ทำไมแอนเทนนา PIM ต่ำจึงเพิ่มประสิทธิภาพ 5G

สายอากาศ PIM ต่ำช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ 5G โดยการลด Passive Intermodulation (PIM) ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญต่อความชัดเจนของสัญญาณ ด้วยการรับรองระดับ PIM ต่ำกว่า -150 dBc สายอากาศเหล่านี้จะลดการรบกวนให้น้อยที่สุด เพิ่มอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดถึง 20 Gbps และเพิ่มความน่าเชื่อถือของเครือข่าย วิธีการหลัก ได้แก่ การใช้เนื้อวัสดุที่ไม่ใช่สารแม่เหล็กเฟอร์โรและการออกแบบขั้วต่อที่แม่นยำเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของสัญญาณ

ความผิดเพี้ยนแบบอินเตอร์มอดูเลชันก่อให้เกิดอันตรายอย่างไร?

เมื่อเดือนสิงหาคมปีที่แล้ว ในระหว่างการทดสอบในวงโคจรของดาวเทียมรุ่นหนึ่ง เกิดปรากฏการณ์ที่น่าขนลุกขึ้น —— สัญญาณรบกวนย่าน S-band ผสมปนเปเข้าไปในสัญญาณย่าน L-band ที่สถานีภาคพื้นดินได้รับอย่างลึกลับ วิศวกรของ NASA JPL ได้ใช้เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Keysight N9048B และพบว่าผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชันลำดับที่สาม (IMD3) พุ่งไปแตะที่ -85dBc ซึ่งสูงกว่าค่าจำกัดของ MIL-STD-188-164A ถึง 6dB คุณลองทายดูซิว่าเกิดอะไรขึ้น? ความจุในการสื่อสารของดาวเทียมทั้งดวงถูกตัดลดลงทันที 35% และผู้ให้บริการสูญเสียรายได้ค่าเช่าความถี่ไปถึง 22 ล้านดอลลาร์

สิ่งนี้เปรียบเสมือน “ฉากอุบัติเหตุรถชนกันหลายคันในโลกของสัญญาณ” เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองคลื่นที่มีความถี่ต่างกัน (เช่น f₁=2.1GHz และ f₂=2.3GHz) มาพบกันในอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น พวกมันจะสร้างความถี่ใหม่ที่แปลกประหลาดออกมามากมาย (2f₁-f₂=1.9GHz, 2f₂-f₁=2.5GHz) เหมือนกับรถบรรทุกที่เสียการควบคุมบนทางหลวง “เศษซากจากอุบัติเหตุ” เหล่านี้จะ:

• ▎เปลี่ยนแถบความถี่การสื่อสารที่สะอาดให้กลายเป็นทางแยกในชั่วโมงเร่งด่วน —— ดาวเทียม Zhongxing 16 ประสบปัญหานี้ โดยทรานสปอนเดอร์ย่าน Ku-band สร้างผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชันกับสัญญาณบีคอนของตัวเอง ปนเปื้อนแถบความถี่ทางการทหารที่อยู่ติดกัน จนต้องบังคับให้ปรับการแยกโพลาไรเซชันตอนตีสาม
• ▎ทำให้เครื่องขยายกำลังไฟฟ้าปลดเกษียณก่อนกำหนด —— ไคลสตรอนขนาด 300W ที่ใช้ในสถานีภาคพื้นดิน เนื่องจากการเกิดอินเตอร์มอดูเลชัน ทำให้พลังงาน 40% ถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน ทำให้อุณหภูมิในช่องเรโซแนนซ์พุ่งสูงถึง 85℃ ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดการออกแบบถึง 20℃
• ▎ทำให้การระบุตำแหน่งนำทางผิดเพี้ยน —— เราทดสอบสายอากาศรถยนต์รุ่นหนึ่ง พบว่าเสียงรบกวนจากเฟสที่เกิดจากอินเตอร์มอดูเลชันลำดับที่สามทำให้ตำแหน่ง GPS คลาดเคลื่อนไปถึง 15 เมตร หากเป็นในขีปนาวุธ ความเบี่ยงเบนนี้ก็เพียงพอที่จะทำให้พลาดเป้าหมายที่เป็นอาคารได้

