ข้อดีด้านต้นทุนของสายนำสัญญาณแบบ CCA สำหรับสายส่งข้อมูลความถี่สูงในการขยายเครือข่าย 5G

การเข้าใจสาย CCA: องค์ประกอบและคุณสมบัติทางไฟฟ้า

สายอลูมิเนียมเคลือบด้วยทองแดง (CCA) คืออะไร?

สายไฟเบอร์เคลือบทองแดงหรือสาย CCA มีแกนอลูมิเนียมที่ถูกล้อมรอบด้วยชั้นเคลือบบางๆ ของทองแดง ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตได้สมดุลที่ดีระหว่างราคาที่เหมาะสมและความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ยอมรับได้ แกนอลูมิเนียมช่วยลดต้นทุนวัสดุได้อย่างมากเมื่อเทียบกับสายที่ทำจากทองแดงทั้งหมด ในขณะที่ชั้นทองแดงด้านนอกช่วยป้องกันการกัดกร่อน และยังสามารถทำงานร่วมกับตัวเชื่อมต่อทองแดงมาตรฐานที่ระบบส่วนใหญ่ใช้งานอยู่ได้ดี ในปัจจุบันเราเห็นบริษัทโทรคมนาคมหันมาใช้ CCA กันมากขึ้น โดยเฉพาะสำหรับการติดตั้งระบบ 5G ตามจุดขอบเครือข่ายที่ต้องคำนึงถึงงบประมาณอย่างรอบคอบ แต่ก็มีข้อควรระวังที่วิศวกรหลายคนต้องพบเจอ นั่นคือสมรรถนะของ CCA ภายใต้สภาวะความถี่สูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการทดสอบและทดลองใช้งานจริงก่อนตัดสินใจใช้สายชนิดนี้ในระบบซึ่งต้องการความสมบูรณ์ของสัญญาณเป็นสำคัญ

คุณสมบัติทางไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกายภาพ: CCA เทียบกับตัวนำไฟฟ้าแบบทองแดงแท้

แม้ทองแดงแท้จะมีความสามารถในการนำไฟฟ้า 100% IACS แต่ CCA มีค่าประมาณ 63% เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้าของอลูมิเนียมสูงกว่า ความแตกต่างที่สำคัญมีดังนี้:

• น้ำหนัก : CCA มีน้ำหนักเบากว่าทองแดงแท้ 50–60% ทำให้ติดตั้งง่ายขึ้นในการใช้งานแบบสายอากาศและบนดาดฟ้า
• ผลประกอบการทางความร้อน : จุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมต่ำกว่า (660°C เมื่อเทียบกับทองแดงที่ 1,085°C) จำกัดความสามารถในการรับมือกับกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง
• ความทนทาน : การทดสอบ ASTM B-566 เกี่ยวกับการงอซ้ำๆ แสดงให้เห็นว่า CCA มีอัตราการเกิดความเมื่อยล้าสูงกว่าทองแดงแท้ 25–30%

สำหรับเครือข่าย 5G ที่ต้องการสายเคเบิลที่มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่นได้ การยอมแลกที่เกิดขึ้นกับ CCA มักสอดคล้องกับข้อจำกัดด้านงบประมาณของโครงสร้างพื้นฐาน

ผลกระทบของความต้านทานกระแสตรงและความสมบูรณ์ของสัญญาณในแอปพลิเคชันความถี่สูง

CCA มีความต้านทานกระแสตรงสูงกว่าทองแดงแท้ 55–60% (IEC 60228) โดยช่องว่างนี้จะเพิ่มมากขึ้นในความถี่สูง เนื่องจาก:

• ปรากฏการณ์ผิวหนัง (Skin Effect) : ที่ความถี่สูงกว่า 1 GHz กระแสไฟฟ้าจะไหลส่วนใหญ่ภายในชั้นทองแดง (ความลึก 0.006–0.008 มม.) ซึ่งช่วยลดผลกระทบของความต้านทานของอลูมิเนียมได้บางส่วน แต่ไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมด
• การสูญเสียการแทรก : สายเคเบิล CCA มีการสูญเสียสัญญาณมากกว่าทองแดง 2.1–3.5 dB/100m ที่ความถี่ 3 GHz (TIA-568-C.2)
• ความเสถียรของอิมพีแดนซ์ : การเกิดออกซิเดชันของอลูมิเนียมในสภาพแวดล้อมที่ชื้นสามารถทำให้เกิดความแปรปรวนของอิมพีแดนซ์ (±3–5Ω) ซึ่งเพิ่มค่า Return Loss

