ตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กตริกไมโครเวฟช่วยปรับปรุงความบริสุทธิ์ของสัญญาณในส่วนหน้าของวงจร RF อย่างไร

ในส่วนหน้าของวงจร RF ความบริสุทธิ์ของสัญญาณมักไม่ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เชิงรุกเพียงตัวเดียว แต่ก่อนที่สัญญาณที่ต้องการจะถึงแอมพลิฟายเออร์แบบกำจัดสัญญาณรบกวนต่ำ (low-noise amplifier), มิกเซอร์, ทรานซีฟเวอร์ หรือตัวแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นดิจิทัล (analog-to-digital converter) สัญญาณนั้นจำเป็นต้องอยู่ร่วมกับสัญญาณรบกวน (blockers), ฮาร์โมนิก (harmonics), พลังงานจากช่องสัญญาณข้างเคียง (adjacent-channel energy), การรั่วไหลของสัญญาณจากเครื่องส่ง (transmitter leakage) และเสียงรบกวนแบบกว้างแถบ (broadband noise) หากส่วนประกอบที่ไม่ต้องการเหล่านี้ไม่ได้รับการควบคุมตั้งแต่เนิ่นๆ อาจทำให้ความไวของตัวรับลดลง ทำให้ขั้นตอนเชิงรุกเกิดการบีบอัด (compression) และก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนแบบผสมผสาน (intermodulation) สินค้า , หรือทำให้ระดับเสียงรบกวนสูงขึ้น นี่คือเหตุผลที่การกรองยังคงเป็นหนึ่งในฟังก์ชันที่สำคัญที่สุดในสถาปัตยกรรมความถี่วิทยุสมัยใหม่

ตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กตริกไมโครเวฟมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อนักออกแบบต้องการขนาดกะทัดรัด การสูญเสียต่ำ ความเสถียรของคำตอบตามความถี่ และการปฏิเสธสัญญาณนอกแถบความถี่อย่างมีประสิทธิภาพ แบรนด์ผลิตภัณฑ์ความถี่วิทยุและไมโครเวฟ RSWave ซึ่งเป็นของบริษัท Jiaxing Ruishang Electronic Technology Co., Ltd. จัดตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กตริกไมโครเวฟไว้ในกลุ่มผลิตภัณฑ์หลักสำหรับสถานีฐาน 5G/5G-A ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม เรดาร์ โมดูล T/R อุปกรณ์ Wi-Fi เครื่องขยายสัญญาณ (repeater) และแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่อยู่ในส่วนหน้าของวงจรความถี่วิทยุ

เหตุใดความบริสุทธิ์ของสัญญาณจึงมีความสำคัญก่อนการขยายสัญญาณ

ส่วนหน้าของวงจรความถี่วิทยุต้องรักษาช่องสัญญาณที่ต้องการไว้โดยไม่ให้เนื้อหาสเปกตรัมที่ไม่ต้องการเข้ามาใช้พื้นที่ไดนามิกเรนจ์ ตัวรบกวนที่มีกำลังแรงมากแต่อยู่นอกแถบความถี่การทำงานเพียงเล็กน้อยอาจมีแอมพลิจูดสูงกว่าสัญญาณที่ต้องการหลายเท่า แม้ว่าการประมวลผลแบบดิจิทัลจะสามารถแยกช่องสัญญาณออกจากกันได้ในภายหลัง ตัวรบกวนที่มีกำลังสูงเกินไปอาจทำให้อุปกรณ์ขยายสัญญาณความถี่วิทยุ (LNA) หรือมิกเซอร์ทำงานในบริเวณที่มีความเป็นเชิงเส้นต่ำลงแล้ว

