที่วิเคราะห์ค่า VSWR (อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟ) และประสิทธิภาพการแผ่คลื่น
2. ระบบสื่อสารไร้สาย
   - เครือข่าย 5G การสร้างบีมและการกำหนดลักษณะของเสาอากาศ MIMO
   - การสื่อสารผ่านดาวเทียม การทดสอบทรานสปอนเดอร์และส่วนประกอบท่อนำคลื่น
3. วงจรดิจิทัลความเร็วสูง
   - วงจร PCB การจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์และความสมบูรณ์ของสัญญาณ
   - อินเตอร์คอนเนคต: การวิเคราะห์พารามิเตอร์ S สำหรับระบบที่มีอัตราส่งถ่ายข้อมูลสูง

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย

• VNA แบบพกพาและแบบ USB ที่มีขนาดกะทัดรัด ต้นทุนต่ำสำหรับการวัดในพื้นที่ต่างๆให้สะดวกขึ้น
• การวัดแบบ Nonlinear และแบบพัลส์ สำหรับ การทดสอบเครื่องขยายเสียงโดยเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายสัญญาณขนาด ใหญ่  (Large-signal network analyzers:LSNAs)
• การบูรณาการซอฟต์แวร์สร้างโมเดลจำลอง(Simulation)

สรุป

เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในวิศวกรรม RF และไมโครเวฟ ทำหน้าที่ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ผ่านการวิเคราะห์พารามิเตอร์ S ตั้งแต่การวัดสเกลาร์พื้นฐานไปจนถึงการกำหนดลักษณะตาม เวกเตอร์ขั้นสูง เครื่องมือนี้ช่วยให้ปรับแต่งระบบการสื่อสาร เรดาร์ และวงจรดิจิทัลความเร็วสูงได้อย่างแม่นยำ เมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น เครื่องวิเคราะห์เครือข่ายก็จะพัฒนาด้านความแม่นยำ ความสามารถในการพกพา และการบูรณาการกับแพลตฟอร์มจำลองหรือโมเดลต่างๆ ให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้นในอนาคต

‍