ตัวกรองแบบโคแอกเซียล เทียบกับตัวกรองแบบเวฟไกด์ ในโครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคม

ในด้านโทรคมนาคม ตัวกรองทำหน้าที่เสมือนผู้ควบคุมการผ่านของความถี่ โดยสัญญาณจะเดินทางไปยังจุดหมายที่กำหนดไว้เท่านั้น และหลีกเลี่ยงการรบกวนจากสัญญาณอื่น ๆ ในการพัฒนาสถานีฐาน ลิงก์ไมโครเวฟ หรือเทอร์มินัลดาวเทียม วิศวกรจำเป็นต้องตัดสินใจพื้นฐานประการหนึ่ง คือ การเลือกใช้ตัวกรองแบบโพรงโคแอกเซียล (coaxial cavity filter) หรือตัวกรองแบบเวฟไกด์ (waveguide filter) ซึ่งแต่ละประเภทมีข้อได้เปรียบเฉพาะตัวที่ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความถี่ กำลังไฟฟ้า ขนาด และสถาปัตยกรรมของระบบ ตัวกรองแบบโคแอกเซียลมักถูกใช้มากที่สุดเมื่อแอปพลิเคชันต้องการขนาดเล็กและมีความยืดหยุ่นในการออกแบบ สำหรับความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ในขณะที่ที่ความถี่สูงกว่านั้น ตัวกรองแบบเวฟไกด์จะได้รับความนิยมมากกว่า เนื่องจากมีการสูญเสียสัญญาณต่ำ และสามารถรองรับกำลังไฟฟ้าสูงได้ดีกว่าที่ความถี่เหล่านั้น LINKWORLD เป็นบริษัทระดับโลกที่ผลิตเทคโนโลยีทั้งสองประเภทนี้ โดยมีความเชี่ยวชาญด้านคลื่นวิทยุ (RF) มานานกว่า 20 ปี คู่มือนี้ระบุประเด็นสำคัญที่ทำให้ตัวกรองประเภทต่าง ๆ เหล่านี้แตกต่างกัน

ช่วงความถี่และสมรรถนะทางไฟฟ้า

ความถี่ในการทำงานมักบ่งชี้ถึงเทคโนโลยีที่เหมาะสมและถูกต้อง ตัวกรองแบบโคแอกเซียล (Coaxial filters) แพร่กระจายสัญญาณโดยใช้โหมด TEM และรองรับความถี่ตั้งแต่ค่าต่ำสุดที่ออกแบบไว้จนถึงความถี่กระแสตรง (DC) ตัวกรองชนิดนี้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในสถานีฐานเซลลูลาร์ที่ทำงานที่ความถี่ 400 MHz ถึงประมาณ 6 GHz โดยให้สมรรถนะที่ดีและมีขนาดที่เหมาะสม ตัวกรองแบบโพรงโคแอกเซียล (Coaxial cavity filters) ที่มีค่า Q-factor ของเรโซเนเตอร์สูงสุดถึง 3,000 ใช้สำหรับเลือกช่องสัญญาณแบบแคบ (narrowband channels) ในการประยุกต์ใช้งาน 5G ย่านความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ลักษณะการผ่านความถี่สูง (high-pass nature) ของตัวกรองชนิดนี้มีค่าสูงโดยธรรมชาติ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ความถี่สูงกว่าประมาณ 4 GHz ที่ความถี่ในย่านคลื่นมิลลิเมตร (millimeter-wave frequency range) ซึ่งจุดหนึ่งของย่านนี้คือ 30 GHz และความถี่ที่สูงขึ้นในย่านนี้จะประสบกับการสูญเสียสัญญาณสูงมากและเกิดโหมดอันดับสูง (higher-order modes) ในโครงสร้างแบบโคแอกเซียล ดังนั้นจึงมีเพียงเวฟไกด์ (waveguides) เท่านั้นที่สามารถนำมาใช้งานได้จริง ตัวกรองแบบเวฟไกด์มีค่าการสูญเสียการแทรกแซง (insertion loss) ต่ำเพียง 0.15 dB ที่ความถี่ 94 GHz เมื่อเทียบกับตัวเลือกแบบโคแอกเซียลที่มีค่า 0.47 dB

