สายนำสัญญาณแบบเปิด (open-wire)

นอกจากสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial transmission line) ที่เราใช้กันทุกวันนี้แล้วเมื่อก่อนก็ยังมีสายนำสัญญาณอีกชนิดหนึ่งที่เป็นที่นิยมกันมากคือสายนำสัญญาณแบบเปิด (Open-wire) ที่อาจจะเป็นแบบสายคู่ (Twin-lead) หรือแบบบันได (Ladder Line) ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษก็คือสามารถนำไปใช้ป้อนสายอากาศที่ไม่กำทอน (ไม่รีโซแนนซ์, non resonance) ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงกว่าสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม สงสัยไหมครับว่าทำไม

สายอากาศที่ไม่รีโซแนนซ์

สายอากาศที่ไม่รีโซแนนซ์ คือสายอากาศที่มีรีแอคแตนซ์ (มี reactance คือมีส่วนของ ±jx โดยที่ x ≠ 0 คือแสดงความเป็นตัวเก็บประจุและ/หรือความเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าปนอยู่) เกิดจากการที่ความยาวทางไฟฟ้าของมันยาวหรือสั้นเกินไปเมื่อเทียบกับความถี่ที่ทำงาน (ถ้ายาวพอดีจะรีโซแนนซ์) โดยทั่วไปมีความเข้าใจว่าสายอากาศที่มีประสิทธิภาพที่ดี (คำว่าประสิทธิภาพหรือ efficiency ในความหมายเชิงวิศวกรรมคือความสามารถในการแปลงรูปพลังงาน ในกรณีของสายอากาศก็คือการแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) นั้นจะต้องรีโซแนนซ์เท่านั้นซึ่งไม่จริง โดยความจริงคือสายอากาศที่รีโซแนนซ์จะป้อนสัญญาณได้ง่ายและทำงานได้ดีด้วยสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม แต่สายอากาศที่ไม่รีโซแนนซ์และถูกป้อนด้วยสายนำสัญญาณแบบเปิด (open-wire transmission line เช่น สายนำสัญญาณแบบคู่หรือ twin lead หรือ ladder line) และใช้จูนเนอร์ช่วยปรับอิมพีแดนซ์ก่อนต่อเข้าเครื่องส่งวิทยุก็ทำงานได้ดีเช่นกันโดยมีข้อดีอีกอย่างหนึ่งก็คือ สามารถออกแบบสายอากาศให้ทำงานได้หลายช่วงความถี่ (เป็นสายอากาศแบบ multi-band) ด้วย

เมื่อใดก็ตามที่ความยาวของสายอากาศมากกว่าครึ่งคลื่นของความถี่ต่ำที่สุดที่เราต้องการให้สายอากาศนั้นทำงาน ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของสายอากาศน้ำก็จะสูงเกิน 90% อยู่แล้วและถือว่าใช้ได้ (ต่างจากกรณีสายอากาศแบบไดโพลที่สั้นมาก จะมีอิมพิแดนซ์ต่ำมากและจะมีประสิทธิภาพต่ำ) เหมือนๆ กับสายอากาศแบบไดโพล (½-λ dipole) แต่ปัญหาก็คือวิธีการป้อนสายอากาศที่ไม่รีโซแนนซ์เหล่านี้ต่างหาก การป้อนสายอากาศที่ไม่รีโซแนนซ์ด้วยสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) จะเกิดการสูญเสียมากเนื่องจากความร้อนในฉนวน (ถ้ารีโซแนนซ์ไม่เป็นไร) และความร้อนที่เกิดขึ้นนี้ทำให้นักวิทยุสมัครเล่นส่วนมากเข้าใจผิดคิดไปว่าสายอากาศแบบไม่รีโซแนนซ์มีประสิทธิภาพแย่ (ต่ำ) แต่ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ว่าสายอากาศรีโซแนนซ์หรือไม่ แต่อยู่ที่ว่าค่า VSWR บนสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมนั้นสูงมากต่างหาก มาดูกันต่อครับ

