สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น

สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น

โมไนย ไกรฤกษ์
คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
 
บทคัดย่อ
       บทความนี้อธิบายหลักการทำงานของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น สายอากาศนี้มีคุณลักษณะเด่นในด้านการสร้างลำคลื่นได้หลากหลายโดยง่าย ด้วยการใช้ตัวปรับเฟส 1 บิต 4 ตัว และสายอากาศที่สวิทช์ลำคลื่นได้ 4 ตัว หลังจากนั้นจะแสดงตัวอย่างการใช้งานที่น่าสนใจ
 
บทนำ    
       ระบบสื่อสารไร้สายในปัจจุบันมีผู้ใช้จำนวนมาก ทำให้ความจุของช่องสัญญาณไม่เพียงพอ จึงมีการนำเสนอเทคนิคมากมายเพื่อแก้ปัญหาสัญญาณหลายเส้นทาง ดีเลย์สเปรด (Delay spread) และการแทรกสอดของสัญญาณในช่องสัญญาณเดียวกัน สายอากาศฉลาด [1] ที่จำแนกเป็นสายอากาศสวิทช์ลำคลื่น สายอากาศกวาดลำคลื่น และสายอากาศปรับตัว เป็นเครื่องมือแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้นที่ได้รับความสนใจอย่างแพร่หลาย โดยที่สายอากาศสวิทช์ลำคลื่นมีความน่าสนใจที่สุดในแง่ความไม่ซับซ้อนของระบบ
       สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่น ได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของสายอากาศแถวลำดับวงกลม [2] โดยการใช้องค์ประกอบที่สามารถสวิทช์ลำคลื่นได้ สายอากาศนี้ถูกพัฒนาให้ใช้เป็นสายอากาศไดเวอร์ซิตีเชิงแบบรูปการแผ่พลังงาน [3] ใช้ในการปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอด [4] ได้มีการใช้การสวิทช์โพรบที่ป้อนสายอากาศแพทช์เพื่อสวิทช์ลำคลื่น [5] แทนการใช้ไดโอดพินปิด เปิด ขอบของสายอากาศแพทช์ [6] ทำให้สร้างระบบสายอากาศได้สะดวกขึ้น นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่นให้ทำงานได้ในสองย่านความถี่ [7] และมีการศึกษาการเชื่อมต่อร่วมเพื่อออกแบบระบบป้อนคลื่นที่เหมาะสม [8]
       หลังจากที่ใช้สายอากาศแถวลำดับในการเริ่มการทำงานของกระบวนการคอนสแตนท์มอดุลัส (Constant modulus algorithm: CMA) สำเร็จด้วยดี [9] กล่าวคือมีการลู่เข้าอย่างรวดเร็ว ก็ได้มีการใช้สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่นในการเร่งการลู่เข้าให้เร็วขึ้นอีก [10] และล่าสุดได้มีการใช้สายอากาศนี้ในการประเมินทิศทางของสัญญาณวิทยุให้ทำงานได้รวดเร็วขึ้น [11] ตลอดจนการพัฒนาสายอากาศให้ทำงานในสองย่านความถี่ [12]
       บทความนี้จะแสดงหลักการทำงานของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่นรวมทั้งบางตัวอย่างของการใช้งานที่น่าสนใจ
 
