ด้วยการเร่งใช้งานเชิงพาณิชย์ของ 5G-Advanced และความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการวิจัยล่วงหน้า 6G ระบบการสื่อสารเคลื่อนที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วไปสู่ย่านความถี่ที่สูงขึ้น แบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น การบูรณาการที่สูงขึ้น และการใช้พลังงานที่ลดลง เนื่องจากเป็นจุดเชื่อมโยงหลักของระบบสื่อสารไร้สาย ขีดจำกัดประสิทธิภาพสูงสุดของส่วนหน้า RF จะกำหนดความจุความครอบคลุม อัตราการส่งข้อมูล และประสิทธิภาพการใช้พลังงานของเครือข่ายโดยตรง

จากมุมมองของการออกแบบร่วมระหว่างอุปกรณ์กำลังแบบแอกทีฟและส่วนประกอบความถี่สูงแบบพาสซีฟ บทความนี้วิเคราะห์ความท้าทายในปัจจุบันของบรอดแบนด์ ประสิทธิภาพสูง และการย่อขนาดที่ส่วนหน้าของ RF เผชิญ ผสมผสานวิวัฒนาการแบบบูรณาการของ MMIC กำลังเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามและบทบาทที่สำคัญของตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น Q สูงในเครือข่ายการจับคู่และกรอง RF เอกสารนี้ยังกล่าวถึงคุณค่าทางวิศวกรรมของการเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานร่วมกันระดับอุปกรณ์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ RF และคาดการณ์แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีของอุปกรณ์ RF ในยุค 6G

ตั้งแต่การใช้งานขนาดใหญ่ของสถานีฐานมาโคร 5G ไปจนถึงการใช้งานความสามารถดาวน์ลิงก์ 10 Gbps ใน 5G-A และทิศทางทางเทคนิคที่กำหนดไว้ของ 6G เช่น เทระเฮิร์ตซ์และพื้นผิวสะท้อนอัจฉริยะ การจำลองการสื่อสารเคลื่อนที่แต่ละรุ่นทำให้เกิดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดมากขึ้นในฟรอนต์เอนด์ RF ปัจจุบัน อุตสาหกรรมกำลังเผชิญกับความท้าทายหลัก 3 ประการ:

ประการแรกคือความท้าทายในการขยายวงกว้าง ความต้องการการรวมตัวของผู้ให้บริการข้ามแบนด์ใน 5G-A และความครอบคลุมเต็มแบนด์ที่ต่ำกว่า 10 GHz ใน 6G จำเป็นต้องใช้เครื่องขยายกำลัง RF ที่มีคุณสมบัติแบนด์วิดท์ที่กว้างทันที ความยากในการออกแบบการจับคู่เครือข่ายกับอุปกรณ์แยกแบบเดิมเพิ่มขึ้นอย่างมาก และลักษณะการตอบสนองความถี่ของอุปกรณ์แบบพาสซีฟจะจำกัดขีดจำกัดแบนด์วิดท์ของระบบโดยตรง

ประการที่สองคือความท้าทายด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ภายใต้เป้าหมาย "คาร์บอนคู่" ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของสถานีฐานได้กลายเป็นตัวบ่งชี้การประเมินหลักสำหรับผู้ปฏิบัติงาน การเพิ่มประสิทธิภาพของสถาปัตยกรรม Doherty และเทคโนโลยี predistortion แบบดิจิทัลได้ค่อยๆ เข้าใกล้คอขวดทางทฤษฎี การปรับปรุงประสิทธิภาพพลังงานเพิ่มเติมจะต้องขยายไปยังฝั่งอุปกรณ์ ด้วยความพยายามไปพร้อมๆ กันจากทั้งการทำซ้ำกระบวนการของชิปที่ใช้งานอยู่และการเพิ่มประสิทธิภาพการสูญเสียของอุปกรณ์แบบพาสซีฟ

ประการที่สามคือความท้าทายในการย่อขนาด เนื่องจากจำนวนช่อง Massive MIMO อัปเกรดจาก 64 เป็น 128 ช่อง พื้นที่ภายในของ Active Antenna Unit (AAU) ยังคงหดตัวต่อไป การรวมอุปกรณ์ การติดตั้งบนพื้นผิว และการย่อขนาดกลายเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ ความสม่ำเสมอ และความเข้ากันได้ของการประกอบอัตโนมัติของอุปกรณ์

ในบริบทนี้ การอัพเกรดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตัวเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการระดับระบบได้อีกต่อไป การออกแบบร่วมกันและการเลือกอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าแบบแอคทีฟและอุปกรณ์ความถี่สูงแบบพาสซีฟร่วมกันได้กลายเป็นเส้นทางสำคัญในการเจาะทะลุประสิทธิภาพของส่วนหน้า RF

