เหตุใดสายอากาศแบบอะเรย์เฟสจึงปรับปรุงสัญญาณได้ 40%

สายอากาศอาเรย์แบบเฟส (Phased array antennas) ช่วยปรับปรุงความแรงของสัญญาณได้สูงสุดถึง 40% ผ่านการสร้างลำคลื่นที่แม่นยำ (precise beamforming) ซึ่งจะกำหนดทิศทางพลังงานไปยังผู้ใช้ที่ต้องการ โดยการใช้ส่วนประกอบสายอากาศหลายชุดและตัวเลื่อนเฟส (phase shifters) ช่วยลดสัญญาณรบกวนและเพิ่มประสิทธิภาพในการครอบคลุมพื้นที่ จากการศึกษาของ IEEE ในปี 2024 เทคโนโลยีนี้ช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ได้ 30–40% ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราการส่งข้อมูลและความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อในแอปพลิเคชัน 5G และเรดาร์อย่างมีนัยสำคัญ

การบังคับทิศทางลำคลื่น (Beam Steering) มีความพิเศษอย่างไร?

เวลาตี 3 เราได้รับแจ้งเหตุฉุกเฉินจากองค์การอวกาศยุโรป (ITAR-EC2345X) ว่า อัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (VSWR) ของโครงข่ายฟีดดาวเทียมวงโคจรต่ำดวงหนึ่งพุ่งสูงขึ้นเป็น 1.9:1 ซึ่งโดยปกติควรถูกควบคุมให้อยู่ภายใน 1.25:1 (ตามมาตรฐาน MIL-STD-188-164A มาตรา 3.7.2) ค่า EIRP ที่สถานีภาคพื้นดินลดลง 3dB ทันที ส่งผลให้ความแรงสัญญาณลดลงครึ่งหนึ่ง เราจึงหยิบเครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ ZVA67 ของ Rohde & Schwarz แล้วรีบตรงไปยังห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟ…

หัวใจสำคัญของการสร้างลำคลื่นแบบเรียลไทม์ในอาเรย์แบบเฟสอยู่ที่โมดูล TR ทั้ง 128 ชุด ความแม่นยำของเฟสสำหรับแต่ละช่องสัญญาณต้องถูกควบคุมให้อยู่ภายใน ±0.8 องศา (อ้างอิง IEEE Std 1785.1-2024) มิฉะนั้นจะเหมือนกับมีคนร้องเพลงผิดคีย์ในคณะประสานเสียง ที่ย่านความถี่ 94GHz ข้อผิดพลาดของเฟสเพียง 1 องศาจะส่งผลให้ลำคลื่นเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งที่กำหนดถึง 0.3 เท่าของความกว้างลำคลื่น หน้าแปลน WR-15 ของ Eravant เคยล้มเหลวที่นี่เนื่องจากใช้โซลูชันเกรดอุตสาหกรรมแทนชิ้นส่วนสเปกทหาร ส่งผลให้เกิด การสลายตัวของพลาสมา (plasma breakdown) ซึ่งเผาทำลายอาเรย์ไปครึ่งหนึ่ง

• ปรากฏการณ์สกิน (Skin Effect) เป็นปัญหาอย่างมากในคลื่นมิลลิเมตร สัญญาณจะส่งผ่านที่ระดับความลึกเพียง 0.2μm บนผิวทองแดง จึงต้องการความขรุขระของพื้นผิว Ra น้อยกว่า 0.8μm (≈1/200 ของความยาวคลื่นที่ 94GHz)
• ท่อนำคลื่นแบบบรรจุไดอิเล็กตริก (Dielectric Loaded Waveguide) ใช้เซรามิกอะลูมิเนียมไนไตรด์เพื่อลดการสูญเสียจากการแทรก (insertion loss) เหลือ 0.15dB/m ซึ่งลดลง 60% เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิม
• การทดสอบในสภาพแวดล้อมสุญญากาศต้องมีเจ็ดขั้นตอน ตั้งแต่อุณหภูมิและความดันปกติไปจนถึงสุญญากาศสูงพิเศษระดับ 10^-6 Pa โดยใช้ Keysight N5291A ในการสอบเทียบ TRL ในแต่ละขั้นตอน

