การศึกษา วิเคราะห...

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

รายงานการวจย

การศกษา วเคราะห และการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถในทอนาคลน

โดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสาหรบการสอสารดาวเทยม

นายวทฤทธ โคตรมณ

คณะครศาสตรอตสาหกรรม

งานวจยนไดรบงบประมาณเงนกองทนสงเสรมงานวจย พ.ศ. ๒๕๕๗

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

การศกษา วเคราะห และการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถในทอนาคลน

โดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสาหรบการสอสารดาวเทยม

นายวทฤทธ โคตรมณ

คณะครศาสตรอตสาหกรรม

งานวจยนไดรบงบประมาณจากเงนผลประโยชน คณะครศาสตรอตสาหกรรม พ.ศ ๒๕๕๗


สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

การศกษา วเคราะห และการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถ

ในทอนาคลนโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

สาหรบการสอสารดาวเทยม

วทฤทธ โคตรมณ

บทคดยอ

โครงการวจยนนาเสนอการศกษา วเคราะหและออกแบบวงจรกรองผานแถบความถใน

ทอนาคลนโดยใชวงจรชองแคบตวเหนยวนา ผ วจยไดทาการวเคราะหวงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนาทวางอยในโครงสรางของทอนาคลนรปทรงสเหลยมผนผาโดยการใชโปรแกรมจาลอง

CST Microwave Studio® จากนนทาการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรชองแคบท

ประกอบดวย สวนแรกเปนการวเคราะหวงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนาเพยงตวเดยววางในทอนาคลนททางานในยานความถกลางประมาณ 4.3-4.7 GHz

สวนทสองเปนการวเคราะหวงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตวท

มขนาด ความกวางของชองแคบสมมาตรกนโดยมระยะหางระหวางวงจรชองแคบมากกวา วาง

ในทอนาคลนททางานในยานความถกลางประมาณ 4.1-4.8 GHz และสวนทสามเปนการ

วเคราะหวงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาจานวน 3 ตววางเรยงกน

ตามลาดบในทอนาคลนททางานในยานความถกลางประมาณ 4.6 GHz จากนนไดออกแบบและ

สรางวงจรจรงททาดวยวสดประเภทอลมเนยม เพอวดและทดสอบการทางานของวงจรและผลการ

ตอบสนองทางความถโดยใชเครองวเคราะหโครงขาย ซงพบวาผลจากการทดสอบจากการวดและ

ผลจากการจาลองมคาทสอดคลองกน

คาสาคญ : วงจรกรองผานแถบความถในทอนาคลน

ข

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

กตตกรรมประกาศ

ขอขอบพระคณ อาจารยสาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกสและโทรคมนาคม คณะ

ครศาสตรอตสาหกรรม มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม ศนยสพรรณบร ทกทาน

ทกรณาเสยสละเวลาและใหความคดเหน แนะนาขอมลตางๆ เพอนาไปปรบปรงในการออกแบบ

ตลอดจนนกศกษาหลกสตรสาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกสและโทรคมนาคม และนกศกษา

หลกสตรสาขาวชาเทคโนโลยโทรคมนาคม คณะครศาสตรอตสาหกรรม มหาวทยาลยเทคโนโลย

ราชมงคลสวรรณภม ศนยสพรรณบร ทไดใหความอนเคราะหในการจดทาโครงสราง เดนสายไฟ

และรวมกนทดลอง จนโครงงานวจยสาเรจลลวงเปนอยางด และทนสนบสนนการวจยครงน

ไดรบงบประมาณจากเงนกองทนสงเสรมงานวจย พ.ศ. 2557 มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคล

สวรรณภม จงขอขอบพระคณมา ณ ทนดวย

วทฤทธ โคตรมณ

ค

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

การศกษา วเคราะห และการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถในทอนาคลนโดยใชวงจรชองแคบ

แบบตวเหนยวนาสาหรบการสอสารดาวเทยม

วทฤทธ โคตรมณและเพอชาต สขเรอน

บทคดยอ

โครงการวจยนไดทาการศกษาการออกแบบ และสรางวงจรกรองความถไมโครเวฟสาหรบการสอสาร

ดาวเทยมยานการใชงาน C-Band โดยใชวงจรชองแคบตวเหนยวนา โดยการออกแบบ และสรางนนไดทาการ

วเคราะหวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาทวางอยในโครงสรางของทอนาคลนรปทรงสเหลยมผนผาโดยการใช

โปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® ทาการจาลองวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา แลวทาการวดและ

ทดสอบชนงานทสรางขนดวยเครองวเคราะหโครงขาย จากนนทาการเปรยบเทยบผลทไดจากการวดและทดสอบ

กบผลจาลองทไดจากโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio®

ผลการทดสอบชนงานวงจรกรองความถไมโครเวฟททางานในยาน C-Band (3.4-6.8 GHz) พบวาวงจร

ชองแคบแบบตวเหนยวนาตวเดยว ททางานในยานความถกลางประมาณ 4.3-4.7 GHz มคาพารามเตอรการ

สงผานมากทสดเทากบ -0.27 dB ผลจากวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสองตว

ททางานในยานความถกลางประมาณ 4.1-4.8 GHz มคาพารามเตอรการสงผานมากทสดเทากบ -0.11 dB และผล

จากวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสามตว ททางานในยานความถกลาง

ประมาณ 4.6 GHz มคาพารามเตอรการสงผานมากทสดเทากบ -0.007 dB และมคาความคลาดเคลอนไมเกน

±5%

คาสาคญ : วงจรกรองผานแถบความถ, ทอนาคลน, วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

ค

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม


ขอขอบพระคณ อาจารยสาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกสและโทรคมนาคม คณะครศาสตรอตสาหกรรม

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม ศนยสพรรณบร ทกทานทกรณาเสยสละเวลาและใหความคดเหน

แนะนาขอมลตางๆ และทนสนบสนนการวจยครงน ไดรบผลประโยชนประจาคณะครศาสตรอตสาหกรรมสงเสรม

งานวจยป พ.ศ. 2557 มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลสวรรณภม ศนยสพรรณบร ทไดกรณาสนบสนนเออเฟอ

สถานท วสดอปกรณทชวยอานวยความสะดวกในการดาเนนการวจย ตลอดจนการดาเนนงาน ทายนผวจยขอนอม

ระลกถงพระคณบดา มารดา ครอบครว พระคณครทสงสอนอบรมและผมพระคณทกทานทชวยเหลอเปนกาลงใจ

ทาใหงานวจยนสาเรจไดเปนอยางดคณความดอนเกดจากประโยชนทไดจากงานวจยน ขอมอบใหแดทกทาน

ดงกลาวตลอดไป จงขอขอบพระคณมา ณ ทนดวย

วทฤทธ โคตรมณและเพอชาต สขเรอน

ค

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

สารบญ

หนา

บทคดยอ ข


สารบญ

สารบญตาราง

สารบญภาพ

ค

ง

ฉ

ช

บทท 1 บทนา

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา 1

1.2 วตถประสงคของการวจย 2

1.3 ขอบเขตของการวจย 2

1.4 เครองมอทใชในงานวจย

1.5 ประโยชนของผลการวจย

3

3

บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ

2.1 ทฤษฎทอนาคลน (Waveguide) 4

2.2 ทฤษฎวงจรชองแคบหรอไอรส (Iris) 10

2.3 ทฤษฎวงจรกรองความถในทอนาคลนแบบสเหลยม 13

2.4 ทฤษฎการปอนกาลงคลนเขาสทอนา 15

บทท 3 วธการดาเนนการวจย

3.1 การศกษาและออกแบบทอนาคลนแบบสเหลยม 20

3.2 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเพยงตวเดยว

ภายในทอนาคลน

23

3.3 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตว


3.4 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตว


26

28

ง

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

บทท 4 ผลการศกษาและการทดสอบวงจร

4.1 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจร

ชองแคบแบบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวในทอนาคลน

31

4.2 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจรชอง

แคบแบบตวเหนยวนา 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

32

4.3 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจรชอง

แคบแบบตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

34

บทท 5. สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ

5.1 สรปผลวจย 36

5.2 อภปรายผลการวจย 37 5.3 ขอเสนอแนะ 38

เอกสารอางอง

39

ภาคผนวก

ประวตผวจย

41

47

จ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

สารบญตาราง

ตาราง หนา

4-1 ตารางผลการเปรยบเทยบทดสอบการวดชนงานจรงและการจาลองจากโปรแกรม

CST Microwave Studio® ของวงจรชองแคบตวเหนยวนาเพยงตวเดยว

32


CST Microwave Studio® ของวงจรชองแคบตวเหนยวนา 2 ตว

34



35

ฉ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

สารบญภาพ

ภาพท หนา

2-1 ทอนาคลนแบบตางๆ 4

2-2 โครงสรางของทอนาคลน 5

2-3 โครงสรางของทอนาคลนสเหลยม 5

2-4 ลกษณะการเคลอนทของคลนในทอนาคลน 6

2-5 ความสมพนธทางความยาวคลนของคลนตกกระทบ และคลนสะทอนกลบ 6

2-6 ทศทางของสนามแมเหลก 7

2-7 โครงสรางของทอนาคลนสเหลยมผนผา 8

2-8 สนามไฟฟา (E) และสนามแมเหลก (H) ภายในทอนาคลนแบบสเหลยม 9

2-9 ทอนาคลนแบบสเหลยม โดยท a = ความกวาง และb = ความสง 9

2-10 ทศทางการเคลอนทของคลนตามขวาง 10

2-11 ทศทางการเคลอนทของคลนตามยาว 10

2-12 การวางตวของวงจรชองแคบในทอนาคลนแบบตวเหนยวนา 11

2-13 การวางตวของวงจรชองแคบในทอนาคลนแบบตวเกบประจ 11

2-14 โครงสรางของทอนาคลนทกนดวยวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 12

2-15 โครงสรางของทอนาคลนทกนดวยวงจรชองแคบแบบตวเกบประจ 12

2-16 หนาตดดานหนาและดานบนของวงจรตวเหนยวนาแบบสมมาตร และวงจรเทยบเคยง

2-17 ผลตอบสนองทางความถของวงจรกรองความถ

2-18 การดงกาลงคลนออกจากวงจรเรโซแนนท

2-19 การดงกาลงคลนออกจากวงจรเรโซแนนทแบบโพรงและวงจรสมมล

2-20 ลกษณะของโพรบและการวางตาแหนงของโพรบทใชในการกระตนใหเกดโหมด TE10

2-21 สายอากาศแบบโมโนโพลในอากาศเปดและในทอนาคลน

3-1 แผนผงวธการดาเนนงาน

3-2 โครงสรางจาลองทอนาคลน

3-3 ผลการจาลองโครงสรางทอนาคลน

3-4 การศกษาและวเคราะหแหลงกาเนดพลงงานทใชสายอาการแบบโมโนโพล

3-5 ดานขางวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา (Cross sectional view)