เนื่องจากเป็นอุปกรณ์แอคทีฟหลักของส่วนหน้าของ RF เส้นทางทางเทคนิคของเครื่องขยายกำลังจึงเปลี่ยนจากโซลูชันทรานซิสเตอร์แบบแยกไปเป็นโซลูชัน MMIC แบบครบวงจรอย่างรวดเร็ว อุปกรณ์ไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่แสดงโดยกระบวนการ LDMOS และ GaN ไม่เพียงแต่ปรับปรุงแรงดันพังทลายและกำลังเอาท์พุตอย่างต่อเนื่อง แต่ยังเป็นการบูรณาการทางสถาปัตยกรรมที่ล้ำหน้าอย่างล้ำลึกอีกด้วย

ยกตัวอย่าง Doherty MMIC แบบสามขั้นตอนครบวงจรสำหรับย่านความถี่ 3.3–3.8 GHz 5G โซลูชัน Doherty แบบแยกแบบดั้งเดิมต้องใช้ตัวแยกพลังงานภายนอก ตัวรวม ชุดเครือข่ายที่ตรงกันและวงจรไบแอสหลายชุด ส่งผลให้มีส่วนประกอบ BOM จำนวนมาก ปริมาณ PCB ขนาดใหญ่ และการควบคุมความสม่ำเสมอในการประกอบที่ยากลำบาก ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อผลผลิตและเสถียรภาพด้านประสิทธิภาพในการผลิตจำนวนมาก ในทางตรงกันข้าม Doherty MMIC ที่บูรณาการโดยสมบูรณ์ได้รวมทรานซิสเตอร์แบบพาหะ ทรานซิสเตอร์แบบพีคกิ้ง ตัวแยกกำลังอินพุต ตัวรวมเอาต์พุต และเครือข่ายการจับคู่ล่วงหน้าบนชิป ทั้งหมดนี้ไว้บนชิปตัวเดียว ทำให้ได้รับอิมพีแดนซ์อินพุต 50 Ω และอิมพีแดนซ์เอาต์พุตที่ได้มาตรฐาน ซึ่งช่วยลดความยากในการออกแบบการจับคู่ภายนอกได้อย่างมาก

คุณค่าหลักของอุปกรณ์ที่ผสานรวมดังกล่าวไม่เพียงแต่อยู่ที่การลดขนาดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสามารถในการจำลองแบบประสิทธิภาพด้วย เครือข่ายการจับคู่แบบรวมบนชิปได้รับการปรับเทียบอย่างแม่นยำโดยผู้ผลิต โดยมีความสอดคล้องระหว่างช่องสัญญาณที่ดีกว่าโซลูชันที่สร้างด้วยอุปกรณ์แยก ในขณะเดียวกัน ก็สนับสนุนการควบคุมอคติที่เป็นอิสระสำหรับพาหะและเส้นทางพีคกิ้ง ทำให้สามารถปรับสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความเป็นเชิงเส้นได้อย่างยืดหยุ่นสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน ปรับให้เข้ากับความต้องการที่หลากหลายของสถานีมาโคร 5G สถานีไมโคร และเสาอากาศที่ใช้งาน Massive MIMO ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ในระบบ RF ส่วนหน้า อุปกรณ์แบบพาสซีฟมักถูกมองข้าม แต่ประสิทธิภาพของเครือข่ายการจับคู่อิมพีแดนซ์ วงจรกรองบายพาส และวงจรคัปปลิ้ง/วงจรบล็อก DC จะกำหนดประสิทธิภาพที่แท้จริง ความเป็นเส้นตรง และความเสถียรในการปฏิบัติงานของระบบขยายกำลัง ในหมู่พวกเขา ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น RF (MLCC) ซึ่งเป็นหนึ่งในอุปกรณ์พาสซีฟที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด มีปัจจัย Q, ความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า (ESR), ตัวเหนี่ยวนำอนุกรมที่เทียบเท่า (ESL) และความแม่นยำของความจุส่งผลโดยตรงต่อการสูญเสียการแทรกและความสอดคล้องของพารามิเตอร์ของเครือข่ายที่ตรงกัน

ยกตัวอย่างตัวเก็บประจุเซรามิก RF ซีรีส์ 100B สูง โดยใช้วัสดุไดอิเล็กตริกพอร์ซเลนที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ P90 รวมกับกระบวนการเผาเซรามิกหนาแน่นและการออกแบบโครงสร้างตัวเหนี่ยวนำปรสิตต่ำ พวกเขาสามารถบรรลุปัจจัย Q ที่สูงขึ้นมากและการสูญเสียการแทรกที่คลื่นความถี่สูงกว่าต่ำกว่า MLCC ทั่วไป ในเครือข่ายที่ตรงกันของเพาเวอร์แอมป์ RF กำลังสูง พวกเขาสามารถลดการสร้างความร้อนและการสูญเสียประสิทธิภาพที่เกิดจากการสูญเสียแบบพาสซีฟได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายโดยรวมของเพาเวอร์แอมป์