สิ่งที่น่าเหลือเชื่อกว่านั้นคือ สิ่งนี้มี “ระยะฟักตัว” เมื่อปีที่แล้วขณะตรวจสอบสถานีฐานให้กับผู้ให้บริการรายหนึ่ง โดยใช้ PIM Hunter ของ Rohde & Schwarz เราพบว่าการคายประจุขนาดเล็กที่เกิดจากออกไซด์ที่ขั้วต่อสายนำสัญญาณกำลังสร้างผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชันอย่างช้าๆ ในขณะนั้นข้อมูลในพื้นที่อยู่ที่ -97dBm ซึ่งเกือบจะไม่ผ่านมาตรฐาน แต่เมื่อเราวัดอีกครั้งในอีกสามเดือนต่อมา มันได้เสื่อมสภาพลงเป็น -78dBm —— เทียบเท่ากับการเทขยะแม่เหล็กไฟฟ้าลงในแถบความถี่สองรถบรรทุกทุกๆ ชั่วโมง

กรณีระดับเกรดทหารยิ่งน่ากลัวกว่านั้น ลิงก์ข้อมูล MADL ของ Raytheon สำหรับเครื่องบิน F-35 ไม่ได้พิจารณา ปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมด ให้ดีในระหว่างการออกแบบ ในระหว่างการทดสอบการบิน เมื่อเรดาร์ย่าน X-band และการสื่อสาร UHF ทำงานพร้อมกัน ผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชันได้กลบสัญญาณ IFF (ระบุฝ่าย) ไปโดยสิ้นเชิง ในท้ายที่สุด พวกเขาต้องเปลี่ยนไปใช้หน้าแปลนสแตนเลสชุบทองทั้งหมด ซึ่งเพิ่มต้นทุนต่อขั้วต่อจาก 8 ดอลลาร์เป็น 230 ดอลลาร์

ตอนนี้คุณคงรู้แล้วใช่ไหมว่าทำไมสถานีฐาน 5G ถึงต้องใช้ส่วนประกอบที่มีอินเตอร์มอดูเลชันแบบพาสซีฟต่ำ (Low-PIM)? นี่เหมือนกับการสร้างทางหลวงแบบปิดสนิทสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า —— เพื่อป้องกัน “อุบัติเหตุ” และประหยัด “ค่าลากจูง” บริษัทมือถือในมณฑลหนึ่งได้ทำการทดสอบจริง โดยการยกระดับ PIM ของสายอากาศบนยอดเสาจาก -140dBc เป็น -155dBc ส่งผลให้ความจุการจราจรข้อมูลต่อเซลล์เพิ่มขึ้น 1.8 เท่า การจ่ายเงินจำนวนนี้คุ้มค่าไม่ใช่หรือ?

กระบวนการบัดกรีที่ซ่อนกับดักไว้

เมื่อปีที่แล้ว ในระหว่างการผลิตดาวเทียม Starlink ของ SpaceX โรงงาน OEM แห่งหนึ่งได้ใช้ตะกั่วบัดกรีเกรดอุตสาหกรรม และการทดสอบ รอบความร้อนในสุญญากาศ พบรอยร้าวที่จุดบัดกรีถึง 25% เรื่องนี้ทำให้ทีมงานด้านกระบวนการของ NASA JPL ตกใจ —— การสแกนด้วยเครื่องเอกซเรย์ไมโครโฟกัสแสดงให้เห็นอัตราส่วนช่องว่างที่เกินมาตรฐานถึง 3 เท่า เกือบจะทำให้สายอากาศอาร์เรย์เฟสทั้งล็อตต้องถูกทิ้ง

การบัดกรีเกรดทหารมุ่งเน้นไปที่ “การควบคุมสามระดับ”: มุมการเปียกของตะกั่วควรถูกควบคุมระหว่าง 15°~35° (มุมสัมผัส), อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะต้องถูกควบคุมให้อยู่ภายใน 3℃/วินาที (ramp rate) และที่สำคัญที่สุด การตกผลึกเฟสเบต้าในระหว่างการทำให้เย็นลงจะต้องก่อตัวเป็นโครงสร้างแบบตะกร้า ตามมาตรฐาน MIL-STD-883H ส่วน 2015.8 ความแข็งแรงในการรับแรงเฉือนของจุดบัดกรีสำหรับการบินและอวกาศต้อง ≥45MPa แต่ตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วทั่วไปทำได้ไม่ถึง 30MPa ด้วยซ้ำ

ปัจจุบัน อุตสาหกรรมกำลังทดลองกับ สูตรตะกั่วบัดกรีแบบไล่ระดับ: การเติมซีเรียม (Ce) ซึ่งเป็นธาตุหายาก 0.02% ลงในฐาน 96.5Sn/3Ag/0.5Cu สามารถเพิ่มอายุการใช้งานจากความล้าของจุดบัดกรีได้ถึง 8 ลำดับขั้น ข้อมูลการทดสอบโมดูลพลังงาน N6705B ของ Keysight แสดงให้เห็นว่าตะกั่วบัดกรีนี้ หลังจากผ่าน 3000 รอบระหว่าง -55℃ ถึง 125℃ ความหนาของชั้น IMC จะคงที่ระหว่าง 2.8~3.1μm ซึ่งลดความผันผวนลง 76% เมื่อเทียบกับตะกั่วบัดกรีแบบดั้งเดิม