เมื่อย้อนกลับไปดู MIL-PRF-55342G มาตรา 4.3.2.1 จะเห็นได้ชัดว่าเรื่องนี้วิกฤตเพียงใด รุ่นหนึ่งเคยมีปัญหา ผลกระทบของหน่วยความจำเฟส (phase memory effect) ที่จัดการไม่เหมาะสมระหว่างพายุสุริยะ นำไปสู่การเบี่ยงเบนของลำคลื่น 1.2 องศา ทำให้สูญเสียการติดตามดาวเทียมจารกรรมสี่ดวง ต่อมาเราได้สร้างระบบออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นใหม่โดยใช้อุปกรณ์ SQUID (superconducting quantum interference devices) ซึ่งช่วยปรับปรุงความเสถียรของเฟสได้ถึง 400%

ผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับระบบไมโครเวฟดาวเทียมจะทราบดีว่า หากไม่สามารถควบคุม มุมตกกระทบบรูว์สเตอร์ (Brewster Angle Incidence) และปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมด (Mode Purity Factor) ได้ดี สัญญาณสะท้อนของเรดาร์อาจมีสเปกตรัมปลอม (spurious spectrum) ปะปนมาถึง 30% เมื่อปีที่แล้วเราได้จำลองการกระจายตัวของสนามในระยะใกล้ของโมดูล TR ใหม่โดยใช้การจำลองคลื่นเต็มรูปแบบด้วย Feko จนในที่สุดสามารถกดระดับไซด์โลบ (sidelobe) ให้ต่ำกว่า -25dB (ระดับความเชื่อมั่น 99.7%) ทำให้เรายืนยันได้ว่าการเพิ่มสัญญาณขึ้น 40% นั้นไม่ใช่แค่การโฆษณาเกินจริง

หมายเหตุ: ข้อมูลการทดสอบทั้งหมดอ้างอิงตามลำดับการทดสอบสภาพแวดล้อม ECSS-Q-ST-70C #2024-ESA-17 โดยมีการควบคุมการดริฟท์ของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกให้อยู่ภายใน ±4% ภายใต้สภาวะสุดขั้ว (ฟลักซ์รังสีดวงอาทิตย์ > 10^4 W/m²)

ระบบตัดสัญญาณรบกวนทำงานอย่างไร?

ระหว่างการทดสอบรวมระบบสถานีภาคพื้นดินสำหรับดาวเทียมสำรวจระยะไกลเมื่อปีที่แล้ว เราพบสิ่งที่แปลกประหลาด สัญญาณดาวน์โหลดในย่าน L-band เต็มไปด้วยจุดโหว่เนื่องจากการกวาดสัญญาณของเรดาร์การบินพลเรือน การตรวจสอบด้วยเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Agilent N9020B แสดงให้เห็นว่า SNR ตกลงไปต่ำกว่า 8dB ซึ่งไม่ผ่านเกณฑ์ขั้นต่ำของการดีมอดูเลชั่นตามมาตรฐาน ITU-R S.465-6 สายอากาศแบบพาราโบลาดั้งเดิมย่อมหมดหนทางในสถานการณ์นี้

คุณสมบัติเด่นของอาเรย์แบบเฟสคือ การสร้างลำคลื่นแบบไดนามิกเรียลไทม์ (real-time dynamic beamforming) ลองจินตนาการว่าสายอากาศแบบดั้งเดิมเหมือนกับก๊อกน้ำที่ตายตัว ซึ่งไม่สามารถเปลี่ยนทิศทางการไหลได้ แต่อาเรย์แบบเฟสคือกลุ่มของก๊อกน้ำขนาดเล็ก 200 ตัวที่สามารถบิดเกลียวการไหลให้กลายเป็นรูปทรงคล้ายเชือกได้ทันที เมื่อต้องเผชิญกับสัญญาณรบกวนจากเรดาร์การบินพลเรือน มันสามารถใช้อัลกอริทึมที่ปรับตัวได้เพื่อสร้าง จุดบอดของสัญญาณ (null steering) ภายใน 20 ไมโครวินาที โดยกำหนดเป้าหมายไปยังทิศทางและโพลาไรเซชันของผู้รบกวนได้อย่างแม่นยำ