การสูญเสียการแทรกแซงและการจัดการกำลังงาน

ทุกเดซิเบลของความสูญเสียส่งผลโดยตรงต่อพื้นที่การให้บริการ อัตราการส่งข้อมูล และต้นทุนในการดำเนินงาน ตัวกรองเวฟไกด์มีประสิทธิภาพดีในทั้งสองด้าน โครงสร้างกลวงที่ทำจากโลหะไม่มีการสูญเสียเนื่องจากไดอิเล็กตริกเลย และสัญญาณจะถูกส่งผ่านช่องเปิดที่เต็มไปด้วยอากาศ ความสูญเสียจากการแทรกตัว (insertion loss) ของเวฟไกด์ในย่าน Ku-band (12–18 GHz) มีค่าประมาณ 0.15 dB/ม. เมื่อเทียบกับวิธีการใช้สายโคแอกเซียลซึ่งมีค่า 0.67 dB/ม. หรือต่ำกว่า 4.5 เท่า ประเด็นเรื่องความสามารถในการจัดการกำลังไฟฟ้าก็เป็นเช่นเดียวกัน: เวฟไกด์แบบ WR-42 สามารถรองรับกำลังไฟฟ้าแบบพัลส์ได้สูงถึง 20 กิโลวัตต์ในย่าน Q-band ซึ่งสูงกว่าตัวแทนแบบโคแอกเซียลถึง 400 เท่า ตัวกรองแบบโคแอกเซียลมีประสิทธิภาพดีภายในขอบเขตการใช้งานเป้าหมายของมัน—ตัวกรองย่าน L-band ที่มีคุณภาพดีจะมีค่าความสูญเสียจากการแทรกตัวต่ำกว่า 0.5 dB ข้อแลกเปลี่ยนที่เกิดขึ้นคือการมีวัสดุไดอิเล็กตริกซึ่งก่อให้เกิดกลไกการสูญเสียที่ไม่ปรากฏในกรณีของเวฟไกด์ ปรากฏการณ์ skin effect จะทำให้กระแสไฟฟ้ารวมตัวอยู่ที่ผิวหน้าที่บางลงเมื่อความถี่สูงขึ้น ดังนั้นคุณภาพของการชุบผิวจึงมีความจำเป็น

ขนาดทางกายภาพและข้อพิจารณาด้านการรวมระบบ

โครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมยังมีความต้องการส่วนประกอบขนาดเล็กมากขึ้นอีกด้วย ในกรณีนี้ ตัวกรองโคแอกเซียล (coaxial filters) มีข้อได้เปรียบอย่างมาก ตัวสั่นสะเทือนแบบ TEM (TEM resonators) ให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ยอดเยี่ยม แต่ปริมาตรทางกายภาพจะเพิ่มขึ้นตามความต้องการค่า Q-factor เทคโนโลยีใหม่สามารถแก้ปัญหานี้ได้ โดยในตัวกรองแบบไดอิเล็กตริกเรโซเนเตอร์ (dielectric resonator filters) จะแทนที่ช่องว่างอากาศด้วยวัสดุเซรามิกที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ทำให้ลดพื้นที่หน้าตัดลงได้ถึงร้อยละ 50 โดยไม่ส่งผลกระทบต่อสมรรถนะทางไฟฟ้าแต่อย่างใด สถานีฐาน 5G Massive MIMO จึงหันมาใช้ตัวกรองเซรามิกแบบไดอิเล็กตริก ตัวกรองเวฟไกด์ (waveguide filters) โดยธรรมชาติแล้วมีขนาดใหญ่เสมอ—เนื่องจากขนาดของมันสัมพันธ์โดยตรงกับความยาวคลื่น อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เพิ่มสูงขึ้นจนเข้าสู่ย่านคลื่นมิลลิเมตร (millimeter-wave) ซึ่งความยาวคลื่นลดลงเหลือเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ขนาดของเวฟไกด์กลับเล็กลงอย่างน่าประหลาดใจ เทคโนโลยี Substrate Integrated Waveguide (SIW) เป็นเทคโนโลยีที่สามารถออกแบบโครงสร้างแบบเวฟไกด์บนแผงวงจรพิมพ์แบบระนาบ (planar PCB) ได้ พร้อมทั้งมีการสูญเสียต่ำ ขนาดกะทัดรัด และสามารถรวมเข้ากับวงจรอื่นๆ ได้อย่างสะดวก