3-6 วงจรสมมล (Equivalent circuit)

3-7 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

3-8 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

12

13

15

16

17

17

19

21

21

22

23

23

24

25

ช

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

สารบญภาพ(ตอ)

ภาพท

3-9 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

3-10 ชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน

3-11 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวนาจานวน 2 ตว

3-12 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนา 2 ตว

3-13 ผลการจาลองของการปรบคาระยะหางระหวางวงจรชองแคบ l(2) ตวท 1 และตวท 2

3-14 ชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตวภายในทอนาคลน

3-15 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวจานวน 3 ตว

3-16 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวท 2 (d2)

3-17 ชนงานจรงของวงจรชองแคบตวเหนยวนา 3 ตวภายในทอนาคลน

4-1 การตอวงจรเพอใชในการทดสอบ

4-2 วงจรชองแคบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวภายในทอนาคลน

4-3 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ

(S11) ทไดจากการจาลอง และการวดทดสอบชนงานจรง

4-4 วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

4-5 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) และคาพารามเตอรการสงผาน


4-6 วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

4-7 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) และคาพารามเตอรการสงผาน


หนา

25

26

26

27

27

28

28

29

29

30

31

31

33

33

34

35

ซ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

1

บทท 1

บทนา

1.1 ความเปนมาและความสาคญของปญหา

ปจจบนเทคโนโลยระบบการสอสาร มบทบาทอยางมาก ทงในชวตประจาวนของมนษย และ

ภาคอตสาหกรรม เชน อนเตอรเนต โทรทศน และดาวเทยม ดงนน เมอพจารณาถงระบบการสอสาร

ดาวเทยมพบวามความสาคญอยางมาก เนองจากเปนระบบทสามารถเชอมโยงสญญาณความถยาน

ไมโครเวฟทสามารถครอบคลมทกพนททตองการได สาหรบการตดตอสอสารยานความถทนยมใช

กนมากในแถบเอเชย คอ ยานความถ C-Band (3.7 – 4.2 GHz) โดยเปนยานความถทสามารถ

ครอบคลมพนทในการใหบรการตดตอสอสารไดกวาง ไมมผลกระทบจากการเปลยนแปลงของสภาพ

อากาศ และอกยานความถไดแก KU-Band (10.95 – 12.75 GHz) เปนยานความถทครอบคลมพนท

ไดนอยจานสายอากาศมขนาดเลก เปนตน

การสงสญญาณในระบบการสอสารดาวเทยมสวนใหญมกมสญญาณรบกวนเขามาเกยวของจง

จาเปนตองมวงจรกรองความถยานไมโครเวฟ ซงทาหนาทจากดสญญาณทไมตองการออกจากระบบ

และยอมใหสญญาณเฉพาะชวงความถทตองการผานออกไปได สวนใหญนยมใชทอนาคลน (ทวศกด,

2549) เปนอปกรณตอรวมททาหนาทเปนวงจรกรองความถยานความถไมโครเวฟ ดวยเหตททอนา

คลนสามารถทนกาลงไฟฟาไดสง มคาการสญเสยตา (นรนดร, 2545) โดยวงจรกรองความถ

ประกอบดวย วงจรกรองความถ ตาผาน 1(Low Pass Filter: LPF) วงจรกรองความถสง

ผาน (High Pass Filter: HPF) วงจรกรองความถแถบผานหรอแถบหยด 1(Band Pass Filter: BPF) (

บณฑต, 2536) จากการศกษางานวจยทเกยวของ เชน A. Mediavilla, A. Tazon, J. A. Pereda,

M. Lazaro, I. Santamaria, and C. Pantaleon. (2000) ทาการวเคราะหและออกแบบวงจรกรอง

ผานแถบความถ ใชงานในยานความถ Ku – Band จากนนไดสรางวงจรจรงเพอวดและทดสอบการ

ทางานของวงจรและผลการตอบสนองทางความถ ซงพบวาผลจากการทดสอบจากการวดและผลจาก

การจาลองมคาทสอดคลองกน Pablo Soto,Eva Tarín, Vicente E. Boria, Carlos Vicente, Jordi

Gil, and Benito Gimeno. (2010) ไดทาการศกษาและวเคราะหทอนาคลนแบบสเหลยมโดยใชวงจร

ชองแคบแบบตวเหนยวนา จากนนไดออกแบบและสรางวงจรจรงททาดวยวสดประเภทอลมเนยม

เพอวดและทดสอบการทางานของวงจรและผลการตอบสนองทางความถโดยใชเครองวเคราะห

โครงขาย ซงพบวาผลจากการทดสอบจากการวดและผลจากการจาลองมคาทสอดคลองกน ศรณย

และสมศกด (2553) ไดทาการวเคราะหและออกแบบวงจรกรองความถภายในทอนาคลนแบบ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

2

สเหลยมโดยใชวงจรชองแคบตวเหนยวนา การวเคราะหใชวธการคานวณแบบวนรอบของคลน

เพอวเคราะหโครงขายและสามารถแสดงรปคลนสนามแมเหลกไฟฟาภายในทอนาคลน จากนนได

ออกแบบและสรางวงจรกรองความถเพอทดสอบการทางานซงพบวาผลจากการทดสอบจากการวด

และผลจากการจาลองมความทสอดคลองกน จากงานวจยดงกลาวพบวานกวจยสวนใหญมงเนนการ

สรางชนงานเพอประโยชนตอภาคธรกจอตสาหกรรมเพยงอยางเดยว ทาใหการเรยนการสอนในเนอหา

ทางดานวศวกรรม โดยเฉพาะรายวชาวศวกรรมไมโครเวฟ ทมเนอหาทางดานทฤษฎทมงเนนถงการ

ออกแบบ การคานวณ และการวเคราะหผลของวงจรไมโครเวฟ โดยในการออกแบบ และวเคราะห

วงจรดงกลาวนนมขนตอนและการคานวณในทางทฤษฎทซบซอน อกทงผเรยนไมสามารถทมองเหน

พฤตกรรมทเกดจากการคานวณ ดงนนสงทสาคญและจาเปนในการเรยนวชาน คอสอการเรยนการ

สอนทมความตองการอยในระดบมาก

จากความเปนมาและความสาคญของปญหา ผวจยไดเลงเหนถงความสาคญในการเรยน

การสอนทางดานวศวกรรมไมโครเวฟ เรองทอนาคลน ซงเปนเนอหาพนฐานทสาคญ โดยมงเนน

การศกษาและออกแบบวงจรกรองความถไมโครเวฟทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา อกทงยง

สามารถนาผลการวเคราะห จากชนงานจรงมาเปรยบเทยบกบผลการจาลองโดยใชโปรแกรมจาลอง

CST Microwave Studio® ดงนนงานวจยฉบบนจงนาเสนอวงจรกรองความถไมโครเวฟทใช

วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาทวางตวอยภายในทอนาคลนแบบสเหลยม วงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนามคณสมบตการตอบสนองทางความถทดมความคมในการตดสญญาณทไมตองออกจาก

ระบบไดด เพอนาไปประยกตใชงานกบระบบการสอสารดาวเทยม อกทงยงใชเปนสอประกอบการ

เรยนการสอนรายวชาวศวกรรมไมโครเวฟได

1.2 วตถประสงคของการวจย

1.2.1 เพอศกษาและออกแบบวงจรกรองความถ ไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบ

ตวเหนยวนา

1.2.2 เพอสรางวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

1.2.3 เปรยบเทยบผลตอบสนองทางความถของวงจรกรองความถไมโครเวฟระหวางผลของการ

วดจรงกบโปรแกรมจาลองอน ๆ

1.3 ขอบเขตของการวจย

1.3.1 ศกษาและวเคราะหวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

(Inductive Iris) วางอยภายในทอนาคลนสเหลยม

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

3

1.3.2 ออกแบบวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา (Inductive

Iris) วางอยภายในทอนาคลนสเหลยม

1.3.3 วดและทดสอบวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

ทสรางขน

1.3.4 เปรยบเทยบผลการตอบสนองทางความถระหวางผลของการวดจรงกบโปรแกรม

จาลองอน ๆ

1.4 เครองมอทใชในงานวจย

1.4.1 เครองคอมพวเตอรสวนบคคล

1.4.2 โปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio®

1.4.3 เครองวเคราะหโครงขายยหอ Agilent Technologies รน N5230C

1.5 ประโยชนของผลการวจย

1.5.1 ไดวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา (Inductive Iris)

ทสามารถประยกตใชงานในระบบการสอสารดาวเทยมได

1.5.2 สามารถนาวงจรกรองความถ ไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

(Inductive Iris) เปนสอประกอบการเรยนการสอนได

1.5.3 เพอเปนแนวทางในการพฒนาวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบ

ตวเหนยวนา (Inductive Iris) ไดมประสทธภาพมากยงขนตอไป

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

4

บทท 2

ทฤษฎทเกยวของ

การวจยครงนผวจยไดศกษาทฤษฎและงานวจยทเกยวของในการออกแบบวงจรกรองความถ

ไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา โดยไดทาการศกษาหวขอตาง ๆ ดงน

2.1 ทอนาคลน

2.2 วงจรชองแคบหรอไอรส (Iris)

2.3 วงจรกรองความถในทอนาคลนแบบสเหลยม (Waveguide Filter Circuit)

2.4 การปอนกาลงคลนเขาสทอนาคลนโดยใชโพรบ

2.1 ทอนาคลน (Waveguide)

ทวศกด (2549) ทอนาคลน คอ สายสงกาลงชนดหนง ทใชสาหรบการสงสญญาณในรปคลน

สนามแมเหลกไฟฟาจากจดหนงไปยงอกจดหนง โดยใหมการสญเสยพลงงานนอยทสด โครงสรางของ

ทอนาคลน มลกษณะเปนโลหะตวนาเดยวภายในกลวง โดยทพนทหนาตดของทอนาคลนอาจจะเปน

รปสเหลยมผนผา วงกลม หรอวงร ดงแสดงในภาพท 2-1

Rectangular Waveguide Cylindrical Waveguide

Optical Waveguide

ภาพท 2-1 ทอนาคลนแบบตาง ๆ

2.1.1 หลกการของทอนาคลน

ก. ใชงานในยาน Non - TEM Mode หรอเรยกอกแบบหนงวา Waveguide Mode

ข. มโครงสรางเปนตวนาเดยว หรอฉนวน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