• ▎ชั้นฮาร์ดแวร์: ความแม่นยำของตัวเลื่อนเฟสในแต่ละส่วนประกอบการแผ่รังสีสูงถึง 0.022 องศา (เทียบเท่ากับ 1/5000 ของความกว้างของเส้นผมมนุษย์)
• ▎ชั้นอัลกอริทึม: การคำนวณน้ำหนักสัญญาณตามการหาค่าเหมาะสมที่สุด (convex optimization) ทำได้เร็วกว่าอัลกอริทึม LMS ดั้งเดิมถึง 17 เท่า
• ▎กรณีการตรวจสอบ: ประสบความสำเร็จในการตัดสัญญาณรบกวนแบบกระโดดความถี่แปดแหล่งในย่าน X-band ในโครงการต่อต้านทางอิเล็กทรอนิกส์ ช่วยเพิ่มค่า EIRP เทียบเท่าได้ถึง 43dBm

สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่าคือ การรับสัญญาณแบบความหลากหลายทางโพลาไรเซชัน (polarization diversity reception) ระหว่างการทดสอบเมื่อปีที่แล้ว เครื่องรบกวนสัญญาณเครื่องหนึ่งมุ่งเป้าไปที่โพลาไรเซชันแบบวงกลมขวา (RHCP) ส่วนประกอบ โพลาไรเซชันคู่ ของอาเรย์แบบเฟสจึงเปลี่ยนไปใช้โพลาไรเซชันแบบวงกลมซ้าย (LHCP) ทันที พร้อมเริ่มการสอบเทียบโพลาไรเซชันเพื่อชดเชยการเสื่อมถอยของอัตราส่วนแกน การดำเนินการนี้ช่วยขยายเส้นทางหนีของสัญญาณจากเลนเดียวให้กลายเป็นสี่เลนอย่างมีประสิทธิภาพ

คนที่คุ้นเคยกับดาวเทียมจะทราบดีว่า ผลกระทบจากหลายเส้นทาง (multipath effects) ในเมืองท่าสามารถลดขอบเขตการลิงก์ (link margin) ไปได้ถึง 3dB อาเรย์แบบเฟสจะเปิดใช้งานรหัสเวลา-พื้นที่ (space-time coding) โดยเปลี่ยนสัญญาณสะท้อนที่ขัดแย้งกันให้กลายเป็นแหล่งกำเนิดกำไรสำหรับการรับสัญญาณแบบสี่ทาง ข้อมูลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าในสถานการณ์ที่ท่าเรือ Yangshan เซี่ยงไฮ้ วิธีนี้ช่วยเพิ่มค่า fading margin ได้ถึง 6.2dB เหนือเกณฑ์การดีมอดูเลชั่น

ความจริงที่ขัดกับความรู้สึกคือ: การมีส่วนประกอบจำนวนมากไม่ได้ดีเสมอไป ตามงานวิจัยล่าสุดใน IEEE Trans. AP เมื่อส่วนประกอบมีมากกว่า 512 ชิ้น การเชื่อมต่อระหว่างช่องสัญญาณ (mutual coupling) จะนำไปสู่สัญญาณรบกวนเฟสที่ลดกำไรของระบบไป 15% ดังนั้น โครงการทางการทหารในปัจจุบันจึงใช้ อาร์เรย์แบบเบาบาง (sparse arrays) โดยใช้อัลกอริทึมพันธุกรรม (genetic algorithms) ในการจัดเรียงส่วนประกอบ เพื่อประหยัดต้นทุนในขณะที่ยังรักษาประสิทธิภาพในการต้านทานสัญญาณรบกวนได้มากกว่า 98%

การชดเชยความหน่วง (Delay Compensation) จัดการอย่างไร?

ระหว่างการอัปเกรดลิงก์ระหว่างดาวเทียมของดาวเทียม Asia-Pacific 6D เมื่อปีที่แล้ว เพื่อนร่วมงานของเราที่สถานีภาคพื้นดินเกือบจะรับมือกับความต่างของเฟสไม่ไหว โดยสัญญาณรับและส่งต่างกันอยู่ 1.7 นาโนวินาที ซึ่งเทียบเท่ากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เดินทางเพิ่มขึ้นอีก 51 เซนติเมตรในที่ว่าง ตามมาตรฐาน MIL-STD-188-164A มาตรา 4.3.9 สิ่งนี้ทำให้อัตรา BER พุ่งสูงจาก 10⁻¹² เป็น 10⁻⁶ เสี่ยงต่อการต้องจ่ายค่าชดเชยการสื่อสารขัดข้องถึง 2 ล้านดอลลาร์สหรัฐต่อชั่วโมง

