สายอากาศต้องเรโซแนนซ์หรือไม่



เมื่อพูดถึงสายอากาศเมื่อไร ก็จะมีศัพท์ทางด้านวิชาการอีกหลายคำตามมาด้วยเสมอไม่ว่าจะเป็น อัตราขยายหรือเกน (gain) ของสายอากาศ การเป็น DC ground หรือไม่ หรือว่าค่า VSWR ที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับอิมพีแดนซ์ของสายอากาศนั้นๆ จะเป็นเท่าไร ซึ่งพอมาถึงคำว่าอิมพีแดนซ์ (impedance) ของสายอากาศเมื่อไรก็มีเรื่องวุ่นวายตามมาเสมอ ทั้งความเข้าใจที่ไม่ครบถ้วน หรือไม่ถูกต้อง และก็มีคำถามที่เพื่อนๆ อาจจะเคยได้ยินอีกคำถามหนึ่งตามมาว่า "สายอากาศนั้นเรโซแนนซ์หรือไม่" และ "สายอากาศที่ดีจำเป็นต้องเรโซแนนซ์หรือไม่" เหตุที่หยิบยกเรื่องนี้มาคุยให้ฟังกันก็เพราะว่านักวิทยุสมัครเล่นแทบจะทั่วโลกมักจะมีคำถามเดิมๆ นี้เป็นประจำซ้ำไปซ้ำมาตั้งแต่เมื่อ 50 - 60 ปีที่แล้วก็ถามคำถามนี้ พอมีคนมาตอบหรือพูดคุยกันครั้งหนึ่งก็เงียบหายกันไปทีหนึ่ง พอวันเวลาผ่านไปก็จะมีคนมาถามอีกครั้งอยู่เสมอ (เช่น ถามผ่านนิตยสารในต่างประเทศ เช่น QRZ) มาถึงวันนี้นานๆ ครั้งก็มีคนมาถามคำถามเดิมกันอีก ก็เลยต้องนำมาคุยให้นักวิทยุสมัครเล่นไทยเราได้ฟังกันครับ

ทบทวนเรื่องเรโซแนนซ์

ก่อนอื่นเราต้องมาทำความเข้าใจกันก่อนว่าเรโซแนนซ์ (resonance) หมายถึงอะไร ในทางทฤษฎีไฟฟ้าแล้วคำว่าเรโซแนนซ์หมายถึงอิมพิแดนซ์มีความเป็นความต้านทานล้วนๆ โดยไม่มีส่วนของรีแอคแตนซ์ประกอบอยู่ด้วย นั่นเอง (อ่านเรื่อง มารู้จักอิมพิแดนซ์กันเถอะ ประกอบ)

เราทราบกันดีว่า
z คือ อิมพีแดนซ์ ประกอบด้วย
r คือ รีซิสแตนซ์ (ส่วนความต้านทาน)
x คือ รีแอคแตนซ์ คือส่วนตอบสนองจากความจุหรือเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า
หรือเขียนได้เป็น
z = r + j x Ω
เมื่อ x = 0 คือไม่มีรีแอคแตนซ์
ทำให้
z = r + j0 = r  Ω
หรืออยู่ในสภาวะ เรโซแนนซ์ นั่นเอง

ทั้งนี้เมื่อวงจรอยู่ในสภาวะเรโซแนนซ์แล้ว สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือเฟสของศักดาไฟฟ้าและเฟสของกระแสจะตรงกัน ไปพร้อมกัน ไม่มีการเหลื่อมล้ำกัน (ดูภาพที่ 1)

ภาพที่ 1 เมื่อโหลดของวงจรไฟฟ้าอยู่ในภาวะเรโซแนนซ์
เฟสของกระแสที่ไหลผ่านโหลดจะตรง (ไม่เหลื่อมล้ำ)
กับศักดาที่ป้อนหรือคร่อมโหลดนั้น

โดยปกติแล้วไม่ว่าเราจะใช้สายอากาศชนิดอะไร หรือต่อสายนำสัญญาณมาอย่างไร เราต้องพยายามทำให้ปลายสายนำสัญญาณที่มาต่อกับเครื่องส่งวิทยุมีอิมพีแดนซ์เป็น 50 + j 0 Ω หรือ 50 Ω หรือใกล้เคียงที่สุด (จะห่างมากน้อยแค่ไหนก็วัดค่า VSWR ดูได้) เพื่อให้เครื่องส่งวิทยุทำงานได้ดี มีความสุข และไม่เกิดการเสียหาย อิมพิแดนซ์ 50 + j 0 Ω ที่ x = 0 นั่นก็เรียกได้ว่า เรโซแนนซ์ เช่นกัน แต่เป็นการเรโซแนนซ์ที่ "จุดป้อน" ของสายนำสัญญาณ ซึ่งอาจจะได้มาจากการแมทช์ด้วยวิธีใดๆ มาก่อนหน้า (เช่น แมทช์ที่โคนของสายอากาศก่อนต่อเข้ากับสายนำสัญญาณ หรือ การใช้เครื่องปรับอืมพิแดนซ์หรือ antenna tuner ปรับอิมพิแดนซ์ให้เป็น 50 + j 0 Ω ก่อนการต่อเข้าเครื่องส่งวิทยุก็ได้)