ตัวกรองแบบผ่านแถบความถี่ที่เลือกมาอย่างดีสามารถจำกัดปัญหานั้นไว้ที่ระดับฮาร์ดแวร์ โดยจะให้สัญญาณในช่วงความถี่ที่ต้องการผ่านไป ขณะเดียวกันก็ลดพลังงานที่อยู่นอกช่วงความถี่นั้น ผลลัพธ์คือสภาพแวดล้อมของสัญญาณที่สะอาดขึ้นสำหรับขั้นตอนต่อเนื่อง และลดความเสี่ยงของการเกิดสัญญาณผสมที่ไม่ต้องการ

ตัวกรองไม่ได้ปรับปรุงสัญญาณที่ต้องการโดยการเพิ่มกำลังขยาย แต่กลับปรับปรุงอัตราส่วนระหว่างพลังงานที่มีประโยชน์ภายในแถบความถี่กับพลังงานที่ไม่ต้องการภายนอกแถบความถี่ ดังนั้น สำหรับผู้ออกแบบตัวรับสัญญาณ ความบริสุทธิ์จึงขึ้นอยู่กับความสามารถในการแยกสัญญาณ (selectivity) ที่ดีที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ โดยมีการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ต่ำที่สุดเท่าที่ปฏิบัติได้

อะไรที่ทำให้ตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กตริกแตกต่างออกไป

องค์ประกอบที่สั่นพ้องภายในตัวกรองชนิดนี้ใช้วัสดุเซรามิกไดอิเล็กตริกไมโครเวฟ ซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง การสูญเสียไดอิเล็กตริกต่ำ และเสถียรภาพทางอุณหภูมิดี วัสดุที่มีค่าการยอมให้กระแสไฟฟ้าสูง (high-permittivity) จะทำให้ความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในตัวสั่นพ้องสั้นลง จึงช่วยลดขนาดของชิ้นส่วนเมื่อเทียบกับโครงสร้างอื่นที่จำเป็นต้องใช้ปริมาตรของตัวสั่นพ้องที่ใหญ่กว่า

เรโซเนเตอร์ที่มีค่า Q สูงยังสามารถเก็บพลังงานคลื่นวิทยุได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย ในการออกแบบฟิลเตอร์ ค่า Q ที่สูงขึ้นมักช่วยลดการสูญเสียและเพิ่มความสามารถในการแยกความถี่อย่างคมชัด แม้ว่าผลลัพธ์สุดท้ายจะยังขึ้นอยู่กับโครงสร้างการเชื่อมโยง จำนวนเรโซเนเตอร์ การสร้างบรรจุภัณฑ์ ความกว้างของแถบผ่าน และการจับคู่ด้วยเช่นกัน งานวิจัยเกี่ยวกับฟิลเตอร์แบบไดอิเล็กตริกเรโซเนเตอร์ยังระบุว่า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง การสูญเสียน้อย และความเสถียรทางอุณหภูมิเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้วัสดุเหล่านี้น่าสนใจสำหรับการกรองสัญญาณไมโครเวฟ

สี่วิธีที่ฟิลเตอร์เหล่านี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนหน้า RF

1. การลดสัญญาณรบกวนที่อยู่นอกแถบความถี่ที่ต้องการ

การมีส่วนร่วมโดยตรงที่สุดคือการลดสัญญาณในแถบหยุด ระบบไร้สายต่าง ๆ เช่น เซลลูลาร์ ดาวเทียม เรดาร์ การนำทาง และระบบอุตสาหกรรม มักทำงานในสภาพแวดล้อมสเปกตรัมที่แออัด ฟิลเตอร์เซรามิกสามารถออกแบบให้ช่องสัญญาณที่ต้องการอยู่ในแถบผ่านที่มีการสูญเสียน้อย ในขณะที่สัญญาณรบกวนที่อยู่ใกล้เคียงหรืออยู่ไกลจะตกอยู่ในบริเวณที่ถูกลดทอน

สิ่งนี้มีความสำคัญทั้งก่อน LNA และระหว่างขั้นตอนการขยายสัญญาณ ความสามารถในการปฏิเสธสัญญาณรบกวนที่ด้านหน้าช่วยลดพลังงานที่ไม่ต้องการซึ่งเข้าไปยังอุปกรณ์ที่มีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น ทำให้ตัวรับสามารถรักษาช่วงไดนามิกที่ใช้งานได้

