จะลดการสูญเสียสัญญาณด้วยสายโคแอกเซียลได้อย่างไร?

อะไรเป็นสาเหตุของการสูญเสียสัญญาณในสายโคแอกเซียล?

การสูญเสียจากไดอิเล็กทริกและตัวนำ: การสูญเสียพลังงานในแกนกลางและฉนวนหุ้มของสาย

เมื่อสัญญาณเดินทางผ่านสายโคแอกเซียล (coaxial cables) จะเริ่มสูญเสียความแรงเนื่องจากกลไกการสูญเสียพลังงานพื้นฐาน ตัวนำหลักภายในสายจะสูญเสียกำลังบางส่วน เนื่องจากอิเล็กตรอนชนกันภายในโครงสร้างโลหะ ปรากฏการณ์นี้รุนแรงขึ้นที่ความถี่สูง เนื่องจากกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่ไหลอยู่เฉพาะบริเวณผิวด้านนอกของตัวนำ แทนที่จะไหลผ่านความหนาทั้งหมดของตัวนำ พร้อมกันนั้น ฉนวนพลาสติกที่อยู่ระหว่างตัวนำก็มีบทบาทเช่นกัน โดยดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบางส่วนที่ผ่านเข้ามา แล้วเปลี่ยนเป็นความร้อน แทนที่จะปล่อยให้สัญญาณเดินทางไปถึงปลายทาง ปัญหาทั้งสองประการนี้รวมกันมักเป็นสาเหตุของสัญญาณอ่อนลงประมาณสามในสี่ของทั้งหมดในระบบสายทั่วไป จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการใช้สายโคแอกเซียลในระยะทางไกลจึงอาจส่งผลให้รับสัญญาณได้ไม่ดีหรือคุณภาพของการเชื่อมต่อต่ำลง

การลดทอนที่ขึ้นกับความถี่: เหตุใดความถี่คลื่นวิทยุ (RF) ที่สูงขึ้นจึงทำให้เกิดการสูญเสียในสายโคแอกเซียลเพิ่มขึ้น

ปริมาณการสูญเสียสัญญาณจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อความถี่สูงขึ้น เนื่องจากพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อพิจารณาความถี่ที่สูงกว่า 100 MHz จะพบว่าทุกครั้งที่ความถี่เพิ่มเป็นสองเท่า การสูญเสียสัญญาณผ่านสายเคเบิล RG-6 จะเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 30 ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเป็นหลักจากสองปัจจัย คือ (1) อิเล็กตรอนมีแนวโน้มเคลื่อนที่ใกล้ผิวหน้าของตัวนำมากขึ้น (เรียกว่า skin effect) และ (2) วัสดุฉนวนตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงขึ้น ตัวอย่างเช่น สายเคเบิล RG-6 ความยาวมาตรฐาน 100 ฟุต ที่ความถี่ 1 GHz จะสูญเสียกำลังสัญญาณประมาณ 6.5 dB ในขณะที่ที่ความถี่ 50 MHz จะสูญเสียเพียงประมาณ 1.2 dB เนื่องจากความแตกต่างดังกล่าว การเลือกใช้สายเคเบิลที่เหมาะสมจึงมีความสำคัญยิ่งในการติดตั้งระบบเครือข่ายสมัยใหม่ที่ทำงานด้วยความเร็วสูง เช่น ระบบ 5G หรือบริการอินเทอร์เน็ตแบบ DOCSIS 3.1 ซึ่งแม้แต่การสูญเสียสัญญาณเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมได้อย่างมีนัยสำคัญ

ความไม่สอดคล้องกันของอิมพีแดนซ์และการสะท้อนสัญญาณ: วิธีที่ VSWR ทำลายความสมบูรณ์ของสัญญาณในสายเคเบิลโคแอกเซียล