การเรโซแนนซ์ของสายอากาศ

จากที่พูดถึงเบื้องต้น เราไม่ได้พูดถึงตัว "สายอากาศ" เองโดยตรงเลย คือไม่ได้เกี่ยวกับเรื่องตามหัวข้อของบทความนี้ (เพื่อนๆ คงสงสัยว่า อ้าว ถ้าไม่เกี่ยวกันแล้วเล่ามาให้ฟังทำไมตั้งยาว แต่เดี๋ยวก่อนครับ เหตุที่ต้องเล่าให้ฟังเพราะมันเป็นพื้นฐานที่เราต้องทราบกันก่อนที่จะมาถึงเรื่องต่อไป) เพราะจริงๆ แล้วตัวสายอากาศเองก็สามารถอยู่ในสภาวะเรโซแนนซ์หรือไม่ก็ได้ (โดยที่ยังไม่มีวงจรปรับอิมพีแดนซ์มาเกี่ยวข้องนะ) การอยู่ในสภาวะเรโซแนนซ์ของตัวสายอากาศเองเกิดจากการตัดความยาวของส่วนแพร่กระจายคลื่น และ/หรือ ตำแหน่งการวางตัวแพร่กระจายคลื่นที่สัมพัทธ์กับตัวนำไฟฟ้าอื่น และ/หรือ ตำแหน่งของส่วนแพร่กระจายคลื่นและตัวนำไฟฟ้าอื่นที่สัมพัทธ์กับกราวด์ พื้นดิน หรือวัสดุรอบข้าง (ฟังดุยุ่งจัง แต่มันเป็นอย่างนั้นจริงๆ จึงต้องบอกให้ครบ) แต่ถ้าเราตัดตัวนำอื่นที่อาจจะมาอยู่ใกล้ๆ ตัวแพร่กระจายคลื่นออกไป ตัดโลหะสภาพแวดล้อมอื่นออกไป และตัดผลจากพื้นดินออกไป เราก็จะได้สายอากาศเดี่ยวๆ ในที่โล่งซึ่งจะทำให้คาดการณ์อิมพิแดนซ์ได้ง่ายขึ้นมาก และในภาวะนี้เราก็มีสายอากาศหลายอย่างที่เรารู้จักที่เรโซแนนซ์และไม่เรโซแนนซ์ เช่น

ตัวอย่างสายอากาศที่เรโซแนนซ์ (ดูภาพที่ 2)
เป็นสายอากาศที่ไม่มีค่ารีแอคแตนซ์ที่จุดต่อของมัน (x = 0 Ω) เช่น
- ไดโพล 1/2 λ* 
- 1/4 λ (หักทำมุม)
- โฟลเด็ดไดโพล 1/2 λ
- สายอากาศควอด (quad) ความยาวรอบวง 1 λ
- แมกเนติกลูป เรโซแนนซ์ด้วยการจูนร่วมกับ ตัวเก็บประจุ เป็น LC tank circuit
*λ คือความยาวคลื่นวิทยุที่ความถี่ใช้งานนั้นในอากาศ

ภาพที่ 2 สายอากาศแบบเรโซแนนซ์แบบต่างๆ

ตัวอย่างสายอากาศที่ไม่เรโซแนนซ์ (ดูภาพที่ 3)
เป็นสายอากาศที่ไม่มีค่ารีแอคแตนซ์ที่จุดต่อของมัน (x = 0 Ω) เช่น
- สายอากาศ 5/8 λ
- สายอากาศ 7/8 λ
- random wire
- rhombic

