ปัจจัยสำคัญในการเลือกแอมพลิฟายเออร์กำลัง RF ให้เหมาะกับความต้องการ

ช่วงความถี่และความต้องการเฉพาะตามย่านความถี่สำหรับประสิทธิภาพของแอมพลิฟายเออร์กำลัง RF

การทำความเข้าใจการประยุกต์ใช้งาน Ka-Band, Q-Band และ mmWave ในระบบ Satcom, Radar และ EW

ในปัจจุบัน แอมพลิฟายเออร์กำลังส่งสัญญาณวิทยุ (RF) ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อใช้งานในช่วงความถี่เฉพาะ เช่น Ka-Band (26.5 ถึง 40 GHz), Q-Band (33 ถึง 50 GHz) และ mmWave (30 ถึง 300 GHz) เนื่องจากช่วงความถี่เหล่านี้สามารถตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันในระบบสื่อสารดาวเทียม ระบบเรดาร์ และอุปกรณ์สงครามอิเล็กทรอนิกส์ โดย Ka-Band ถือเป็นช่วงความถี่ที่มีความสมดุลระหว่างความกว้างของแบนด์วิธที่มีอยู่กับความสามารถในการทะลุผ่านชั้นบรรยากาศของสัญญาณ ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้ Ka-Band ได้รับความนิยมอย่างมากสำหรับการเชื่อมต่อผ่านดาวเทียมที่ต้องการความจุสูง อย่างไรก็ตาม เมื่อเลื่อนความถี่ขึ้นไปสู่ย่าน mmWave ก็จะมีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งที่โดดเด่น ความถี่ที่สูงกว่านี้ช่วยให้เกิดความเร็วในการตอบสนองที่รวดเร็วอย่างมาก ซึ่งจำเป็นสำหรับโครงข่ายหลักของเครือข่าย 5G และอาร์เรย์เซ็นเซอร์ทางทหารรุ่นล้ำสมัย รายงานล่าสุดจากสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) ได้ชี้ให้เห็นว่า ที่ความถี่ 60 GHz (หรือที่เรียกว่า V-Band) ไอน้ำในอากาศจะทำให้สัญญาณอ่อนตัวลงถึง 15 เดซิเบลต่อกิโลเมตรในสภาพอากาศชื้น ซึ่งการสูญเสียสัญญาณในระดับนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า วิศวกรจำเป็นต้องเลือกความถี่ในการทำงานอย่างรอบคอบเมื่อติดตั้งระบบเหล่านี้ในสภาพแวดล้อมจริง

ผลกระทบจากภาวะการลดทอนของบรรยากาศและผลที่มีต่อความต้องการกำลังส่งสัญญาณวิทยุ

สภาพอากาศ เช่น การลดทอนสัญญาณจากฝนตกและการดูดซับของออกซิเจน ส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณอย่างมาก โดยเฉพาะเมื่อใช้งานในช่วงความถี่สูง ตัวอย่างเช่น ช่วงความถี่ Ka-Band ในช่วงพายุ สัญญาณสูญเสียอาจสูงกว่า 5 เดซิเบลต่อกิโลเมตร ซึ่งหมายความว่าแอมพลิฟายเออร์ต้องเพิ่มกำลังส่งมากขึ้นประมาณร้อยละ 20 เพื่อรักษาการเชื่อมต่อให้คงที่ สิ่งต่างๆ จะซับซ้อนมากยิ่งขึ้นเมื่อใช้งานในช่วงความถี่ Q-Band ใกล้เคียงกับ 47 กิกะเฮิรตซ์ ซึ่งบรรยากาศสามารถกระเจิงสัญญาณได้มากจนระยะการตรวจจับลดลงเกือบครึ่งหนึ่งในบางครั้ง พื้นที่ชายฝั่งทะเลหรือพื้นที่ที่มีความชื้นสูงมักเผชิญกับปัญหานี้เป็นพิเศษ วิศวกรส่วนใหญ่จึงออกแบบแอมพลิฟายเออร์ให้มีกำลังสำรองเพิ่มเติม โดยทั่วไประหว่างร้อยละ 30 ถึงร้อยละ 50 เพราะสภาพดังกล่าวเกิดขึ้นบ่อยครั้ง การทดสอบล่าสุดเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้คลื่นความถี่มิลลิเมตรยืนยันข้อเท็จจริงนี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเหตุใดการวางแผนเผื่อกรณีที่แย่ที่สุดจึงมีความสำคัญในทางปฏิบัติ