ความไม่สอดคล้องกันระหว่างอิมพีแดนซ์ของสายโคแอกเซียล (โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 50 โอห์ม หรือ 75 โอห์ม) กับสิ่งที่เชื่อมต่ออยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง ส่งผลให้เกิดการสะท้อนสัญญาณที่น่ารำคาญซึ่งเราทุกคนต่างไม่ชอบ แล้วจะเกิดอะไรขึ้นต่อ? สัญญาณที่สะท้อนกลับมาเหล่านี้จะรบกวนสัญญาณหลักที่กำลังส่งผ่าน เกิดเป็นรูปแบบคลื่นนิ่ง (standing wave patterns) ซึ่งวิศวกรวัดค่าด้วยค่าที่เรียกว่า Voltage Standing Wave Ratio หรือย่อว่า VSWR เมื่ออัตราส่วนนี้เพิ่มสูงเกินประมาณ 1.5 ต่อ 1 ปัญหาก็จะเริ่มเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว คุณภาพของสัญญาณลดลงประมาณ 3 เดซิเบล และอุปกรณ์อาจหยุดทำงานตามปกติได้เป็นครั้งคราว เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น? ที่จริงแล้วมีหลายสาเหตุที่พบบ่อย เช่น ขั้วต่อที่ไม่ได้ถูกหุ้ม (crimped) อย่างถูกต้องในระหว่างการติดตั้ง การเชื่อมต่อที่เริ่มเกิดสนิมหรือผุกร่อนตามอายุการใช้งาน และสายเคเบิลที่ถูกโค้งงออย่างรุนแรงเกินไปบริเวณใดบริเวณหนึ่งตลอดความยาวของสาย ส่วนที่เลวร้ายที่สุดคือ การสะท้อนเหล่านี้ไม่ได้นิ่งเฉยอยู่เฉยๆ แต่กลับทำให้การสูญเสียตามปกติของสายแย่ลงอีก ดังนั้นแทนที่ระบบจะส่งกำลังไฟฟ้าได้เต็มประสิทธิภาพ อาจส่งได้เพียงประมาณ 60% ของกำลังที่ควรจะเป็นเมื่อทุกอย่างสอดคล้องกันอย่างเหมาะสม

ปัจจัยด้านกายภาพและการติดตั้งที่ทำให้สูญเสียสัญญาณในสายโคแอกเซียลเพิ่มขึ้น

ความยาวของสายและอัตราการลดทอนสัญญาณ: การคำนวณค่าการสูญเสียเป็นเดซิเบลต่อฟุตสำหรับประเภทสายโคแอกเซียลทั่วไป

การลดทอนสัญญาณมีความสัมพันธ์โดยตรงกับความยาวของสาย เนื่องจากความต้านทานของตัวนำและการดูดซับของไดอิเล็กตริก สายที่มีความยาวมากขึ้นจะทำให้สูญเสียพลังงานเพิ่มขึ้น ส่งผลให้สัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ถูกแปลงเป็นความร้อน ตัวอย่างเช่น:

• สาย RG-6 สูญเสียประมาณ 0.25 เดซิเบล/ฟุต ที่ความถี่ 750 เมกะเฮิร์ตซ์
• สาย LMR-400 รักษาค่าไว้ที่ 0.11 เดซิเบล/ฟุต ที่ความถี่ 1 กิกะเฮิร์ตซ์
  ความสัมพันธ์แบบเอกซ์โพเนนเชียลนี้จำเป็นต้องมีการคำนวณล่วงหน้าอย่างแม่นยำก่อนการติดตั้ง—โปรดอ้างอิงตารางอัตราการลดทอนสัญญาณจากผู้ผลิตเสมอ สำหรับช่วงความถี่เป้าหมายของคุณ

การโค้งงอ การบีบกด และความเสียหายต่อชั้นป้องกัน: อันตรายที่มองไม่เห็นต่อประสิทธิภาพของสายโคแอกเซียล

แรงเครียดทางกายภาพระหว่างการติดตั้งส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงในลักษณะที่มักถูกมองข้าม:

• โค้งเฉียบพลัน การโค้งที่เกินรัศมีการโค้งต่ำสุดจะทำให้รูปทรงของไดอิเล็กตริกผิดเพี้ยน ส่งผลให้เกิดความไม่สอดคล้องกันของอิมพีแดนซ์เพิ่มขึ้น
• การบีบอัดชั้นป้องกัน ลดประสิทธิภาพในการต้านทานสัญญาณรบกวนลงได้สูงสุดถึง 40%
• ตัวนำที่มีรอยหักหรือบิดเบี้ยว สร้างจุดสะท้อนเฉพาะที่บริเวณนั้น
  ความชื้นแทรกซึมผ่านฉนวนหุ้มที่เสียหายเร่งกระบวนการออกซิเดชัน ทำให้ความต้านทานของตัวนำเพิ่มขึ้น แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด ได้แก่ การรักษารัศมีการโค้งให้มากกว่า 10 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางสายเคเบิล และหลีกเลี่ยงการบิด (torsion) ขณะเดินสาย

