Basic Understanding of Impedance Matching
โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)
ในวงการวิทยุ / วิทยุสมัครเล่นโดยทั่วไป เรามักได้ยินคำว่า
• 50Ω
• แมทชิ่ง (matching)
• SWR
แต่หลายครั้งเรามองมันเป็นแค่ “ตัวเลข” โดยไม่ได้เข้าใจว่า จริงๆ แล้วกำลังเกิดอะไรขึ้นกับพลังงานไฟฟ้าความถี่สูงนั้น บทความนี้จะพาไปดูตั้งแต่
• สายส่ง (Transmission line)
• จุดต่อ (Transition)
• สายอากาศ (Antenna)
• และ Matching circuit
โดยใช้ภาพเพื่ออธิบาย “การไหลของพลังงาน” มากกว่าสมการ
ความหมายของคำว่าแมทช์ (match)
ถ้าพูดถึงคำว่าแมทช์ (match) โดยทั่วไปจะหมายถึงการทำให้ของสองอย่าง (ขึ้นไป) เข้ากันได้
และสำหรับเรื่องเกี่ยวกับงานการสื่อสารด้วยวิทยุแล้วก็มักจะหมายถึงการทำให้ระบบสองระบบต่อเชื่อมเข้ากันได้อย่างดีโดยไม่มีปัญหา
และสำหรับเรื่องเกี่ยวกับงานการสื่อสารด้วยวิทยุแล้วก็มักจะหมายถึงการทำให้ระบบสองระบบต่อเชื่อมเข้ากันได้อย่างดีโดยไม่มีปัญหา
แต่ถ้ามองให้ลึกลงไปอีกเราจะเน้นไปที่ การต่อเชื่อมระหว่างอุปกรณ์สองชนิดเข้าด้วยกันโดยเกิดการส่งผ่านกำลังได้มากที่สุดและมีการสะท้อนกลับน้อยที่สุด ซึ่งจะเน้นที่ความเข้ากันได้ของอิมพิแดนซ์ระหว่างอุปกรณ์สองชนิด ซึ่งเป็นความหมายที่ครอบคลุมกว่าการที่เราจะพูดเฉพาะการต่อระหว่างสายอากาศกับสายนำสัญญาณเท่านั้น เราค่อยๆ มาดูคำอธิบายกันดังนี้
การต่อเชื่อมอุปกรณ์สองชิ้นเข้าด้วยกัน
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างสายอากาศเข้ากับสายนำสัญญาณ
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างสายนำสัญญาณสองเส้นเข้าด้วยกัน
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างเครื่องมือสื่อสาร (เครื่องส่ง/รับ วิทยุ) เข้ากับสายนำสัญญาณ
ดังนั้นการคำนึงเรื่องการแมทช์จึงครอบคลุมทุกเรื่อง ตามตัวอย่างด้านบนนั้นยังไม่ได้รวมถึงการต่อเชื่อมระหว่างวงจรต่างๆ ภายในเครื่องส่ง/รับวิทยุซึ่งแน่นอนว่าจะต้องคำนึงถึงการเข้ากันได้นี้ด้วย (ดูรูปที่ 1)
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างสายอากาศเข้ากับสายนำสัญญาณ
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างสายนำสัญญาณสองเส้นเข้าด้วยกัน
อาจจะเป็นการต่อเชื่อมระหว่างเครื่องมือสื่อสาร (เครื่องส่ง/รับ วิทยุ) เข้ากับสายนำสัญญาณ
ดังนั้นการคำนึงเรื่องการแมทช์จึงครอบคลุมทุกเรื่อง ตามตัวอย่างด้านบนนั้นยังไม่ได้รวมถึงการต่อเชื่อมระหว่างวงจรต่างๆ ภายในเครื่องส่ง/รับวิทยุซึ่งแน่นอนว่าจะต้องคำนึงถึงการเข้ากันได้นี้ด้วย (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1 เมื่อใดที่มีการต่อเชื่อมอุปกรณ์
สองชิ้นเข้าด้วยกัน เราต้องระวังเรื่องการ
สองชิ้นเข้าด้วยกัน เราต้องระวังเรื่องการ
เข้ากันได้ของอุปกรณ์ นอกจากนั้นยังมี
เรื่องสำคัญคือการแมทช์กันของ
อิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ทั้งสองชิ้นด้วย
ในรูปที่ 1 ด้านบน เราจะเห็นว่าอุปกรณ์ที่นำมาต่อเข้าด้วยกันนั้น ณ จุดต่ออาจจะมีอิมพิแดนซ์ไม่เท่ากัน เช่น
• Z0 ≠ Za (Z0 เป็นอิมพิแดนซ์เฉพาะตัวของสายนำสัญญาณ, Za เป็นอิมพิแดนซ์จุดป้อนของสายอากาศ)
• Z1 ≠ Z2 (Z1 และ Z2 เป็นอิมพิแดนซ์ที่มองเข้าไปทั้งสองด้านของจุดต่อเชือม)
• Zℓ ≠ Zout (Zout เป็นอิมพิแดนซ์ขาออกของวงจรของเครื่องวิทยุ, Zℓ เป็นอิมพิแดนซ์ที่มองเข้าไปจากปลายสายนำสัญญาณที่นำมาต่อกับเครื่องวิทยุ)
เมื่อใดก็ตามที่อิมพิแดนซ์ที่จุดต่อเชื่อมไม่เท่ากัน ก็จะเกิดการสะท้อนของกำลังไฟฟ้าทันที
ดังนั้นถ้าเราต้องการส่งผ่านกำลังไปให้มากที่สุด เกิดการสะท้อนกลับน้อยที่สุดเราก็ต้องทำให้อิมพิแดนซ์ทั้งสองด้านมีค่าเท่ากัน (บทความนี้จะเว้นเรื่องการคำนวณเอาไว้ก่อน ซึ่งที่จริงแล้วเราสามารถคำนวณได้ทั้งหมดว่าการสะท้อนมีค่าเท่าไร)
ถ้านึกภาพไม่ออกลองนึกถึงท่อน้ำสองท่อ ท่อแรกมีขนาด 3/4 นิ้ว และท่อที่สองมีขนาด 1/2 นิ้ว แล้วจับเอามาชนกัน จากนั้นปล่อยน้ำจากท่อแรกไปยังท่อที่สอง น้ำก็จะวิ่งไปข้างหน้าแล้วสามารถเข้าไปยังท่อที่สองได้บ้าง กระเด็นกระฉอกออกมาบ้าง นั่นคือการไม่แมทช์กัน
แต่หากเราเอา "ข้อต่อลดขนาดท่อ" จาก 3/4 ไป 1/2 นิ้ว มาต่อเข้าระหว่างท่อทั้งสอง น้ำก็จะไหลได้ดี ไม่มีการกระเด็นกลับมา (ดูรูปที่ 2)
เมื่อมีการไม่แมทช์กัน (mismatching) เกิดขึ้น กำลังไฟฟ้าจะไม่สามารถถูกส่งผ่านได้เต็มที่" ตัวอย่างเช่น
• ถ้าเราสายอากาศอิมพิแดนซ์จุดป้อน 75Ω เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 75Ω จะแมทช์กัน
ยิ่งอิมพิแดนซ์ต่างกันมาก ยิ่งไม่แมทช์มาก เกิดการสะท้อนกลับของคลื่นมาก และคลื่นที่วิ่งไปด้านหน้าในทิศทางที่เราต้องการน้อยลงมาก และสะท้อนกลับไปทิศทางตรงกันข้ามมากขึ้น
ดังนั้นสิ่งที่โอห์มมิเตอร์ทั่วไปที่วัดได้จะไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นที่ความถี่สูง ในความถี่สูง ลวดเส้นสั้นๆ ไม่ว่าจะตรงหรือขดไปมา หรือ ตัวนำไฟฟ้าสองชิ้นที่อยู่ใกล้กันจะมีความเหนี่ยวนำและความจุทางไฟฟ้าเกิดขึ้นและประพฤติตัวต่างออกไปจากเมื่อมีไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่าน
อิมพิแดนซ์ที่มีเฉพาะจำนวนจริง RΩ โดยส่วนจินตภาพเป็น ±j0 Ω (หรือ X = 0) จะเกิดขึ้นเมื่ออยู่ในสภาพ "กำทอน" หรือ resonance ทางไฟฟ้า ทำให้ผลของความเหนี่ยวนำและความเก็บประจุไฟฟ้าหักล้างกันพอดี) แต่ในกรณีปกติแล้วลักษณะของตัวเลขของอิมพิแดนซ์จะเห็นจำนวนเชิงซ้อนซึ่งแสดงถึงความเหนี่ยวนำ (inductance) หรือ ความจุไฟฟ้า (capacitance) ที่เสมือนว่ามีอยู่อีกด้วย เราคุยเรื่องนี้ให้ละเอียดขึ้นในเรื่อง มารู้จักอิมพิแดนซ์กันเถอะ
รูปที่ 2 เปรียบเที่ยบการไม่แมทช์กัน
หรือเข้ากันไม่ได้ของค่าทางไฟฟ้า
