ชิ้นส่วนไมโครเวฟที่มีค่า PIM ต่ำสำหรับเครือข่ายความจุสูง

ความจุคือสิ่งสำคัญอันดับหนึ่งในเครือข่าย 5G และ 6G ที่กำลังเกิดขึ้น ในระบบมอดูเลชันลำดับสูง (high-order modulation) การใช้เทคโนโลยี Massive MIMO และการใช้ความถี่ซ้ำอย่างหนาแน่น (dense frequency reuse) จำเป็นต้องมีสภาพแวดล้อมของสัญญาณที่สะอาดมากเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม การรบกวนสัญญาณแบบพาสซีฟ (Passive Intermodulation: PIM) ถือเป็นหนึ่งในศัตรูที่แย่ที่สุดต่อความจุของเครือข่าย ซึ่งเกิดขึ้นภายในองค์ประกอบแบบพาสซีฟ (passive components) การรบกวนสัญญาณที่เกิดจากสัญญาณพาหะ (carriers) หลายสัญญาณที่มีกำลังสูงพร้อมกันกระทบกับลักษณะเชิงไม่เชิงเส้น (non-linearities) ของขั้วต่อ สายเคเบิล หรือองค์ประกอบต่าง ๆ จะทำให้ระดับสัญญาณรบกวน (noise floor) เพิ่มสูงขึ้นและลดประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ โครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญต่อเครือข่ายความจุสูง คือ องค์ประกอบที่มีค่า PIM ต่ำ เราดำเนินงานในสาขานี้มามากกว่า 20 ปี RF เรามีประสบการณ์มากกว่า 20 ปีในด้านวิศวกรรมองค์ประกอบแบบไม่ใช้พลังงาน (passive components) สำหรับคลื่นไมโครเวฟ โดยรับประกันประสิทธิภาพของค่า PIM ที่ต่ำ คู่มือนี้อธิบายถึง 4 มิติหลักที่สำคัญในการเลือกองค์ประกอบที่มีค่า PIM ต่ำ

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับ PIM และผลกระทบของมันต่อความจุของเครือข่าย

นี่คือจุดที่ข้อต่อแบบไม่เป็นเชิงเส้น (non-linear junctions) ทำหน้าที่สิ้นสุดสัญญาณพาหะกำลังสูงสองชุดขึ้นไป และผสมความถี่ของสัญญาณเหล่านั้นเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์การรบกวนแบบผสมความถี่ (intermodulation products) ซึ่งอาจตกอยู่ภายในแถบความถี่ที่ใช้รับสัญญาณ (receive bands) ทั้งนี้ เมื่อความถี่ที่เกี่ยวข้องอยู่ใกล้เคียงกัน ผลิตภัณฑ์ลำดับที่สาม (third-order products) จะปรากฏในแถบความถี่เดียวกับสัญญาณรับ (receive signal) หากมีข้อต่อแบบไม่เป็นเชิงเส้นเกิดขึ้นระหว่างความถี่สองชุดที่มีการผูกพันกัน (coupled frequencies) แม้ว่าระดับพลังงานรบกวนที่ -153 dBc จะมีค่าเพียง 5×10⁻¹⁶ ของสัญญาณพาหะ (carrier) เท่านั้น แต่เนื่องจากสัญญาณที่รับได้มีความเข้มต่ำมาก ระดับการรบกวนที่ดูเหมือนจะไม่มีน้ำหนักนี้กลับทำให้ระดับสัญญาณรบกวนพื้นฐาน (noise floor) สูงเกินไปจนส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ผลกระทบจากความจุ (Capacity effect): การเปรียบเทียบความจุในกรณีขอบเขต (marginal case) กับกรณีสูงสุด (maximum case) จะแสดงให้เห็นว่า สถานีฐานที่มีปริมาณการใช้งานสูง (high-traffic sites) ภายใต้ระบบ 4x4 MIMO ที่ควบคุมการรบกวนแบบผสมความถี่ (PIM) ให้อยู่ต่ำกว่า -160 dBc สามารถเพิ่มความจุได้สูงสุดถึง 30% ส่วนการปรับปรุงค่า PIM จำนวน 1 เดซิเบล (one decibel) จะช่วยให้สามารถเพิ่มลำดับการมอดูเลต (modulation orders) และประสิทธิภาพเชิงสเปกตรัม (spectral efficiency) ได้ง่ายขึ้น