กลยุทธ์ที่พิสูจน์แล้วว่าสามารถลดการสูญเสียสัญญาณในระบบสายเคเบิลโคแอกเซียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเลือกสายเคเบิลโคแอกเซียลแบบสูญเสียน้อย: ทองแดงเทียบกับ CCA, ไดอิเล็กตริกแบบโฟมเทียบกับแบบแข็ง และประสิทธิภาพของการป้องกัน

การเลือกสายโคแอกเซียลที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับการหาจุดสมดุลที่ลงตัวระหว่างประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้า ชนิดของวัสดุไดอิเล็กตริกที่ใช้ และคุณภาพของการป้องกันสัญญาณเป็นหลัก เมื่อพิจารณาตัวนำ ทองแดงบริสุทธิ์ให้ผลดีกว่าทองแดงเคลือบอะลูมิเนียม (CCA) อย่างชัดเจนในแง่การสูญเสียสัญญาณ โดยมีอัตราการลดทอนสัญญาณน้อยกว่าประมาณ 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากทองแดงบริสุทธิ์สามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทั่วทั้งโครงสร้างของมัน วัสดุไดอิเล็กตริกที่เติมด้วยโฟมก็มีผลสำคัญเช่นกัน ซึ่งสามารถลดการสูญเสียจากความจุไฟฟ้าได้มากถึง 40% เมื่อเทียบกับพอลิเอทิลีนแข็งแบบธรรมดา เนื่องจากโฟมช่วยจำกัดการกระจายตัวของอิเล็กตรอนภายในฉนวนได้ดีกว่า หากมีความกังวลเกี่ยวกับการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบแบบป้องกันสี่ชั้น (Quad Shield) ที่ประกอบด้วยชั้นฟอยล์อลูมิเนียมหลายชั้นและชั้นถักแบบถักเปีย (Braided Shielding) จะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุด ซึ่งสามารถควบคุมการรั่วไหลของสัญญาณให้อยู่ต่ำกว่า 1% ทำให้สายประเภทนี้กลายเป็นอุปกรณ์มาตรฐานสำหรับงาน RF ที่ต้องการความแม่นยำสูง นอกจากนี้ อย่าลืมพิจารณาความเสถียรของอิมพีแดนซ์ด้วย สายคุณภาพสูงจะรักษาระดับอิมพีแดนซ์ไว้ภายในช่วง ±2 โอห์ม ตลอดช่วงความถี่ต่าง ๆ ซึ่งหมายความว่าสัญญาณจะคงความสะอาดและสม่ำเสมอไม่ว่าจะทำงานที่แบนด์ใด

การตัดปลายอย่างแม่นยำและการเลือกขั้วต่อ: กำจัดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์และภาวะการกัดกร่อนในสายเคเบิลโคแอกเซียล

การเลือกขั้วต่อที่เหมาะสมจะช่วยป้องกันปัญหาการสะท้อนความต้านทาน (impedance reflections) ซึ่งรบกวนค่าการวัด VSWR ได้ส่วนใหญ่ ขั้วต่อแบบอัด (compression style connectors) จะรักษาความแน่นสนิทของข้อต่อไว้ภายในระยะประมาณครึ่งมิลลิเมตร เมื่อติดตั้งอย่างถูกต้อง ซึ่งช่วยรักษาระดับความต้านทานที่สำคัญไว้ที่ 50 หรือ 75 โอห์มตลอดแนวการเชื่อมต่อ การชุบทองบนพื้นผิวสัมผัสก็มีความสำคัญเช่นกัน เนื่องจากทองช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชัน โดยเฉพาะในพื้นที่ชื้นซึ่งพบว่าความต้านทานมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นประมาณ 15–20 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ตามผลการศึกษาบางฉบับ สำหรับการติดตั้งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือกลางแจ้ง การเลือกใช้ขั้วต่อที่ทำจากสแตนเลสพร้อมซีลที่มีมาตรฐาน IP68 จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสม เพราะสามารถป้องกันไม่ให้น้ำซึมเข้าไปภายในได้ ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งของปัญหาการหยุดทำงานแบบไม่สม่ำเสมอ (intermittent failures) ที่สร้างความหงุดหงิดอย่างยิ่ง ก่อนสรุปโครงการใดๆ ควรตรวจสอบคุณภาพของการต่อปลายสาย (terminations) ด้วยอุปกรณ์ทดสอบ TDR ซึ่งสามารถตรวจจับข้อบกพร่องขนาดเล็กระดับไมครอนได้ ซึ่งหากปล่อยไว้อาจนำไปสู่ปัญหาที่รุนแรงกว่าในอนาคต หลังจากที่ระบบถูกติดตั้งใช้งานจริงแล้ว