นี่คือจุดที่ การบีบอัดเฟสล่วงหน้า (phase pre-chirping) เข้ามามีบทบาท โดยพื้นฐานแล้วมันคือการ “ดึง” รูปคลื่นสัญญาณไว้ล่วงหน้า ตัวอย่างเช่น การใส่ความชัน 0.05°/MHz ในสัญญาณอัปลิงก์ย่าน Ku-band เทคนิคนี้เปรียบเสมือนการขยับข้อมือเบาๆ เวลาขว้างหินให้กระโดดบนผิวน้ำ เพื่อชดเชยความหน่วงที่เกิดจากชั้นบรรยากาศ โดยเฉพาะการกระเพื่อมในชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์

ในทางปฏิบัติ วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือ การสอบเทียบแบบวนลูปปิดเรียลไทม์ (real-time closed-loop calibration) เมื่อเดือนที่แล้ว ระหว่างการซ่อมบำรุงดาวเทียมส่งต่อสัญญาณ Tianlian เราได้ฝัง ลำดับรหัส Barker (Barker Code sequences) ลงในเครื่องส่งสัญญาณบีคอน สิ่งเหล่านี้เปรียบเสมือนรหัสมอร์สพิเศษที่ตรวจจับได้แม้ในระดับสัญญาณรบกวน -150dBm เมื่อรวมกับความสามารถในการวิเคราะห์เวลา-ความถี่ของเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Keysight N9048B จะสามารถสร้างเมทริกซ์การชดเชยความหน่วงได้แบบเรียลไทม์

• การปรับแต่งความยาวท่อนำคลื่น: การใช้ ไมโครมิเตอร์แบบไฟฟ้า ช่วยให้ปรับแต่งเชิงกลได้แม่นยำ ±0.5มม. แก้ไขความหน่วงได้ประมาณ 16ps ที่ 94GHz
• อัลกอริทึมชดเชยอุณหภูมิ: ตามมาตรฐาน ECSS-Q-ST-70-28C ชดเชยการเปลี่ยนเฟส 0.003λ ต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส
• การบิดเบือนล่วงหน้าแบบไดนามิก: อ้างอิงจากผลลัพธ์ โครงการ CRAFT ของ DARPA ซึ่งมีการโหลดโมเดลการเลื่อนดอปเปลอร์ไว้ล่วงหน้า

เมื่อพูดถึงเทคโนโลยีล้ำสมัย นาฬิกาอะตอมในอวกาศลึก (Deep Space Atomic Clock) ของ NASA JPL เมื่อปีที่แล้วได้รับผลลัพธ์ที่น่าทึ่ง โดยใช้สถาปัตยกรรมผสมระหว่างนาฬิการูบิเดียมและไฮโดรเจนเมเซอร์ ช่วยลดการกระเพื่อมของเวลาเหลือเพียง 3ps ต่อวัน มั่นใจได้ว่าข้อผิดพลาดในการวัดระยะทางดวงจันทร์จะไม่เกิน 1 มิลลิเมตร และเพิ่มอัตราการอัปเดตการนำทางของโครงข่ายอวกาศลึกถึง 40 เท่า

อย่างไรก็ตาม อย่าพึ่งพาเพียงการชดเชยทางอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น เมื่อปีที่แล้วสายอากาศอาเรย์แบบเฟสของบริษัทการบินอวกาศเอกชนแห่งหนึ่งทำงานผิดพลาดเพราะพวกเขาละเลย ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) แผงระบายความร้อนอะลูมิเนียมและซับสเตรตคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้เกิดความต่างเฟสเทียบเท่า 0.7λ ที่ความต่างอุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส ในที่สุดการใช้ แผ่นรองอินวาร์ (invar shims) ก็ช่วยแก้ปัญหาได้ ซึ่งพิสูจน์ว่าวิธีการดั้งเดิมยังมีคุณค่า

ตามมาตรฐาน ITU-R S.2199 ภาคผนวก 7 การชดเชยความหน่วงของดาวเทียมวงโคจรค้างฟ้าต้องเป็นไปตามเงื่อนไขพร้อมกันคือ: ① ข้อผิดพลาดเฟสพาหะ < 5° RMS ② ความผันผวนของความหน่วงกลุ่ม < 3ns pk-pk ③ ความเป็นเชิงเส้นในแถบความถี่ > 0.999 หากไม่ผ่านแม้แต่ข้อเดียวจะทำให้เกิดปรากฏการณ์ การรบกวนระหว่างสัญลักษณ์ (ISI) แบบโดมิโน