กับท่อน้ำ ซึ่งเราสามารถทำให้มัน
"เข้ากันได้" ด้วยอุปกรณ์บางอย่าง
ถ้าเป็นท่อน้ำก็คือ "ข้อต่อปรับขนาด"
แล้วในทางไฟฟ้าล่ะ
แม้ตัวอย่างท่อน้ำในรูปที่ 2 อาจจะไม่ตรงกับสิ่งที่เกิดขึ้นจริงๆ ทั้งหมดในสายนำสัญญาณ ขั้วสายอากาศ และวงจรวิทยุสื่อสารแต่ก็เรียกได้ว่าทำให้มองเห็นภาพได้ดี โดยในหลักการทางไฟฟ้านั้นสามารถอธิบายได้ง่ายมากคือ
เมื่อใดก็ตามที่เราต่อเชื่อมของสองอย่างที่มีอิมพิแดนซ์ต่างกันเข้าด้วยกัน จะเกิดการไม่แมทช์ และมีการสะท้อนกลับของคลื่นหรือกำลังไฟฟ้า ที่จุดเชื่อมต่อนั้น
เมื่อมีการไม่แมทช์กัน (mismatching) เกิดขึ้น กำลังไฟฟ้าจะไม่สามารถถูกส่งผ่านได้เต็มที่" ตัวอย่างเช่น
• ถ้าเราสายอากาศอิมพิแดนซ์จุดป้อน 75Ω เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 75Ω จะแมทช์กัน
• ถ้าเราสายอากาศอิมพิแดนซ์จุดป้อน 50Ω เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 50Ω จะแมทช์กัน
• ถ้าเราสายอากาศอิมพิแดนซ์จุดป้อน 75Ω เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 50Ω จะไม่แมทช์กัน
• ถ้าเราสายอากาศอิมพิแดนซ์จุดป้อน 50Ω เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 75Ω จะไม่แมทช์กัน
ยิ่งอิมพิแดนซ์ต่างกันมาก ยิ่งไม่แมทช์มาก เกิดการสะท้อนกลับของคลื่นมาก และคลื่นที่วิ่งไปด้านหน้าในทิศทางที่เราต้องการน้อยลงมาก และสะท้อนกลับไปทิศทางตรงกันข้ามมากขึ้น
ในทางปฏิบัติทำอย่างไร
ในทางปฏิบัติเราสามารถตั้งมาตรฐานของอิมพิแดนซ์เพื่อให้ผู้ออกแบบระบบต่างๆ ใช้เป็นมาตรฐาน
จะได้เอาของต่างยี่ห้อ ต่างผู้ผลิต มาต่อกันได้ ส่วนมากแล้วในระบบสื่อสารเราจะใช้อิมพิแดนซ์ (ความต้านทานไฟฟ้าเชิงความถี่) ขนาด 50Ω และ 75Ω และสำหรับนักวิทยุสมัครเล่นอาจจะมีสายนำสัญญาณแบบ 450Ω ให้ใช้ด้วย (ส่วนสายนำสัญญาณ 300Ω เริ่มเสื่อมความนิยมลงไปมากและแทบไม่เห็นกันแล้ว)
ในทางปฏิบัติเราสามารถตั้งมาตรฐานของอิมพิแดนซ์เพื่อให้ผู้ออกแบบระบบต่างๆ ใช้เป็นมาตรฐาน
จะได้เอาของต่างยี่ห้อ ต่างผู้ผลิต มาต่อกันได้ ส่วนมากแล้วในระบบสื่อสารเราจะใช้อิมพิแดนซ์ (ความต้านทานไฟฟ้าเชิงความถี่) ขนาด 50Ω และ 75Ω และสำหรับนักวิทยุสมัครเล่นอาจจะมีสายนำสัญญาณแบบ 450Ω ให้ใช้ด้วย (ส่วนสายนำสัญญาณ 300Ω เริ่มเสื่อมความนิยมลงไปมากและแทบไม่เห็นกันแล้ว)
เป็นมาตรฐาน สำหรับวงการวิทยุสมัครเล่นเราใช้ระบบ 50 โอห์ม นั่นคือทำให้
- อิมพิแดนซ์เฉพาะตัว (characteristic impedance) ของสายนำสัญญาณเป็น 50Ω
- พยายามออกแบบความต้านทานขาออกและขาเข้าของวงจรความถี่สูงต่างๆ (ขาเข้าของวงจรเครื่องรับ และ ขาออกของวงจรเครื่องส่ง) ให้เป็น 50Ω
- พยายามออกแบบสายอากาศให้แพร่กระจายคลื่นในรูปแบบที่ต้องการ มีประสิทธิภาพเชิงความถี่และเชิงไฟฟ้าที่ต้องการ แล้วทำการแปลงอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนจนได้ความต้านทานที่ขั้วป้อน/ขั้วขาเข้า ของสายอากาศให้มีอิมพิแดนซ์ 50Ω