ปัจจัยเหล่านี้จำเป็นต้องมีการวางแผนความยาวของช่องทางอย่างระมัดระวังในเครือข่าย 5G Backhaul และ Small-Cell ที่ใช้ CCA

ความท้าทายด้านประสิทธิภาพความถี่สูงของ CCA ในสายสัญญาณข้อมูล 5G

การสูญเสียสัญญาณและการสูญเสียการแทรกของ CCA ที่ความถี่ 5G

สาย CCA มีค่าความต้านทานกระแสตรง (DC resistance) มากกว่าทองแดงแท้ประมาณ 28% เมื่อวัดที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 20 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐาน TIA-568.2-D) ซึ่งส่งผลอย่างชัดเจนต่อการส่งสัญญาณผ่านสายเคเบิล โดยเฉพาะในแอปพลิเคชัน 5G รุ่นใหม่ที่ความละเอียดอ่อนของสัญญาณมีความสำคัญอย่างมาก การทดสอบในสนามจริงได้แสดงอย่างชัดเจนว่าปัญหาการสูญเสียสัญญาณ (insertion loss) ของสาย CCA แย่กว่าสายทองแดงทั่วไปอย่างมีนัยสำคัญ ที่ความถี่ประมาณ 3.5 GHz ซึ่งมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของ 5G ในย่านความถี่กลาง (mid-band) การสูญเสียอาจเพิ่มขึ้นจาก 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ การวิจัยล่าสุดจาก ETSI ในปี 2023 ยังชี้ให้เห็นภาพที่เลวร้ายยิ่งขึ้น โดยผลการศึกษาแสดงว่าประมาณสองในสามของติดตั้งระบบ FR1 ที่ความถี่ต่ำกว่า 6 GHz ไม่สามารถผ่านข้อกำหนดการรับรองช่องสัญญาณ เนื่องจากปัญหาเกี่ยวกับการจับคู่ความต้านทาน (impedance mismatches) และปัญหาการสูญเสียสัญญาณสะท้อนกลับ (return loss violations) ที่พบบ่อยในระบบที่ใช้สาย CCA

ข้อถกเถียงเรื่อง Skin Effect: มันชดเชยการนำไฟฟ้าต่ำของ CCA ได้จริงหรือ?

ตามการทดสอบในโลกจริงแล้ว ข้อโต้แย้งเรื่อง skin effect นั้นไม่สามารถอธิบายปัญหาการนำไฟฟ้าของอลูมิเนียมที่ความถี่สูงได้ชัดเจนนัก ลองดูผลการทดลองที่ควบคุมไว้ที่ความถี่ mmWave 28 GHz จากสมาคมโครงสร้างพื้นฐานไร้สายในปี 2024 ที่ผ่านมา สิ่งที่พบคือ สายเคเบิลที่ทำจากโลหะผสมทองแดงคอมโพสิตมีการสูญเสียสัญญาณมากกว่าสายทองแดงธรรมดาประมาณ 22 เปอร์เซ็นต์ และสถานการณ์แย่ลงไปอีกเมื่อสายเคเบิลเหล่านี้ต้องทำงานหนัก ปัญหาอยู่ที่ความต้านทานของ CCA ที่เพิ่มขึ้นมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นในช่วงที่ใช้งานหนัก เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานทางความร้อน (thermal coefficient of resistance) ที่สูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะสูญเสียไปกับความร้อนมากขึ้นในเวลาที่เราต้องการประสิทธิภาพสูงสุด

การประเมินคำเคลมของผู้ผลิตเกี่ยวกับประสิทธิภาพของ CCA ในสภาพการใช้งานจริง

การทดสอบอิสระได้ตรวจสอบสาย 5G ที่ใช้ CCA จำนวน 37 เส้นจากหลายผู้ผลิต และพบว่ามีเพียงประมาณ 14 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่ยังคงค่าการสูญเสียสัญญาณตามที่เคลมไว้ หลังจากถูกติดตั้งไว้ภายนอกเป็นเวลาหนึ่งปี เทียบจากข้อมูลในรายงาน Network Materials Study ปี 2024 พบว่า เมื่อพูดถึงการติดตั้ง CCA ในเครือข่ายเซลล์ขนาดเล็กตามเมืองที่แออัด จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ขยายสัญญาณเพิ่มเติมเกือบ 50% เมื่อเทียบกับการใช้สายทองแดงแบบทั่วไป และอุปกรณ์เพิ่มเติมนี้เองที่ทำให้ต้นทุนประหยัดในช่วงแรกหายไปประมาณ 30% ข้อมูลทั้งหมดนี้ชี้ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าผู้ผลิตควรทำสิ่งหนึ่งก่อนที่จะนำ CCA ไปใช้ในวงกว้างตามพื้นที่สำคัญต่างๆ นั่นคือ ต้องมั่นใจว่าการทดสอบในสนามนั้นเป็นไปตามมาตรฐาน TIA-5022 ก่อนเป็นอันดับแรก