แต่อย่าเชื่อในพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ทั้งหมด —— ครั้งหนึ่งในขณะบัดกรีแข็งดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้า แม้ว่าเตาสุญญากาศจะแสดงความดัน 10^-5 Pa แต่ปริมาณออกซิเจนในพื้นที่จริงเพิ่มขึ้นถึง 40 เท่าเนื่องจากการปล่อยก๊าซจากอุปกรณ์จับยึด ต่อมาได้มีการใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์ช่วย โดยควบคุมความร้อนอย่างแม่นยำด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ YLS-3000 ของ IPG ซึ่งดึงความต้านทานการคืบ (creep resistance) ของจุดบัดกรีให้ขึ้นไปถึงระดับที่กำหนดโดย GJB 548B-2005

เมื่อเร็วๆ นี้ ในขณะที่ทำงานในโครงการอาร์เรย์เฟสย่าน Ku-band พบปรากฏการณ์ที่ขัดกับความรู้สึก: การใช้เงินนาโนเพสต์แทนตะกั่วบัดกรีแบบดั้งเดิม แม้ว่าความต้านทาน DC จะลดลง 30% แต่มันกลับทำให้เกิด ค่าการสูญเสียจากการแทรก (insertion loss) 0.7dB ที่ความถี่ 28GHz ต่อมาการใช้ PNA-X ของ Keysight เป็นเครื่องวัดการสะท้อนโดเมนเวลา พบว่าอนุภาคนาโนนำไปสู่การลดลงของอิมพีแดนซ์ที่จุดบัดกรี —— สิ่งนี้ดูเหมือนกุ้งมังกรที่กลายพันธุ์บนแผนภูมิสมิธ (Smith chart)

ความบริสุทธิ์ของวัสดุสำคัญแค่ไหน?

เมื่อปีที่แล้ว ทรานสปอนเดอร์ย่าน Ku-band ของดาวเทียม AsiaSat 7 ออฟไลน์ไปอย่างกะทันหัน และเมื่อเปิดเครือข่ายฟีดที่เสียออกดู เราพบว่าผนังด้านในของท่อนำคลื่นเต็มไปด้วยปุ่มโลหะขนาดเล็กเหมือนสิว เพื่อนร่วมงานจาก JAXA ของญี่ปุ่นส่ายหัวเมื่อดูรูปถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน: “ความบริสุทธิ์นี้ไม่ถึงระดับ 4N ด้วยซ้ำ (4N = ความบริสุทธิ์ 99.99%)”

ที่ย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตร สิ่งเจือปนในวัสดุคือเพชฌฆาตสัญญาณ สถาบันทางการทหารแห่งหนึ่งได้ทำการทดลองเปรียบเทียบ: วัสดุอะลูมิเนียมชนิดเดียวกัน เกรดการบิน 6061-T6 เทียบกับอะลูมิเนียมอุตสาหกรรมทั่วไปที่ 94GHz ความขรุขระของพื้นผิวที่ต่างกัน 0.2μm ส่งผลให้ค่าการสูญเสียจากการแทรกเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เหมือนกับการให้นักวิ่งลมกรดใส่รองเท้าบูทกันฝน —— ก่อนที่จะก้าวออกไป พลังงานครึ่งหนึ่งก็ถูกใช้ไปแล้ว

ความลึกของผิว (skin depth) ในย่าน Ka-band มีความหนาเพียง 0.7 ไมครอน และในจุดนี้ ขอบเกรน (grain boundaries) บนพื้นผิววัสดุทำหน้าที่เหมือนลูกระนาดบนทางหลวง ข้อมูลการทดสอบของ ESA แสดงให้เห็นว่าเมื่อความบริสุทธิ์ของทองแดงเพิ่มขึ้นจาก 3N เป็น 6N เสียงรบกวนเฟสที่ 40GHz จะลดลง 8dBc/Hz —— ผลลัพธ์นี้เหนือกว่าการเปลี่ยนเครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำสิบเครื่องเสียอีก