5

ค. ใชงานในยานทแคบมากกวาสายสง

ง. มคาการสญเสยตาและรบกาลงคลนไดสง

2.1.2 โครงสรางและคณสมบตของทอนาคลน

ทอนาคลนเปนสายสงชนดหนง ทใชในการสงสญญาณของคลนสนามแมเหลกไฟฟาทมความถ

สงมาก ๆ ทอนาคลนนมลกษณะเปนทอกลวงรปทรงสเหลยมหรอแบบทรงกลมกได ตวทอทาดวย

ทองแดง อลมเนยมหรอทองเหลอง ภายในอาจฉาบดวยเงนเพอทาใหเปนตวนาทด ดงแสดงในภาพท

2-2

ภาพท 2-2 โครงสรางของทอนาคลน

โดยทคณสมบตของการสงสญญาณจะถกกาหนดดวยขนาด โครงสราง วสดของทอและ ชน

ไดอเลกตรกทนามาใชคณสมบตของทอนาคลนสเหลยมผนผา ถกกาหนดโดยสวนสงและความกวางวด

จากขอบดานในถงขอบดานในอกดานของตวนา ดงแสดงในภาพท 2-3

ภาพท 2-3 โครงสรางของทอนาคลนสเหลยม

ลกษณะการเคลอนทของคลนในทอนาคลน เมอมองดานบน (Top View) ของทอนาคลน

ทางเดนของคลนทกๆเสนทางทามมกบผนงดานขางดวยมมเทากนดงแสดงในภาพท 2-4

Y

b

a

Z

X

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

6

ภาพท 2-4 ลกษณะการเคลอนทของคลนในทอนาคลน

การกาหนดมม θ ไมสามารถเลอกไดตามใจชอบแตคาของมนขนอยกบความกวางของ

ทอนาคลน คอ b และความยาวคลน ( λ ) ดงนน

SIN θ = 2bλ

(2-1)

ทอนาคลนจะนาพลงงานผานไปไดเมอใชมม θ ทเหมาะสม มฉะนนจะเกดการหกลางของ

สญญาณซงไมไดเกดจากการลดทอนหรอการสญเสยอยางอนมาเกยวของ

ความถตด (Cut Off Frequency) และความยาวคลนตด (Cut Off Wavelength) ภายใน

ทอนาคลนเพอใหไดสนามไฟฟาเปนศนยทผนงดานขางของทอนาคลน คลนตกกระทบ และคลน

สะทอนกลบตองเกดขนทกระยะหางหนงความยาวคลนของดานกวางของทอนาคลนทความถคาหนง

และความกวางของทอนาคลนคาหนงตองมมมตกกระทบและมมสะทอนทเหมาะสมจงจะทาให

สนามไฟฟาทผนงดานขางของทอนาคลนเปนศนย

ภาพท 2-5 ความสมพนธทางความยาวคลนของคลนตกกระทบ และคลนสะทอนกลบ

•

θgv

pv

gλ

0λa

θθ

a

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

7

ความยาวคลนทยาวทสด (Longest Wavelength) ทสามารถเดนทางผานทอนาคลน และ

ยงคงใหคาสนามไฟฟาทผนงดานขางของทอนาคลนเปนศนยซงมคาเทากบสองเทาของดานกวางของ

ทอนาคลนทคาความยาวคลนนจะมมมตกกระทบและมมสะทอน 90 องศา จะทาใหเกดคลนนง

จงไมมการแพรกระจายผานทอนาคลนคาความยาวคลนและความถวกฤตนเรยกวา ความยาว

คลนตดและความถตดตามลาดบ

ความสมพนธระหวางความยาวคลนตดและความกวางของทอนาคลน

cutoffλ = 2 × (ดานกวางของทอนาคลน)

cutoffλ = 2a (2-2)

เมอ cutoffλ = ความยาวคลนตด หนวยเปนเมตร

a = ดานกวางของทอนาคลน หนวยเปนเมตร

ความสมพนธระหวางความถตดและความยาวคลนตด

cutofff = C

cutoff

Vλ

(2-3)

เมอ cutofff = ความถตด หนวยเปน Hz

Vc = ความเรวแสง เทากบ 3 x 108 เมตรตอวนาท

ทอนาคลนอาจเปรยบไดกบวงจรกรองความถสงผานเนองจากมนสงผานความถทงหมดทมคา

สงกวาความถตด ณ จดตดนขนกบแบบแผนคลน ซงแตละแบบแผนคลนมคาความถตดทแตกตางกน

นนเอง

การสญเสยในทอนาคลน ทอนาคลนจะไมเกดการสญเสยไดอเลกตรก แตจะเกดการสญเสย

อยางหนงซงเรยกวา Ohmic loss ขนภายในผนงของทอนาคลน ซงกระแสจะตองไหลในทศทางตง

ฉากกบสนามแมเหลกไปตามทางความยาวของผนงทอเทานน ดงภาพท 2-6

H

I

ภาพท 2-6 ทศทางของสนามแมเหลก

90O

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

8

เมอพจารณาจากทฤษฎของคลนแมเหลกไฟฟาจะพบวา กระแสเกอบทงหมด จะถกจากดอยใน

ขอบเขตในสวนของผวบาง ๆ ภายในทอนาคลน ซงปรากฏการณนเรยกวา ผลกระทบตอผวตวนา

หรอเรยกวา Skin Effect ซงจะสงผลใหเกดคาความลกของผนงตวนาทเรยกวา Skin depth โดยหา

คาไดจากสมการดงน

Skin depth ( )δ = 1/ fπµ σ (2-4)

โดยท 7

0 4 10µ µ π −= = ×

σ หมายถง สภาพนา (Conductivity) ของตวนา

การหาคาสญเสยภายในทอนาคลน แบบ Rectangular Waveguide หาไดจากสมการดงน

Attenuation constant = 2

222 2

1204

sR ba b

b

λ

λπ

+

−

(เนเปอรตอเมตร) (2-5)

การหาคาของความตานทานของพนทผวตวนา หาไดจากสมการดงน

Surface Resistance = /fπµ σ (โอหมตอตารางเมตร) (2-6)

เมอ a = ความกวางทอนาคลน (เมตร)

b = ความสงทอนาคลน (เมตร)

2.1.3 ชนดของทอนาคลนและการใชงาน

การนาทอนาคลนมาใชงานทยานความถสงๆ แทนสายโคแอกเชยลเพราะวาในทอนาคลน

นนมการสญเสยนอยกวา พลงงานทผานทอนาคลน อยในรปคลนแมเหลกไฟฟา ในเบองตนน กลาวถง

ทอนาคลนแบบสเหลยม เปนตน

y

z

b

a

x

ภาพท 2-7 โครงสรางของทอนาคลนสเหลยมผนผา

การแพรกระจายของคลนในทอนาคลนสเหลยมผนผา ซงเกดจากคณลกษะเฉพาะของสนาม

ไฟฟา (E) และ สนามแมเหลก (H) ทประกอบกนเปนคลนแมเหลกไฟฟา ดงน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

9

1. สนามไฟฟา (E) มความเขมสงสดทจดกงกลางของดานกวาง ของทอนาคลน และมความ

เขมของสนามไฟฟาเปนศนย ทผนงดานขางของทอนาคลน

2. สนามแมเหลก (H) เกดขนในทอนาคลน ตอเนองกนและวนไป รอบทอนาคลนโดยม

เวกเตอรของสนามแมเหลกไมตงฉากกบผนงแผนตวนาดานใดเลย สนามแมเหลกวนตอเนองกนเปน

วนรอบ และขนานไปกบผนงตวนาทกๆ ดานดงแสดงในภาพท 2-8

ภาพท 2-8 สนามไฟฟา (E) และสนามแมเหลก (H) ภายในทอนาคลนแบบสเหลยม

การเดนทางของคลนในทอนาคลนแบบสเหลยม แมวาทอนาคลนแบบสเหลยมสามารถให

พลงงานของคลนสญญาณแมเหลกไฟฟา ในหลาย ๆ ลกษณะกตาม วธทงายทสดและนยมกนทาง

ปฏบต คอ จะใหเปน Vertically Polarized Wave ซงจะเดนทางสทอนาคลนตามทางเดนซงขนาน

กบสวนบน และลางของทอนาคลน ซงพจารณาคณสมบตตาง ๆ ดงน

1. ขนาดของ Rectangular Waveguide คณลกษณะทางไฟฟาของ Rectangular

Waveguide จะถกกาหนดโดยขนาดภายในของทอนาคลน ไมวาจะเหนทอนาคลนไปทางใดกตาม จะ

เรยกดานสนทสดวาสวนสง ซงจะเปนผนงดานขางของทอนาคลน และสวนทยาวกวาจะเรยกวาดาน

กวางซงจะเปนผนงดานบน และผนงดานลาง ของทอนาคลนนนเอง ดงแสดงในภาพท 2-9

b

a

ภาพท 2-9 ทอนาคลนแบบสเหลยม โดยท a = ความกวาง และb = ความสง

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

10

2. ทศทางการเคลอนทของคลน สามารถแบงคลนออก ไดเปน 2 ชนด คอ

- คลนตามขวาง 1(Transverse waves) เปนคลนทสงผานไปในตวกลางแลวทาใหอนภาค

ในตวกลางเคลอนทตงฉากกบทศทาง การเคลอนทของคลน0 ดงแสดงในภาพท 2-10

ภาพท 2-10 ทศทางการเคลอนทของคลนตามขวาง

- คลนตามยาว (longitudinal waves) เปนคลนทสงผานไปในตวกลางแลวทาใหอนภาค

ในตวกลางเคลอนทตามแนวขนานกบ ทศการเคลอนทของคลน เชน คลนเสยง, คลนในสปรง เปนตน

ดงแสดงในภาพท 2-11

ภาพท 2-11 ทศทางการเคลอนทของคลนตามยาว

2.2 วงจรชองแคบหรอไอรส (Iris)