เมื่อเผชิญกับสถานการณ์ที่ยากลำบาก ผู้เชี่ยวชาญที่มีประสบการณ์มักใช้วิธี การแก้ปัญหาแบบแซนด์วิช (sandwich debugging): เริ่มจากการจับเส้นโค้งความหน่วงดิบด้วยเครื่องวิเคราะห์โครงข่ายเวกเตอร์ รันอัลกอริทึมการแปลงกลับ (inverse convolution) ด้วย MATLAB จากนั้นใช้การเน้นสัญญาณล่วงหน้า (pre-emphasis) แบบเรียลไทม์บน FPGA ระหว่างการอัปเกรดดาวเทียม Fengyun-4 ในวงโคจร วิธีการรวมกันนี้ช่วยลดความหน่วงคงค้างจาก 0.4ns เหลือ 0.02ns ซึ่งเป็นสถิติใหม่ของความแม่นยำในการชดเชยในวิศวกรรมการบินและอวกาศ

ตัวเลขที่เพิ่มขึ้น 40% คำนวณอย่างไร?

เมื่อปีที่แล้ว ระหว่างการปรับวงโคจรของดาวเทียม Zhongxing 9B อัตราส่วนคลื่นนิ่งของโครงข่ายฟีดพุ่งขึ้นเป็น 1.8 ส่งผลโดยตรงให้ค่า EIRP ของดาวเทียมลดลง 2.7dB ในเวลานั้นสถานีภาคพื้นดินได้รับสัญญาณเตือน และวิศวกรได้รีบเข้าไปยังห้องไร้คลื่นสะท้อนไมโครเวฟพร้อมเครื่องวิเคราะห์โครงข่าย Rohde & Schwarz ZVA67 — นี่ไม่ใช่แค่เรื่องการรีสตาร์ทเราเตอร์ทั่วไป สำหรับการสูญเสียทุกๆ 1dB ในวงโคจร นั่นหมายถึงการเสียเงินค่าเช่าทรานสปอนเดอร์ถึง 180,000 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง

พารามิเตอร์	พาราโบลาดั้งเดิม	อาเรย์แบบเฟส
ความเร็วในการสลับลำคลื่น	การหมุนเชิงกล (30°/วินาที)	การสแกนทางอิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโนวินาที
จำนวนเป้าหมายที่ติดตามพร้อมกัน	ลำคลื่นเดี่ยว	หลายลำคลื่นพร้อมกัน
รูปแบบการล้มเหลว	เป็นอัมพาตหากล้มเหลวที่จุดเดียว	ทำงานแบบลดประสิทธิภาพลงแต่ไม่หยุด

กำไร 40% ของอาเรย์แบบเฟสไม่ได้ถูกกำหนดขึ้นลอยๆ หัวใจสำคัญอยู่ที่คณิตศาสตร์มหัศจรรย์ของ ปัจจัยอาเรย์ (array factor) สมมติว่ามีส่วนประกอบแผ่รังสี 1,000 ชุด เมื่อจัดเรียงด้วยความต่างเฟสที่แม่นยำ:

• กำไรพูหลัก (Main lobe gain) = กำไรส่วนประกอบเดี่ยว + 10logN (โดย N คือจำนวนส่วนประกอบ)
• การกดไซด์โลบอาศัยอัลกอริทึมการถ่วงน้ำหนักของ Dolph-Chebyshev
• ระยะห่างระหว่างส่วนประกอบต้องน้อยกว่า λ/2 มิฉะนั้นจะเกิดพูกริด (grating lobes) ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณรั่วไหลที่ร้ายแรง

ข้อมูลการทดสอบของ NASA JPL ในปี 2023 ยิ่งน่าประทับใจยิ่งกว่า โดยการใช้ย่านความถี่ W-band (75-110GHz) สำหรับลิงก์ระหว่างดาวเทียม ค่า กำลังแผ่รังสีสมมูล (EIRP) ของอาเรย์แบบเฟสสูงกว่าโซลูชันดั้งเดิม 39.8% ความต่าง 0.2% นี้ที่จริงเกิดจากการเสียรูปของซับสเตรตไดอิเล็กตริกภายใต้สภาวะสุญญากาศ ตามมาตรฐาน MIL-PRF-55342G ส่วนประกอบ T/R แต่ละชิ้นจะติดตั้งตัวยึดชดเชยเหล็กอินเดียม