• บทเรียนราคาแพงของบริษัทการบินอวกาศเอกชนแห่งหนึ่ง: การใช้ทองแดง 3N แทนทองแดง 5N ที่กำหนด ส่งผลให้ค่า EIRP ของดาวเทียมต่ำกว่าที่ออกแบบไว้ 1.3dB สูญเสียรายได้ค่าเช่าปีละ 2.4 ล้านดอลลาร์
• กรณีการอัปเกรดเครือข่ายอวกาศลึกของ NASA: การเพิ่มความบริสุทธิ์ของเสาอากาศฟีดฮอร์นจาก 4N เป็น 6N ช่วยเพิ่มค่า G/T ของเสาอากาศขนาด 64 เมตรขึ้น 0.8dB เทียบเท่ากับการรับสัญญาณจากอวกาศลึกได้มากขึ้น 18%

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุกำลังมุ่งเน้นไปที่ การปลูกผลึกด้วยลำโมเลกุล (molecular beam epitaxy) ช่วยให้สามารถควบคุมขนาดเกรนในการเคลือบอะลูมิเนียมให้อยู่ภายใน 10 นาโนเมตร เมื่อปีที่แล้วในโครงการกลุ่มดาวเทียม “Blackjack” ของกองทัพสหรัฐฯ พบว่าส่วนประกอบท่อนำคลื่นที่ผลิตด้วยเทคนิคนี้มี ความจุพลังงานในย่านความถี่เทราเฮิรตซ์สูงกว่ากระบวนการแบบดั้งเดิมถึง 43% —— เทียบเท่ากับการขยายถนนจากเลนเดียวเป็นสี่เลน

อย่างไรก็ตาม การไขว่คว้าหาความบริสุทธิ์อาจเกินเลยไปได้ง่าย ทีมสื่อสารควอนตัมทีมหนึ่งยืนกรานที่จะใช้ทองแดง 8N สำหรับตัวสะท้อนเสียง แต่ ค่า Q factor กลับตกลงอย่างรวดเร็ว ปรากฏว่าการนำความร้อนที่สูงมากของวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษทำให้อุณหภูมิในช่องเรโซแนนซ์มีความเสถียรแย่ลง ดังนั้นวิศวกรวัสดุจึงมักกล่าวว่า: “ความบริสุทธิ์ควรจะเพียงพอ แต่ไม่ต้องมากเกินไป เหมือนกับการกินอาหารเสริม — ขาดไปอาจถึงตาย มากไปอาจเป็นพิษ”

(ตามข้อกำหนด ECSS-Q-ST-70C 6.4.1 ค่า Ra ของชิ้นส่วนไมโครเวฟที่ติดตั้งบนดาวเทียมต้องน้อยกว่า 0.8μm เทียบเท่ากับ 1/200 ของความยาวคลื่นไมโครเวฟ)

เมื่อเร็วๆ นี้ วิศวกรของ SpaceX Starlink V2 บ่นกับผมว่า: พวกเขาถอดสายอากาศอาร์เรย์เฟสของคู่แข่งออกดูและพบว่ามีการใช้หน้าสัมผัสวัสดุ FR4 สำหรับเครือข่ายฟีด โดยมี ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกผันผวน ±15% สิ่งนี้เปรียบเสมือนการใช้หนังยางทำเป็นขายึดดาวเทียม — ใช้งานได้ในระยะสั้น แต่ท้ายที่สุดก็ต้องพังลงอย่างแน่นอน

ทำไมต้องเปลี่ยนสถานีฐาน?

เมื่อปีที่แล้ว พายุฝนกระหน่ำในเจิ้งโจวทำลายสถานีฐานเก่าไป 7 แห่ง เมื่อผู้ให้บริการตรวจสอบบัญชี มันรู้สึกถึงความเจ็บปวดทางการเงินโดยตรง —— อัตราการสูญเสียลูกค้าพุ่งสูงถึง 12% เนื่องจากการหยุดทำงานของสถานีเพียงแห่งเดียว ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการเปลี่ยนสายอากาศมาก ตามมาตรฐาน 3GPP TS 38.141 ความผิดเพี้ยนของอินเตอร์มอดูเลชันแบบพาสซีฟ (PIM) ของสายอากาศสถานีฐาน 5G จะต้องถูกระงับให้ต่ำกว่า -150dBc อย่างไรก็ตาม ค่า PIM จริงของสายอากาศรุ่นเก่าที่มีอายุแปดปีเหล่านี้โดยทั่วไปจะวนเวียนอยู่ที่ประมาณ -120dBc