การพยายามทำให้ของทุกอย่างเป็น 50Ω ก่อนที่จะทำการต่อเชื่อมเข้าด้วยกันจะได้การส่งผ่านกำลังสูงที่สุดและมีการสะท้อนกลับต่ำที่สุดตามต้องการ หรือตัวอย่างในรูปที่ 3 เป็นการใส่วงจรแมทชิ่งเข้าไปเพื่อแปลงอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศจาก 90Ω ให้เป็น 50Ω ก่อนจะต่อเข้ากับสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว 50Ω ก็เป็นวิธีหนึ่งในความพยายามนี้
รูปที่ 3 (บน) ถ้าเราต่อสายอากาศที่มี
อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนไม่เท่ากับอิมพิแดนซ์
เฉพาะตัวของสายนำสัญญาณเข้าด้วยกัน
จะเกิดการสะท้อนกลับของกำลังไฟฟ้า
อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนไม่เท่ากับอิมพิแดนซ์
เฉพาะตัวของสายนำสัญญาณเข้าด้วยกัน
จะเกิดการสะท้อนกลับของกำลังไฟฟ้า
(ล่าง) เราแก้ไขได้ด้วยการใส่วงจรแปลง
อิมพิแดนซ์จาก 90Ω ให้เป็น 50Ω เสียก่อน
จากนั้นจึงต่อเข้ากับสายนำสัญญาณ 50Ω
ก็จะไม่เกิดการสะท้อนกลับของกำลัง
ระวังเรื่องการวัด
ผู้อ่านหลายท่านที่มีความรู้เรื่องไฟฟ้าบ้าง เมื่อเห็นสัญญลักษณ์ความต้านทานไฟฟ้าเป็น Ω อาจจะนึกถึงมัลติมิเตอร์ของตัวเองแล้วนำมาวัดสายอากาศบ้าง สายนำสัญญาณบ้าง แต่ขอให้สังเกตว่าเราไม่สามารถใช้มัลติมิเตอร์ (ซึ่งทำงานกับไฟฟ้ากระแสตรง) ในการวัด "อิมพิแดนซ์" (impedance) ซึ่งเป็นความต้านทานแบบเชิงซ้อนและสัมพันธ์กับความถี่ของสัญญาณที่ใช้/กำลังวัด ที่เรากำลังพูดถึงนี้ได้ เพราะโอห์มมิเตอร์วัดความต้านทานไฟฟ้าด้วยความถี่ 0Hz คือเป็นไฟฟ้าที่คงที่ ไม่เปลี่ยนไปมา ค่าที่วัดได้จะเป็น "ความต้านทานกับไฟฟ้ากระแสตรง" (ดูรูปที่ 4)
รูปที่ 4 โอห์มมิเตอร์ทั่วไปทำการวัดค่า
ความต้านทานที่ความถี่ 0Hz หรือไฟฟ้า
กระแสตรง (DC) จึงไม่สามารถบอก
อิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ความถี่สูงได้
เพราะอุปกรณ์เหล่านั้นทำงานที่กระแส
ไฟฟ้าความถี่สูง เช่น ความถี่วิทยุ
ดังนั้นสิ่งที่โอห์มมิเตอร์ทั่วไปที่วัดได้จะไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นที่ความถี่สูง ในความถี่สูง ลวดเส้นสั้นๆ ไม่ว่าจะตรงหรือขดไปมา หรือ ตัวนำไฟฟ้าสองชิ้นที่อยู่ใกล้กันจะมีความเหนี่ยวนำและความจุทางไฟฟ้าเกิดขึ้นและประพฤติตัวต่างออกไปจากเมื่อมีไฟฟ้ากระแสตรงไหลผ่าน
ยิ่งสัญญาณหรือกระแสไฟฟ้ามีความถี่สูงขึ้น เช่น 5Mhz 10Mhz 145Mhz 245MHz หรือกว่านั้นก็ตาม ความเหนี่ยวนำและความจุทางไฟฟ้า (ซึ่งมีหน่วยเป็น เฮนรี่, H และ ฟารัด, F ตามลำดับ) ที่มีอยู่นั้นยิ่งมีผลมากขึ้นต่ออิมพิแดนซ์หรือความต้านทานไฟฟ้าเชิงความถี่ (ดูรูปที่ 5)