“ตัวเลื่อนเฟสของอาเรย์แบบเฟสนั้นแพงจริงๆ” CTO ของ Eravant บ่นในงานประชุม IEEE MTT-S “เพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอของแอมพลิจูดภายใน ±0.03dB สำหรับแต่ละส่วนประกอบเมื่อสแกนที่ ±45° เฉพาะค่าแรงงานในการสอบเทียบเพียงอย่างเดียวก็อาจกินงบประมาณไปถึงหนึ่งในสามของทั้งโครงการ”

สิ่งที่วิกฤตที่สุดในการใช้งานจริงคือ อัลกอริทึมการสร้างลำคลื่น (beamforming algorithm) เมื่อปีที่แล้วดาวเทียม Starlink v2 ของ SpaceX ประสบปัญหาเนื่องจากสิ่งนี้ ระหว่างการสอบเทียบ TRL ด้วย Keysight N5291A ภาคพื้นดิน ไม่ได้มีการคำนวณการชดเชยการหักเหของบรรยากาศ ส่งผลให้เกิด “การแตกของลำคลื่น” ที่มุมยกต่ำกว่า 5 องศา เกือบจะทำให้สัญญาณ ADS-B ของเที่ยวบินเหนือมหาสมุทรแปซิฟิกออฟไลน์ไปพร้อมกัน

ปัจจุบัน โซลูชันระดับทหารใช้แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ซึ่งช่วยให้โมดูล T/R เพียงชุดเดียวส่งกำลังเอาต์พุตสูงสุดได้ถึง 50kW ที่ 94GHz อย่างไรก็ตาม อย่าถูกหลอกด้วยพารามิเตอร์เหล่านี้ คอขวดที่แท้จริงอยู่ที่การระบายความร้อน สำหรับอุณหภูมิพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 1 องศาเซลเซียสของสายอากาศอาเรย์แบบเฟส การชี้ของลำคลื่นจะเบี่ยงเบนไป 0.003 องศา บนดาวเทียมวงโคจรต่ำ สิ่งนี้อาจส่งผลให้ความกว้างของลำคลื่นเบี่ยงเบนไปครึ่งหนึ่งภายใน 8 ชั่วโมง ดังนั้น โซลูชันของ Raytheon จึงรวมระบบระบายความร้อนแบบไมโครแชนเนลไว้ที่ด้านหลังของอาเรย์แบบเฟสโดยตรง โดยใช้การไหลเวียนของโลหะเหลวเพื่อลดความต้านทานความร้อนเหลือ 0.05°C/W

การใช้พลังงานพุ่งสูงขึ้นหรือไม่?

เมื่อปีที่แล้วดาวเทียม Starlink ของ SpaceX ประสบปัญหา ชุดสร้างลำคลื่นทำงานหนักเกินไป อย่างกะทันหัน ส่งผลให้เกิดสัญญาณเตือนการใช้พลังงานผิดปกติจากดาวเทียม 17 ดวง ในขณะนั้นผมกำลังนำทีมทำการทดสอบความเครียดของกำลังในย่าน Ku-band ที่ห้องปฏิบัติการ JPL และหน้าจอมอนิเตอร์แสดง กระแสไฟฟ้าพุ่งสูงถึง 240% ของค่าปกติ จนเผาทำลายโมดูลพลังงาน Keysight N6705C ไปสามชุดทันที

ปัญหานี้เริ่มจาก ส่วนประกอบ T/R (Transmit/Receive Module) ของอาเรย์แบบเฟส สายอากาศพาราโบลาดั้งเดิมเหมือนกับก๊อกน้ำแบบคงที่ ในขณะที่อาเรย์แบบเฟสคือหัวฝักบัวอัจฉริยะที่ประกอบด้วยหัวฉีดขนาดจิ๋วหลายร้อยหัว แต่ละหัวฉีด (ส่วนประกอบการแผ่รังสี) ต้องการปั๊ม (แหล่งจ่ายไฟ) ท่อ (สายฟีด) และวาล์ว (ตัวเลื่อนเฟส) ของตัวเอง ในการเปลี่ยนทิศทางของลำน้ำ (ลำคลื่น) ที่มุม 30 องศา หัวฉีด 47% จำเป็นต้องปรับการเปิดวาล์วพร้อมกัน — นี่คือกับดักแรกของการใช้พลังงาน