การจับคู่ความกว้างของช่วงความถี่แอมพลิฟายเออร์ให้ตรงกับข้อกำหนดการแพร่กระจายสัญญาณของระบบ

การปรับความกว้างของแบนด์วิธให้แม่นยำนั้นสร้างความแตกต่างอย่างมากต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ ลองพิจารณาลิงก์ดาวเทียมแบบ Ku-Band ที่ทำงานในช่วงความถี่ 12 ถึง 18 GHz ตัวอย่างเช่น หากมีความต้องการแบนด์วิธประมาณ 500 MHz เราก็จำเป็นต้องใช้อมพลิฟายเออร์ที่มีความเสถียรภายในช่วงความถี่บวกหรือลบไม่เกิน 2% มิฉะนั้นสัญญาณเหล่านั้นอาจรบกวนช่องสัญญาณข้างเคียงได้ สำหรับระบบจามเมอร์ในสงครามอิเล็กทรอนิกส์แล้วสถานการณ์ยิ่งซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ระบบที่ว่านี้มักต้องจัดการกับแบนด์วิธที่กว้างเกินกว่า 2 GHz ดังนั้นจึงพึ่งพาอาศัยอมพลิฟายเออร์ที่ผลิตจากไนไตรด์ของแกเลียมเป็นหลัก ซึ่งสามารถรักษากำลังขยายให้คงที่ตลอดช่วงการใช้งาน โดยทั่วไปแล้วจะแปรปรวนไม่เกินครึ่งเดซิเบล วิศวกรบ่อยครั้งมักใช้วิธีโหลดพูล (Load Pull) เพื่อปรับแต่งค่าพารามิเตอร์ของการจับคู่อิมพีแดนซ์อย่างละเอียด วิธีนี้ช่วยลดการสะท้อนของสัญญาณให้อยู่ต่ำกว่าระดับ -15 dB และทำให้เข้าใกล้จุดประสิทธิภาพสูงสุดที่การถ่ายโอนพลังงานอยู่ในระดับประมาณ 95% ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการติดตั้งเรดาร์แบบฟิสแอเรย์ (Phased Array Radar) ในปัจจุบัน

กำลังส่งออก ประเภทสัญญาณ และความเป็นเชิงเส้น: การจัดการอัตราส่วนกำลังสูงสุดต่อกำลังเฉลี่ย และการบีบอัด P1dB

การคำนวณความต้องการกำลังสูงสุดสำหรับสัญญาณ CW, AM และสัญญาณที่ปรับความถี่แบบซับซ้อน

เมื่อต้องทำงานกับสัญญาณแบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) และสัญญาณแบบปรับความแอมพลิจูด (AM) กำลังสูงสุดโดยทั่วไปจะเท่ากับระดับกำลังเฉลี่ย ซึ่งทำให้คำนวณขนาดแอมพลิฟายเออร์ที่เราต้องการได้ง่ายขึ้น แต่สิ่งต่างๆ จะซับซ้อนขึ้นเมื่อต้องทำงานกับรูปแบบการปรับสัญญาณขั้นสูงอย่าง 64QAM หรือ OFDM สัญญาณเหล่านี้ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกำลังงานจำนวนมากเนื่องจากอัตราส่วนกำลังสูงสุดต่อกำลังเฉลี่ย (PAR) ยกตัวอย่างเช่น 64QAM โดยทั่วไปมีค่า PAR ประมาณ 3.7 dB ส่วน OFDM นั้นค่า PAR อาจสูงเกิน 12 dB ได้ ด้วยเหตุนี้ แอมพลิฟายเออร์จึงจำเป็นต้องทำงานต่ำกว่าความจุสูงสุดอย่างน้อย 6 dB หากเราต้องการหลีกเลี่ยงการบิดเบือนของสัญญาณ ความสามารถในการรับมือกับช่วงกำลังสูงสุดให้เพียงพอ (headroom) จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาคุณภาพของสัญญาณในระบบต่างๆ เช่น ระบบเรดาร์ การสื่อสารผ่านดาวเทียม และโดยเฉพาะในปัจจุบันที่มีการขยายเครือข่าย 5G อย่างกว้างขวาง