ยกตัวอย่างเช่น สายอากาศแบบโพลาไรซ์คู่ที่เล่าจางและทีมงานใช้ ซึ่งขั้วต่อฟีดถูกออกซิไดซ์จนอยู่ในสภาพ “คราบสนิมสีเขียว” เมื่อทดสอบด้วยเครื่องวิเคราะห์สัญญาณ Keysight N9048B ความผันผวนในแถบความถี่ที่ย่าน 2.6GHz สูงถึง 4.7dB ซึ่งลดระดับการปรับสัญญาณ 256QAM ของ 5G ลงเหลือ 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) คุณรู้ไหมว่านี่หมายความว่าอย่างไร? มันเหมือนกับทางหลวงแปดเลนที่จู่ๆ ก็หดเหลือสองเลน ทำให้การไหลเวียนของการจราจรลดลงครึ่งหนึ่ง

เขตเป่าอันในเซินเจิ้นเคยประสบปัญหานี้มาก่อน เมื่อปีที่แล้วเมื่อพวกเขาพยายามใช้สถานีฐานเก่าเพื่อเปิดใช้การรวมคลื่นความถี่ 5G (Carrier Aggregation) ความเร็วของผู้ใช้กลับช้ากว่า 4G ถึง 23% การวิเคราะห์แพ็กเกจพบว่าอัลกอริทึมการสร้างลำคลื่น (beamforming) ของ AAU (Active Antenna Unit) ถูกทำให้เข้าใจผิดโดยสัญญาณรบกวนอินเตอร์มอดูเลชัน โดยที่ 3 จาก 8 องค์ประกอบทำงานแบบ “สุ่มคำสั่ง” ปัญหานี้ส่งผลโดยตรงต่อค่า RSRP (Reference Signal Received Power) ที่ขอบเซลล์ให้ลดลง 15dBm นำไปสู่การร้องเรียนถึง 400 รายการภายในสามวัน

สายอากาศใหม่กำลังใช้ โครงสร้างแถบช่องว่างแม่เหล็กไฟฟ้า (EBG) ซึ่งเป็นการสร้าง “กำแพงกั้นแม่เหล็กไฟฟ้า” รอบองค์ประกอบการแผ่รังสี ข้อมูลการทดสอบของ Huawei แสดงให้เห็นว่าวิธีนี้สามารถระงับคลื่นพื้นผิวได้สูงถึง 28dB พร้อมกับลดการสูญเสียที่เกิดจากฝาครอบสายอากาศให้เหลือน้อยกว่า 0.3dB อย่าดูถูกตัวเลขทศนิยมเหล่านี้; ในระบบ Massive MIMO แบบ 64T64R ค่า EIRP ของทั้งสถานีสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 7dB

• ความล่าช้าในการกระโดดความถี่ของสถานีฐานเก่า: >800μs (นำไปสู่ความล้มเหลวในการเข้าถึง PRACH โดยตรง)
• ความล่าช้าในการทำ precoding ของอุปกรณ์ใหม่: <200μs (ตรงตามข้อกำหนดความล่าช้า 3GPP URLLC)
• ต้นทุนความผิดปกติทั่วไป: ประมาณ 42,000 ดอลลาร์ต่อชั่วโมงต่อสถานีที่หยุดทำงาน (รวมถึงค่าชดเชยลูกค้า)

การทดสอบเปรียบเทียบของ Beijing Mobile ที่สนามบิน Capital ยิ่งน่าตกใจมากขึ้น สายอากาศสถานีฐานเก่าภายใต้สถานการณ์ที่มีผู้ใช้หลายคนมี อัตราความสำเร็จในการจับคู่ MU-MIMO เพียง 61% ในขณะที่การเปลี่ยนเป็นสายอากาศ PIM ต่ำทำให้พุ่งสูงขึ้นเป็น 93% หลักการนั้นง่ายมาก: หลังจากเพิ่มการแยกพอร์ตสายอากาศจาก 22dB เป็น 35dB อัลกอริทึมการจัดคิวผู้ใช้ก็สามารถทำงานได้อย่างอิสระในที่สุด

คนที่พูดว่า “ถ้ามันยังใช้ได้ ก็ไม่ต้องเปลี่ยน” มักจะไม่ได้คำนวณต้นทุนแฝง ตามแบบจำลองของ Ericsson เมื่อค่า PIM ของสถานีฐานเสื่อมลงเหลือ -130dBc จะต้องสร้างไมโครเซลล์เพิ่มเติม 1.2 แห่งต่อตารางกิโลเมตรเพื่อครอบคลุมจุดบอด เงินจำนวนนี้เพียงพอที่จะอัปเกรดอุปกรณ์หลักทั้งหมดในพื้นที่ ไม่ต้องพูดถึงค่าธรรมเนียมการบำรุงรักษาต่อเนื่องที่บริษัทบำรุงรักษาคิดเป็นรายชั่วโมง

ผู้จัดการฝ่ายเพิ่มประสิทธิภาพเครือข่ายระดับมณฑลคนหนึ่งกล่าวว่า “เราใช้เงิน 3.7 ล้านดอลลาร์เมื่อปีที่แล้วในการจัดการกับใบแจ้งซ่อมที่เกี่ยวข้องกับการรบกวนจาก PIM ซึ่งเพียงพอที่จะซื้อสายอากาศใหม่ได้ถึง 300 ชุด สู้เปลี่ยนใหม่แต่เนิ่นๆ ให้มันจบไปจะดีกว่า”

ความแตกต่างของความเร็วจากการทดสอบจริงคือเท่าไหร่?

