ระบบนำทางผ่านดาวเทียมทั่วโลก (GNSS) ประกอบด้วย GPS, Galileo, GLONASS และ BeiDou เป็นรากฐานสำคัญของโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่ ตั้งแต่เกษตรกรรม การประทับเวลา ทางการเงินได้แม่นยำ ตลอดจนเทคโนโลยีการนำทางในยานยนต์ไร้คนขับและบริการฉุกเฉิน ความต้องการด้านความถูกต้องแม่นยำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตามความถูกต้องแม่นยำนี้ ถูกคุกคามอย่างต่อเนื่องในย่านความถี่วิทยุ (RF) โดยเฉพาะย่านความถี่ L-band 1.6 GHz ที่สำคัญ ต่อการใช้ GNSS และส่วนประกอบพิเศษอีกอย่างคือ ตัวกรองคลื่นเสียงพื้นผิว (SAW: Surface Acoustic Wave) ทำหน้าที่ดูแลควบคุมความสมบูรณ์ของสัญญาณที่สำคัญ แต่กลับถูกพูดถึงน้อย ในปัจจุบัน

ในสภาวะแวดล้อมที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแออัด

ย่านความถี่ 1.6 GHz ไม่ใช่ช่องสัญญาณว่าง แต่ถูกสงวนไว้สำหรับสัญญาณ ดาวเทียมเท่านั้น อีกทั้งเป็นพื้นที่ที่มีการใช้งานหนาแน่นร่วมกับการสื่อสารเคลื่อนที่ (4G/LTE) บริการดาวเทียมเคลื่อนที่ และระบบระบุตำแหน่งด้วยคลื่นวิทยุต่างๆ เครื่องรับ GNSS ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากส่งมาจากระยะทางกว่า 20,000 กิโลเมตร จะต้องมีความสามารถในการปฏิเสธสัญญาณที่แรงกว่าในบริเวณใกล้เคียงไปพร้อมๆ กันได้ หากไม่มีการกรองที่มีประสิทธิภาพ สัญญาณนอกย่านความถี่เหล่านี้อาจทำให้ตัวขยายสัญญาณ รบกวนต่ำ (LNA: Low-Noise Amplifier) ด้านหน้าของเครื่องรับทำงานเกินกำลัง ส่งผลให้ ความไวลดลง อัตราข้อผิดพลาดบิตเพิ่มขึ้น หรือ สูญเสียการล็อกสัญญาณโดยสิ้นเชิง

หลักการทำงานพื้นฐานของเทคโนโลยี SAW

ตัวกรอง SAW ทำงานโดยการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียงเชิงกลบนพื้นผิว เพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric Substrate) โดยทั่วไปคือ ควอตซ์ ลิเธียมไนโอเบต หรือ ลิเธียมแทนทาเลต ตัวแปลงสัญญาณแบบ (IDT: Interdigitated Transducers) ที่สลักลงบนพื้นผิว จะส่งและรับคลื่นพื้นผิวเหล่านี้ ระยะห่างทางกายภาพและการจัดเรียงของ IDT จะกำหนด การตอบสนองความถี่ของตัวกรอง ความถี่ที่ไม่ต้องการจะถูกกระจายออกไปทางกล ในขณะที่ ย่านความถี่ GNSS ที่ต้องการจะถูกสร้างขึ้นใหม่เป็นสัญญาณไฟฟ้า การแปลงทางไฟฟ้าเชิงกลนี้ ให้ความสามารถในการเลือกความถี่ได้อย่างเหมาะสม

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่สำคัญสำหรับการใช้งาน GNSS

ความน่าเชื่อถือของ GNSS ที่ 1.6 GHz ตัวกรอง SAW ได้รับการออกแบบตามข้อกำหนด ที่เข้มงวด  Insertion loss ภายในย่านความถี่ผ่านต้องน้อยที่สุด (โดยทั่วไป น้อยกว่า < 2 dB) เพื่อรักษาสัญญาณดาวเทียมที่อ่อนแออยู่แล้ว ปัจจัยรูปร่างของตัวกรอง—ความชัน ของการลดทอนจากย่านความถี่ passband ผ่านไปยังย่านความถี่ stopband มีความสำคัญอย่างยิ่ง การลดทอนที่เกิดขึ้นทันทีจะอยู่ติดกับย่านความถี่ GNSS (เช่น 1559 -1610 MHz สำหรับ GPS L1) จะลดทอนสัญญาณเซลลูลาร์ที่ 1710 MHz และสูงกว่านั้น นอกจากนี้ การปฏิเสธย่านความถี่ ที่เหนือกว่า (หรือ มากกว่า >40dB) จำเป็นต่อการระงับสัญญาณรบกวนที่มีกำลังสูง อีกทั้งเพื่อให้ แน่ใจว่าสัญญาณรบกวนเหล่านั้นจะไม่ส่งผลต่อส่วนประกอบอื่นๆจนถึงปลายทาง