ภาพที่ 3 สายอากาศแบบไม่เรโซแนนซ์ต่างๆ

สายอากาศที่เรโซแนนซ์

สำหรับสายอากาศที่เรโซแนนซ์แล้วก็คงไม่มีปัญหามากเนื่องจากว่าจุดต่อเชื่อมที่ขั้วของสายอากาศจะไม่มีค่ารีแอคแตนซ์อยู่ (คือ x = 0) ถ้าค่าความต้านทาน (r) ใกล้เคียง 50 Ω หรือเป็น 50 Ω เช่น ไดโพล 1/2 λ หรือ 1/4 λ ที่หักทำมุม เราก็สามารถต่อเชื่อมกับสายนำสัญญาณที่มีค่าอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว (characteristic impedance) เป็น 50 Ω ได้เลย หรือถ้าเป็นสายอากาศที่มีความต้านทานสูง (r สูง ส่วน x ไม่ต้องสนใจเพราะ x=0 อยู่แล้วเนื่องจากมันเรโซแนนซ์) ก็อาจจะใช้สายนำสัญญาณแบบ ladder line ที่มีค่าอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว 400-600 Ω แทน สิ่งที่เราต้องทำก็เพียงต่อเข้าไปได้เลยตรงๆ และถ้าเป็นสายอากาศแบบ ควอดหรือโฟลเด็ดไดโพล ก็อาจจะต้องปรับอิมพิแดนซ์กันสักหน่อยก่อนที่จะต่อด้วยสายนำสัญญาณแบบ 50 Ω ก็ได้

สายอากาศที่ไม่เรโซแนนซ์

คราวนี้มาว่ากันถึงสายอากาศชนิดไม่เรโซแนนซ์กันบ้าง ก่อนอื่นถ้าถามว่าทำไมเราต้องสนใจสายอากาศแบบนี้กันด้วย คำตอบก็เพราะบางครั้งเราจำเป็นต้องใข้มัน หรือว่าไม่สามารถทำสายอากาศให้มีขนาดใหญ่พอที่จะเรโซแนนซ์ได้ เราก็ต้องจำเป็น (จะว่าจำใจก็ไม่เชิง) ต้องใช้มัน สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นต้นที่ใช้ความถี่ย่าน 2 เมตร (144.000 - 146.000 MHz) เท่านั้นคงนึกภาพไม่ออกนัก แต่กับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นกลางขึ้นไปอาจจะต้องการใช้งานสายอากาศเดียวที่หลายความถี่ (เช่น 7, 14, 21, 24 MHz) สายอากาศนั้นย่อมไม่สามารถจะมีขนาดความยาวที่จะเกิดการเรโซแนนซ์ได้ที่ทุกความถี่  หรือ กับสถานีกระจายเสียงช่วงความถี่ 540-1560 KHz ที่ความยาวคลื่นยาวมากๆ เราก็ไม่สามารถสร้างสายอากาศหรือเสาอากาศ (Tower) ที่สูงยาวหลายร้อยเมตรเพื่อให้ได้ความยาวที่เรโซแนนซ์ได้ ก็จำเป็นต้องใช้สายอากาศที่ตัวมันเองยาวไม่ได้ส่วน และ ให้อิมพิแดนซ์ที่ขั้วต่อมีรีแอคแตนซ์ประกอบอยู่ด้วย (แล้วไปจัดการกันภายหลัง ดูหัวข้อต่อไปเลย)

การใช้งานสายอากาศที่ไม่เรโซแนนซ์

การที่สายอากาศเองไม่เรโซแนนซ์ ไม่ได้หมายความว่ามันใช้งานไม่ได้ ด้วยความพยายาม (ปนดื้อ ถูลู่ถูกัง ก็ว่าได้) เราก็สามารถใช้งานมันได้ วิธีการก็คือเราอาจจะพยายามแมทช์หรือปรับอิมพิแดนซ์ที่โคนสายอากาศเลย (เช่น การใส่คอล์ยที่โคนของสายอากาศแบบความยาว 5/8 หรือ 7/8 λ เพื่อกำจัดรีแอคแตนซ์ที่เป็นความจุไฟฟ้า หรือ capacitive reactance ออกไป) หรืออาจจะใช้เครื่องปรับอิมพิแดนซ์ (Antenna Tuner) ต่อเข้ากับจุดต่อของสายอากาศกับสายนำสัญญาณ หรือต่อก่อนเข้าเครื่องส่ง (การต่อเข้าที่ด้านใกล้สายอากาศจะได้ผลดีกว่า เพราะ VSWR ในสายนำสัญญาณทั้งเส้นที่จะต่อเข้ามายังเครื่องส่งวิทยุจะมีค่าต่ำ ทำให้มีการสูญเสียเนื่องจากค่า VSWR สูง น้อย)