สายนำสัญญาณแบบเปิดกับ VSWR

ความพิเศษของสายนำสัญญาณแบบเปิดโดยเฉพาะอย่างยิ่งแบบขั้นบันได (Ladder Line) คือการสูญเสียต่ำทั้งที่ค่า VSWR สูง  เราได้รู้กันมาแล้วในบทความที่แล้วว่าถ้าต่อสายอากาศที่ไม่แมตช์กับสายนำสัญญาณมากๆ ซึ่งทำให้มีค่า VSWR ในสายนำสัญญาณสูง จะเกิด การสูญเสียพิเศษ เพิ่มเข้าไปอีกจากการสูญเสียในสายนำสัญญาณตามปกติ แต่การสูญเสียพิเศษที่เพิ่มเข้าไปนี้ไม่เท่ากันในสายนำสัญญาณแบบต่างๆ โดยในสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมหรือ Coaxial จะมากที่สุด ดังนั้นเราสามารถใช้สายนำสัญญาณแบบขั้นบันได (Ladder Line) ป้อนสายอากาศที่ทำให้เกิดค่า VSWR สูงตั้งแต่ 1:1 ถึง 1:10 ได้อย่างสบายใจโดยที่ไม่ต้องสนใจว่าสายอากาศนั้นรีโซแนนซ์หรือเปล่าหรือมีค่า VSWR เป็นเท่าใด และเมื่อลากสายนำสัญญาณลงมาถึงเครื่องวิทยุเราก็ใส่ ATU (Antenna Tuner Unit) เข้าไปเพื่อปรับอิมพีแดนซ์ให้เป็น 50 + j 0 Ω เท่านั้นเอง

ค่า VSWR บนสายนำสัญญาณแบบเปิดกับสายอากาศแบบหลายย่าน

ถ้าเราพูดถึงสายอากาศไดโพลแบบหลายย่านความถี่ (multi-band) สมมุติว่าเราป้อนความถี่ 40 เมตรให้กับสายอากาศที่มีความยาวสำหรับความถี่ 80 เมตร นั่นคืออิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนจะสูงมาก (เช่น 3,500 Ω) ถ้าเราป้อนด้วยสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม 50 Ω จะมีค่า VSWR 70:1 เมื่อคิดไปมาแล้วจะมีการสูญเสียรวมกว่า 80% แต่ถ้าเราใช้สายนำสัญญาณแบบเปิดที่มีอิมพิแดนซ์จำเพาะเป็น 600 Ω ค่า VSWR จะเป็น 5.83:1 และมีการสูญเสียเพียง 3% เท่านั้น

คราวนี้เราให้สายอากาศทำงานที่ความถี่ 80 เมตร (ตรงย่าน) สายอากาศจะมีอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนเป็น 50 Ω เมื่อต่อด้วยสายนำสัญญาณแบบเปิดที่มีอิมพิแดนซ์จำเพาะเป็น 600 Ω ก็จะมี VSWR เป็น 12:1 ซึ่งทำให้ความสูญเสียรวมเป็น 7% (ในกรณีนี้ สายนำสัญญาณแบบ ladder line ที่มีอิมพิแดนซ์จำเพาะ 450 Ω จะได้ผลดีกว่า)

สรุป

สายนำสัญญาณแบบเปิดยังคงมีข้อดีและน่าสนใจเหมือนกันนำมาใช้งานอยู่เนื่องจาก

1. มีการสูญเสียต่ำ (คือ เมื่อต่อกับโหลดที่แมทช์ ก็สูญเสียน้อย)
2. มีการสูญเสียส่วนพิเศษเนื่องจากค่า VSWR สูงไม่มาก (ข้อนี้สำคัญ คือ เมื่อต่อกับโหลดที่ไม่แมทช์เอามากๆ จะมีการสูญเสียเพิ่มไม่เท่าไร)
3. มีค่าอิมพีแดนซ์จำเพาะอยู่ในบริเวณตรงกลางของช่วงอิมพีแดนซ์ของสายอากาศที่เป็นไปได้ (ช่วง 20 - 3,500 Ω) ทำให้ค่า VSWR ไม่สูงสุดโต่ง (ไม่ขนาด 70:1 แบบในตัวอย่างข้างบน)

หวังว่า เพื่อนๆ พอมองเห็นภาพของการใช้งานสายนำสัญญาณแบบนี่ขึ้นบ้างนะครับ อาจจะลองสร้างเล่นใช้เองก็ไม่ผิดกฏแต่ประการใด พบกันใหม่ในเรื่องต่อไปนะครับ

QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)