2. การลดพลังงานฮาร์โมนิกและพลังงานรบกวนที่ไม่ต้องการ

เครื่องส่งสัญญาณ ตัวแปลงความถี่ ห่วงโซ่ PLL และแอมพลิฟายเออร์กำลังสูง อาจสร้างสัญญาณฮาร์โมนิกหรือสัญญาณรบกวนที่ไม่ต้องการ ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของระบบ ตัวกรองแบบผ่านแถบความถี่ (band-pass filter) สามารถลดส่วนประกอบที่อยู่นอกแถบความถี่ที่จัดสรรไว้ก่อนที่สัญญาณเหล่านั้นจะไปถึงเสาอากาศ เส้นทางดูเพล็กเซอร์ หรือโมดูล RF ขั้นต่อไป

วิธีนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่รวมวงจรแน่นหนา โดยมีหลายระบบวิทยุใช้พื้นที่ภายในตัวเรือนขนาดเล็กร่วมกัน ซึ่งการแยกสัญญาณกันไม่สามารถพึ่งพาเพียงระยะห่างทางกายภาพเท่านั้นได้

3. การรักษาสัญญาณที่ต้องการไว้ด้วยการควบคุมการสูญเสียขณะผ่านตัวกรอง (insertion loss)

ตัวกรองที่สามารถปฏิเสธสัญญาณรบกวนได้ดี แต่กลับก่อให้เกิดการสูญเสียในแถบผ่านมากเกินไป อาจทำให้ค่า noise figure ของตัวรับแย่ลง ดังนั้น จึงควรประเมินการสูญเสียขณะผ่านตัวกรองร่วมกับการลดทอนในแถบหยุด (stopband attenuation)

4. การรักษาความสามารถในการเลือกสัญญาณ (selectivity) ให้คงที่แม้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

การเปลี่ยนแปลงความถี่อาจทำให้แถบผ่านเคลื่อนออกจากช่องสัญญาณที่ตั้งใจไว้ หรือลดประสิทธิภาพในการกีดกันสัญญาณในจุดที่ต้องการมากที่สุด วัสดุเซรามิกไดอิเล็กตริกถูกใช้งานอย่างแพร่หลายบางส่วนเพราะพฤติกรรมการสั่นพ้องของมันสามารถออกแบบให้มีเสถียรภาพต่ออุณหภูมิได้

RSWave เน้นย้ำถึงเสถียรภาพต่ออุณหภูมิเป็นคุณสมบัติหลักของตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กตริกทั้งหมด สำหรับอุปกรณ์วิทยุกลางแจ้ง สถานีฐาน อุปกรณ์อุตสาหกรรม และอุปกรณ์นำทาง การรักษาความถี่สั่นพ้องที่คงที่จะช่วยให้พฤติกรรมสัญญาณวิทยุยังคงคาดการณ์ได้แม้สภาวะแวดล้อมรอบข้างจะเปลี่ยนแปลง

วิศวกรควรตรวจสอบข้อกำหนดใดก่อนเป็นอันดับแรก

การตัดสินใจเลือกตัวกรองที่เชื่อถือได้เริ่มต้นจากข้อกำหนดของระบบ ไม่ใช่จากรูปลักษณ์ของบรรจุภัณฑ์ ผู้ออกแบบควรตรวจสอบความถี่ศูนย์ ความกว้างของแถบผ่าน การสูญเสียการแทรกสอด ความผันผวนของสัญญาณ อัตราส่วนคลื่นยืน (VSWR) หรือการสูญเสียการสะท้อน ประสิทธิภาพการกีดกันที่ความถี่ออฟเซตที่กำหนด ขนาด วิธีการติดตั้ง ระดับกำลังงาน และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน

การลดทอนในแถบหยุดต้องอ่านร่วมกับความถี่ที่ระบุไว้เสมอ คำว่า 'การลดทอน 50 เดซิเบล' มีความหมายจำกัดหากข้อกำหนดไม่ได้ระบุว่าการลดทอนนั้นเกิดขึ้นที่ความถี่ใด เช่นเดียวกันกับความกว้างของแถบผ่าน: ตัวกรองแบบแถบแคบอาจให้ความสามารถในการเลือกสัญญาณได้ดีมาก แต่อาจไม่เหมาะสมกับสัญญาณที่มีการปรับเปลี่ยนความกว้างของแถบสูง

การรวมเข้าด้วยกันทางกลก็มีความสำคัญเช่นกัน การต่อสายดิน การเปลี่ยนผ่านบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โครงสร้างนำไฟฟ้าที่อยู่ใกล้เคียง และการเหนี่ยวนำจากตัวเรือน ล้วนสามารถเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพที่วัดได้ แนวทางปฏิบัติทางวิศวกรรมที่ดีคือการประเมินตัวกรองในรูปแบบวงจร RF ที่เป็นตัวแทนจริง และตรวจสอบพารามิเตอร์ S ด้วยเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว

ตำแหน่งของตัวกรองเซรามิกในสถาปัตยกรรม RF จริง

ในสถานีฐานวิทยุ 5G หรือ 5G-A การกรองสัญญาณช่วยแยกแถบความถี่ที่ต้องการสำหรับรับหรือส่งสัญญาณออกจากสเปกตรัมที่หนาแน่น ในระบบเรดาร์ การกรองสามารถลดการปล่อยสัญญาณที่ไม่ต้องการและลดการรบกวนนอกแถบความถี่ก่อนถึงขั้นตอนการรับสัญญาณที่ไวต่อสัญญาณมาก ในระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม การเลือกความถี่ที่มีการสูญเสียน้อยมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากงบประมาณของลิงก์ถูกควบคุมอย่างเข้มงวด ในเราเตอร์ Wi-Fi อุปกรณ์ขยายสัญญาณ และอุปกรณ์ไร้สายปลายทาง การกรองแบบพาสซีฟที่มีขนาดกะทัดรัดสามารถปรับปรุงความสามารถในการทำงานร่วมกันได้ เมื่อมีการใช้งานวิทยุหลายตัวใกล้กันพร้อมกัน RSWave ระบุพื้นที่เหล่านี้ว่าเป็นหนึ่งในแอปพลิเคชันหลักสำหรับตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กทริกของบริษัท

ระบบนำทางเป็นอีกตัวอย่างหนึ่ง ตารางตัวกรองของ RSWave รวมถึงรุ่นที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน GPS/BDS ขณะที่บริษัทยังจัดจำหน่ายเสาอากาศเซรามิกไดอิเล็กทริกและเสาอากาศ GNSS อีกด้วย สิ่งนี้สะท้อนความจริงเชิงปฏิบัติของส่วนหน้า RF: ประสิทธิภาพของเสาอากาศและตัวกรองมักพิจารณาร่วมกัน เพราะทั้งสองส่วนมีผลต่อสัญญาณที่ส่งไปยังเครื่องรับ

เหตุใดการปรับแต่งจึงอาจมีความสำคัญมากกว่าชิ้นส่วนจากแคตตาล็อก

ระบบ RF หลายระบบไม่สามารถใช้งานกับความถี่กลาง มาตรฐาน ความกว้างของแถบความถี่ หน้ากากการลดสัญญาณรบกวน หรือขอบเขตเชิงกลแบบมาตรฐานได้ RSWave ระบุว่า ตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กทริกไมโครเวฟของบริษัทสามารถปรับแต่งได้ และรองรับการออกแบบโดยอาศัยการจำลองทางคอมพิวเตอร์ หน้าผลิตภัณฑ์ระบุช่วงความถี่โดยประมาณตั้งแต่ 400 เมกะเฮิร์ตซ์ ถึง 7 กิกะเฮิร์ตซ์

สำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) คำถามที่มีประโยชน์ไม่ใช่เพียงแค่ “มีตัวกรองรุ่นใดบ้างที่มีจำหน่าย” แต่คือ “ส่วนหน้าของระบบต้องการการตอบสนองแบบใดที่ความถี่เฉพาะที่อาจก่อให้เกิดปัญหากับระบบจริงๆ” การออกแบบแบบปรับแต่งอาจเน้นให้ความสำคัญกับสัญญาณรบกวนตัวใดตัวหนึ่งเป็นพิเศษ ลดการสูญเสียในแถบผ่านที่แคบลง ลดขนาดให้เล็กลง หรือเลือกรูปแบบการยึดติดที่ทำให้การรวมเข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ง่ายขึ้น

ตารางข้อกำหนดที่ชัดเจนจะมีประโยชน์มาก ข้อมูลนำเข้าที่มีประโยชน์ ได้แก่ ความถี่กลาง ความกว้างของแถบการทำงาน การสูญเสียการแทรกสอดสูงสุด การสะท้อนกลับต่ำสุด จุดการลดทอนสัญญาณ อิมพีแดนซ์ของแหล่งกำเนิดและโหลด กำลังไฟฟ้า ช่วงอุณหภูมิ และข้อจำกัดด้านขนาด

ข้อสรุปเชิงปฏิบัติ

ความบริสุทธิ์ของสัญญาณในส่วนหน้าของระบบ RF เกิดจากการจัดการสเปกตรัมอย่างมีวินัยก่อนที่พลังงานที่ไม่ต้องการจะเข้าถึงวงจรที่ไวต่อสัญญาณหรือวงจรที่มีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น ตัวกรองเซรามิกไดอิเล็กทริกไมโครเวฟให้วิธีการที่เหมาะสมในการรวมคุณสมบัติทั้งหมดนี้ไว้ด้วยกัน ได้แก่ ขนาดกะทัดรัด การตอบสนองต่อความถี่อย่างมีความจำเพาะ ความสามารถในการส่งผ่านสัญญาณที่สูญเสียน้อย และพฤติกรรมการสั่นพ้องที่มีเสถียรภาพต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

สำหรับแอปพลิเคชัน RF ต่าง ๆ เช่น 5G การสื่อสารผ่านดาวเทียม เรดาร์ การนำทาง รีพีเตอร์ และ Wi-Fi ตัวกรองที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือตัวกรองที่ออกแบบขึ้นโดยคำนึงถึงสภาพแวดล้อมของการรบกวนจริงและงบประมาณของลิงก์ (link budget) โดยพอร์ตโฟลิโอที่เผยแพร่ของ RSWave ประกอบด้วยตัวอย่างตัวกรองแบบแคบแบนด์ แบบกว้างแบนด์ สำหรับเครือข่ายเซลลูลาร์ สำหรับระบบนำทาง สำหรับ IoT และสำหรับ 5G พร้อมทั้งตัวเลือกความถี่เฉพาะตามความต้องการที่อยู่นอกเหนือรายการมาตรฐาน

เมื่อการเลือกตัวกรองถูกมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของสถาปัตยกรรม RF แทนที่จะเป็นเพียงการเลือกชิ้นส่วนสุดท้าย มันสามารถทำหน้าที่มากกว่าการกำจัดสัญญาณรบกวนเท่านั้น ตัวกรองยังสามารถปกป้องช่วงไดนามิก ลดพลังงานของสัญญาณรบกวน (blocker energy) ทำให้ความสามารถในการแยกช่องสัญญาณ (channel selectivity) มีเสถียรภาพ และส่งสัญญาณที่สะอาดขึ้นไปยังส่วนอื่น ๆ ของสายโซ่ RF เพื่อให้ประมวลผลต่อไป