เมื่อเดือนที่แล้วในระหว่างการทดสอบพีคของ 5G ที่สนามบินเซินเจิ้น โดยใช้เครื่องทดสอบครบวงจร TS8980FTA ของ Rohde & Schwarz เราพบปรากฏการณ์ประหลาด —— การใช้สายอากาศธรรมดา ความเร็วในการดาวน์โหลดค้างอยู่ที่ 2.1Gbps แต่เมื่อเปลี่ยนเป็นสายอากาศ PIM (Passive Intermodulation) ต่ำ ความเร็วพุ่งตรงไปที่ 3.8Gbps ช่องว่างนี้เทียบเท่ากับการกระโดดจาก 4G LTE CA ไปสู่ย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตรโดยตรง ซึ่งครอบคลุมประสิทธิภาพของ อัลกอริทึมการสร้างลำคลื่น (beamforming) ทั้งหมด

เล่าจาง วิศวกรในพื้นที่ได้นำเครื่องวิเคราะห์สัญญาณ Keysight N9042B ออกมาและจับแพ็กเกจที่แสดงสัญญาณปลอม (spurious signals) สองก้อนที่ระดับ -105dBm ใกล้กับย่านความถี่ n78 (3.5GHz) สิ่งเหล่านี้คือผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชันที่เกิดจากออกไซด์ที่ขั้วต่อสายอากาศ ซึ่งลดค่า CNR (Carrier-to-Noise Ratio) จาก 28dB เหลือ 19dB ตามมาตรฐาน 3GPP TS 38.141-2 สิ่งนี้ลดความไวของเครื่องรับสถานีฐานลงสี่ลำดับขั้นโดยตรง

ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือ การรั่วไหลไปยังช่องสัญญาณข้างเคียง (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR) เราวัดที่หมู่บ้านหลงหัวพบว่าสายอากาศธรรมดามีการแผ่รังสีออกนอกแถบความถี่เกินไป 6dB ที่ย่าน n79 (4.9GHz) ซึ่งรบกวนเรดาร์อุตุนิยมวิทยาที่อยู่ติดกันโดยตรง การเปลี่ยนไปใช้โซลูชัน PIM ต่ำทำให้การแผ่รังสีหลุดออกนอกแถบความถี่ต่ำกว่า -150dBm ซึ่งตรงตามมาตรฐานทางการทหาร FCC Part 30

ผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารทราบดีว่า ออกไซด์แต่ละไมโครเมตรที่ขั้วต่อจะเพิ่มการรบกวนอินเตอร์มอดูเลชันประมาณ -70dBc สายอากาศ PIM ต่ำที่ใช้ในการทดสอบนี้มีตัวนำภายในเคลือบด้วยชั้นเงิน 15μm (เป็นไปตามการทดสอบละอองเกลือ IEC 60068-2-42 เป็นเวลา 96 ชั่วโมง) และแม้แต่ขั้วต่อประเภท N ก็มีการออกแบบแปดหน้าสัมผัส (โดยมีความต้านทานหน้าสัมผัสต่ำกว่ารุ่นปกติ 0.8mΩ)

ในระหว่างการถอดแยกชิ้นส่วน AAU5613 ของ Huawei เราพบว่าโมดูลปรับเลื่อนเฟสของมันถูกบัดกรีลงบนองค์ประกอบการแผ่รังสีโดยตรง สถาปัตยกรรมไร้ขั้วต่อ (connectorless architecture) นี้ลดระดับ PIM ลงไปถึงระดับ -160dBc ซึ่งต่ำกว่าโซลูชันจัมเปอร์แบบเดิมถึงสองลำดับขั้น จึงไม่น่าแปลกใจที่ระหว่างการทดสอบจริงที่สนามบินเป่าอัน ค่า SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) ในแถบความถี่เดียวกันของมันสูงกว่าคู่แข่งถึง 7dB