หลักการ
     สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่นเป็น  
สายอากาศแถวลำดับวงกลมที่มี 4 องค์ประกอบ มีรัศมีของวงกลม ra ดังแสดงในรูปที่ 1(ก) ปกติ rมีขนาด 0.35 λ0 เมื่อ λเป็นความยาวคลื่นในอวกาศว่าง เราสามารถบังคับให้ลำคลื่นชี้ไปในทิศทางมุม 45° 135° 225° และ 315° ได้โดยใช้ตัวปรับเฟส 1 บิตที่มีความต่างเฟสเพียง 1 สถานะในแต่ละองค์ประกอบ จะสวิทช์แบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศองค์ประกอบไปในทิศทาง x หรือ y ดังแสดงในรูปที่ 1(ก) สำหรับรูปที่ 1(ข) แสดงบางแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่นที่มีประโยชน์ในการใช้งานต่างๆที่จะแสดงต่อไป
     สายอากาศแพทช์ที่สวิทช์ลำคลื่นได้ด้วยการสวิทช์โพรบที่ป้อนคลื่นแสดงในรูปที่ 1(ก) มีรูปทรงสี่เหลี่ยมจัตุรัสโดยที่ทั้งตัวแพทช์และระนาบกราวด์มีขนาด w มีความหนา h และวัสดุฐานรองมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก er สายอากาศแพทช์นี้วางอยู่บนระนาบxy และถูกป้อนคลื่นด้วยโพรบที่ตำแหน่ง (xf, 0, 0) หรือ (0, yf, 0) ที่จะสวิทช์ลำคลื่นด้วยสวิทช์ความถี่วิทยุที่ติดตั้งอยู่ด้านตรงข้ามของสายอากาศ เมื่อสายอากาศถูกป้อนด้วยโพรบที่ตำแหน่ง (xf, 0, 0) จะมีคลื่นกระจายไปในทิศทาง ±y โดยที่สายอากาศมีความยาว (w) ตามแกน y เท่ากับหนึ่งความยาวคลื่นในวัสดุฐานรอง (ld) ดังนั้นสนามไฟฟ้า Ez บนอะเพอร์เจอร์ที่ตำแหน่ง±y จะมีเฟสเดียวกัน ทำให้ได้สนามไฟฟ้ากระจายในโมด TM020 (ที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในทิศทาง x และมีสองครึ่งลูกคลื่นกระจายในทิศทางแกน y) ในขณะที่อะเพอร์เจอร์ที่ตำแหน่ง ±x จะไม่แผ่คลื่นเนื่องจากสนามไฟฟ้าบนแต่ละอะเพอร์เจอร์หักล้างกัน ส่วนอะเพอร์เจอร์ที่ตำแหน่ง ±y จะแผ่คลื่นเพราะมีการกระตุ้นที่มีเฟสเสริมกัน ความหนาแน่นกระแสแม่เหล็กลัพธ์ Mx ที่อะเพอร์เจอร์ทั้งสองมีทิศทางสวนกันและแผ่คลื่นในลักษณะของแถวลำดับ ที่มีแบบรูปการแผ่พลังงานสองทิศทางมีค่าสูงสุดในทิศทาง ±y ในทำนองเดียวกัน เมื่อสายอากาศถูกป้อนที่ตำแหน่ง (0,yf,0) สนามไฟฟ้าจะกระจายในโมด  TM200 (ที่มีการกระจายอย่างสม่ำเสมอในทิศทาง y และมีสองครึ่งลูกคลื่นกระจายในทิศทางแกน x) ความหนาแน่นกระแสแม่เหล็กลัพธ์ My ที่อะเพอร์เจอร์จะมีทิศทางตรงข้ามกัน ทำให้มีแบบรูปการแผ่คลื่นสองทิศทางที่มีค่าสูงสุดในทิศทาง ±x  รูปที่ 1 (ข) แสดงแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศเมื่อปรับเฟสและแบบรูปการแผ่พลังงานขององค์ประกอบเป็นแบบต่างๆ มีอัตราขยายระหว่าง 4-8.4 dBi
 
 

 

การประยุกต์ใช้งาน

 

       ในหัวข้อนี้จะแสดงบางการประยุกต์ใช้งานของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่น
 