สำหรับสถานการณ์ที่มีข้อกำหนดด้านความแม่นยำที่แตกต่างกัน ตัวเก็บประจุ RF ที่มี Q สูงจะสร้างระดับความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้อย่างสมบูรณ์: อุปกรณ์ที่มีระดับความแม่นยำ ±1% เหมาะสำหรับเครือข่ายที่จับคู่ความแม่นยำและสถานการณ์ที่มีข้อกำหนดความเป็นเส้นตรงสูง ทำให้มั่นใจได้ถึงความสอดคล้องของพารามิเตอร์ระหว่างช่องสัญญาณในการผลิตจำนวนมากและลดต้นทุนการสอบเทียบและการดีบัก อุปกรณ์ที่มีเกรดพิกัดความเผื่อ ±2% และ ±5% จะรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและราคาตามลำดับ โดยปรับให้เข้ากับเกรดต่างๆ ของอุปกรณ์ RF ทางอุตสาหกรรมและทางแพ่ง ในขณะเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าแรงสูงที่ทนต่อพิกัด 500 V ขึ้นไปสามารถปรับให้เข้ากับวงจรไบแอสไฟฟ้าแรงสูงของเครื่องขยายกำลังกำลังสูงได้อย่างสมบูรณ์แบบ เมื่อรวมกับเทคโนโลยีการเลิกจ้างที่มีความน่าเชื่อถือสูงด้วยตะกั่วดีบุก พวกเขาสามารถตอบสนองข้อกำหนดการทำงานที่อุณหภูมิกว้างตั้งแต่ -55°C ถึง +175°C และปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมการใช้งานที่รุนแรง เช่น สถานีฐาน เรดาร์ และการบินและอวกาศ

ในการออกแบบทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ การเลือกอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าแบบแอกทีฟและอุปกรณ์แบบพาสซีฟไม่ได้ดำเนินการอย่างอิสระ การจับคู่การทำงานร่วมกันระหว่างทั้งสองเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุประสิทธิภาพของระบบสูงสุด

ประการแรกคือการออกแบบการทำงานร่วมกันของการจับคู่อิมพีแดนซ์ คุณลักษณะความต้านทานเอาต์พุตของ MMIC กำลังจะกำหนดโทโพโลยีและพารามิเตอร์ส่วนประกอบของเครือข่ายที่ตรงกัน พารามิเตอร์ ESR และ ESL ของตัวเก็บประจุ Q สูงจำเป็นต้องรวมอยู่ในโมเดลโดยรวมของการจำลองการจับคู่ แทนที่จะใช้เฉพาะโมเดลตัวเก็บประจุในอุดมคติเท่านั้น การจำลองร่วมโดยใช้อุปกรณ์แบบพาสซีฟ Q สูงพร้อมแบบจำลองที่วัดได้สามารถปรับปรุงความสอดคล้องระหว่างผลการจำลองและการทดสอบจริงได้อย่างมาก ลดการทำซ้ำการออกแบบ และลดรอบการวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์ให้สั้นลง

ประการที่สองคือการควบคุมความอดทนและความสม่ำเสมอร่วมกัน MMIC กำลังไฟฟ้าแบบรวมมีความสม่ำเสมอของพารามิเตอร์สูง หากความอดทนของตัวเก็บประจุที่ตรงกันมีขนาดใหญ่เกินไป มันจะกลายเป็นสาเหตุหลักของความผันผวนของประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อทั้งหมด ในการออกแบบช่องสัญญาณ RF ที่มีความแม่นยำสูง การใช้ตัวเก็บประจุ Q สูงที่ยอมรับได้ ±1% จับคู่กับ MMIC ในตัว สามารถควบคุมความผันผวนของอัตราขยายระหว่างช่องสัญญาณภายในช่วงที่เล็กมาก ซึ่งช่วยลดภาระงานการสอบเทียบของระบบหลายช่องสัญญาณ Massive MIMO ได้อย่างมาก