การเลือกวัสดุและระบบการชุบผิว

การเลือกวัสดุมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพในการลดค่า PIM (Passive Intermodulation) วัสดุเฟอโรแมกเนติก เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ จำเป็นต้องถูกกำจัดออกทั้งหมดจากรูปแบบเส้นทางสัญญาณ เนื่องจากเป็นสาเหตุหลักที่ก่อให้เกิด PIM วัสดุพื้นฐานสำหรับตัวเรือน ขั้วต่อ และโครงหุ้มสามารถผลิตจากวัสดุที่มีการนำไฟฟ้าสูง เช่น ทองเหลือง หรือทองแดง แต่ยังจำเป็นต้องใช้ระบบชุบผิวด้วย สำหรับชิ้นส่วนระดับพรีเมียม จะมีการชุบผิวแบบสามชั้น (Tri-metal plating) ซึ่งประกอบด้วยทองแดง นิกเกิล และตามด้วยเงินหรือทองคำ เพื่อให้ได้ทั้งคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและการป้องกันสภาพแวดล้อม ความสัมพันธ์ระหว่างคุณภาพของการชุบผิวกับค่า PIM มีความเข้มข้นมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การชุบผิวด้วยทองคำบนนิกเกิลที่เพียงพอร่วมกับการควบคุมแรงบิด (torque management) สามารถลดค่า PIM ลงได้ถึง 15 dB เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม คุณภาพพื้นผิว: ปัญหาคุณภาพพื้นผิวเป็นปัญหาระดับจุลภาค — ความลึกของผิวหนัง (skin depth) ที่ความถี่แถบ W มีค่าน้อยกว่า 0.2 ไมโครเมตร หมายความว่า ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก (lattice defects) มีอิทธิพลโดยตรงต่อคุณสมบัติการเกิดสัญญาณรบกวนแบบผสม (intermodulation) ดังนั้น ชิ้นส่วนที่ใช้งานในอวกาศจึงต้องผลิตจากอลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ไม่น้อยกว่า 99.9997% และมีความหยาบของพื้นผิว (surface roughness) วัดเป็นค่า Ra ไม่เกิน 0.8 ไมโครเมตร

การออกแบบขั้วต่อและอินเทอร์เฟซขั้นสูง

อินเทอร์เฟซของตัวเชื่อมต่อเป็นแหล่งที่พบบ่อยที่สุดของ PIM (Passive Intermodulation) กระบวนการทางกายภาพหลักที่ก่อให้เกิด PIM คือ ความไม่เป็นเชิงเส้นของจุดสัมผัสโลหะ ซึ่งเกิดขึ้นจากสภาพการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ไม่สมบูรณ์แบบ ตัวเชื่อมต่อแบบต่ำ PIM รุ่นใหม่สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ในหลายด้าน ตัวเชื่อมต่อแบบ 4.3-10 ได้กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในฐานะตัวเชื่อมต่อสำหรับเซลล์แมโครและระบบกระจายสัญญาณแบบกำลังสูง (DAS) ที่มีอินเทอร์เฟซการสัมผัสแบบสมมาตร ซึ่งช่วยให้มั่นใจว่าจะไม่มีช่องว่างขนาดจิ๋ว (micro-gaps) รอบวงแวดล้อมทั้งหมด ซึ่งหากมีจะก่อให้เกิด PIM หนึ่งในรูปแบบที่ท้าทายที่สุดคือการออกแบบแบบ electromagnetic bandgap (EBG) แบบไร้การสัมผัส (contactless) ซึ่งบรรลุค่า PIM ต่ำโดยใช้อินเทอร์เฟซที่ไม่มีการสัมผัสกันโดยตรง เนื่องจากการไม่เป็นเชิงเส้นที่เกิดจากการสัมผัสระหว่างโลหะถูกยับยั้งไว้ และสามารถบรรลุค่าการยับยั้งเฉลี่ยได้มากกว่า 20 dB (เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบเดิม) ไกด์คลื่นที่เติมด้วยไดอิเล็กตริกไม่มีพื้นผิวสัมผัสใดๆ จึงควรพิจารณาเป็นทางเลือกหนึ่งในสถานการณ์ที่ต้องการมาตรฐาน PIM ในระดับสูงมาก