   สายอากาศไดเวอร์ซิตี
       ปกติจะประเมินสมรรถนะของการปรับปรุงสัญญาณที่รับได้ด้วยสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ ที่คำนวณจากแบบรูปการแผ่พลังงานและการกระจายมุมเชิงมุมของกำลังที่รับได้โดยใช้แบบจำลองของเคลิก (Clarke’s model) จะคำนวณสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์สำหรับลำคลื่นในสี่ทิศทางที่มีการสวิทช์องค์ประกอบเป็นแบบต่างๆ ซึ่งโดยทั่วไปสัญญาณที่รับได้จะได้รับการปรับปรุงเมื่อสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์มีค่าน้อยกว่า 0.7 ในกรณีของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น [3] ต้องคำนวณสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของแบบรูปการแผ่พลังงานหนึ่งๆเทียบกับแบบรูปการแผ่พลังงานทั้งหมดที่สร้างได้ 64 แบบรูป ทำให้คำนวณทั้งหมด  64x64 ค่า และจะใช้ค่าที่มีค่าฟังก์ชันการกระจายสะสม (CDF) ของสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ที่มีค่ามากกว่า 70% ของความน่าจะเป็นที่มีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.7 อย่างไรก็ดีสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ที่มีค่ามากกว่า 0.7 มักจะเกิดจากสองแบบรูปการแผ่พลังงานที่สัมพันธ์กันในทิศทางเดียวกัน หมายความว่าการสวิทช์ลำคลื่นในสี่ทิศทางของสายอากาศนี้จะให้สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ที่ต่ำซึ่งทำให้มันสามารถปรับปรุงสัญญาณที่รับได้ให้มีคุณภาพสูงขึ้น
 
(ก)
 
 (ข)
 
รูปที่1 สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น
(ก) โครงสร้างและแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศองค์ประกอบ
 (ข) แบบรูปการแผ่พลังงานของแถวลำดับ
 
   การปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอด
     ได้มีความพยายามปรับทิศทางของศูนย์ของแบบรูปการแผ่พลังงานเพื่อกำจัดสัญญาณแทรกสอด สำหรับสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่น มีข้อดีไม่เพียงแต่สามารถสวิทช์ลำคลื่นหลักเพื่อติดตามสัญญาณที่ต้องการได้เท่านั้น แต่ยังสามารถสวิทช์ศูนย์เพื่อกำจัดสัญญาณแทรกสอดได้อีกด้วย โดยใช้องค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่นได้เราสามารถปรับตำแหน่งศูนย์ของแบบรูปการแผ่พลังงาน นอกจากนี้สามารถปรับทิศทางของลำคลื่นหลักได้โดยตัวปรับเฟส 1 บิต หลังจากที่สร้างสายอากาศแล้วได้จัดการทดลองในสภาพการใช้งานจริงเพื่อทดสอบความสามารถในการเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอด โดยเปลี่ยนทิศทางของสัญญาณที่ต้องการและสัญญาณแทรกสอดทิศทางต่างๆ [4]
     เราใช้ไดโอดพินทำหน้าที่สวิทช์ความถี่วิทยุเพื่อสวิทช์ลำคลื่นของสายอากาศองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่น  และใช้วงจรสมมูลย์ R-L-C เป็นแบบจำลองไดโอดพินเพื่อศึกษาคุณสมบัติขององค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น นอกจากนี้ได้จำลองและออกแบบตัวปรับเฟส 1 บิต ที่มีการสูญเสีย 1.2 dB และมีความผิดพลาดของเฟสน้อยกว่า 2 องศา สายอากาศมี VSWR น้อยกว่า 2:1 ตลอดย่านความถี่ที่ใช้งาน ลำคลื่นหลักของแบบรูปการแผ่พลังงานถูกปรับโดยตัวปรับเฟส 1 บิต ให้ชี้ไปในทิศทาง  45° 135° 225° และ 315° โดยที่แต่ละทิศทางมี 16 ลำคลื่น นอกจากนี้เราสามารถปรับแบบรูปของศูนย์ได้ด้วยการสวิทช์แบบรูปการแผ่พลังงานขององค์ประกอบของแถวลำดับ ที่ทำให้สามารถปรับปรุงความสามารถในการกำจัดสัญญาณแทรกสอด นอกจากนี้ยังได้มีการศึกษาคุณสมบัติของสายอากาศในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณหลายทิศทางในห้องทดลอง ที่แสดงให้เห็นว่าสภาพดังกล่าวมีผลอย่างมากต่ออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอด อย่างไรก็ดีจากการปรับแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศองค์ประกอบ ทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอดสูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัด
 