เพิ่มความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนภายในย่านความถี่ (In-Band Interference)

นอกเหนือจากการบล็อกสัญญาณรบกวนนอกย่านความถี่แล้ว ตัวกรอง SAW ขั้นสูง ยังจัดการความท้าทายภายในย่านความถี่ได้อีกด้วย สัญญาณรบกวน ไม่ว่าจะเกิดจาก ความตั้งใจหรือไม่สามารถเกิดขึ้นได้ภายในย่านความถี่ GNSS เอง ตัวกรอง SAW ประสิทธิภาพสูงแสดงให้เห็นถึง Linear ที่ยอดเยี่ยมและคุณลักษณะจุด Intercept Point ของอินพุต (IIP3) สูง จึงรับมือกับสัญญาณรบกวนที่แรงกว่าได้ โดยไม่เกิดการบิดเบี้ยว ของสัญญาณแบบอินเตอร์โมดูเลชัน (Intermodulation Distortion) อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งอาจตก อยู่ในย่านความถี่ของตัวรับสัญญาณเอง จึงรักษาความแม่นยำของตำแหน่งได้ แม้อยู่ในสภาพ แวดล้อมที่สัญญาณ RF ที่ไม่เอื้ออำนวย

เทคโนโลยีที่ช่วยให้เกิดการย่อส่วนสำหรับอุปกรณ์สมัยใหม่

การแพร่หลายของระบบ GNSS ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคขนาดกะทัดรัด เช่น สมาร์ทโฟน อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์ติดตาม IoT จำเป็นต้องมีการย่อส่วน เทคโนโลยี ตัวกรอง SAW ที่นำไปใช้ในแพ็คเกจขนาดเล็กเพียง 1.0 mm x 0.8 mm จึงตอบสนองต่อ ความต้องการนี้ได้โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพ การย่อส่วนนี้สอดคล้องกับการออกแบบของระบบ สามารถวางไว้หลังเสาอากาศ หรือ ระหว่างขั้นตอนการขยายสัญญาณในรูปแบบที่กะทัดรัดได้ ช่วยเรื่องการกรองก่อนเกิดการขยายสัญญาณใดๆ ที่ขยายสัญญาณรบกวนได้เช่นกัน

การเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีตัวกรองทางเลือก

แม้ว่าตัวกรองคลื่นเสียงแบบปริมาตร (BAW: Bulk Acoustic Wave) จะมีข้อดีต่อความถี่สูง (เช่น มากกว่า > 2 GHz) ที่ใช้ใน 5G แต่ตัวกรอง SAW ยังคงมีข้อได้เปรียบที่น่าสนใจที่ 1.6 GHz โดยทั่วไปแล้ว ตัวกรอง SAW จะให้คุณสมบัติที่เหนือกว่า ทั้งการลดทอนสัญญาณอย่างรวดเร็ว (Steep Roll-Off) ต้นทุนต่ำ และความน่าเชื่อถือที่ได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับย่านความถี่เฉพาะของ GNSS ตัวกรองอย่าง Lumped-element LC filters ขาดความสามารถในการเลือกความถี่ที่จำเป็น และไวต่อความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบมากกว่า ดังนั้น เทคโนโลยี SAW จึงมอบสมดุล ที่เหมาะสมระหว่างประสิทธิภาพ ขนาด และความประหยัดสำหรับแอปพลิเคชัน GNSS ในตลาด โลก

สรุป: จำเป็นต่อโลกอนาคตที่ต้องการกำหนดตำแหน่งที่แม่นยำเป็นอย่างยิ่ง

เนื่องจากผู้คนพึ่งพาการกำหนดตำแหน่งที่ถูกต้องแม่นยำเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ความก้าวหน้าของระบบอัตโนมัติ การกำหนดเวลาที่สำคัญต่อภารกิจ และความสมบูรณ์ ของหสัญญาณ GNSS จึงไม่อาจลดทอนได้ ตัวกรอง SAW ซึ่งทำงานอย่างเงียบเชียบ ภายในอุปกรณ์หลายพันล้านชิ้นเป็นตัวการหลักที่ทำหน้าที่แยกแยะสัญญาณอันละเอียดอ่อน ออกจากแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน  พวกมันไม่ได้เป็นเพียงแค่ส่วนประกอบ แต่เป็นตัวช่วยสำคัญ ในการสร้างความน่าเชื่อถือ ทำให้มั่นใจได้ว่า เครื่องรับ GNSS จะให้ความแม่นยำ และความพร้อม ต่อการใช้งานตามที่เทคโนโลยีสมัยใหม่คาดหวัง การพัฒนาอย่างต่อเนื่องของอุปกรณ์จึงมีบท บาทสำคัญต่อเทคโนโลยีการนำทางในสภาพแวดล้อมที่ RF มีสัญญาณรบกวนมากขึ้นในอนาคต