แล้วสายอากาศที่ไม่เรโซแนนซ์ใช้งานได้ไหม

คราวนี้มาถึงประเด็นสำคัญกับคำถามที่ว่าแล้วเราสามารถใช้งานสายอากาศที่ไม่เรโซแนนซ์ได้หรือไม่  คำตอบคือใช้งานได้ และทุกวันนี้เราก็ใช้งานกันอยู่ เพียงแต่ว่าก่อนที่จะต่อเข้าเครื่องส่งวิทยุเราก็ทำการปรับอิมพีแดนซ์ของมันให้เรียบร้อยเสียก่อน ซึ่งอาจจะทำให้ยุ่งยากซับซ้อนขึ้นในการต้องมีอุปกรณ์ปรับอิมพิแดนซ์ (ที่อาจจะต้องปรับไปมาตลอดเวลาที่เราเปลี่ยนความถี่ใช้งาน) แต่ก็แลกกับความสะดวกที่ระบบสายอากาศนั้นสามารถใช้งานได้หลายความถี่นั่นเอง

ข้อสำคัญที่ควรทราบ

แม้ว่าทั้งสายอากาศแบบเรโซแนนซ์และไม่เรโซแนนซ์สามารถถูกใช้งานในการสื่อสารได้ดีทั้งคู่ แต่ก็มีเทคนิคสำคัญที่เราควรรู้ เช่น

1) ถ้าสายอากาศสั้นมากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น จะทำให้ความต้านทานการแพร่กระจายคลื่น (Rr - Radiating Resistance) ต่ำมาก (อาจจะต่ำถึง 5 Ω) โดยที่ความต้านทานของตัวนำที่ทำสายอากาศ (Ro - Ohmic Resistance) อาจจะสูงถึง 5 Ω เช่นกัน ทำให้สายอากาศมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่ำ เพราะพลังงานกลายเป็นความร้อนในตัวนำที่ทำสายอากาศนั้น (ซึ่งไม่ดี เพราะสิ่งที่เราต้องการคือให้ Rr สูงกว่า Ro มากๆ)

2) อิมพิแดนซ์ของสายอากาศแบบไม่เรโซแนนซ์อาจจะผิดไปจากอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว (characteristic impedance) ของสายนำสัญญาณที่มาต่อเชื่อมอยู่มาก เช่น อิมพิแดนซ์ของสายอากาศเป็น 450 + j 300 Ω ในขณะที่อิมพิแดนซ์เฉพาะตัวของสายนำสัญญาณเป็น 50 Ω จะมีการสูญเสียในสายนำสัญญาณเนื่องจาก VSWR สูง (อ่านเรื่อง การสูญเสียกำลังในสายนำสัญญาณกับค่า VSWR ประกอบ) ในบาลัน และในวงจรปรับอิมพิแดนซ์มาก

สรุป

สายอากาศทั้งแบบเรโซแนนซ์และไม่เรโซแนนซ์ สามารถใช้งานได้ทั้งสองอย่าง มีนักวิทยุจำนวนมากที่ประสบความสำเร็จที่ดีในการใช้งานสายอากาศทั้งสองแบบ เพียงแต่เราต้องติดตั้งและปรับแต่งให้ถูกต้อง ซึ่งมีความสำคัญมากกว่าที่ว่ามันเป็นสายอากาศแบบไหน สายอากาศแบบเรโซแนนซ์จะใช้งานได้ง่าย ปรับอิมพิแดนซ์ให้แมทช์กับเครื่องส่งวิทยุได้ง่าย (หรือแม้แต่ไม่ต้องปรับเลย) ทำให้มีการสูญเสียต่ำ ประสิทธิภาพในการรับ-ส่งดี (ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า คือ สูญเสียกำลังน้อย) แต่ก็อาจจะต้องการพื้นที่ติดต้้งมากและใช้งานได้เฉพาะความถี่ (ดูภาพที่ 4) ในขณะที่สายอากาศแบบไม่เรโซแนนซ์อาจจะยุ่งยากกว่าในการปรับอิมพิแดนซ์ให้ใช้งานได้ดี มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าต่ำกว่า แต่ก็ติดตั้งรวมทั้งเลือกขนาดได้ง่ายกว่า ใช้งานได้หลายความถี่กว่า (ดูภาพที่ 5) เรียกว่ามีดีคนละแบบนั่นเอง

ภาพที่ 4 สายอากาศแบบเรโซแนนซ์ ต่อเชื่อมง่าย การสูญเสียต่ำ

ภาพที่ 5 สายอากาศแบบไม่เรโซแนนซ์ ใช้งานสะดวกได้หลายความถี่

แต่ต่อเชื่อมยากกว่า การสูญเสียมากกว่า

สำหรับวันนี้ คงหมดแรงเล่าให้ฟังเพียงเท่านี้ก่อน แล้วพบกันใหม่ในเรื่องต่อไปครับ ขอบคุณครับ
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