   สายอากาศปรับตัวบนอุปกรณ์มือถือ
     ผู้เขียนได้นำเสนอสายอากาศปรับตัวบนอุปกรณ์มือถือ [10] โดยอาศัยสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่นเป็นตัวเริ่มต้นการทำงานของกระบวนการ CMA ทำให้ระบบมีการลู่เข้าที่เร็วขึ้น ระบบมีขนาดเล็กลงด้วยการใช้การสังเคราะห์ลำคลื่นเชิงดิจิทัลแทนการใช้ตัวปรับเฟสและตัวรวมกำลังแบบอนาลอก ผลการจำลองอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอดรวมกับสัญญาณรบกวน (SINR) แสดงให้เห็นว่าระบบทำงานได้เป็นอย่างดีและเหมาะสมกับการติดตั้งบนอุปกรณ์มือถือ
    เมื่อจำลองโดยให้สัญญาณที่ต้องการและสัญญาณแทรกสอดเป็นสัญญาณที่มีการผสมแบบ π/4-QPSK และกระจายผ่านช่องสัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียน (AWGN)ในสภาพการสื่อสารไร้สายที่ใช้จริงกำลังของสัญญาณแทรกสอดที่รับได้จะมีขนาดน้อยกว่าสัญญาณที่ต้องการ ดังนั้นจึงจำลองระบบโดยกำหนดให้มีขนาดน้อยกว่าสัญญาณที่ต้องการ 3 dB นอกจากนี้จะกำหนดให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR)มีค่า 20 dB
 เมื่อกำหนดให้ทิศทางของสัญญาณที่ต้องการและสัญญาณแทรกสอดอยู่ที่มุม 60° และ 150° ตามลำดับ สมมุติให้สัญญาณที่เข้ามาอยู่ในทิศทางตรงกับทิศทางที่แรงที่สุดของลำคลื่นและใช้เป็นค่าเริ่มต้นของกระบวนการ CMA ด้วยกำลังที่รับได้แรงที่สุด ลำคลื่นหลักจะถูกสวิทช์ไปยังควอแดรนท์ (Quadrant) ที่หนึ่งด้วยการสังเคราะห์ลำคลื่น ดิจิทัล และแต่ละองค์ประกอบจะถูกสวิทช์ให้ลำคลื่นชี้ไปในทิศทาง x หรือ y ด้วยเหตุนี้ลำคลื่นหลักที่ใช้ในการเริ่มต้นกระบวนการ CMA จะชี้ไปในทิศทางมุม f0 = 70° พบว่าสายอากาศปรับตัวบนอุปกรณ์มือถือที่นำเสนอนี้มีการลู่เข้าเร็วกว่าสายอากาศที่ไม่มีการสวิทช์ลำคลื่นในการเริ่มต้นกระบวนการ นอกจากนี้สายอากาศนี้ยังสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นจริงที่มีสัญญาณแทรกสอดสองสัญญาณอีกด้วย
  