การผสานรวมและการทดสอบในระดับระบบ

ไม่ใช่ค่า PIM ต่ำที่ระดับชิ้นส่วนซึ่งรับประกันประสิทธิภาพของระบบ แต่ค่า PIM สุดท้ายขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบต่าง ๆ กับสภาพแวดล้อม แรงบิดที่เหมาะสมมีความสำคัญยิ่งมาก เนื่องจากหากขันหลวมเกินไปจะทำให้การสัมผัสระหว่างชิ้นส่วนหลุดออก ในขณะที่การขันแน่นเกินไปจะก่อให้เกิดรอยร้าวในฉนวนและรูปทรงการสัมผัสเปลี่ยนรูป สำหรับขั้วต่อ SMA แบบปกติ การขันด้วยแรงบิด 8–10 นิ้ว-ปอนด์ จะลดค่า PIM ได้สูงสุดถึง 15 เดซิเบล เมื่อเปรียบเทียบกับการเชื่อมต่อที่หลวม จำเป็นต้องทำการทดสอบภายใต้เงื่อนไขจริง — ค่า PIM อาจเปลี่ยนแปลงได้ ±6 เดซิเบล เมื่อความคลาดเคลื่อนในการประกอบมีค่าแรงบิดของสลักเกลียวแตกต่างกันภายในช่วง 0.3 นิวตัน-เมตร ปัจจัยด้านอุณหภูมิทำให้ความท้าทายรุนแรงยิ่งขึ้น: ความหยาบของผิวบริเวณรอยต่อที่ชุบเงินเพิ่มขึ้นจาก Ra0.3 ไมโครเมตร เป็น Ra1.2 ไมโครเมตร หลังผ่านวงจรความร้อน 2,000 รอบ และส่งผลให้ค่า PIM เพิ่มขึ้น 15 เดซิเบล ความต้องการให้เทคโนโลยีทันสมัยอยู่เสมอตลอดหลายปีที่ผ่านมา ทำให้จำเป็นต้องออกแบบองค์ประกอบให้มีความพร้อมสำหรับอนาคต (futureproofed) ชิ้นส่วนที่ทำงานในช่วงความถี่ 617 MHz ถึง 5925 MHz เป็นชิ้นส่วนแบบอัลตร้าไวเดอบรอด (ultra-wideband) ซึ่งช่วยให้เครือข่ายสามารถพัฒนาต่อได้โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐาน โครงสร้างพื้นฐานภายนอกอาคารต้องทนต่อสภาพแวดล้อม และมีปลายขั้วต่อแบบต่ำ PIM ซึ่งมีมาตรฐาน IP67 และขั้วต่อแบบ 4.3-10

เครือข่ายไร้สายที่มีความจุสูงนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานองค์ประกอบที่มีค่า PIM ต่ำ (Low-PIM Components) ทั้งหมดนี้ส่งผลต่อประสิทธิภาพของค่า PIM ซึ่งในที่สุดจะกำหนดความจุของเครือข่าย เนื่องจากความบริสุทธิ์ของวัสดุ การชุบผิวด้วยความแม่นยำสูง ไปจนถึงการออกแบบขั้วต่อขั้นสูงและการทดสอบอย่างเข้มงวด ค่า PIM ที่ลดลงมีความสำคัญยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อมีการเปิดตัวเทคโนโลยี 5G และการเกิดขึ้นของเทคโนโลยี 6G Linkworld เป็นผู้ผลิตที่มีประสบการณ์มากกว่าสองทศวรรษด้านองค์ประกอบ RF รวมทั้งมีประสบการณ์อย่างลึกซึ้งในการออกแบบองค์ประกอบที่มีค่า PIM ต่ำ ซึ่งสามารถพบได้ในองค์ประกอบแบบพาสซีฟไมโครเวฟที่มีความน่าเชื่อถือสูงและตอบสนองความต้องการการติดตั้งระบบเครือข่ายที่มีความจุสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการขององค์ประกอบที่มีค่า PIM ต่ำ