บณฑต (2536: 115) วงจรชองแคบหรอไอรส คอ แผนโลหะลกษณะบาง ๆ วางขวางทผนง

ดานในของทอนาคลน ซงมจดประสงคเพอการแมตชโหลด (Matching Load) ของทอนาคลน โดย

คลนทสงเขาไปในทอนาคลนเปนโหมดโดมเนนท TE10 ซงการวางตวของวงจรชองแคบในทอนาคลน

นนมหลายรปแบบดวยกน ซงแตละแบบนนความสมมลทางไฟฟาเทยบไดกบการตอตวเหนยวนา หรอ

ตวเกบประจแบบขนาน หรอเปนทงตวเหนยวนา และตวเกบประจตอกนในแบบขนาน หรออนกรมก

ได โดยลกษณะการวางตวของวงจรชองแคบแสดงไดภาพท 2-12 ซงเปนการวางตวของวงจรชองแคบ

ททาใหความสมมลทางไฟฟาเทยบไดกบตวเหนยวนา การวางตวของวงจรชองแคบในลกษณะทแสดง

Energy transfer

Energy transfer

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

11

ความสมมลทางไฟฟาแบบตวเหนยวนาอาศยหลกการทวาถามความไมตอเนองอยในทอนาคลนจะม

โหมดอนดบสงซงเปนโหมดจางหาย (Evanescent Mode) ถกกระตนใหเกดขน และพลงงานของ

โหมดจางหายนจะสะสมอยรอบๆบรเวณทมความไมตอเนอง ซงทาใหเกดคารแอกแตนซโดยทวไป

จากหลกการนทาใหสามารถสรางชนสวนรแอกแตนซทมคาตวเหนยวนาได โดยกระตนใหเกดโหมด

จากหายทพลงงานสวนใหญอยในสนามแมเหลก ในทานองเดยวกนการวางตวของวงจรชองแคบดง

ภาพท 2-13 ซงแสดงความสมมลทางไฟฟ าเทยบไดกบคาตวเกบประจซงจะทาไดโดยอาศยการกระตน

ใหเกดโหมดจางหายทพลงงานสวนใหญอยในสนามไฟฟา

2t

a/2

a

d d

a

b

t

b

a

2r0

b b

ภาพท 2-12 การวางตวของวงจรชองแคบในทอนาคลนแบบตวเหนยวนา

a

b

a

b 2t

b

a

d

a

b

d

2t

d

ภาพท 2-13 การวางตวของวงจรชองแคบในทอนาคลนแบบตวเกบประจ

ในการวเคราะห และศกษาสนามแมเหลกไฟฟานน จะศกษาโครงสรางของวงจรชองแคบในทอ

นาคลน 2 แบบคอ

1. การใชแผนโลหะตดทผนงดานขางของทอนาคลน ในลกษณะขนานกบสนาม E ทา

ใหเกดกระแสไฟฟาไหลผาน และเหนยวนาใหเกดสนามแมเหลก ซงลกษณะปรากฏการณเชนนม

ความสมมลทางไฟฟาเทยบไดกบ ตวเหนยวนา (Inductor) ตอขนาน ดงภาพท 2-14

2. ถานาแผนโลหะไปตดทผนงดานบน และดานลาง จะทาใหความสมมลทางไฟฟาเทยบไดกบ

ตวเกบประจ (Capacitor) ตอขนาน ดงภาพท 2-15

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

12

X

Z

Y

b

a

ภาพท 2-14 โครงสรางทอนาคลนทกนดวยวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

X

Z

b

a

Y

ภาพท 2-15 โครงสรางทอนาคลนทกนดวยวงจรชองแคบแบบตวเกบประจ

สาหรบงานวจยน ผวจยจะใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเทานน ดงนนจงขอกลาวถง

1. การออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาแบบสมมาตร

da

a

T

T T

0z0z jxEy

ภาพท 2-16 หนาตดดานหนาและดานบนของวงจรตวเหนยวนาแบบสมมาตร และวงจรเทยบเคยง

จากภาพท 2-16 สามารถหาคารแอกแตนซ ของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาแบบสมมาตร

โดยทางทฤษฎ (N.Marcuvitz, 1986) ไดจากสมการดงน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

13

−−

+=ad

aadaZX

gL

π

λ

πλ

2

2

20 sin1

)32(1

1431)

2(tan (2-7)

เมอ a คอ ความกวางของทอนาคลน

d คอ ความกวางของวงจรชองแคบ

gλ คอ ความยาวคลนของทอนาคลนซงสามารถหาไดจากสมการดงน

2

21

−

=

a

gλ

λλ (2-8)

2.3 วงจรกรองความถในทอนาคลนแบบสเหลยม (Waveguide Filter Circuit)

ทวศกด (2549) ฟลเตอรคอ วงจรทใชสาหรบกรองสญญาณใหความถเฉพาะทตองการ

ใชงานผานออกมาไดสวนความถอนๆ ทไมตองการใชงานจะถกลดทอน (Attenuate) จนหมดไปวงจร

ฟลเตอรทใชงานโดยทวไปมอย 2 ลกษณะคอ แบบทเปนวงจรพาสซฟ (passive) และแบบแอกตฟ

(active) วงจรในแบบทเปนพาสซฟนน จะใชเพยงอปกรณประเภทความตานทาน ตวเกบประจ และ

ตวเหนยวนาแตในวงจรประเภทแอกตฟจะรวมถงทรานซสเตอร และออปแอมปดวย โครงสรางของ

วงจรกรองความถในทอนาคลนทมโครงสรางของวงจรชองแคบในลกษณะตาง ๆ สามารถแสดงได ดง

ภาพท 2-17

ภาพท 2-17 ผลตอบสนองทางความถของวงจรกรองความถ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

14

ประเภทของวงจรกรองความถ สามารถแบ งตามลกษณะของผลตอบสนองทางความถ

(Frequency Response) ดงน

2.3.1 วงจรกรองความถตาผาน (Low Pass Filter)

เปนวงจรทยอมใหสญญาณความถตาผานและกนความถสงไว การตอบสนองเชงขนาดของ

สญญาณ (Amplitude Response) ซงเปนการพลอต (Plot) ระหวางขนาด ( )H jω ของสมการท

รานเฟอรฟงกชน ( )H s (Transfer Function) กบความถ ω (เรเดยน/วนาท) หรอความถ f (Hz)

โดยท 2 fω π= และทกความถจะได

2

1

( )( )( )

V sH sV s

= (2-9)

โดยท 2V เปนแรงดนเอาตพต และ 1V เปนแรงดนอนพต

2.3.2 วงจรกรองความถสงผาน (High Pass Filter)

เปนวงจรทยอมใหสญญาณทมความถสงกวาความถตดผาน และกนสญญาณทมความถตา

กวาความถตดไว เปนการตอบสนองทางดานอดมคตจะเหนชวงของความถผานและชวงความถหยดได

อยางชดเจน แตในลกษณะของการตอบสนองของอปกรณในวงจรกรองความถในการใชงานจรงจะม

ชวงเวลาในการไตขนและลงของสญญาณระหวางชวงความถผานกบชวงความถหยด แตกตางกบการ

ตอบสนองของชวงความถในดานอดมคต

2

22

1

( )( )( )

V s KsH sV s s as b

= =+ +

(2-10)

2.3.3 วงจรกรองแถบความถผาน (Band Pass Filter)

วงจรกรองแถบความถผาน เปนวงจรความถทยอมใหสญญาณในชวงความถใด ๆ ทกาหนดไว

สามารถผานได แสดงใหเหนตามรปกราฟแสดงการตอบสนองเชงขนาดของ ถาให 1ω และ 2ω เปน

จดปลายของชวงความถผาน โดย 1 2ω ω< จะไดแบนดวดทของชวงความถผานคอ 2 1B ω ω= −

และความถกงกลาง 0ω คอ 0 1 2ω ω ω= × ชวงความถระหวาง 1ω และ 2ω เปนชวงทมการ

ลดทอนของสญญาณนอยทสดซงจะทาใหความถทอยในชวงดงกลาวสามารถผานไปเอาตพตได สวน

ชวงความถทตากวาหรอสงกวาชวงความถดงกลาวทกาหนดไว จะไมสามารถผานวงจรกรองแถบ

ความถผานไปได

สมการโพลโนเมยลอนดบทสองสามารถเทยบเคยงคณลกษณะของวงจรทางอดมคตได โดย

กาหนดคา B และ 20ω ใหเหมาะสม ซงจะไดออกมาในรปสมการทรานเฟอรฟงกชน ดงน

22 2

1 0

( )( )( )

V s KsH sV s s Bs ω

= =+ +

(2-11)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

15

2.3.4 วงจรกรองแถบความถหยด (Band Stop Filter)

วงจรกรองแถบความถหยดจะทาหนาทตรงขามกบวงจรกรองแถบความถผาน คอ ไมยอมให

สญญาณในชวงความถใดๆ ทกาหนดไวผานไปได ชวงความถหยดทกาหนดไวคอ 1ω และ 2ω ซง

ความถในชวงนไมสามารถผานวงจรกรองแถบความถหยดไปได ในกรณของวงจรกรองแถบความถ

หยดเชนเดยวกบของวงจรกรองแถบความถผาน ทจะตองกาหนดคา Q (Quality Factor) ซงจะเปน

ตวชความกวางหรอแคบของแถบความถทจะถกลดทอนหรอขจดทง คา Q มากแถบความถจะกยง

แคบ คา Q นอยแถบความถจะกวางมากขน

สมการโพลโนเมยลอนดบทสองสามารถเทยบเคยงคณลกษณะของวงจรทางอดมคตในรป

สมการ ทรานเฟอรฟงกชน ดงน

( )2 2

022 2

1 0

( )( )( )

K sV sH sV s s Bs

ω

ω

+= =

+ + (2-12)

โดยท 0ω เปนความถกงกลางในหนวยเรเดยน/วนาท และ 0BQω

= จะเปนคาความกวางของแถบ

ความถทถกขจดทง

2.4 การปอนกาลงคลนเขาสทอนาคลนโดยใชโพรบและบวงรปครงวงกลม

บณฑต (2536: 194) ในการปอนกาลงคลนเขาสทอนาคลนนน เนองจากทมาของกาลงคลนคอ

วงจรขยายซงตองมวงจรเรโซแนนทอย และวงจรเรโซแนนทททางานไดดในยานความถไมโครเวฟจะ

เปนวงจรเรโซแนนทแบบโพรง (Cavity resonator) ดงนนตองคานงถงการดงกาลงคลนจากวงจร

เรโซแนนทแบบโพรงพรอมๆ กบการปอนกาลงคลนเขาสทอนาคลน การดงกาลงคลนออกจากวงจร

เรโซแนนทแบบโพรงนนโดยทวไปจะทาไดโดยสองลกษณะดงทแสดงไวในภาพท 2-18 ลกษณะแรกจะ

เปนการยนโพรบหรอบวงรปครงวงกลมเขาไปในวงจรเรโซแนนทแบบโพรงดงทแสดงในภาพท

2-18(ก)

โพรง

ทอนาคลน ชองวาง

(ก) วงจรเรโซแนนทแบบโพรง (ข) วงจรเรโซแนนทแบบโพรงและทอนาคลน

ภาพท 2-18 การดงกาลงคลนออกจากวงจรเรโซแนนท

สายโคแอกเชยล

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

16

สาหรบลกษณะทสองนนเปนการเจาะรทผนงรวมระหวางวงจรเรโซแนนทแบบโพรงและทอนาคลน

ดงทแสดงในภาพท 2-18(ข) เนองจากการวเคราะหทางทฤษฎของการสงผานพลงงานแมเหลกไฟฟา

ในทงสองวธนคอนขางยงยาก ในทนจะขออธบายการทางานของทงสองแบบน ในเชงคณภาพเปนหลก

การดงกาลงงานในลกษณะแรกนนปรากฏการณทเกดขนจะเปนดงนคอ กอนอนเงอนไขของ

การดงพลงงานทดคอ ขนาดของโพรบหรอบวงรปครงวงกลมและขนาดของรทยนโพรบเขามาตองม

ขนาดเลกทงนเพอจะไดไมรบกวนการทางานของวงจรเรโซแนนทแบบโพรง การทยนโพรบหรอบวงรป

ครงวงกลมเขาไปนนพลงงานแมเหลกไฟฟาทเรโซแนนทอยในโพรงขบใหเกดกระแสไฟฟาไหลบนโพ

รบหรอบวงรปครงวงกลมและเกดแรงดนไฟฟาขนทขวในลกษณะทแสดงไวในภาพท 2-19(ก)

กระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟาทเกดขนนกจะถกสงเขาสสายนาสญญาณทมาตออยซงสวนใหญจะเปน

สายโคแอกเชยล เงอนไขจาเปนทเกดขนในขนตอนนกคอ อมพแดนซของสายโคแอกเชยลจะตอง

แมตซกบอมพแดนซภายในของวงจรเรโซแนนทแบบโพรงทมโพรบยนเขาไป ในภาพท 2-19(ข) แสดง

วงจรสมมลของระบบการดงพลงงานออกนโดยทปลายสายโคแอกเชยลอกดานหนงจะไปตอเขากบ

โหลดซงในกรณทพจารณาอยนคอโพรบทจะยนเขาไปในทอนาคลนเพอปอนพลงงานนนเขาสทอนา

คลนนนเอง

ทศทางกระแส (I)

ทศทางแรงดน (V)

Yo LG C

(ก) ทศทางกระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟา (ข) วงจรสมมลของระบบ

ภาพท 2-19 การดงกาลงคลนออกจากวงจรเรโซแนนทแบบโพรงและวงจรสมมล

การยนโพรบเขาไปในทอนาคลนเพอสงพลงงานแมเหลกไฟฟาจากสายโคแอกเชยลเขาส

ทอนาคลนนนโดยทวไปจะตองคานงถงโหมดทตองการกระตนใหเกดขน โหมดดงกลาวนในการใชงาน

ทวไปจะเปนโหมดพนฐาน กลาวคอในกรณของทอนาคลนแบบสเหลยมกจะเปน TE10 โหมด TE10 น

จะมสนามไฟฟาในทศ y เทานน และขนาดของไฟฟาจะมคาสงสดตรงตาแหนงกงกลางของทอนาคลน

หรอตาแหนง x = a/2 ในขณะท a เปนความกวางของคลนในแนวแกน x เมอพจารณาดงนแลวจะ

เหนไดวาโพรบทยนเขาไปนนจะตองเปนโพรบทมคณสมบตแบบไดโพลไฟฟา (Electric dipole) ทช

ในทศ y และวางตาแหนงตรง x = a/2 ทงนเพอใหเกดการกระตนสนามไฟฟาในทศ y โดยไมเกด

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

17

สนามไฟฟาในทศอน สาหรบการวางตาแหนงตรง x = a/2 นนเพอใหการสงผานพลงงานเขาสทอนา

คลนเปนไปอยางเตมทมากทสด ดงแสดงในภาพท 2-20

P

Lz

y

x

b

a/2

ดานขาง ดานหลง

x

z

ดานบนa/2

ภาพท 2-20 ลกษณะของโพรบและการวางตาแหนงของโพรบทใชในการกระตนใหเกดโหมด TE10

เมอพจารณารายละเอยดของโพรบจะพบวาวธทงายทสดในการสรางไดโพลไฟฟาในทศ y นนก

คอการยนโพรบทเปนโลหะเสนตรงออกไปจากโลหะในของสายโคแอกเชยลในลกษณะเดยวกนกบการ

ขบสายอากาศแบบโมโนโพล (Monopole antenna of quarter wave ground plane antenna)

โดยใชสายอากาศในภาพท 2-21

y

z

x

θ

x

z

10θ

10θ

(ก) สายอากาศแบบโมโนโพล (ข) ทศทางการกระจายของคลน

ภาพท 2-21 สายอากาศแบบโมโนโพลในอากาศเปดและในทอนาคลน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

18

แสดงสภาพดงกลาวนในกรณของสายอากาศแบบโมโนโพลทวางอยในอากาศวางดงภาพท 2-

21(ก) คลนระนาบจะกระจายออกไปไดทกทศทางตอเนอง แตเมอมทอนาคลนมาหมไวดงภาพท 2-

21(ข) จะมคลนระนาบในทศจากดบางทศเทานนทสงผานไปไดในกรณทสงผานไปไดเฉพาะโหมด

TE10 เทานน ถงแมทบรเวณไกล ๆ จะมเฉพาะโหมด TE10 สงผานไปไดซงไมไดหมายความวาท

บรเวณใกล ๆ โพรบจะมเฉพาะคลน TE10 เทานน อนทจรงบรเวณใกล ๆ รอบ ๆ โพรบนนจะมคลน

อนดบสงถกใหกาเนดอยดวยเพยงแตไมสามารถสงผานไปตามทอนาคลนไดเทานนนนคอโหมดอนดบ

สงตาง ๆ เหลานนจะอยในสภาพของโหมดจางหายซงหมายถงจะมกาลงคลนรแอกตฟเกดอยรอบ ๆ

โพรบและเปนตนเหตของการเกดคารแอกแตนซขน ในสภาพเชนนกจะไมแมตซกบสายโคแอกเชยลท

ตออย จากการวเคราะหทางทฤษฎพบวาความยาวของโพรบ (P) และระยะหางระหวางโพรบการ

ปลายปดวงจร (L) จะมผลตอคารซสแตนซของการกระจายคลน (Radiation resistance) เนองจาก

ในทางปฏบตจะตองสรางใหคารซสแตนซมคาเทากบอมพแดนซลกษณะสมบตของสายโคแอกเชยลซง

มกจะเทากบ 50 โอหม ดงนนความยาว (L) และ (P) จงตองเลอกใหเหมาะสมเพอใหสามารถแมตซ

กบสายโคแอกเชยลไดอยางสมบรณ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

19

บทท 3

วธการดาเนนงานวจย

สาหรบการศกษาและออกแบบวงจรกรองความถไมโครเวฟในโครงการวจยครง มวธการทางาน

ทงหมดสามารถแสดงเปนแผนผงวธดาเนนงานไดดงภาพท 3-1

ภาพท 3-1 แผนผงวธการดาเนนงาน

เร�มตน

ศกษาทฤษฎท�เก�ยวของ

ออกแบบวงจรกรองความถ�โดยใชโปรแกรมจาลอง CST

สรางช�นงานจรง

ปรบปรง/แกไขไมผาน

ผาน

ทดสอบ

ทดสอบ

ปรบปรง/แกไขไมผาน

เปรยบเทยบผลการทดลอง

สรป/วเคราะหผล

ส�นสด

ผาน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

20

3.1 การศกษาและออกแบบทอนาคลนแบบสเหลยม

การศกษาและออกแบบทอนาคลนเรมจากการศกษาโหมดการแพรกระจายคลนภายใน

ทอนาคลน โดยทวไปโหมดการแพรกระจายคลนสามารถแบงออกเปน 2 โหมด คอทอนาคลนโหมด

TM และทอนาคลนโหมด TE สาหรบโครงการวจยนไดเลอกใชทอนาคลนโหมด TE เพอทาการศกษา

และออกแบบทอนาคลนแบบสเหลยม จากการศกษาขนาดมาตรฐานของทอนาคลนจะใชทขนาด

a=2b และโหมดทมความถตดนอยทสดจะเรยกวา โดมแนนทโหมด (Dominant mode) ซงภายใน

ทอนาคลนกคอโหมด TE10 ทมขนาด a > b และกาหนดความถตดในโหมดพนฐาน (Cutoff

frequency) เทากบ 2.34 GHz ดงนนสามารถคานวณหาขนาดความกวางของทอนาคลน (a) ไดดงน

2 21 ( ) ( )2cmn

m nfa bµε

= +

เมอ cmnf = Cutoff frequency

m = 1; n = 0;

c = 1µε

เปนคาความเรวของแสงในอากาศวางมคาเทากบ3 x 108 m/s

จะได 28

9

89

8

9

3 10 12.34 102

3 10 12.34 102

3 102 2.34 100.064 6.4

a

a

a

a m cm

× × =

× × =

×=

× ×= =

ดงนนคาความสง (b) ของทอนาคลนสามารถหาไดจาก

2

6.4 2

3.2

a bcm b

b cm

=

=

=

จากการคานวณคาความกวางและความสงของทอนาคลน สามารถออกแบบโครงสรางของทอ

นาคลนดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® ไดดงนความกวาง (a) เทากบ 64 mm

ความสง (b) เทากบ 32 mm ความยาวทอนาคลน เทากบ 96 mm ดงภาพท 3-2

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

21

32 mm.

64 mm.

96 mm.

ภาพท 3-2 โครงสรางจาลองทอนาคลน

ภาพท 3-3 ผลการจาลองโครงสรางทอนาคลน

จากภาพท 3-3 เปนผลการตอบสนองทางความถของทอนาคลน โดยการปอนกาลงคลนเขาส

ทอนาคลนนนจะเปนการปอนแบบอดมคต คอ การปอนอนพตเขาทพอรต 1 และเอาตพตออกท

พอรต 2 ดงภาพท 3-2 พบวาทอนาคลนสามารถทางานไดในชวง 2.34 – 4.68 GHz

จากหลกการการออกแบบการปอนกาลงคลนเขาสทอนาคลนโดยใชโพรบ ผวจยจงทาการสราง

สายอากาศแบบโมโนโพลวางอยทตาแหนงหางจากผนงปลายปดของพอรตทางเขาและทางออก

Input

Output

1

2

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

22

ประมาณ 4λ เปนแหลงจายพลงงาน โดยการเพมขนาดความยาวของสายอากาศ (P) ตามอตราสวน

ตงแต 18-24 mm โครงสรางทอนาคลนทใชทดสอบ แสดงดงภาพท 3-4 (ก) โดยทอนาคลนมขนาด

ความกวาง (a) เทากบ 64 mm ความสง (b) เทากบ 32 mm และทอนาคลนมความยาวเทากบ 96

mm

(ก) การจาลองทอนาคลนทใชสายอากาศแบบโมโนโพล

(ข) คาพารามเตอรการสงผาน (S21)

ภาพท 3-4 การศกษาและวเคราะหแหลงกาเนดพลงงานทใชสายอาการแบบโมโนโพล

จากภาพท 3-4(ข) แสดงผลการจาลองการตอบสนองทางความถของคาพารามเตอร

การสงผาน (S21) ในทอนาคลนทใชสายอากาศแบบโมโนโพลตงแตชวงความถ 1-6 GHz จากการ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

23

จาลองพบวาชวงการใชงานของการตอบสนองทางความถทสามารถใชงานไดดสาหรบยานการสอสาร

ชวงตงแต 1.8-5 GHz

3.2 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวภายในทอนาคลน

โครงสรางวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาทมความสมมาตรกน กาหนดให d คอระยะหาง

ระหวางชองแคบ และ a คอความกวางชองวงจรชองแคบ สามารถแสดงไดดงภาพท 3-5 และวงจร

สมมลเปรยบเทยบไดดงภาพท 3-6

d

a

ภาพท 3-5 ดานขางวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา ภาพท 3-6 วงจรสมมล

(Cross sectional view) (Equivalent circuit)