บทบาทของ PAR และ Crest Factor ในการเลือกแอมพลิฟายเออร์กำลัง RF

ค่าพารามิเตอร์ PAR (peak-to-average ratio) และค่า crest factor ซึ่งพื้นฐานแล้ววัดว่าสัญญาณมีความสูงของคลื่นมากกว่าระดับเฉลี่ยของมันเพียงใด มีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าแอมปลิฟายเออร์จะมีความเป็นเชิงเส้นและมีประสิทธิภาพมากเพียงใด เมื่อต้องจัดการกับสัญญาณความถี่สูง แอมปลิฟายเออร์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องมีพื้นที่ว่าง (headroom) ประมาณ 6 ถึง 7 เดซิเบล ต่ำกว่าความสามารถในการส่งออกสูงสุด เพื่อจัดการกับการกระชากของสัญญาณที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ลองพิจารณาแอมปลิฟายเออร์แบบ solid state มาตรฐานที่ให้กำลัง 40 วัตต์เป็นตัวอย่าง หากมันกำลังประมวลผลสัญญาณที่มีค่า crest factor 10 เดซิเบล กล่าวตามหลักการแล้ว มันสามารถให้กำลังเฉลี่ยได้เพียงประมาณ 4 วัตต์ ก่อนที่จะเกิดการบิดเบือนจากผลการอัดสัญญาณ (compression effects) การยอมรับเงื่อนไขเช่นนี้ไม่ใช่ทางเลือกที่แท้จริง โดยเฉพาะเมื่อทำงานกับระบบการสื่อสารสมัยใหม่ที่ต้องการความเคร่งครัดตามข้อกำหนดด้านสเปกตรัม ลองนึกถึงเครือข่าย 5G หรืออุปกรณ์สงครามอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งความถี่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา และความเข้มของสัญญาณมีความแตกต่างกันอย่างมาก

การหลีกเลี่ยงการอัดสัญญาณและการบิดเบือน โดยการทำงานต่ำกว่าค่า P1dB

เมื่ออุปกรณ์ขยายสัญญาณ (Amplifier) ถึงจุดความถี่ 1 dB Compression Point หรือเรียกสั้นๆ ว่า P1dB แล้วนั่นคือจุดที่สิ่งต่างๆ เริ่มเข้าสู่สภาวะที่ไม่เป็นเชิงเส้น (Nonlinear) หากใช้งานเกินค่า Threshold นี้ไปปัญหาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เราจะเห็นปรากฏการณ์ Harmonic Distortion และสัญญาณรบกวนที่เรียกว่า Intermodulation Products ซึ่งส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณโดยรวมแย่ลง สำหรับระบบเรดาร์ที่ใช้งานสัญญาณแบบ Pulsed โดยทั่วไปวิศวกรจะออกแบบให้ระบบทำงานต่ำกว่าค่า P1dB ประมาณ 3 ถึง 5 dB แต่หากเป็นสัญญาณ Modulated ที่มีความซับซ้อนมากขึ้น ก็จะต้องมีการเผื่อค่าสำรองไว้ประมาณ 6 ถึง 10 dB เพื่อความปลอดภัย ปัจจุบัน อุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบ Gallium Nitride (GaN) ได้รับความนิยมมาก เนื่องจากสามารถให้ค่า P1dB สูงกว่าเทคโนโลยีแบบ Traveling Wave Tube (TWT) รุ่นเก่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่า นักออกแบบสามารถกำหนดค่า Margin ของความเป็นเชิงเส้นให้แคบลง โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน ซึ่งเป็นสิ่งที่มีคุณค่าอย่างมากในงานที่ต้องคำนึงถึงพื้นที่ น้ำหนัก และการใช้พลังงานเป็นสำคัญ