ประการที่สามคือการทำงานร่วมกันของความน่าเชื่อถือ ในสถานการณ์ RF กำลังสูง อุณหภูมิจุดแยกของทรานซิสเตอร์กำลังจะดำเนินการกับอุปกรณ์พาสซีฟที่อยู่รอบๆ ผ่านทาง PCB ในขณะที่วงจรไบแอสแรงดันสูงจะออกแรงเค้นแรงดันไฟฟ้าในระยะยาวที่ตัวเก็บประจุ การเลือกตัวเก็บประจุ RF ที่มีช่วงอุณหภูมิกว้าง ความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูง และการสิ้นสุดที่มีความน่าเชื่อถือสูง สามารถตรงกับเกรดความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ไฟฟ้า ป้องกันไม่ให้อุปกรณ์แบบพาสซีฟกลายเป็นบอร์ดที่สั้นของอายุการใช้งานของระบบ และรับประกันความเสถียรของอุปกรณ์ระหว่างการบริการระยะยาว

สำหรับยุค 6G นั้น RF frontends จะพัฒนาไปสู่ย่านความถี่ที่สูงขึ้น การบูรณาการที่สูงขึ้น และความฉลาดที่สูงขึ้น และเทคโนโลยีอุปกรณ์ก็จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงรอบใหม่ด้วย

ในระดับกระบวนการของอุปกรณ์ กระบวนการต่างๆ เช่น GaN-on-SiC และ GaN-on-Diamond จะยังคงทำซ้ำต่อไป ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานและความสามารถในการกระจายความร้อนให้ดียิ่งขึ้น เพื่อรองรับพลังงานที่ส่งออกในย่านความถี่เทราเฮิร์ตซ์ ในด้านอุปกรณ์แบบพาสซีฟ วัสดุอิเล็กทริกและการออกแบบโครงสร้างที่มีปัจจัย Q สูงกว่าและพารามิเตอร์ปรสิตที่ต่ำกว่าจะกลายเป็นจุดมุ่งเน้นของการวิจัยและพัฒนาเพื่อตอบสนองความต้องการที่สูญเสียต่ำของแถบคลื่นมิลลิเมตรและเทราเฮิร์ตซ์

ในระดับแบบฟอร์มการรวม ขอบเขตระหว่างส่วนประกอบที่ใช้งานและส่วนประกอบแฝงจะถูกเบลอเพิ่มเติม ระบบความถี่วิทยุในแพ็คเกจ (SiP) ที่อิงจากการบูรณาการแบบต่างกันและเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์แบบ 3 มิติจะกลายเป็นกระแสหลัก โดยบูรณาการเครื่องขยายกำลัง เครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ ตัวกรอง ตัวเก็บประจุที่ตรงกัน และเครือข่ายแบบพาสซีฟไว้ในแพ็คเกจเดียวเพื่อให้เกิดการย่อขนาดและการกำหนดมาตรฐานของส่วนหน้า RF

ในระดับมิติแอปพลิเคชัน เทคโนโลยี 6G หลัก เช่น ส่วนหน้า RF ที่กำหนดค่าใหม่และพื้นผิวสะท้อนแสงอัจฉริยะจะนำเสนอข้อกำหนดใหม่สำหรับความสามารถในการปรับแต่งและความเร็วในการตอบสนองของอุปกรณ์ การรวมกันของอุปกรณ์พาสซีฟ Q สูงที่ปรับได้และอุปกรณ์พลังงานที่กำหนดค่าบรอดแบนด์ได้จะกลายเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการสำรวจทางเทคนิคในอนาคต

เทคโนโลยี RF และไมโครเวฟเป็นการสนับสนุนพื้นฐานของอุตสาหกรรมการสื่อสารไร้สาย ทุกก้าวกระโดดในการสื่อสารรุ่นต่างๆ ไม่สามารถแยกออกจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและนวัตกรรมทางวิศวกรรมของอุปกรณ์ RF ในช่วงเวลาวิกฤตของการปรับใช้ 5G-A เชิงพาณิชย์ในเชิงลึก และการเร่งการวิจัยล่วงหน้าของ 6G การก้าวข้ามขีดจำกัดด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์เดี่ยว และส่งเสริมการออกแบบร่วมกันและการเพิ่มประสิทธิภาพร่วมกันของอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานและอุปกรณ์แฝงที่มี Q สูงจากมุมมองของระบบ ถือเป็นเส้นทางที่มีประสิทธิภาพในการฝ่าฟันคอขวดด้านประสิทธิภาพของส่วนหน้า RF และเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันโดยรวมของอุตสาหกรรม นอกจากนี้เรายังตั้งตารอการแลกเปลี่ยนเชิงลึกระหว่างเพื่อนร่วมงานในอุตสาหกรรมด้านการวิจัยและพัฒนาอุปกรณ์ การออกแบบวงจร การใช้งานระบบ และด้านอื่นๆ เพื่อร่วมกันส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี RF และไมโครเวฟ และวางรากฐานฮาร์ดแวร์ที่แข็งแกร่งสำหรับเทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่ยุคถัดไป