   การประเมินทิศทางของสัญญาณที่เข้ามา
     การประเมินทิศทางของสัญญาณที่เข้ามา (AoA) มีความสำคัญต่อการระบุทิศทางและติดตามของสัญญาณวิทยุในระบบสื่อสารไร้สายสมัยใหม่ นอกจากนี้ยังใช้ในการปรับสายอากาศปรับตัวให้ทำงานได้ดีที่สุด การประเมินทิศทางที่มีใช้อย่างแพร่หลายได้แก่วิธี MUSIC และ ESPRIT ที่อาศัยการประมวลสัญญาณดิจิทัล Kamarudin และคณะ [13] แสดงการใช้สายอากาศสวิทช์ลำคลื่นในการหาทิศทางของสัญญาณที่เข้ามาที่ให้ผลเป็นที่น่าพอใจแต่มีความซับซ้อนของระบบน้อยกว่าการใช้วิธี MUSIC และ ESPRIT ทำให้มีความเหมาะสมกับระบบเคลื่อนที่ที่พยายามหลีกเลี่ยงการคำนวณมากเพราะจะทำให้มีขนาดใหญ่และกินพลังงานมาก ในระบบดังกล่าวใช้สายอากาศที่มีสี่ลำคลื่น ซึ่งหากใช้สายอากาศที่มีจำนวนลำคลื่นมากขึ้นจะสามารถเพิ่มความแม่นยำได้ อย่างไรก็ดีการสร้างลำคลื่นจำนวนมากจะมีระบบป้อนสายอากาศที่ซับซ้อนมากขึ้นรวมทั้งจำนวนสายอากาศที่มากขึ้น สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่นที่กล่าวมาข้างต้นให้จำนวนลำคลื่นมากโดยใช้องค์ประกอบเพียงสี่ตัวร่วมกับตัวปรับเฟส 1 บิตสี่ตัว [11] ทำให้มันเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่
     การประเมินทิศทางสัญญาณที่เข้ามาทำได้โดยเปรียบเทียบอัตราส่วนของอัตราขยายตามเส้นทาง (path gain) ที่วัดได้ด้วยการใช้ลำคลื่นสองลำคลื่นที่มีค่าสูงที่สุด ต่ออัตราส่วนแบบรูปการแผ่พลังงานของสายอากาศสองลำคลื่นนั้น [13] แล้วหาผลต่างของอัตราส่วนทั้งสองด้วยการเปลี่ยนทิศทางในบริเวณของแบบรูปการแผ่พลังงานนั้นไปทีละน้อยจนมีค่าต่ำสุด สมมุติให้แต่ลำคลื่นมีรูปร่างเหมือนกัน และให้เวลาที่ใช้ในการเก็บข้อมูล (กวาดลำคลื่น) ต่อทิศทางของลำคลื่นเท่ากับ m มิลลิวินาที  ในขณะที่เวลาที่ใช้ในการคำนวณอัตราส่วนอัตราขยาย (การหาทิศ) ต่อทิศทางของลำคลื่นเท่ากับ n มิลลิวินาที หากใช้สายอากาศ 4 ลำคลื่น จะมี 12 บริเวณที่ลำคลื่นตัดกันที่สามารถใช้หาทิศทางของสัญญาณ แต่ละบริเวณครอบคลุมมุม 30° เวลาสูงสุดที่ใช้ในการหาทิศจะมีค่า 30n มิลลิวินาทีในขณะที่เวลาที่ใช้ในการกวาดลำคลื่นเท่ากับ 4m มิลลิวินาที และเวลาทั้งหมดที่ใช้หาทิศของสัญญาณเท่ากับ 4m+30n มิลลิวินาที สำหรับในกรณีสายอากาศที่มี 8 ลำคลื่นจะมี 16 บริเวณที่ใช้หาทิศทางของสัญญาณ ที่มีมุมครอบคลุมในแต่ละบริเวณเท่ากับ 22.5° ทำให้ใช้เวลาในการหาทิศของสัญญาณเท่ากับ 8m+22.5n มิลลิวินาที จะเห็นได้ว่าจำนวนบริเวณที่ใช้ได้ของสายอากาศ 12 และ16 ลำคลื่นเป็น 20 และ 28 และเวลาที่ใช้หาทิศเป็น 12m+18n และ 16m+13n ตามลำดับ
     ถ้าเวลาที่ใช้กวาดลำคลื่นเท่ากับเวลาที่ใช้หาทิศเท่ากับ 1 มิลลิวินาที สายอากาศ 8 ลำคลื่นใช้เวลา 30.5 มิลลิวินาทีในขณะที่สายอากาศ 4 ลำคลื่นใช้เวลา 34 มิลลิวินาทีซึ่งน้อยกว่ากันอยู่  10.3% แต่เมื่อระบบใช้เวลาในการกวาดลำคลื่นมากกว่าการหาทิศเช่นเมื่อ (m=2, n=1) สายอากาศ 8 ลำคลื่นใช้เวลา 38.5 มิลลิวินาทีในขณะที่สายอากาศ 4 ลำคลื่นใช้เวลาใกล้เคียงกันคือ 38 มิลลิวินาที จะเห็นประโยชน์ได้ชัดเมื่อระบบใช้เวลาในการหาทิศมากกว่าการกวาดลำคลื่น สายอากาศ 8 ลำคลื่นเหนือกว่าสายอากาศ 4 ลำคลื่นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อ n เท่ากับ 2 3 และ 4 สายอากาศ 8 ลำคลื่นใช้เวลาน้อยกว่าสายอากาศ 4 ลำคลื่น 17.2 19.7 และ 21.0% ตามลำดับ ขอให้สังเกตว่าเมื่อจำนวนลำคลื่นเพิ่มจาก 12 เป็น 16 จะมีบริเวณที่ใช้หาทิศของสัญญาณมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เป็นผลให้ใช้เวลาลดลงมาก การทำเช่นนี้มีประโยชน์ในการออกแบบระบบที่มีต้นทุนต่ำ ทั้งนี้เพราะเวลาในการกวาดลำคลื่นขึ้นอยู่กับความเร็วของตัวแปลงสัญญาณอนาลอกเป็นสัญญาณดิจิทัล (ADC) และความเร็วของสวิทช์ความถี่วิทยุ (RFSW) ในขณะที่เวลาในการหาทิศขึ้นอยู่กับความเร็วของตัวประมวลสัญญาณ ในทางปฏิบัติระบบเคลื่อนที่ต้องการการหาทิศที่เร็วที่สุด ในกรณีระบบที่ประมวลผลด้วยเวลาที่สั้นกว่า (เมื่อใช้เวลาที่เท่ากัน) ขนาดของมุมที่ปรับไปในการหาผลต่างของอัตราส่วนจะเล็กลง ทำให้มีความแม่นยำที่สูงกว่า
  
   สายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่นทำงานที่สองย่านความถี่
     จากความต้องการของระบบสื่อสารไร้สารสมัยใหม่ที่มีความต้องการใช้การสื่อสารสองย่านความถี่ในการส่งสัญญาณเสียง ภาพ และข้อมูล ตัวอย่างเช่นระบบโครงข่ายท้องถิ่นไร้สาย  (WLAN) สองความถี่ในย่าน 2.4/5.2 GHz ที่ใช้สายอากาศตัวเดียว ในทางปฏิบัติการจางหายที่เกิดจากสัญญาณหลายเส้นทางที่มีความยาวของเส้นทางจากเครื่องส่งถึงเครื่องรับในทิศทางต่างๆมีค่าต่างกัน ในขณะที่สัญญาณแทรกสอดในช่องสัญญาณเดียวกันที่เกิดจากสัญญาณจากสถานีอื่นที่ใช้ความถี่เดียวกัน จะลดทอนคุณภาพของการสื่อสารอย่างมาก การใช้สายอากาศสวิทช์ลำคลื่นอาจเป็นการแก้ปัญหาที่ดีทางหนึ่ง
     สายอากาศแพทช์ที่สวิทช์ลำคลื่นได้สามารถปรับปรุงอัตราขยายไดเวอร์ซิตีในระบบสื่อสารไร้สายได้  และถูกใช้เป็นองค์ประกอบของแถวลำดับวงกลมเพื่อให้ได้แบรูปการแผ่พลังงานหลากหลาย สายอากาศนี้ใช้ไดโอดพิน 8 ตัวติดตั้งที่ขอบของสายอากาศ มีผลทำให้ประกอบค่อนข้างยาก Tagapanij และคณะ [5] นำเสนอสายอากาศที่ใช้สวิทช์ RF ในการเลือกโพรบเพื่อป้อนแทนการใช้ไดโอดพิน พบว่าสายอากาศทั้งสองมีการตอบสนองความถี่ที่แคบ ถ้าต้องการใช้งานในสองย่านความถี่ Tagapanij และคณะ นำเสนอสายอากาศสวิทช์ลำคลื่นที่ทำงานสองย่านความถี่ สายอากาศแพทช์ที่ทำงานที่โมดสูงกว่าโมดปกติ (โมด 2 ) สองตัว ถูกออกแบบให้มีแบบรูปการแผ่พลังงานสองทิศทาง วางซ้อนกัน เราสามารถเลือกโพรบด้วย RFSW เพื่อสวิทช์แบบรูปการแผ่พลังงาน และได้มีการแสดงผลการวิเคราะห์สายอากาศแถวลำดับทำงานสองย่านความถี่ที่ใช้สายอากาศนี้เป็นองค์ประกอบที่มีประโยชน์ในระบบWLAN สองย่านความถี่ [7]
 