แนวทางเชิงโครงสร้างนี้ช่วยให้เกิดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างกำลังส่งออก ความเป็นเชิงเส้น และประสิทธิภาพในการใช้งานเครื่องขยายสัญญาณกำลัง RF

ข้อจำกัดร่วมกันระหว่างประสิทธิภาพ การขยายสัญญาณ และความเป็นเชิงเส้นในการออกแบบเครื่องขยายสัญญาณกำลัง RF ความถี่สูง

การสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความเป็นเชิงเส้นในเครื่องขยายสัญญาณกำลัง RF รุ่นใหม่

เมื่อทำงานกับเครื่องขยายสัญญาณกำลังวิทยุความถี่สูง วิศวกรจะต้องทำให้เกิดความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพกับข้อกำหนดด้านความเป็นเชิงเส้น (linearity) การออกแบบคลาส-EF (Class-EF) สามารถให้ประสิทธิภาพที่ประมาณ 70 ถึง 83 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่ครอบคลุมช่วงความกว้างของแบนด์วิธ (bandwidth) กว้างตั้งแต่ 1.9 ถึง 2.9 GHz และยังสามารถให้กำลังส่งออกมากกว่า 39.5 dBm ตามงานวิจัยที่เผยแพร่ใน Nature เมื่อปีที่แล้ว แต่ก็ยังมีข้อจำกัดสำหรับระบบซึ่งใช้เทคนิคการโมดูเลตแบบ OFDM หรือ QAM เนื่องจากเทคนิคเหล่านี้จำเป็นต้องควบคุมความเป็นเชิงเส้นอย่างแม่นยำเพื่อให้อยู่ในข้อกำหนดทางกฎหมายเกี่ยวกับการปล่อยสัญญาณในสเปกตรัม โดยทั่วไปแล้วจะต้องแลกมาด้วยราคา ซึ่งมักจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ในทางปฏิบัติ ปัจจุบันการใช้งานส่วนใหญ่จะรวมเทคนิคการปรับไบแอสแบบปรับตัว (adaptive bias) ร่วมกับวิธีการบิดเบือนล่วงหน้าแบบดิจิทัล (digital predistortion) เพื่อแก้ไขข้อจำกัดนี้ วิธีการเหล่านี้ช่วยให้สามารถรักษาระดับประสิทธิภาพที่จำเป็นไว้ได้ในหลาย ๆ การประยุกต์ใช้งาน รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย 5G และเครือข่ายการสื่อสารผ่านดาวเทียม ซึ่งความสมบูรณ์ของสัญญาณยังคงมีความสำคัญอย่างมาก

การขยายสัญญาณและค่าสัญญาณรบกวนในระบบ RF แบบต่อเนื่อง

ในสายโซ่ RF แบบหลายขั้นตอน การขยายสัญญาณแบบสะสมและค่าสัญญาณรบกวนมีผลสำคัญต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ แต่ละขั้นตอนจะขยายทั้งสัญญาณที่ต้องการและสัญญาณรบกวนจากองค์ประกอบก่อนหน้า เนื่องจากขั้นตอนแรกมีอิทธิพลสูงสุดต่อสมรรถนะด้านสัญญาณรบกวนโดยรวม แอมปลิฟายเออร์แบบสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) จึงมีความสำคัญต่อวงจรด้านหน้าของเครื่องรับสัญญาณ

แม้ว่าการขยายสัญญาณของ PA จะต้องชดเชยการสูญเสียในขั้นตอนถัดไป แต่การขยายสัญญาณมากเกินไปอาจทำให้ขั้นตอนต่อไปทำงานในภาวะอิ่มตัว ซึ่งจะลดความเป็นเชิงเส้นของระบบ