ความมั่นคงต่อสิ่งแวดล้อมและความน่าเชื่อถือในระยะยาว

โครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมมักถูกติดตั้งภายนอกอาคารเป็นเวลานานหลายทศวรรษ โครงสร้างเวฟไกด์มีความมั่นคงสูงมาก — การออกแบบที่ทำจากโลหะทั้งหมดไม่เกิดปัญหาความแตกต่างในการขยายตัวจากความร้อน และไม่มีการปล่อยก๊าซ (outgassing) การเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดในเวฟไกด์แบบ WR-15 อันเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่าง -55°C ถึง +125°C มีค่าเพียง -0.008 เดซิเบลต่อองศาเซลเซียส ในขณะที่ไดอิเล็กทริกชนิด PTFE ภายในโครงสร้างโคแอกเซียลจะหดตัวเมื่ออุณหภูมิต่ำลง ส่งผลให้เกิดความไม่สอดคล้องกันของอิมพีแดนซ์ ในอวกาศลึก ตัวกรองเวฟไกด์สามารถทนต่อรังสีได้ในระดับที่เพียงพอที่จะทำให้ไดอิเล็กทริกของโครงสร้างโคแอกเซียลกลายเป็นคาร์บอนได้ ทั้งนี้ เพื่อให้ตัวกรองโคแอกเซียลสามารถบรรลุความมั่นคงในระดับเดียวกัน จำเป็นต้องเลือกใช้วัสดุอย่างระมัดระวัง เช่น โลหะผสมที่มีอัตราการขยายตัวต่ำและรองรับไดอิเล็กทริกที่ชดเชยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ระบบปิดผนึกแบบเฮอร์เมติก (hermetic sealing) ช่วยป้องกันไม่ให้ความชื้นแทรกซึมเข้ามา ตัวกรองสำหรับสถานีฐาน 5G รุ่นใหม่ล่าสุดมีประสิทธิภาพในการทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง -40°C ถึง +85°C โดยมีการเปลี่ยนแปลงความถี่น้อยมาก

การเลือกใช้ต้องพิจารณาถึงข้อแลกเปลี่ยนระหว่างความถี่ การสูญเสีย ข้อจำกัดด้านกายภาพ และข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม ตัวกรองแบบโคแอกเซียล (Coaxial filters) เป็นทางเลือกที่นิยมใช้ในช่วงความถี่ต่ำกว่า 6 GHz เนื่องจากมีขนาดเล็กกว่าและติดตั้งได้ง่ายกว่า ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญกว่าการสูญเสียที่เพิ่มขึ้น สำหรับความถี่ประมาณ 10 GHz ขึ้นไป ตัวกรองแบบเวฟไกด์ (waveguide filters) จะจำเป็นต้องใช้ เนื่องจากมีคุณสมบัติการสูญเสียน้อยกว่า สามารถรองรับกำลังงานได้สูงกว่า และใช้งานได้ดีในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรงยิ่งขึ้น เมื่อเทคโนโลยี 5G เคลื่อนตัวสู่ย่านคลื่นมิลลิเมตร (millimeter-wave) และ 6G เคลื่อนตัวสู่ความถี่ที่สูงยิ่งขึ้น เทคโนโลยีก็เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย ทั้งการออกแบบแบบโคแอกเซียลที่ใช้วัสดุไดอิเล็กทริกใหม่และการทำให้มีขนาดเล็กลง รวมถึงเทคโนโลยีเวฟไกด์ที่อาศัยโครงสร้าง SIW (Substrate Integrated Waveguide) และการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ (additive manufacturing) Linkworld มีประสบการณ์มากกว่า 20 ปี ในการผลิตอุปกรณ์ RF ทั้งสองเทคโนโลยีนี้ โดยให้บริการทั้งตัวกรอง ชุดประกอบ (assemblies) และความเชี่ยวชาญด้านการออกแบบที่โครงสร้างพื้นฐานโทรคมนาคมต้องการ โปรดติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการเฉพาะด้านตัวกรองของท่าน