สรุป
     บทความนี้กล่าวถึงวิวัฒนาการของสายอากาศแถวลำดับปรับเฟสที่มีองค์ประกอบสวิทช์ลำคลื่น สายอากาศนี้มีคุณลักษณะเด่นในด้านการสร้างแบบรูปการแผ่พลังงานได้หลากหลายโดยง่าย มีหลักการพื้นฐานเป็นแถวลำดับวงกลมที่ใช้ตัวปรับเฟสเพียง 1 บิตทำให้มีการสูญเสียน้อยและขนาดเล็ก และองค์ประกอบที่สวิทช์ลำคลื่นได้เป็นสายอากาศแพทช์สี่เหลี่ยมจัตุรัสทำงานที่โมด 2 ที่มีแบบรูปการแผ่พลังงานสองทิศทาง องค์ประกอบได้รับการพัฒนามาจากการใช้ไดโอดพิน 8 ตัวติดตั้งที่ขอบของแพทช์ ต่อมาใช้การสวิทช์เลือกโพรบที่ทำให้สร้างได้สะดวกขึ้น ได้แสดงตัวอย่างการใช้งานที่น่าสนใจได้แก่ สายอากาศไดเวอร์ซิตีแบบรูปการแผ่พลังงาน การปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณแทรกสอด สายอากาศปรับตัวบนอุปกรณ์มือถือ ระบบประเมินทิศทางของสัญญาณที่เข้ามา และสายอากาศทำงานสองย่านความถี่ ขณะนี้กำลังใช้สายอากาศนี้ในการอธิบายลักษณะช่องสัญญาณการสื่อสารไร้สายบนต้นไม้เพื่อออกแบบโครงข่ายเซนเซอร์ไร้สายที่มีประสิทธิภาพ และสายอากาศสำหรับติดตั้งบนพาหนะเคลื่อนที่ ซึ้งจะนำมาเผยแพร่ในโอกาสต่อไป
 