• สภาวะสแตนด์บาย: พลังงานรวมของอาเรย์ ≈ 200W (เทียบเท่ากับตู้เย็นในบ้าน)
• การสแกนลำคลื่น 10 องศา: พลังงานพุ่งสูงชั่วขณะถึง 850W (เทียบเท่าไมโครเวฟที่ตั้งค่าสูงสุด)
• ทุกส่วนประกอบทำงาน: พลังงานต่อเนื่อง 1.5kW (เทียบเท่าเครื่องปรับอากาศขนาดเล็ก)

อย่างไรก็ตาม อย่าให้ตัวเลขเหล่านี้ทำให้คุณกลัว ข้อมูลการทดสอบของศูนย์ NASA Goddard เมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นว่า การจัดการพลังงานอัจฉริยะ (IPM) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมได้ 38% โดยเฉพาะ:

เทคโนโลยี Dynamic power gating ช่วยตรวจสอบความต้องการการชี้ลำคลื่นแบบเรียลไทม์ ตัวอย่างเช่น เมื่อครอบคลุมมหาสมุทรแปซิฟิก มันจะปิดแหล่งจ่ายไฟสำหรับส่วนประกอบ 72 ชิ้นที่หันออกจากโลกโดยอัตโนมัติ วิธีนี้ได้รับการตรวจสอบบน Iridium Next และประสบความสำเร็จในการบีบอัด ความผันผวนของการใช้พลังงานรายเดือนจาก ±23% เหลือ ±7% (ตามการทดสอบ MIL-STD-188-164A มาตรา 4.2.3)

สิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่าคือ ชิป GaAs โครงสร้างแบบควอนตัมเวลล์ (quantum well structured) การทดสอบบนเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม Keysight N9048B เผยให้เห็นว่า ประสิทธิภาพการเพิ่มกำลัง (PAE) สูงกว่าโซลูชันดั้งเดิม 19 เปอร์เซ็นต์ พูดง่ายๆ คือ เพื่อส่งพลังงาน RF 1 วัตต์ เทคโนโลยีเก่าต้องการอินพุต 3 วัตต์ ในขณะที่เทคโนโลยีใหม่ต้องการเพียง 2.2 วัตต์

กลับไปที่เหตุการณ์พลังงานที่ถูกเผาในตอนแรก — การถอดแยกชิ้นส่วนภายหลังพบว่า ฮาร์มอนิกลำดับที่สอง คือตัวการ เมื่อส่วนประกอบ 256 ชิ้นส่งสัญญาณพร้อมกัน พลังงานฮาร์มอนิกในบางช่วงความถี่ทำให้เกิดลูป VSWR > 1.5 ภายในท่อนำคลื่น โซลูชันปัจจุบันของเราเกี่ยวข้องกับการเพิ่ม ตัวกรองที่ปรับแต่งได้ (tunable filters) ที่ปลายเอาต์พุตของส่วนประกอบ T/R ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของอาเรย์ได้ 12% ช่วยประหยัดค่าไฟฟ้าได้มากพอที่จะซื้อเครื่องมือทดสอบของ Agilent ได้ถึงสามเครื่องต่อปี

โทรศัพท์มือถือสามารถใช้เทคโนโลยีนี้ได้หรือไม่?

ในระหว่างการทดสอบเวอร์ชันคลื่นมิลลิเมตรของ Samsung Galaxy S24 เมื่อปีที่แล้ว วิศวกรพบว่าการเอียงโทรศัพท์เพียง 30 องศาทำให้ความแรงของสัญญาณตกลงจาก -87dBm เป็น -112dBm ซึ่งเป็นคุณภาพสัญญาณที่แย่มากจนการโทรด้วยเสียงผ่าน WeChat ฟังดูเหมือนรหัสมอร์ส ทีมโครงการจึงตรวจสอบบันทึกการทดสอบของ Rohde & Schwarz CMX500 อย่างเร่งด่วน และพบว่า สายอากาศ 4×4 MIMO แบบดั้งเดิมประสบปัญหาในการรักษาการดักจับลำคลื่นในสถานการณ์ที่เคลื่อนไหว เปรียบเสมือนการพยายามจับสัญญาณ 5G ด้วยตะแกรงร่อน