การลดทอนฮาร์โมนิกและความสมบูรณ์ของสัญญาณในเขตการทำงานแบบไม่เป็นเชิงเส้น

กระแสไฟฟ้าที่ใช้งานใกล้จุดอิ่มตัวช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แม้ว่าจะมีผลทำให้เกิดฮาร์โมนิกส์มากขึ้น แนวทางการออกแบบแบบ Class-EF แก้ปัญหานี้โดยใช้เครือข่ายควบคุมฮาร์โมนิกส์พิเศษที่ช่วยลดฮาร์โมนิกส์ลำดับที่สองถึงที่ห้าที่รบกวนการทำงาน เครือข่ายเหล่านี้ทำงานโดยการจับค่าอิมพีแดนซ์ให้เหมาะสม ซึ่งช่วยลดการปล่อยสัญญาณที่ไม่ต้องการลงมาประมาณ 25 ถึง 40 dBc เมื่อเทียบกับการตั้งค่าแบบ Class-F ด้วยเหตุนี้การออกแบบแบบนี้จึงสามารถบรรลุประสิทธิภาพมากกว่า 80% โดยไม่กระทบต่อคุณภาพของสัญญาณที่จำเป็นสำหรับการใช้งานด้านเรดาร์และสงครามอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม วิศวกรควรต้องระวังปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับการบิดเบือนสัญญาณแบบอินเตอร์โมดูเลชัน (intermodulation distortion) เมื่อต้องทำงานกับสัญญาณหลายตัวพร้อมกันในสภาพแวดล้อมที่มีความเป็นนอนลิเนียร์ (nonlinear operation) การทดสอบจริงหลายครั้งมักจะช่วยค้นพบปัญหาเหล่านี้ก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาใหญ่ในระบบผลิตจริง

การจัดการความร้อนและการปรับปรุงประสิทธิภาพ SWaP-C ในระบบขยายกำลังวัตต์ความถี่วิทยุ (RF Power Amplifier)

ข้อกำหนดการระบายความร้อนตามการกระจายพลังงานและรอบการทำงาน

การกำหนดค่าดีไซน์ทางความร้อนให้ถูกต้องหมายถึงการปรับให้เหมาะสมกับวิธีการทำงานจริงของอุปกรณ์และระดับพลังงานที่มันใช้ไป เช่น แอมพลิฟายเออร์คลื่นความถี่วิทยุ (RF) ที่ใช้งานตลอดเวลาในระบบเรดาร์ หรือเสาสัญญาณมือถือ 5G ขนาดใหญ่ที่กำลังติดตั้งกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน อุปกรณ์เหล่านี้มักจะเปลี่ยนพลังงานที่รับเข้าไปเป็นความร้อนประมาณครึ่งหนึ่งถึงสามในสี่ส่วนของกำลังไฟฟ้าที่ป้อนเข้ามา ลองจินตนาการถึงองค์ประกอบที่ใช้เทคโนโลยี Gallium Nitride (GaN) ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า 3 วัตต์ต่อตารางมิลลิเมตร ที่ระดับนี้ การระบายความร้อนแบบธรรมชาติด้วยอากาศทั่วไปไม่สามารถทำงานได้แล้ว ผู้ผลิตจำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้ระบบระบายความร้อนด้วยลมบังคับหรือแม้แต่ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว นอกจากนี้ยังมีประเด็นเรื่องสภาพแวดล้อมที่รุนแรงอีกด้วย ตัวอย่างเช่น โหลดในดาวเทียมมักต้องเผชิญกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงจากลบ 40 องศาเซลเซียส ไปจนถึงบวก 85 องศาเซลเซียส เท่ากับว่าช่วงอุณหภูมิที่กว้างมากนี้จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของฮีทซิงค์และชนิดของวัสดุที่วิศวกรควรเลือกใช้สำหรับชิ้นส่วนต่างๆ การขยายตัวจากความร้อนจึงกลายเป็นข้อพิจารณาหลักในการเลือกวัสดุสำหรับการใช้งานลักษณะนี้

ผลกระทบของการออกแบบด้านความร้อนต่อความน่าเชื่อถือและความเสถียรในระยะยาว

การจัดการความร้อนที่ไม่ดีจะเร่งการเสื่อมสภาพของชิ้นส่วนต่างๆ อย่างมาก มีการศึกษาจาก IET Microwaves ในปี 2022 แสดงให้เห็นว่า แอมพลิฟายเออร์อาจมีอายุการใช้งานลดลงถึง 40% เมื่อถูกใช้งานภายใต้อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง นั่นจึงเป็นเหตุผลที่วิศวกรหันมาใช้วัสดุเช่น อลูมิเนียมซิลิคอนคาร์ไบด์ (AlSiC) วัสดุเหล่านี้ทำงานได้ดีเพราะอัตราการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนใกล้เคียงกับเซมิคอนดักเตอร์ไดส์ สำหรับผู้ที่เผชิญปัญหาเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อน วัสดุระหว่างเชื่อมด้านความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า 8 W/m K จะช่วยสร้างความแตกต่างอย่างมาก โดยช่วยลดความต่างของอุณหภูมิระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ซึ่งจะช่วยลดจุดร้อน (hot spots) ที่ก่อให้เกิดปัญหา เช่น การบิดเบือนสัญญาณแบบ intermodulation โดยเฉพาะในระบบที่ต้องจัดการกับสัญญาณหลายช่องทางพร้อมกัน

การแก้ไขข้อจำกัดด้านขนาด น้ำหนัก พลังงาน และต้นทุน (SWaP-C) ในระบบป้องกันและระบบเชิงพาณิชย์

ทุกวันนี้ ทางทหารมีความต้องการแอมปลิฟายเออร์ที่สามารถให้กำลังขับมากกว่า 100 วัตต์ แต่ขนาดต้องเล็กลงกว่าครึ่งลิตร ซึ่งเล็กลงราว 60 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับสิ่งที่เคยใช้มา สำหรับการใช้งาน mMIMO arrays ของระบบ 5G ในเชิงพาณิชย์ บริษัทต่างๆ กำลังมองหาทางเลือกที่ประหยัดกว่า โดยที่กำลังขับหนึ่งวัตต์ไม่กินค่าใช้จ่ายในการผลิตเกิน 25 เซ็นต์ต่อวัตต์ การออกแบบแอมปลิฟายเออร์แบบโมดูลาร์สำหรับสัญญาณความถี่วิทยุ (RF) ช่วยให้วิศวกรมีความสามารถในการขยายระบบให้รองรับย่านความถี่ที่แตกต่างกันได้ ขณะเดียวกันยังคงประสิทธิภาพในการใช้พลังงานให้สูงกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ เมื่อพูดถึงการประยุกต์ใช้งานเรดาร์บนอากาศยาน การเปลี่ยนไปใช้แผ่นฐาน (substrates) จากอลูมิเนียมไนไตรด์ (aluminum nitride) จะช่วยลดน้ำหนักโดยรวมได้ราว 35 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม ซึ่งเป็นสิ่งที่สำคัญมากสำหรับการปฏิบัติการบิน เนื่องจากน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นแต่ละปอนด์ล้วนมีผลต่อความสำเร็จของภารกิจโดยตรง

TWT กับแอมปลิฟายเออร์แบบสเตต-โซลิด (GaN): การเปรียบเทียบเทคโนโลยีสำหรับการใช้งานความถี่สูง

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ: แอมปลิฟายเออร์แบบ Traveling Wave Tube กับแอมปลิฟายเออร์แบบ GaN สำหรับสัญญาณความถี่วิทยุ (RF)

เมื่อพูดถึงการใช้งาน mmWave ที่มีกำลังสูง แอมป์แบบ traveling wave tube (TWT) ยังคงมีบทบาทของตัวเอง เนื่องจากสามารถผลิตกำลังขับประมาณ 1 กิโลวัตต์ที่ความถี่สูงกว่า 30 GHz โดยมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอยู่ที่ประมาณร้อยละ 50 ในทางกลับกัน แอมป์แบบ GaN solid state สามารถให้กำลังสูงเมื่อใช้งานที่ความถี่ต่ำกว่าระหว่าง 1 ถึง 20 GHz โดยมีประสิทธิภาพสูงถึงร้อยละ 60 ถึง 70 และใช้พื้นที่บนชั้นวางอุปกรณ์น้อยกว่ามาก กองทัพให้ความนิยมใช้ TWT สำหรับระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์แบบ wideband ที่ครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ 2 ถึง 18 GHz แต่ในช่วงหลัง เทคโนโลยี GaN เริ่มมีบทบาทมากขึ้นในระบบสื่อสารผ่านดาวเทียมและเครือข่าย 5G backhaul พร้อมทั้งให้ความสามารถด้าน bandwidth ที่กว้างกว่าเกือบร้อยละ 40 ในปัจจุบัน

อายุการใช้งาน แบนด์วิดธ์ และประสิทธิภาพ: เทียบระหว่างเทคโนโลยีหลอดสุญญากาศ (Vacuum Tube) กับสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor)

ส่วนใหญ่แล้วแอมพลิฟายเออร์แบบ TWT มักจะทำงานได้ประมาณ 8,000 ถึงแม้กระทั่ง 15,000 ชั่วโมงก่อนที่การสึกหรอของแคโทดจะกลายเป็นปัญหา ในทางกลับกัน อุปกรณ์ GaN สามารถใช้งานเกินกว่า 100,000 ชั่วโมงได้อย่างง่ายดาย เมื่อวิศวกรออกแบบระบบระบายความร้อนได้อย่างเหมาะสม ความแตกต่างของความหนาแน่นพลังงานก็มีความสำคัญมากเช่นกัน GaN ให้กำลังไฟฟ้าประมาณ 4 วัตต์ตอมิลลิเมตร ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนต่างๆ จะใช้พื้นที่ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์น้อยกว่า TWT แบบดั้งเดิมที่ให้กำลังเพียง 10 วัตต์ต่อลูกบาศก์เซนติเมตร อย่างไรก็ตามยังคงต้องระบุไว้ว่า เทคโนโลยี TWT ยังคงมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในแง่ของกำลังไฟฟ้าสูงสุด โดยเฉพาะสำหรับระบบเรดาร์ในย่านความถี่ Ka โดยยังคงมีข้อได้เปรียบประมาณ 5 เท่าเมื่อเทียบกับ GaN อีกข้อได้เปรียบที่สำคัญของโซลูชันแบบเซมิคอนดักเตอร์คือความสามารถในการลดการบิดเบือนฮาร์มอนิกได้ประมาณ 12 เดซิเบลในโหมดการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้น สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างมากในการรักษาสัญญาณให้สะอาดในหลายช่องสัญญาณพร้อมกัน โดยเฉพาะในระบบเฟสอาร์เรย์ที่ซับซ้อน

ความเหมาะสมในการใช้งาน: ระบบเรดาร์, ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม และระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์

สำหรับการใช้งานเรดาร์ตรวจการณ์ระยะไกลที่ครอบคลุมตั้งแต่คลื่นความถี่ L จนถึง X bands รวมถึงระบบสื่อสารดาวเทียมที่ต้องการกำลังขับสัญญาณอย่างน้อย 200 วัตต์ ทูปแบบ traveling wave tubes ยังคงเป็นทางเลือกหลักที่นิยมใช้ ในขณะเดียวกัน แอมปลิฟายแบบ gallium nitride ก็ได้เข้ามามีบทบาทแทนที่แพลตฟอร์มสงครามอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ในปัจจุบัน อุปกรณ์ GaN เหล่านี้สามารถให้แบนด์วิดธ์ระหว่าง 2 ถึง 6 กิกะเฮิรตซ์พร้อมกันทั้งช่วง ซึ่งทำให้มันเหมาะมากสำหรับระบบซึ่งจำเป็นต้องเปลี่ยนความถี่อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังช่วยลดขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานลงได้ราว 60 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบบดั้งเดิม จากการวิจัยทางด้านทหารเมื่อปีที่แล้วพบว่า อุปกรณ์ขัดขวางสัญญาณที่ผลิตจากส่วนประกอบแบบ GaN สามารถลดการสะสมความร้อนได้ราว 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับระบบที่ใช้หลอด TWT ในขณะที่ทั้งสองระบบสามารถรักษาระดับความเข้มของสัญญาณไว้ได้ใกล้เคียงกันในช่วง S band นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาที่น่าสนใจเกิดขึ้น โดยวิศวกรบางรายกำลังนำเอา GaN drivers มาผสมผสานเข้ากับ TWT สำหรับใช้ในระบบนำวิถีของขีปนาวุธย่าน Ka band ซึ่งแนวทางแบบผสมผสานนี้ดูเหมือนจะมีแนวโน้มที่ดี เพราะสามารถรวมจุดเด่นของการประหยัดพลังงานจาก GaN เข้ากับขีดความสามารถในการให้กำลังขับสูงที่จำเป็นต่อประสิทธิภาพการทำงานที่สูงได้

คำถามที่พบบ่อย: เครื่องขยายสัญญาณกำลังวิทยุ (RF Power Amplifiers)

เครื่องขยายสัญญาณกำลังวิทยุ (RF Power Amplifiers) ใช้งานในช่วงความถี่ใดสำหรับการประยุกต์ใช้งานที่แตกต่างกัน

เครื่องขยายสัญญาณกำลัง RF ใช้งานในช่วงความถี่ เช่น Ka-Band (26.5 ถึง 40 GHz), Q-Band (33 ถึง 50 GHz) และ mmWave (30 ถึง 300 GHz) ซึ่งเหมาะสำหรับการสื่อสารผ่านดาวเทียม ระบบเรดาร์ และการประยุกต์ใช้งานด้านสงครามอิเล็กทรอนิกส์

สภาพอากาศมีผลต่อสมรรถนะของเครื่องขยายสัญญาณกำลัง RF อย่างไร

สภาพอากาศ เช่น ปรากฏการณ์สัญญาณอ่อนตัวจากฝนตก (rain fade) และการดูดกลืนคลื่นโดยออกซิเจน (oxygen absorption) สามารถส่งผลต่อคุณภาพของสัญญาณได ซึ่งจำเป็นให้เครื่องขยายสัญญาณจ่ายกำลังเพิ่มเติมเพื่อรักษาเสถียรภาพของการเชื่อมต่อ โดยเฉพาะในช่วงความถี่สูงอย่าง Ka-Band และ Q-Band

P1dB compression มีความสำคัญอย่างไรในเครื่องขยายสัญญาณ RF

P1dB compression คือจุดที่เครื่องขยายสัญญาณเริ่มแสดงพฤติกรรมแบบไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งนำไปสู่การบิดเบือนของสัญญาณ การทำงานต่ำกว่าระดับ P1dB มีความสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด compression และรักษาคุณภาพของสัญญาณให้ดีไว้

การจัดการความร้อนมีผลต่อความน่าเชื่อถือของเครื่องขยายสัญญาณ RF อย่างไร

การจัดการความร้อนที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุการใช้งานของแอมพลิฟายเออร์ RF การระบายความร้อนที่ไม่มีประสิทธิภาพอาจทำให้เกิดการสึกหรอที่รวดเร็วและการลดลงของความน่าเชื่อถือ ซึ่งจำเป็นต้องใช้เทคนิคการระบายความร้อนขั้นสูง เช่น การระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับชิ้นส่วนที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง

เหตุใดการเลือกแอมพลิฟายเออร์แบบ TWT และแบบ GaN จึงมีความสำคัญ?

การเลือกแอมพลิฟายเออร์ระหว่างแบบ Traveling Wave Tube (TWT) และแบบ Gallium Nitride (GaN) ขึ้นอยู่กับความต้องการในการใช้งาน โดยแอมพลิฟายเออร์แบบ TWT มักได้รับความนิยมสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงและช่วงความถี่กว้าง ในขณะที่แอมพลิฟายเออร์แบบ GaN มีความโดดเด่นด้านประสิทธิภาพและการประหยัดพื้นที่สำหรับการใช้งานที่ความถี่ต่ำกว่าและการใช้งานที่ต้องการความคล่องตัว