คารแอกแตนซ (Reactance : XL) ของตวเหนยวนาทเกดขนภายในทอนาคลนสามารถ

หาไดจากสมการดงตอไปน (N.Marcuvitz, 1951)

เมอ 2

12

g

a

λλλ

= −

หลงจากนนใชโปรแกรม MATLAB ซงเปนโปรแกรมสาเรจรป เปนเครองมอใน การวเคราะห

และคานวณหาคารแอกแตนซ (Reactance : XL) โดยใชการเพมขนาดความกวางของชองแคบ (d)

กบความกวางของทอนาคลน (a) ตามอตราสวนตงแต 0.125 – 0.5 ตามลาดบ ผลการทดลองแสดง

ดงภาพท 3-7

2 20

2

3 1tan ( ) 1 1 sin2 4 21 ( )

3

Lg

a d dX Za aa

π πλ

λ

= + − −

0Z 0Z

LjX

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

24

ภาพท 3-7 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

จากผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

ดงแสดงในภาพท 3-7 โดยการใชโปรแกรม MATLAB การวเคราะหหาคารแอกแตนซ

Reactance : XL (พบวาเมออตราสวนระหวางความกวางวงจรชองแคบกบความกวางของ

ทอนาคลนเพมมากขนคารแอกแตนซ )Reactance : XL กเพมมากขนตามลาดบ จากหลกการ

ดงกลาวผวจยจงนามาใชในการออกแบบวงจรกรองผานแถบความถ โดยใชโปรแกรมจาลอง CST

Microwave Studio® เปนเครองมอในการวเคราะหและออกแบบวงจรกรองผานแถบความถ ในทอ

นาคลนประกอบดวยขนตอนและรายละเอยดดงน โครงสรางของวงจรชองแคบตวเหนยวนาภายใน

ทอนาคลนทใชทดสอบแสดงในภาพท 3-8 โดยขนาดความกวางของทอนาคลน(a) เทากบ 64 mm

ความสง(b) เทากบ 32 mm สวนของขนาดวงจรชองแคบจะปรบเปลยนชวงแถบความถโดยใชการ

เพมขนาดตามอตราสวนความกวางของวงจรชองแคบ(d)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

25

ภาพท 3-8 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

ภาพท 3-9 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยว

จากภาพท 3-9 แสดงผลการจาลองการตอบสนองทางความถของคาพารามเตอรการสงผาน

(S21) ในทอนาคลนทใชวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยวตงแตชวงความถ 2.0 – 6.0 GHz โดยการ

เพมขนาดความกวางของชองแคบตามอตราสวนตงแต 26–34 mm ผลการจาลองพบวาชวงการใช

งานของการตอบสนองทางความถทสามารถใชงานไดดสาหรบยานการสอสารชวงความถตงแต

2.34–4.68 GHz

เมอไดขนาดโครงสรางทงหมดดงภาพท 3-8 จากนนทาการสรางชนงานจรงและประกอบวงจร

ชองแคบเขากบทอนาคลนเพอทาการวดและทดสอบผลการทดลอง โดยชนงานจรงททาการสรางเสรจ

32 m.m.

24 m.m.

48 m.m.

48 m.m.

64 m.m.

32 m.m.

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

26

เรยบรอยแสดงดงภาพท 3-10 ขนาดโครงสรางคอ a เทากบ 64 mm, b เทากบ 32 mm, d เทากบ

32 mm

ภาพท 3-10 ชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน

3.3 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตวภายในทอนาคลน

โครงสรางของวงจรชองแคบตวเหนยวนา 2 ตวภายในทอนาคลน แสดงในภาพท 3-11

กาหนดใหมขนาดความกวางของทอนาคลน (a) เทากบ 64 mm ความสง (b) เทากบ 32 mm สวน

ของวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวท 1 (d1) และตวท 2 (d2) ใชวธการวเคราะหโดยการเพมขนาด

ความกวางของวงจรชองแคบ จากนนทาการปรบเปลยนคาระยะหางระหวางวงจรชองแคบ l(2) ตวท

1 และตวท 2 ตามลาดบ

ภาพท 3-12 แสดงผลการตอบสนองทางความถของคาพารามเตอรการสงผาน (S21 )

ในทอนาคลนทใชวงจรชองแคบตวเหนยวนา 2 ตว วางเรยงกนตามลาดบภายในทอนาคลนตงแตชวง

ความถ 2.0 – 6.0 GHz ดวยการเพมขนาดความกวางของชองแคบทง 2 ตว ตามอตราสวนตงแต 21

ภาพท 3-11 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวนาจานวน 2 ตว

32 m.m.

64 m.m. 48 m.m.

48 m.m.

32 m.m.

24 m.m.

24 m.m.

24 m.m.

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

27

– 26 mm สวนภาพท 3-13 แสดงผลการตอบสนองทางความถของคาพารามเตอรการสงผาน (S21)

จากการเปลยนแปลงคาระยะหางระหวางวงจรชองแคบ I(2) ตวท 1 และตวท 2 ตงแต 30 – 36 mm

จากผลการจาลองพบวาการปรบขนาดความกวางและระยะหางของวงจรชองแคบทง 2 ตว มผล

โดยตรงตอการเปลยนแปลงของผลการตอบสนองทางความถ

ภาพท 3-12 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนา 2 ตว

ภาพท 3-13 ผลการจาลองของการปรบคาระยะหางระหวางวงจรชองแคบ l(2) ตวท 1 และตวท 2

เมอไดขนาดโครงสรางทงหมดดงภาพท 3-11 จากนนทาการสรางชนงานจรงและประกอบ

วงจรชองแคบเขากบทอนาคลนเพอทจะสามารถตอเขากบเครองวเคราะหขายงานไฟฟาเพอทาการวด

และและทดสอบผลการทดลอง โดยชนงานจรงททาการสรางเสรจเรยบรอยแสดงดงภาพท 3-14 ซง

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

28

ขนาดโครงสรางคอ a เทากบ 64 mm, b เทากบ 32 mm, d1 เทากบ 24 mm, d2 เทากบ 24

mm, l(2) เทากบ 32 mm

ภาพท 3-14 ชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตวภายในทอนาคลน

3.4 การศกษาและออกแบบวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตวภายในทอนาคลน

สวนทสใชทอนาคลนทมวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตว โดยกาหนดขนาดความกวาง

ของทอนาคลน (a) เทากบ 64 mm และความสง (b) เทากบ 32 mm สวนของวงจรชองแคบตว

เหนยวนาตวท 2 (d2) ใชวธการวเคราะหดวยการเพมขนาดความกวางของวงจรชองแคบ สวนวงจร

ชองแคบตวท 1 (d1) วงจรชองแคบตวท 3 (d3) มความสมมาตรกน โดยกาหนดความกวางอยท

28 mm และระยะหางระหวางวงจรชองแคบ l(2) และ l(3) ตวท 1 ตวท2 และตวท 3 มคาเทากน

โดยโครงสรางทอนาคลนจะแสดงดงภาพท 3-15

ภาพท 3-15 โครงสรางวงจรชองแคบตวเหนยวจานวน 3 ตว

42 m.m.

28 m.m.

28 m.m.

32 m.m.

64 m.m. 48 m.m.

48 m.m.

32 m.m.

32 m.m.

19.2 m.m.

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

29

ภาพท 3-16 ผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวท 2 (d2)

จากภาพท 3-16 แสดงผลการจาลองของการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตวเหนยวนา

ตวท 2 (d2) ของคาพารามเตอรการสงผาน (S21) จากการเพมขนาดความกวางวงจรชองแคบตว

เหนยวนาตวท 2 (d2) ตงแต 40 – 46 mm จากผลการจาลองพบวาการปรบขนาดความกวางของ

วงจรชองมผลโดยตรงตอการเปลยนแปลงของผลการตอบสนองทางความถ

เมอไดขนาดโครงสรางทงหมดดงภาพท 3-15 จากนนทาการสรางชนงานจรงและประกอบ

วงจรชองแคบเขากบทอนาคลนเพอทจะสามารถตอเขากบเครองวเคราะหขายงานไฟฟาเพอทาการวด

และและทดสอบผลการทดลอง โดยชนงานจรงททาการสรางเสรจเรยบรอยแสดงดงภาพท 3-17

ภาพท 3-17 ชนงานจรงของวงจรชองแคบตวเหนยวนา 3 ตวภายในทอนาคลน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

30

บทท 4

ผลการศกษาและการทดสอบวงจร

บ ท น เ ป น ก า ร น า ผ ล ท ไ ด จ า ก ก า ร อ อ ก แ บ บ ก า ร จ า ล อ ง ด ว ย โ ป ร แ ก ร ม จ า ล อ ง

CST Microwave Studio® เปรยบเทยบกบผลทไดจากการวดทดสอบดวยเครองวดขายงานไฟฟา

ของชนงานจรงทสรางขน การวดทดสอบแบงออกเปน 3 สวน คอ สวนแรก เปนการวดทดสอบวงจร

ชองแคบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวในทอนาคลน สวนทสองเปนการวดทดสอบวงจรชองแคบตว

เหนยวนาจานวน 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน และสวนทสาม เปนการวดทดสอบวงจร

ชองแคบตวเหนยวนาจานวน 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน โดยอปกรณทใชในการวด

ทดสอบคอเครองวดขายงานไฟฟายหอ Agilent Technologies รน N5230C

พารามเตอรททาการวดทดสอบม 2 พารามเตอร คอ คาพารามเตอรการสงผาน (S21) และ

คาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) ดวยวธการวดทดสอบทใชเครองวดขายงานไฟฟาแสดงดงภาพท

4-1

ภาพท 4-1 การตอวงจรทใชในการวดทดสอบ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

31

4.1 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจรชองแคบตวเหนยวนา

เพยงตวเดยวในทอนาคลน

วงจรกรองผานแถบความถทใชวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน กาหนดให

มความถตดในโหมดพนฐานเทากบ 2.34 GHz มขนาดโครงสรางของทอนาคลนและวงจรชองแคบ

แสดงดงภาพท 4-2(ก) ประกอบดวยขนาดความกวางของทอนาคลน (a) เทากบ 64 mm ความสง

(b) เทากบ 32 mm สวนของวงจรชองททดสอบมความกวาง (d) เทากบ 32 mm วางอยในทอนา

คลนทมความยาว 96 mm และชนงานจรงของวงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน

แสดงดงภาพท 4-2(ข) คาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) ท

ไดจากการจาลองการทางานดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® เมอเปรยบเทยบกบ

คาทไดจากการวดชนงานจรงดวยเครองวเคราะหขายงานไฟฟา ผลการเปรยบเทยบแสดงไดดงภาพท

4-3

(ก) วงจรจาลองของวงจรชองแคบ (ข) ชนงานจรงของวงจรชองแคบ

ภาพท 4-2 วงจรชองแคบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวภายในทอนาคลน

ภาพท 4-3 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ


48 mm

24 mm

สายอากาศโมโนโพล

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

32

และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) คาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาความถมลฐาน

(Fundamental Frequency) ทไดจากการจาลองการทางานดวยโปรแกรมจาลอง

CST Microwave Studio® และผลทไดจากการวดชนงานจรงดวยเครองวเคราะหขายงานไฟฟาของ

วงจรชองแคบตวเหนยวนาเพยงตวเดยวในทอนาคลน สามารถสรปไดดงตารางท 4-1

ตารางท 4-1 ผลการเปรยบเทยบทดสอบการวดชนงานจรงและการจาลองจากโปรแกรมจาลอง


f1 (GHz) f2 (GHz) f0 (GHz) S11 (dB) S21 (dB)

Measured 4.02 4.72 2.34 -5.59 -0.37

Simulated 3.97 4.83 2.36 -6.60 -0.27



กาหนดให f1 คอ คาความถตน

f2 คอ คาความถปลาย

f0 คอ คาความถกลาง

S11 คอ คาพารามเตอรการสะทอนกลบ

S21 คอ คาพารามเตอรการสงผาน

จากภาพท 4-3 และตารางท 4-1 แสดงผลทไดจากการทดสอบชนงานจรงและการจาลองของ

วงจรชองแคบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน ตงแตชวงความถ 2-5 GHz ไดผลทสอดคลองกน

กลาวคอ ผลจากการทดสอบชนงานจรงจากเครองวเคราะหขายงานไฟฟา ยานผานแถบความถม

คาพารามเตอรการสงผานมากทสด -0.37 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -5.59 dB

ผลการจาลองการทางานดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® ยานผานแถบความถ

มคาพารามเตอรการสงผานมากทสด -0.27 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -6.60 dB

4.2 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจรชองแคบ

แบบตวเหนยวนา 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

กาหนดขนาดโครงสรางของทอนาคลน ดงน ความกวาง (a) เทากบ 64 mm และความสง (b)

เทากบ 32 mm สวนของวงจรชองแคบ (d1) ของวงจรชองแคบตวท 1 เทากบ 24 mm ความกวาง

(d2) ของวงจรชองแคบตวท 2 เทากบ 24 mm มระยะหางระหวางวงจรชองแคบจากตวท 1 ถงวงจร

ชองแคบตวท 2 เทากบ 32 mm วางอยในทอนาคลนทมความยาวเทากบ 128 mm แสดงดงภาพท

4-4(ก) และชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตว แสดงดงภาพท 4-4(ข)

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

33

(ก) โครงสรางจาลองของวงจรชองแคบ (ข) ชนงานจรงของวงจรชองแคบ

ภาพท 4-4 วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

คาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) ทไดจากการ

จาลองการทางานดวยโปรแกรม CST Microwave Studio® เมอเปรยบเทยบคาทไดจากการวด

ชนงานจรงดวยเครองวเคราะหขายงานไฟฟา สามารถแสดงไดดงภาพท 4.5 และสามารถสรปไดดง

ตารางท 4-2

ภาพท 4-5 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) และคาพารามเตอรการสงผาน


สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

34




Measured 4.10 4.78 2.34 -12.15 -0.21

Simulated 4.07 4.84 2.36 -16.16 -0.11

จากภาพท 4-5 และตารางท 4-2 แสดงผลทไดจากการทดสอบชนงานจรงและการจาลองของวงจร

ชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน ผลทไดสอดคลองกนคอผลจาก

การทดสอบชนงานจรงจากเครองวเคราะหขายงานไฟฟายานผานแถบความถมคาพารามเตอรการ

สงผานมากทสด -0.21 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -12.15 dBผลจากการจาลอง

การทางานดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® ยานผานแถบความถมคาพารามเตอร

การสงผานมากทสด -0.11 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -16.16 dB

4.3 การเปรยบเทยบผลการจาลองกบการวดทดสอบชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบ

ตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

กาหนดขนาดโครงสรางของทอนาคลน ดงน ความกวาง (a) เทากบ 64 mm และความสง (b)

เทากบ 32 mm สวนของวงจรชองแคบ (d1) ของวงจรชองแคบตวท 1 เทากบ 28 mm ความกวาง

(d2) ของวงจรชองแคบตวท 2 เทากบ 42 mm และความกวาง (d3) ของวงจรชองแคบตวท 3

เทากบ 28 mm วางอยในทอนาคลนทมความยาวเทากบ 160 mm แสดงดงภาพท 4-6(ก) และ

ชนงานจรงของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตว แสดงดงภาพท 4-6(ข)

(ก) โครงสรางจาลองของวงจรชองแคบ (ข) ชนงานจรงของวงจรชองแคบ

ภาพท 4-6 วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลน

คาพารามเตอรการสงผาน (S21) และคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) ทไดจากการจาลอง

การทางานดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® เมอเปรยบเทยบคาทไดจากการวด

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

35

ชนงานจรงดวยเครองวเคราะหขายงานไฟฟาของวงจรชองแคบตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกน

ภายในทอนาคลน ผลการเปรยบเทยบชวงความถ 2 GHz ถง 6 GHz สามารถแสดงดงภาพท 4-10

และสามารถสรปไดดงตารางท 4-3

ภาพท 4-7 ผลการเปรยบเทยบคาพารามเตอรการสะทอนกลบ (S11) และคาพารามเตอรการสงผาน





Measured 4.20 4.80 2.34 -15.57 -0.007

Simulated 4.26 4.92 2.36 -20.71 -0.007

จากภาพท 4-7 และตารางท 4-3 แสดงผลทไดจากการทดสอบชนงานจรงและการจาลองของ

วงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 3 ตววางเรยงลาดบกนภายในทอนาคลนผลทไดสอดคลองกน

กลาวคอ ผลจากการทดสอบชนงานจรงจากเครองวเคราะหขายงานไฟฟา ยานผานแถบความถ

มคาพารามเตอรการสงผานมากทสด -0.007 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -15.57

dB ผลจากการจาลองการทางานดวยโปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio® ยานผานแถบ

ความถ มคาพารามเตอรการสงผานนอยทสด -0.007 dB คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด -

20.71 dB

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

36

บทท 5

สรปผลการวจยและขอเสนอแนะ

โครงการวจยนมวตถประสงคเพอการศกษา การออกแบบและสรางวงจรกรองความถ

ไมโครเวฟ ทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาหรอไอรสวางอยในทอนาคลน โดยเรมจากการศกษา

โครงสรางวงจรกรองความถไมโครเวฟทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาตวเดยวภายในทอนาคลน

จากนนทาการปรบเปลยนโครงสรางของวงจรกรองความถไมโครเวฟทใชวงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนาตวเดยวใหเปนวงจรกรองความถไมโครเวฟทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสองตววางอย

ในทอนาคลนและวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสามตววางอยในทอนาคลน ตามลาดบ ทาการ

จาลองวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา แลวทาการวดและทดสอบชนงานทสรางขนดวยเครอง

วเคราะหโครงขาย จากนนทาการเปรยบเทยบผลทไดจากการวดและทดสอบกบผลจาลองทไดจาก

โปรแกรมจาลอง CST Microwave Studio®

5.1 สรปผลวจย

5.1.1 ผลของการศกษาและออกแบบวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบ

ตวเหนยวนา (Inductive Iris) มดงน

พบวาวงจรกรองความถไมโครเวฟทใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาตวเดยววางอยในทอนา

คลนโครงสรางของทอนาคลนทออกแบบมยานความถกลางประมาณ 4.3-4.7 GHz สามารถทางาน

ในชวงความถตงแต 2.34 GHz ถง 4.68 GHz ทเปนความถตดผานในโหมดพนฐาน ( )10TE และ

ความถในโหมดลาดบทสอง ( )20TE เมอออกแบบนาเอาวงจรชองแคบทมอตราสวนความกวางของชอง

แคบตอความกวางของทอนาคลน 0.5da =

มาวางในทอนาคลนทมความยาว 96 mm สงผลทาให

ไดผลตอบสนองเปนแถบผานความถทความถตดดานลางอยท 4.02 GHz และความถตดดานบน

เทากบ 4.72 GHz มความกวางของแบนดวดทเทากบ 700 MHz จากนนทาการปรบเปลยนโครงสราง

ของวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยเพมวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเปน 2 ตววางอยในทอนาคลน

โครงสรางของทอนาคลนทออกแบบมยานความถกลางประมาณ 4.1-4.8 GHz พบวาวงจรสามารถ

ทางานทความถแถบผานในชวงตงแต 4.12 GHz ถง 4.75 GHz มความกวางของแบนดวดทเทากบ

630 MHz โครงสรางของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา 2 ตว ขนาดของชองแคบตวท 1 และตวท 2

เทากบ 24 mm วางเรยงลาดบกนตามความยาวของทอนาคลนทมขนาด 128 mm จากนนทาการ

ปรบเปลยนโครงสรางของวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยเพมวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเปน 3

ตววางอยในทอนาคลน โครงสรางทออกแบบมยานความถกลางประมาณ 4.6 GHz ขนาดของชอง

แคบตวท 1 เทากบ 28 mm ชองแคบตวท 2 เทากบ 42 mm และขนาดชองแคบตวท 3 เทากบ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

37

28 mm วางเรยงลาดบกนตามความยาวของทอนาคลนทมขนาด 160 mm พบวาวงจรมคาความถ

กลางเทากบ 4.5 GHz สามารถทางานทความถแถบผานในชวงตงแต 4.24 GHz ถง 4.88 GHz ม

ความกวางของแบนดวดทเทากบ 640 MHz

5.1.2 ผลการเปรยบเทยบระหวางผลการวดทดสอบและการจาลอง

5.1.2.1 ผลการทดสอบชนงานจรงเปรยบเทยบกบผลการจาลองดวยโปรแกรมจาลอง

CST Microwave Studio® ของวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาตว

เดยว ผลทไดมความสอดคลองกนคอ ยานผานแถบความถมคาพารามเตอรการสงผานมากทสดเทากบ

-0.37 dB (ผลการวด), -0.27 dB (ผลจากการจาลอง) คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสด

เทากบ -5.59 dB (ผลการวด), -6.60 dB (ผลจากการจาลอง) และมคาความคลาดเคลอนไมเกน

± 5%

5.1.2.2 ผลการทดสอบชนงานจรงเปรยบเทยบกบผลการจาลองดวยโปรแกรม

CST Microwave Studio® ของวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

สองตววางเรยงกนภายในทอนาคลน ผลทไดมความสอดคลองกนคอ ยานผานแถบความถม

คาพารามเตอรการสงผานมากทสดเทากบ -0.21 dB (ผลการวด), -0.11 dB (ผลจากการจาลอง)

คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสดเทากบ -12.15 dB (ผลการวด), -16.16 dB (ผลจากการ

จาลอง) และมคาความคลาดเคลอนไมเกน ± 5%

5.1.2 .3 ผลการทดสอบชนงานจรงเปรยบเทยบกบผลการจาลองดวยโปรแกรม

CST Microwave Studio® ของวงจรกรองความถไมโครเวฟโดยใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา

สามตววางเรยงกนภายในทอนาคลน ผลทไดมความสอดคลองกนคอ ยานผานแถบความถม

คาพารามเตอรการสงผานมากทสดเทากบ -0.007 dB (ผลการวด), -0.007 dB (ผลจากการจาลอง)

คาพารามเตอรการสะทอนกลบนอยทสดเทากบ -15.57 dB (ผลการวด), -20.71 dB (ผลจากการ

จาลอง) และมคาความคลาดเคลอนไมเกน ± 5%

5.2 อภปรายผลการวจย

โครงการวจยน เปนการศกษาการออกแบบและสรางวงจรกรองกรองความถไมโครเวฟท

ใชวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาหรอไอรสวางอยในทอนาคลน สงคลนทความถไมโครเวฟในโหมด

พนฐาน ( )10TE โดยผลทไดจากการวเคราะหจะแสดงใหเหนถงคณสมบตทางไฟฟาของวงจร ทงยง

สามารถหาคาพารามเตอรทตองการทราบได จากการวจยสามารถสรปความสมพนธระหวางตวแปร

ตางๆ ทใชในการออกแบบวงจรกรองความถไมโครเวฟทมการวางตวเรยงกนของวงจรชองแคบความถ

สงแบบตวเหนยวนาไดดงน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

38

5.2.1 สาหรบทอนาคลนทกนวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาจานวน 1 ตวพบวามคณสมบต

เปนวงจรกรองความถสงผาน ดงนนการกาหนดอตราสวนของ da

มผลตอคณสมบตของวงจรกรอง

ความถสงผาน คอ เมอคาอตราสวนของ da

มากขนคาอนดคแตนซของตวเหนยวนาจะเพมมากขน

ดวย

5.2.2 สาหรบทอนาคลนทมโครงสรางของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาสองตววางเรยงกน

จะมคณลกษณะของวงจรเปนวงจรกรองแถบความถผานทมความถกลางขนอยกบขนาดของความ

กวางและระยะหางระหวางวงจรชองแคบ

5.2.3 การกาหนดระยะหางของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนามผลตอวงจรวงจรกรองแถบ

ความถ คอ เมอระยะหางระหวางวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเพมขน จะทาใหคาแบนดวดทของ

วงจรมคานอยลง

5.2.4 ในการสอสารยานความถไมโครเวฟ การสรางทอนาคลนและวงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนา จาเปนตองมความละเอยด และแมนยา ดงนนขนตอนการสรางชนงานจงใชระบบ CNC

(Computer Numerical Control) เขามาใชในการสรางทอนาคลนและวงจรชองแคบแบบตว

เหนยวนา ซงเปนระบบทมความแมนยาและรวดเรว เพอผลการวดทดสอบชนงานทสรางจรงมความ

สอดคลองกบผลทไดออกแบบดวยโปรแกรมจาลอง

5.2.5 แหลงกาเนดพลงงานทใชในวงจรกรองความถไมโครเวฟ คอ สายอากาศแบบโมโนโพล

จะวางอยทตาแหนงแนวตงหางจากผนงปลายปดระยะทางประมาณ 4λ ของความถกลาง(กงกลาง

ของทอนาคลนทางพอรตอนพท) เพอใหเกดการสงผานพลงงานสงสดทงนคาความคลาดเคลอนจาก

ผลการวดทดสอบ อาจขนอยกบรอยบดกรทองแดงกบขวตอของสายอากาศแบบโมโนโพลหรอการยด

ชนงานใหมความกระชบแนนหนาเมอตอกบสายวดสญญาณของเครองวเคราะหขายงานไฟฟา

5.3 ขอเสนอแนะ

5.3.1 งานวจยฉบบนเปนการศกษาวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาทวางอยภายในทอนาคลน

สาหรบงานวจยครงตอไปควรเปลยนจากวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนาเปนวงจรชองแคบ

แบบตวเกบประจ แลวศกษาถงผลการตอบสนองของวงจรตอไป

5.3.2 ผลทไดจากงานวจยนสามารถนาไปประยกตใชในการเรยนการสอนในวชาวศวกรรม

ไมโครเวฟ หรอรายวชาทเกยวของทางดานระบบการสอสาร

5.3.3 งานวจยนสามารถเปนตนแบบเพอนาไปพฒนาในการสรางอปกรณใชงานระบบสอสาร

ดาวเทยมยานความถ Ku-Band (12-14 GHz) ไดอยางมประสทธภาพ

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

39

เอกสารอางอง

ภาษาไทย

ทวศกด เชยรวชย. การศกษาและวเคราะหวงจรกรองความถในทอนาคลนโดยการวางตวเรยง

กนของวงจรชองแคบแบบตวเหนยวนา. วทยานพนธครศาสตรอตสาหกรรมมหาบณฑต

สาขาวชาไฟฟา ภาควชาครศาสตรไฟฟา บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยเทคโนโลยพระ

จอมเกลาพระนครเหนอ, 2549.

นรนดร คาประเสรฐ. วศวกรรมแมเหลกไฟฟาและวศวกรรมไมโครเวฟ. กรงเทพฯ : ศนยเสรมสง

กรงเทพ, 2542.

บณฑต โรจนอารยานนท. วศวกรรมไมโครเวฟ. พมพครงท 2. กรงเทพฯ : สานกพมพจฬาลงกรณ

มหาลย, 2539.

ศรณย ชคด, พสฐ สอนละ และสมศกด อรรคทมากล. “การวเคราะหคลนแมเหลกไฟฟาสาหรบ

วงจรชองแคบภายในทอนาคลนแบบสเหลยมโดยใชโปรแกรมจาลอง WFD”. การ

ประชมวชาการทางวศวกรรมศาสตรมหาวทยาลยสงขลานครนทร คร งท 8.

22 (เมษายน 2553) : 190-196.

ศรณย ชคด และสมศกด อรรคทมากล. “การวเคราะหวงจรกรองความถทอนาคลนแบบชองแคบ

ดวยการจาลองการวนรอบของคลน”. การประชมวชาการวศวกรรมไฟฟา ครงท 31.

30 (ตลาคม 2551) : 250-254.

________. “การวเคราะหและออกแบบวงจรกรองความถในทอนาคลนแบบสเหลยมโดยใชวงจร

ชองแคบแบบตวเหนยวนา”. การประชมวชาการวศวกรรมไฟฟา ครงท 33.

2 (ธนวาคม 2553) : 232-236.

สมศกด อรรคทมากล และทวศกด เชยรวชย. “การวเคราะหสนามแมเหลกไฟฟาแบบใหมสาหรบ

วงจรไมโครเวฟโดยใชหลกการของคลน”. การประชมวชาการวศวกรรมไฟฟาครงท 29.

25 (พฤศจกายน 2545) : 121-126.

สานกกจการอวกาศแหงชาต. ระบบวศวกรรมดาวเทยม. [ออนไลน] 2550. [สบคนวนท 18

มถนายน 2554]. จาก http://www.space.mict.go.th/knowledge.php?id=saten

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

40

ภาษาองกฤษ

Boria V. and Gimeno B. “Waveguide filters for satellites.” Microwave Magazine.

9 (July 2007) : 60-70.

Marcuvitz N. Waveguide Handbook. United Kingdom : [n.p.], 1986.

Mediavilla A., Tazon A. and Pantaleon C. “Neuronal Architecture for Waveguide

Inductive Iris Bandpass Filter Optimization.” IEEE-INNS-ENNS International

Joint Conference on Neural Networks (IJCNN'00). 18 (October 2000) :

395-399.

Sallier A., Bornemann J. and Wolfgang J.R. Hoefer. “Field-Based Waveguide Filter

Synthesis in the Time Domain.” IEEE International Journal Electronic

Communication. 5 (February 2003) : 530-536.

Shen T., Ali E. and Dolan T. “Full-Wave Design of Canonical Waveguide Filters by

Optimization.” IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques.

5 (February 2003) : 504-511.

Soto P., Tarín E., Boria V., Vicente C., Gil J. and Gimeno B. “Accurate Synthesis and

Design of Wideband and Inhomogeneous Inductive Waveguide Filters.”

IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 8 (August 2010) :

495-501.

Yanfen Z., Qingyuan W., Zheyu W. and Xiu Xiao G. “The Design of an Iris Waveguide

Filters at 35.75 GHz.” GSMM 2008. 22 (April 2008) : 348-350.

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

41

ภาคผนวก

- ตารางแสดงขนาดของทอนาคลนและรายละเอยดอปกรณทใชในการวจย

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

42

ตารางท ข-1 Coefficient of the Chebychev polynomials

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

43

ตารางท ข-2 Standard Rectangular Waveguide Data

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

44

รายละเอยดอปกรณทใชในการวจย

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

45

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

46

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

47


ชอ-สกล นายวทฤทธ โคตรมณ

ประวตการศกษา

ระดบปรญญาตร วศวกรรมศาสตรบณฑต

สาขาวศวกรรมอเลกทรอนกสและโทรคมนาคม

มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลอสาน วทยาเขตขอนแกน

พ.ศ. 2552

ระดบปรญญาโท ครศาสตรอตสาหกรรมมหาบณฑต

ภาควชาครศาสตรไฟฟา

มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

พ.ศ. 2554

ประวตการทางาน อาจารยจางสอนทมหาวทยาลยภาคตะวนออกเฉยงเหนอ

พ.ศ. 2554-2555

อาจารยประจาสาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกสและ

โทรคมนาคม คณะครศาสตรอตสาหกรรม


ศนยสพรรณบร

พ.ศ.2555-ปจจบน

สวพ.

มทร.ส

วรรณภ

ม

48


ชอ-สกล นายเพอชาต สขเรอน

ประวตการศกษา

ระดบปรญญาตร ครศาสตรอตสาหกรรมบณฑต

สาขาวศวกรรมอเลกทรอนกส-โทรคมนาคม

สถาบนเทคโนโลยราชมงคล วทยาเขตนนทบร

พ.ศ. 2540

ระดบปรญญาโท ครศาสตรอตสาหกรรมมหาบณฑต

ภาควชาครศาสตรไฟฟา

มหาวทยาลยเทคโนโลยพระจอมเกลา พระนครเหนอ

พ.ศ. 2547

ประวตการทางาน เรมรบราชการป พ.ศ. 2540 ตาแหนงอาจารย 1 ระดบ 3

ประจาแผนกวชาชางอเลกทรอนกส ณ สถาบนเทคโนโลย

ราชมงคล วทยาเขตสพรรณบร

ปจจบนดารงตาแหนงอาจารย และปฏบตราชการใน

ตาแหนงหวหนาสาขาวชาวศวกรรมอเลกทรอนกสและ

โทรคมนาคม คณะครศาสตรอตสาหกรรม


ศนยสพรรณบร

การศึกษา วิเคราะห...

Documents