ข้อดีด้านต้นทุนของสาย CCA ในโครงสร้างพื้นฐาน 5G ที่หนาแน่น

การประหยัดต้นทุนวัสดุด้วย CCA ในสายส่งข้อมูลความถี่สูง

อลูมิเนียมเคลือบด้วยทองแดง สามารถลดต้นทุนวัสดุลง 25–35% เมื่อเทียบกับทองแดงแท้ ตามรายงานการวิเคราะห์ต้นทุนวัสดุเครือข่ายปี 2024 แกนอลูมิเนียมมีสัดส่วน 60–70% ของพื้นที่หน้าตัดของตัวนำไฟฟ้า ซึ่งใช้ประโยชน์จากราคาอลูมิเนียมที่ต่ำกว่า ในขณะที่ยังคงสภาพการนำไฟฟ้าบนพื้นผิวไว้ได้ สำหรับการติดตั้งระบบ 5G ขนาดใหญ่ จะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายได้ 7–12 ดอลลาร์สหรัฐต่อเมตร ในงานประยุกต์ใช้สายโคแอกเชียล RF

ประโยชน์ด้านการติดตั้งและน้ำหนักในเครือข่ายเซลล์เล็ก (Small Cell) และเครือข่ายขอบ (Edge Networks) ของ 5G

ด้วยน้ำหนักที่ลดลงถึง 40% ทำให้ CCA ช่วยให้การติดตั้งเครือข่าย 5G ในพื้นที่เขตเมืองที่เคยเป็นเรื่องยากลำบากกลายเป็นเร็วและปลอดภัยมากยิ่งขึ้นสำหรับทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ผลการทดสอบภาคสนามของเราก็เผยข้อมูลที่น่าสนใจเช่นกัน – ทีมงานที่จัดการการเชื่อมต่อ small cell สามารถทำงานได้มากขึ้นประมาณ 18% ต่อวัน เมื่อใช้สาย CCA ซึ่งก็เข้าใจได้ไม่ยาก เพราะการยกม้วนสายที่หนักๆ ขึ้นไปบนหลังคา หรือเสาไฟฟ้าก็ไม่ใช่เรื่องที่เหนื่อยเท่าเดิมอีกต่อไป และยังมีเรื่องของเสาสัญญาณ mmWave อีกด้วย วัสดุที่เบากว่าช่วยลดความจำเป็นในการเสริมโครงสร้างในระหว่างการติดตั้ง ซึ่งก็แปลว่าประหยัดค่าใช้จ่ายได้จริง โดยเฉลี่ยอยู่ระหว่าง $240 ถึง $580 ต่อโหนดที่ติดตั้ง ขึ้นอยู่กับปัจจัยเฉพาะของแต่ละพื้นที่และกฎหมายการก่อสร้างท้องถิ่น

เปรียบเทียบต้นทุนตลอดวงจรชีวิต: CCA เทียบกับทองแดงแท้ในการใช้งาน 5G

แม้ว่า CCA จะช่วยประหยัดต้นทุนในระยะแรก แต่เศรษฐกิจในระยะยาวนั้นขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งานแต่ละประเภท:

ผู้ใช้งานมักใช้ CCA ในโหนดขอบที่ไม่ใช่ระบบสำคัญ (non-mission-critical edge nodes) ที่มีวงรอบการเปลี่ยนอุปกรณ์ทุก 15–20 ปี ซึ่งสอดคล้องกับรอบการอัปเกรดเครือข่าย อย่างไรก็ตาม ลิงก์ฟรอนท์โฮลหลัก (core fronthaul links) มักใช้สายทองแดงปราศจากออกซิเจน (oxygen-free copper) เนื่องจากประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในสภาพแวดล้อมที่ต้องการกำลังสูงและความถี่สูง