อย่างไรก็ตาม PIM ต่ำไม่ใช่ยาวิเศษ ในระหว่างการทดสอบที่รุนแรงที่ห้องปฏิบัติการทะเลสาบซงซาน พบว่าเมื่ออุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเกิน 85℃ (ตรงตามมาตรฐาน ETSI EN 300 019-2-4 Class 4.2) ประสิทธิภาพ PIM ของขั้วต่อเคลือบเงินบางชนิดจะเสื่อมลงอย่างกะทันหัน ในกรณีเช่นนี้ จำเป็นต้องใช้ โซลูชันโลหะผสมทองแดงเคลือบทอง แม้จะมีราคาสูงกว่าสามเท่า แต่มันก็ทนทานต่ออุณหภูมิสูงประจำวันที่ 65℃ ในโครงการสถานีฐานทะเลทรายของซาอุดีอาระเบียได้

ตามรายงานล่าสุดจากห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีโทรคมนาคมของจีน การใช้สายอากาศ PIM ต่ำสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายในการแก้ไขข้อผิดพลาดได้ 30% ซึ่งหมายความว่าภายใต้การจัดสรร RB (Resource Block) เดียวกัน ความเร็วขั้นต่ำที่รับประกันสำหรับผู้ใช้ที่ขอบเซลล์สามารถคงอยู่ที่ 200Mbps ครั้งต่อไปที่ปรับปรุงสัญญาณที่แคนตันทาวเวอร์ ผมจะนำสายอากาศสองชุดไปทำการทดสอบ AB เพื่อดูว่าสามารถขุดขีดความสามารถที่ซ่อนอยู่ออกมาได้มากแค่ไหน

ราคาแพงขึ้นสองเท่าคุ้มค่าหรือไม่?

ตอนตี 3 ได้รับใบแจ้งซ่อมด่วนจาก Alpha Satellite —— โมดูลแก้ไขดอปเปลอร์แจ้งรายงานความผันผวนของแอมพลิจูด (Amplitude Ripple) 3.7dB พร้อมรหัสเตือนภัยกะพริบบนหน้าจอตรวจสอบสถานีภาคพื้นดิน นี่เป็นครั้งที่สามในปีนี้ที่พบการรบกวนอินเตอร์มอดูเลชัน (Intermodulation Distortion) ในสายอากาศอาร์เรย์เฟสย่าน Ka-band สำหรับใช้งานทางการทหาร หัวหน้าทีมบำรุงรักษาเล่าจาง คาบไฟฉายไว้ในปาก เปิดเครือข่ายฟีดออกมาดูและพบว่าเซอร์คูเลเตอร์รุ่น PIM (Passive Intermodulation) ต่ำมีราคาแพงกว่ารุ่นปกติถึง 2.3 เท่า

ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของของแพงคือราคา แต่ในโลกของไมโครเวฟ มันตรงกันข้าม สายอากาศปกติสามารถจัดการได้ด้วยการเคลือบเงิน แต่สำหรับย่านความถี่คลื่นมิลลิเมตร (mmWave) ความขรุขระของพื้นผิวเพียง 0.8 ไมครอนจะทำให้สัญญาณทำงานผิดปกติ —— ที่ความถี่สูงกว่า 24GHz ความลึกของผิวจะหนาเพียง 0.6 ไมครอน ซึ่งต้องใช้ตัวนำที่ขัดเงาระดับโมเลกุลที่เรียบเนียนเป็นพิเศษ

• เมื่อปีที่แล้ว ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาแห่งหนึ่งใช้ขั้วต่อเกรดอุตสาหกรรม ส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์อินเตอร์มอดูเลชัน (PIM) ที่ระดับ -95dBc ทำให้ค่า EIRP ของดาวเทียมโดยรวมลดลง 1.8dB สูญเสียรายได้ค่าเช่าช่องสัญญาณไป 2.2 ล้านดอลลาร์โดยตรง
• หลังจากดาวเทียม Starlink v2.0 ของ SpaceX เปลี่ยนไปใช้ส่วนประกอบ PIM ต่ำทั้งหมด ประสิทธิภาพสเปกตรัมต่อตารางองศาดีขึ้น 37%
• ข้อมูลการทดสอบของ Rohde & Schwarz แสดงให้เห็นว่า: ขั้วต่อ SMA ปกติที่ [email protected] สร้างอินเตอร์มอดูเลชันลำดับที่สาม (IMD3) สูงกว่ารุ่นที่ออกแบบมาสำหรับ PIM ต่ำโดยเฉพาะถึง 28dB

ผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารผ่านดาวเทียมเข้าใจเรื่องมุมตกกระทบบรูว์สเตอร์ (Brewster Angle) แต่มีไม่กี่คนที่ตระหนักว่าการดริฟท์เฟส (Phase Drift) ที่อุณหภูมิสุดขั้วนั้นรุนแรงเพียงใด เมื่อปีที่แล้ว สายอากาศส่งสัญญาณโทรมาตรของจรวด Falcon 9 ขั้นที่สองล้มเหลวเนื่องจากการเปลี่ยนค่าอิมพีแดนซ์ที่หม้อน้ำอะลูมิเนียมซึ่งมีอุณหภูมิสลับไปมาระหว่าง -180℃ ถึง +120℃ ทำให้อัตราข้อผิดพลาดบิต (BER) พุ่งสูงขึ้นสามลำดับขั้น การเปลี่ยนไปใช้โลหะผสมไทเทเนียมชุบทองทำให้ต้นทุนส่วนประกอบแต่ละชิ้นเพิ่มขึ้นจาก 450 ดอลลาร์เป็น 1,100 ดอลลาร์ แต่ช่วยลดรอบการทดสอบโดยรวมจากเก้าครั้งเหลือเพียงสามครั้ง

ข้อมูลภาคสนามจากพื้นที่ทดสอบทางตะวันตกเฉียงเหนือนั้นดูเข้าใจง่ายกว่า: หลังจากอัปเกรดเป็นสายอากาศอาร์เรย์ PIM ต่ำ อุปกรณ์สงครามอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่งสามารถย่นเวลาในการดักจับสัญญาณกระโดดความถี่ (Frequency Hopping) ย่าน L-band จาก 22 มิลลิวินาทีเหลือ 9 มิลลิวินาที ความแตกต่าง 13 มิลลิวินาทีนี้ช่วยให้ระบบตอบโต้ของฝ่ายตรงข้ามสามารถกำหนดค่าพารามิเตอร์ใหม่ (Parameter Reconfiguration) ได้เสร็จสิ้นถึงสองรอบ

นักบัญชีต้นทุนอาจให้ความสำคัญเฉพาะตัวเลขในตารางรายการวัสดุ (BOM) แต่วิศวกรระบบมีบัญชีที่ใหญ่กว่า: การใช้ขั้วต่อมาตรฐานทางการทหาร MIL-DTL-3922/67 แม้ว่าแต่ละชิ้นจะมีราคาแพงกว่า 80 ดอลลาร์ แต่ช่วยลดการทดสอบกวาดสัญญาณ PIM สามครั้งต่อสัปดาห์ลงได้ ช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานในระยะเวลาสองปีลง 41% ยังไม่ต้องพูดถึงต้นทุนแฝงที่มองไม่เห็น —— บริษัทการบินอวกาศเอกชนแห่งหนึ่งต้องจ่ายค่าปรับ ITU ถึง 470,000 ดอลลาร์เมื่อปีที่แล้วเนื่องจากค่า PIM เกินขีดจำกัด ซึ่งเงินจำนวนนี้เพียงพอที่จะซื้อขั้วต่อเกรดพรีเมียมได้ถึง 500 ชิ้น

จำได้ว่าตอนไปร่วมประชุม IEEE MTT-S เมื่อปีที่แล้ว วิศวกรอาวุโสของ Boeing Defense ได้นำเสนอข้อมูลที่น่าทึ่ง: หลังจากเรดาร์ APG-82 ของเครื่องบินขับไล่ F-15EX อัปเกรดเป็นส่วนประกอบท่อนำคลื่น PIM ต่ำ อัตราการเกิดเป้าหมายลวง (False Target Generation Rate) ลดลงจาก 3.2 ต่อพันชั่วโมงเหลือเพียง 0.7 การปรับปรุงนี้มาจากเทคโนโลยีการฉีดพ่นพลาสมา —— การประมวลผลซับสเตรตอะลูมิเนียมให้มีค่า Ra<0.05μm (เทียบเท่ากับหนึ่งในพันห้าร้อยส่วนของความหนาของเส้นผม) ช่วยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเดินทางไปตามพื้นผิวตัวนำได้อย่างราบรื่นโดยไม่เกิดความผิดเพี้ยน

ดังนั้นครั้งต่อไปที่คุณตกใจกับใบเสนอราคาในระหว่างการจัดซื้อ ให้ตรวจสอบรายงานการทดสอบในห้องมืดสำหรับรูปแบบระนาบ E-plane (E-Plane Pattern) ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นอาจอยู่ที่ระดับไซด์โลบ (Sidelobe Level) ที่ต่ำกว่าผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกันถึง 8dB หรือ เส้นโค้ง VSWR ที่ยังคงเสถียรในอีกห้าปีข้างหน้า