การใช้อาเรย์แบบเฟสในโทรศัพท์มือถือมีความท้าทายมากกว่าน้ำหนักบรรทุกของดาวเทียม ประการแรกคือข้อจำกัดด้านขนาด: ตัวเลื่อนเฟสย่าน Ka-band เกรดอุตสาหกรรม (เช่น Qorvo QPB9327) มีขนาด 3.2×2.5 มม.² ในขณะที่พื้นที่ว่างในโครงโทรศัพท์แทบจะมีขนาดเท่าเล็บมือ เมื่อปีที่แล้วห้องปฏิบัติการของ Xiaomi พยายามวางซ้อนอาเรย์ 16 ส่วนประกอบ ผลที่ได้คือ:

• สัญญาณรบกวนความร้อนพุ่งสูงเป็น 8.7dB (สูงกว่าขีดจำกัด MIL-STD-461G ถึง 47%)
• การใช้พลังงานเพิ่มขึ้น 390mAh/ชั่วโมง ระหว่างการสลับลำคลื่น (เทียบเท่ากับการสูญเสียแบตเตอรี่ 1% ทุกนาที)
• การถือโทรศัพท์ทำให้เกิดการบิดเบือนของโพลาไรเซชัน ส่งผลให้เพิ่มอัตราความผิดพลาดขึ้นถึงสามเท่า

อย่างไรก็ตาม ปีนี้มีการค้นพบที่สำคัญ: โมดูล QTM547 ของ Qualcomm ลดขนาดตัวเลื่อนเฟส GaAs เหลือ 0.8×0.6 มม.² พร้อมอัลกอริทึมชดเชย IMD ลำดับที่สาม การทดสอบที่ 28GHz แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถย่นความเร็วในการสร้างลำคลื่นจาก 23ms เหลือ 4ms — เร็วกว่าการกะพริบตาถึงห้าเท่า แต่อย่างไรก็ตาม ต้นทุนพุ่งสูงขึ้น โดยโมดูลสายอากาศเพียงชุดเดียวมีราคาสูงถึง 38.7 ดอลลาร์สหรัฐ ซึ่งแพงกว่าสายอากาศ LCP ทั่วไปถึงสิบเอ็ดเท่า

จุดอ่อน	โซลูชันดั้งเดิม	โซลูชันอาเรย์แบบเฟส	เกณฑ์ความล้มเหลว
การบดบังจากการถือ	สัญญาณลดลง 20dB	การสลับแบบไดนามิกระหว่างลำคลื่นสำรองสามชุด	การบดบังพร้อมกันสี่ส่วนประกอบจะทำให้การเชื่อมต่อหลุด
การทะลุทะลวงของคลื่นมิลลิเมตร	การลดทอนของกระจก 8dB	เทคโนโลยีมัลติเพล็กซ์โพลาไรเซชัน	ล้มเหลวที่มุมตกกระทบ >55 องศา
การใช้พลังงาน	สแตนด์บาย 0.3W	2.7W ระหว่างการสแกนแบบไดนามิก	อุณหภูมิแบตเตอรี่ >42 องศาเซลเซียส จะถูกลดประสิทธิภาพ

ปัจจุบันสิทธิบัตรของ Apple (US2024105623A1) มีความก้าวหน้าที่สุด โดยมีการฝัง อาเรย์วงแหวน 8 ส่วนประกอบไว้ภายในปุ่มมะยมของ Apple Watch โดยใช้การนำไฟฟ้าของร่างกายมนุษย์เป็นระนาบกราวด์ การทดสอบแสดงให้เห็นว่าอัตราความสำเร็จในการส่งข้อมูลสำหรับการตรวจวัดออกซิเจนในเลือดในลิฟต์เพิ่มขึ้นจาก 71% เป็น 93% แม้ว่าค่า SAR บางครั้งจะเข้าใกล้ขีดจำกัด FCC คลาส B ก็ตาม

กลับมายังสิ่งที่คนทั่วไปให้ความสนใจมากที่สุด: เมื่อไหร่เทคโนโลยีนี้จะราคาถูกลง? ตามแผนงาน 3GPP Release 18 หลังจากที่ตัวเลื่อนเฟสที่ใช้ซิลิคอนเกรดอุตสาหกรรมเข้าสู่การผลิตจำนวนมากในปี 2026 คาดว่าต้นทุนจะลดลงเหลือ 7.2 ดอลลาร์ต่อชุด เมื่อนั้น สมาร์ทโฟนราคาประหยัดอาจรองรับคลื่นมิลลิเมตรได้เช่นกัน หากผู้ใช้ทนรับส่วนที่นูนออกมา 3 มม. ที่ด้านหลังโทรศัพท์ที่ดูเหมือนแผงระบายความร้อนได้