ความน่าเชื่อถือ ความทนทาน และข้อจำกัดด้านการใช้งานระยะยาวของ CCA

ความแข็งแรงทางกลและความต้านทานต่อการเกิดความล้าของตัวนำ CCA

แกนอลูมิเนียมของ CCA มีแรงดึง (tensile strength) ต่ำกว่าทองแดงแท้ถึง 30% จากการทดสอบภายใต้แรงดัน ทำให้มีแนวโน้มเกิดการเปลี่ยนรูปถาวรเมื่อเกิดการงอ ซึ่งมีความสำคัญเป็นพิเศษในการติดตั้งเซลล์เล็ก (small-cell) 5G และการติดตั้งแบบแขวนอากาศที่ต้องเผชิญกับการสั่นสะเทือนจากลม

ความเสี่ยงจากปฏิกิริยาการกัดกร่อนแบบกาลวานิก (Galvanic Corrosion) ในติดตั้ง 5G กลางแจ้งที่ใช้ CCA

เมื่อความชื้นเข้าไปในสายสัญญาณ CCA มันจะเริ่มเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างแกนอลูมิเนียมและชั้นเคลือบทองแดง ซึ่งนำไปสู่การกัดกร่อนแบบเกลวานิกในระยะยาว โดยปกติแล้ว สาย CCA ที่มีฉนวนกันน้ำที่ดีควรใช้งานได้ประมาณ 20 ถึง 25 ปี ในสภาวะอากาศทั่วไป แต่ผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการตามมาตรฐาน ASTM B117-2023 แสดงให้เห็นปรากฏการณ์ที่แตกต่างออกไป เมื่อสายเหล่านี้ไม่ได้รับการป้องกันจากสภาพอากาศ สายที่ไม่มีฉนวนจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าสายทองแดงธรรมดาประมาณ 15 เท่า การสังเกตจากสภาพการใช้งานจริงยืนยันข้อมูลนี้เช่นกัน โดยประมาณหนึ่งในห้าของสถานีฐาน 5G ในเขตเมืองที่ใช้สาย CCA แบบไม่มีฉนวนจำเป็นต้องซ่อมแซมหรือเปลี่ยนใหม่หลังจากใช้งานไปเพียง 5 ปีเท่านั้น

การสร้างสมดุลระหว่างการประหยัดต้นทุนและความน่าเชื่อถือของเครือข่ายในระบบ 5G ที่มีความสำคัญสูง

แม้จะมีการลดต้นทุนวัสดุลง 28–35% แต่ผู้ให้บริการ 5G ส่วนใหญ่ยังคงจำกัดการใช้สาย CCA ในโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ การสำรวจในปี 2024 พบว่า 62% ของผู้ให้บริการเก็บสาย CCA ไว้ใช้เฉพาะลิงก์ที่ไม่จำเป็น ขณะที่ยังคงใช้สายทองแดงสำหรับเครือข่ายแบ็กฮอลที่ต้องการความหน่วงต่ำและประสิทธิภาพการใช้งานระดับ 99.999%

มาตรฐาน อุตสาหกรรม การทดสอบ และการปฏิบัติตามข้อกำหนดสำหรับสายสัญญาณ CCA

มาตรฐานการรับรองที่เกี่ยวข้อง: TIA, UL และการทดสอบ Fluke สำหรับสาย CCA

สายเคเบิล CCA จำเป็นต้องสอดคล้องกับทั้งข้อกำหนด UL และ IEC ในเรื่องความปลอดภัยทางไฟฟ้าทั้งในอเมริกาเหนือและยุโรป ยิ่งไปกว่านั้นยังต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมอีกด้วย เช่น การสอดคล้องตาม RoHS มาตรฐาน TIA-568 ได้วางกรอบเป้าหมายด้านประสิทธิภาพสำหรับระบบสายเคเบิลแบบบิดคู่ไว้อย่างชัดเจน แต่พูดตามจริงแล้ว มาตรฐานดังกล่าวแทบไม่ได้กล่าวถึงประเด็นต่างๆ ที่เกิดขึ้นกับวัสดุ CCA ที่ความถี่สูงในย่านคลื่นมิลลิเมตรที่เราต้องเผชิญในปัจจุบัน ห้องปฏิบัติการต่างๆ เช่น TüV Rheinland จะทำการทดสอบสิ่งต่างๆ เช่น การสูญเสียการแทรกสอด (insertion loss) และตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณ แต่พูดตามตรงแล้ว การทดสอบส่วนใหญ่เหล่านี้แทบไม่ตรงกับสภาพแวดล้อม 5G ในโลกแห่งความเป็นจริงที่พฤติกรรมของสัญญาณแตกต่างอย่างมากจากสภาพแวดล้อมในห้องทดลองเลย

มาตรฐานปัจจุบันสามารถครอบคลุมประเด็นด้านประสิทธิภาพของ CCA ที่ความถี่สูงได้อย่างเพียงพอหรือไม่?