เอกสารอ้างอิง
[1]   T.Sarkar, M.C.Wicks, M.Salazar-Palma and R.J.Bonneau, Smart Antennas,
       Wiley&Sons Inc., New Jersey, 2003.
[2]   M.Krairiksh, P.Ngamjanyaporn, and C.Kessuwan, “Flat four beam     
       compact phased array antenna,” IEEE Microwave and Wireless
       Component Letters, Vol.12, No.5, 184-186, May 2002.
[3]   P. Ngamjanyaporn, C. Phongcharoenpanich, P. Akkaraekthalin and    
       M. Krairiksh, “A phased array antenna of switched-beam elements  
       for wireless communications,” Proc. of 2003 Asia-Pacific
       Microwave Conference, pp.941-944, November 2003.
[4]   P. Ngamjanyaporn, C. Phongcharoenpanich, P. Akkaraekthalin and
       M. Krairiksh, “Signal-to-inference ratio improvement by using a phased
       array antenna of switched-beam elements,” IEEE Trans. Antennas Propag.,
       vol. 53, no. 5, pp 1819-1828, May 2005.
[5]   J. Tagapanij, C. Phongcharoenpanich, and M. Krairiksh, “A dual feed    
       switched-beam patch antenna for a phased array of switched-beam  
       elements,” 2006 Asia-Pacific Microwave Conference, Yokohama,
       vol. 3, pp. 2102-2105, December 2006.
[6]   P. Ngamjanyaporn and M. Krairiksh: “Switched-beam single patch   
       antenna,” Electronic Letters, Vol. 38, No. 1, pp. 7-8, Jan. 2002.
[7]   J. Tagapanij, P. Sooksumrarn, T. Tantisopharak, S. Janin and M.   
       Krairiksh, “A dual-band dual-feed switched-beam patch antenna for  
       WLAN application,” IEICE Trans. Commun, vol.E91-B, no.6, June
       2008.
[8]   J.Tagapanij and M.Krairiksh, “Practical consideration of dual-
       feed switched-beam patch antennas in a phased array design,”
       Proc. of  2007 Asia-Pacific Microwave Conference, December
       2007.
[9]   A.Boonpoonga, P.Sirisuk, M.Chongcheawchamnan, S.Patisang,
       and M.Krairiksh, “Hardware-assisted initialization for constant
       modulus algorithm adaptive antenna, IET Microwaves, Antennas
       and Propagation, vol.2, no.4, pp.303-311, 2008.
[10] M.Krairiksh, “A handset adaptive antenna using phased-array 
        of switched-beam elements,” Journal of the Japan Society of
        Applied Electromagnetics and Mechanics, vol.17, no.3, pp.407-
        412, Sep. 2009.
[11] J.Tagapanij and M.Krairiksh, “A phased array of switched-
        beam elements for angle-of-arrival measurement,” Proc. of
        2009 International Symposium on Antennas and Propagation,
        October 2009.
[12] P.Sooksumrarn and M.Krairiksh, “Analysis of a dual-band phased
        array of switched-beam elements,” Proc. of  2009 International
        Symposium on Antennas and Propagation, October 2009.
[13] M. R. Kamarudin, Y. L. Neehayev and P. S. Hall, “Onbody diversity 
        and angle-of-arrival measurement using a pattern switching antenna,”
        IEEE Trans. Antenna Propag., Vol.57, No.4, 964-971, April 2009.

 Author's Biography

Monai Krairiksh was born in Bangkok. He received B.Eng., M.Eng. and D.Eng. from King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang (KMITL) in 1981, 1984 and 1994, respectively. He joined the KMITL and is presently a professor at the Department of Telecommunication Engineering. He has served as the director of the Research Center for Communications and Information Technology (ReCCIT) during 1997-2002. Dr.Krairiksh is currently a president of the Electrical Engineering/ Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology Association (ECTI). He was an editor of the ECTI Transactions on Electrical Eng., Electronics and Communications. He was awarded a Senior Research Scholar of the Thailand Research Fund (TRF) in 2005 and 2008 and a distinguished researcher from National Research Council of Thailand (NRCT) in 2010. His main research interests are in antennas for mobile communications and microwave in agricultural applications.
 
Back to E-magazine List
 

ECTI Association
99 M.18 Paholyothin Rd., Klong Luang, Pathumthani 12120, THAILAND
E-mail: ecti.secretary@gmail.com
Find us on: