ในช่วงระยะเวลา 20 ปีที่ผ่านมา ระบบการสื่อสารโทรคมนาคมเข้ามามีส่วนร่วมในชีวิตประจำวัน ตามการเจริญเติบโตของเศรษฐกิจ และเทคโนโลยีสมัยใหม่ ทำให้เกิดการพัฒนาหลากหลายรูปแบบ เริ่มตั้งแต่การใช้เป็นอุปกรณ์แยกแต่ละชนิด ตลอดจนการทำงานเป็นระบบของโครงข่าย 

ในปัจจุบันเทคโนโลยี 5G  ได้เข้ามีบทบาทในการสื่อสารสมัยใหม่ จึงต้องมีอุปกรณ์ที่รองรับและตอบสนองต่อการใช้งานได้อย่างเต็ม ประสิทธิภาพ โดยต้องคำนึงถึงความพร้อมสำหรับการใช้งาน ความรวดเร็วในการเชื่อมต่อ คุณภาพสัญญาณ และการตอบสนองต่อสัญญาณได้อย่างต่อเนื่อง ทั้งจากโทรศัพท์เคลื่อนที่และสถานีภาคพื้นดิน โดยเฉพาะ เครื่องขยายสัญญาณเสียง RF เป็นอุปกรณ์ที่ควรศึกษา และยกระดับให้ดียิ่งขึ้น

เครื่องขยายสัญญาณ RF คืออะไร

เครื่องขยายสัญญาณ RF เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ใช้ในการติดต่อสื่อสารสถานีฐาน และโทรศัพท์เคลื่อนที่ เนื่องจากเครื่องขยายสัญญาณ (PA) เป็นองค์ประกอบหลักในส่วนพลังงานด้านการสื่อสาร และคุณภาพสัญญาณของสัญญาณที่ส่งมาที่สถานีภาคพื้น โดยเฉพาะระบบการสื่อสารแบบไร้สาย (Wireless System) ที่ต้องมีการมอดูเลชันของสัญญาณแบบQAM (Quadrature Amplitude Modulation) และการเลือกหรือรวมของสัญญาณแบบ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ที่มีสัญญาณพลังงานสูง (PAPR: Peak to Average Power) 

แนวโน้มปัจจุบันเครื่องขยายสัญญาณ RF ในสถานีฐาน และโทรศัพท์เคลื่อนที่

ปัจจุบันมีการศึกษาพัฒนาเรื่องประสิทธิภาพของเครื่องขยาย สัญญาณ RF ที่นำมาประกอบใช้ในสถานีฐานและโทรศัพท์เคลื่อนที่ ซึ่งมีการยกระดับให้ดียิ่งไปกว่าเดิม ทั้งในส่วนของการออกแบบดีไซน์โครงสร้าง วงจร ตลอดจนอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง

- ส่วนของการออกแบบดีไซน์อุปกรณ์ส่งสัญญาณ (Transmitter) มีการประยุกต์ใช้และออกแบบ Doherty power amplifier (DPA) ในแต่ละห้วงความถี่ให้สามารถทำงานได้ในลักษณะมัลติแบนด์ (Multi-Band Operation) สำหรับสถานีฐานและโทรศัพท์เคลื่อนที่แบบพลังงานสูง

- ส่วนของอุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบสวิตช์ (switch-mode power amplifier) ต้องการให้ค่าประสิทธิภาพในการแปลงสัญญาณ DC ที่ป้อนเข้าไปเป็นพลังงาน RF (Drian Efficiency) สูงขึ้น

แนวทางการพัฒนาเครื่องขยายสัญญาณ RF การออกแบบตัวส่งสัญญาณแบบ Linear ในการรักษาระดับการขยายสัญญาณ

1. การรวมกันของพลังงาน (Power Combiners) โดยการรวมเครื่องขยายสัญญาณขนาดเล็กหลายอัน เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่ต้องการ

2. การใช้เทคนิคในขั้นตอน Switching และ Bypassing เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน

3. การใช้เทคนิค KAHN ด้วยการสร้างแบบจำลองขนาดแอมพลิจูดของอินพุตเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

4. การใช้เทคนิค Envelop Tracking เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ในขณะที่ขนาดแอมพลิจูดและเฟสยังคงเท่าเดิม

5. การใช้ Outphasing ลดการบิดเบี้ยวของสัญญาณ (Distortion)

6. การใช้เทคนิค Doherty รักษาระดับประสิทธิภาพของวงจรขยายสัญญาณ

อุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบ Millimeter-Wave PAs

เป็นอุปกรณ์ขยายสัญญาณแบบโซลิดสเตต ที่มีความยาวคลื่นเป็นหน่วยมิลลิเมตร อยู่ในช่วงความถี่ 30-100 GHz โดยจะเผลิตในรูปแบบโมโนลิธิก (Monolithic) ยกตัวอย่างเช่น เครื่องขยายสัญญาณสำหรับห้วง Ka-Band จะเป็น อุปกรณ์แบบ pHEMT ที่มาจากสารกึ่งตัวนำ GaAs และ InGaAs เพื่อเพิ่มจำนวนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและมีกำลังอยู่ที่  100 มิลลิวัตต์ ถึง 40 วัตต์ เป็นต้น

เครื่องขยายสัญญาณแบบ Millimeter-Wave PAs มีขนาดเล็ก จึงได้เอาต์พุตพลังงานที่มีขนาดใหญ่ เมื่อเทียบกับพื้นที่ โดยการรวมเอาต์พุตของวงจรขยายกำลังต่ำหลายตัวที่อยู่ในแผง วงจรเดียวกันหรือรวมพลังงานทั้งหมด

ภาพรวมเครื่องขยายสัญญาณ RF ที่มีต่อการใช้ 5 G

เดิมเทคโนโลยี 5G คือ การใช้เทคโนโลยี MIMO ( Massive Multiple Input Multiple Output) เพิ่มประสิทธิภาพสเปกตรัม และการใช้งานอุปกรณ์แบบ Millimeter-Wave PA ในแบนด์วิดที่กว้างขึ้น ซึ่งมีความสำคัญต่อปริมาณช่องสื่อสารของ 5G  

การออกแบบเครื่องขยายสัญญาณ RF ต้องใช้เทคนิค Doherty ขยายสัญญาณการใช้สายอากาศแบบแอคทีฟ (AAS) ในย่านความถี่ Sub 6 GHz และ Ka Band เนื่องจากการศึกษาค้นพบว่า การใช้เทคนิคอื่นนอกเหนือจากนี้จะทำให้เกิดความยุ่งยาก และความซับซ้อน นอกจากนี้ยังมีการใช้เครื่องขยายสัญญาณแบบ Millimeter-Wave PA เพื่อลดการใช้พลังงานโดยรวม ดังนั้นการใช้งาน 5G เครื่องขยายสัญญาณ RF ต้องทำงานที่มีระดับขนาดสัญญาณต่ำ ณ ความถี่ที่สูง สำหรับการใช้สายอากาศแบบแอคทีฟ (AAS) เพื่อให้การสื่อสารมีประสิทธิภาพต่อไปได้

‍

‍