ดังนั้นถ้าจะพูดว่าอะไรมีอิมพิแดนซ์เท่าไรก็ควรจะระบุความถี่กำกับไว้ด้วย ซึ่ง "อิมพิแดนซ์" เองก็อาจจะอยู่ในรูปของจำนวนเชิงซ้อนไม่ใช่จำนวนจริง ซึ่งส่วนจำนวนจินตภาพของมันแสดงถึงผลของความจุไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่ขึ้นกับความถี่ด้วยนั่นเอง เราใช้สัญญลักษณ์ Z แทนอิมพิแดนซ์ซึ่งคือ "ความต้านทานเชิงซ้อน" นั่นเอง
รูปที่ 5 ที่ความถี่สูง ยิ่งเป็นความถี่ระดับ
ความถี่วิทยุ (RF) เส้นลวดที่มีความยาว
โดยเฉพาะถ้าขดไปมา หรือโลหะสองชิ้น
ที่อยู่ใกล้กัน ก็มีคุณสมบัติความเหนี่ยวนำ
และความจุไฟฟ้าได้ และมีผลได้มากขึ้น
เมื่ออยู่ในวงจรที่ทำงานที่ความถี่สูงขึ้น
ดังนั้นถ้าจะพูดว่าอะไรมีอิมพิแดนซ์เท่าไรก็ควรจะระบุความถี่กำกับไว้ด้วย ซึ่ง "อิมพิแดนซ์" เองก็อาจจะอยู่ในรูปของจำนวนเชิงซ้อนไม่ใช่จำนวนจริง ซึ่งส่วนจำนวนจินตภาพของมันแสดงถึงผลของความจุไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำไฟฟ้าที่ขึ้นกับความถี่ด้วยนั่นเอง เราใช้สัญญลักษณ์ Z แทนอิมพิแดนซ์ซึ่งคือ "ความต้านทานเชิงซ้อน" นั่นเอง
Z = R + jX (Ω)
ทั้ง R และ X มีหน่วยเป็น Ω
R เป็นส่วนจริงของอิมพิแดนซ์ (R = Resistance)
X เป็นส่วนจินตภาพของอิมพิแดนซ์ (X = Reactance) มีค่าเป็น + (ความเหนี่ยวนำ) และ - (ความจุไฟฟ้า) ได้ เกิดจากความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้า และมักขึ้นกับความถี่
ทำให้อิมพิแดนซ์ Z เปลี่ยนไปตามความถี่ด้วย
อิมพิแดนซ์ที่มีเฉพาะจำนวนจริง RΩ โดยส่วนจินตภาพเป็น ±j0 Ω (หรือ X = 0) จะเกิดขึ้นเมื่ออยู่ในสภาพ "กำทอน" หรือ resonance ทางไฟฟ้า ทำให้ผลของความเหนี่ยวนำและความเก็บประจุไฟฟ้าหักล้างกันพอดี) แต่ในกรณีปกติแล้วลักษณะของตัวเลขของอิมพิแดนซ์จะเห็นจำนวนเชิงซ้อนซึ่งแสดงถึงความเหนี่ยวนำ (inductance) หรือ ความจุไฟฟ้า (capacitance) ที่เสมือนว่ามีอยู่อีกด้วย เราคุยเรื่องนี้ให้ละเอียดขึ้นในเรื่อง มารู้จักอิมพิแดนซ์กันเถอะ
สรุป
- การแมทช์กันคือการเข้ากันได้ของอุปกรณ์ต่างๆ ที่ต่อร่วมกัน
- บ่อยครั้งมากที่เจาะจงหมายถึง "มีอิมพิแดนซ์เท่ากัน"
- คำว่า "อิมพิแดนซ์เท่ากัน" คือเมื่อมองเข้าไปยังพอร์ต (ขั้วต่อ) ของอุปกรณ์สองชิ้นที่มาต่อเชื่อมกัน นั่นคือไม่ได้หมายถึงอิมพิแดนซ์ของสายนำสัญญาณเท่านั้น
- การแมทช์กันจะทำให้เกิดการส่งผ่านกำลังสูงสุด ในมุมของงานความถี่สูงยังจะหมายถึงการส่งกำลังไปได้โดยไม่มีการสะท้อนกลับที่จุดต่อเชื่อม
- เราสามารถปรับปรุงอิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อให้มีอิมพิแดนซ์เท่ากันก่อนจะต่อเชื่อมเข้าด้วยกัน เพื่อให้เกิดการแมทช์และส่งกำลังได้ดีที่สุด
©Jitrayut Chunnabhata, 2016.
This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is discouraged.
© 2016 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ
เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และหลีกเลี่ยงการคัดบอกเนื้อหาไปเผยแพร่ซ้ำโดยตรง