กรอบการรับรองส่วนใหญ่ให้ความสำคัญกับความทนทานทางกลมากกว่าสมบัติความถี่สูง จึงเกิดจุดบอดด้านประสิทธิภาพ มาตรฐานเช่น IEC 61156-5 อนุญาตให้มีค่าการสูญเสียการแทรกสูงกว่าซึ่งรองรับจุดอ่อนในตัวของ CCA ทำให้สามารถปฏิบัติตามมาตรฐานได้โดยไม่รับประกันความน่าเชื่อถือที่ความถี่สูงกว่า 24 GHz–ซึ่งจุดด้อยของอลูมิเนียมด้านการนำไฟฟ้าส่งผลอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณภาพสัญญาณ

ความขัดแย้งในการปฏิบัติตามมาตรฐาน: เหตุผลที่ CCA ยังคงได้รับความนิยมแม้ไม่สอดคล้องกับมาตรฐาน

CCA ยังคงได้รับความนิยมเนื่องจากเป็นไปตามมาตรฐานการรับรองพื้นฐาน และช่วยลดต้นทุนได้ราว 25% ถึง 40% ในแต่ละพื้นที่มีข้อกำหนดที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้สามารถใช้งาน CCA ในพื้นที่ที่น้ำหนักมีความสำคัญอย่างมาก เช่น การเดินสายเคเบิลใยแก้วนำแสงในอากาศ การใช้วัสดุที่เบากว่าจะช่วยชดเชยจุดอ่อนทางด้านไฟฟ้าบางประการ สำหรับหลายพื้นที่ที่ยังไม่มีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับสมรรถนะในย่านความถี่สูง ราคาจึงเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด สิ่งนี้เองที่ทำให้ CCA ยังคงมีบทบาทอย่างแข็งแกร่งในส่วนของเครือข่าย 5G ที่ไม่ต้องการสมรรถนะระดับสูงสุด แต่ยังคงต้องการสิ่งที่มีความน่าเชื่อถือและประหยัดงบประมาณ

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดสาย CCA จึงถูกใช้ในเครือข่าย 5G?

สาย CCA มีความคุ้มค่าและมีน้ำหนักเบา ทำให้เหมาะสำหรับการติดตั้งเครือข่าย 5G ในเขตเมืองที่งบประมาณและความสะดวกในการติดตั้งมีความสำคัญอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ก็มีข้อเสียในแง่ของการนำไฟฟ้าและปัญหาประสิทธิภาพที่อาจเกิดขึ้นในย่านความถี่สูง

ปัญหาหลักของสาย CCA คืออะไร

ปัญหาหลักได้แก่ ความต้านทานกระแสตรงสูงกว่า การสูญเสียสัญญาณมากกว่า และมีแนวโน้มเกิดการกัดกร่อนจากไฟฟ้าเคมี โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น นอกจากนี้ CCA ยังมีความแข็งแรงทนทานต่อแรงดึงน้อยกว่า ทำให้ความทนทานลดลงในการติดตั้งแบบอากาศ

CCA เปรียบเทียบกับทองแดงแท้อย่างไรในแอปพลิเคชันความถี่สูง

CCA มีความต้านทานและสูญเสียสัญญาณมากกว่าทองแดงแท้ โดยเฉพาะที่ความถี่สูงซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งาน 5G สิ่งนี้อาจทำให้เกิดการสูญเสียการแทรกสอด (insertion loss) และความไม่สอดคล้องของอิมพีแดนซ์ (impedance mismatches) ซึ่งจำเป็นต้องวางแผนความยาวของช่องสัญญาณอย่างระมัดระวัง

สาย CCA ตรงตามมาตรฐานอุตสาหกรรมหรือไม่

แม้ว่าสาย CCA จะผ่านมาตรฐานการรับรองหลายมาตรฐานรวมถึง UL และ IEC มาตรฐานเหล่านี้มักเน้นไปที่คุณสมบัติทางกลมากกว่าประสิทธิภาพที่ความถี่สูง จึงอาจมีช่องว่างด้านประสิทธิภาพในบางการใช้งาน