โดยทั่วไปแล้วคลื่นย่าน VHF (เช่น ย่านความยาวคลื่น 2 เมตรหรือความถี่ 145 MHz) จะวิ่งเป็นเส้นตรงทะลุทะลวงชั้นบรรยากาศออกนอกโลกไปเลย ทำให้การติดต่อสื่อสารเป็นเพียงเส้นตรง (line of sight) เท่านั้น ทำให้การตั้งเสาอากาศสูงๆ เพื่อนำสายอากาศไปติดไว้บนยอดมักทำให้ระยะการติดต่อสื่อสารไกลขึ้น แต่คลื่นย่านความถี่ต่อลงมาคือ HF (เช่น 20, 40, 80, 160 เมตร หรือ 14, 7, 3.5, 1.8 MHz) จะสามารถสะท้อนชั้นบรรยากาศได้ ทำให้ระยะทางการติดต่อสื่อสารไกลขึ้นโดยไม่ต้องตั้งเสาอากาศให้สูงมากนัก สายอากาศที่สูงจากพื้นดินเพียง 5-6 เมตรสามารถติดต่อได้ในระยะทางหลายพันกิโลเมตร ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้กับความถี่ย่าน VHF (คิดง่ายๆ ว่าถ้าเพื่อนต้องการติดต่อระหว่างสถานีอภูเก็ตกับเชียงใหม่ ด้วยย่านความถี่ VHF จะต้องตั้งเสาอากาศสูงเท่าไร.... คงนึกไม่ออกเหมือนกัน เพราะถ้าไม่ใช่สภาพการณ์พิเศษแบบ trophosheric ducting แล้วก็คงแทบเป็นไปไม่ได้ที่จะติดต่อกันได้)
อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ตามมากับความถี่ที่ต่ำลงคือ สายอากาศที่มีขนาดใหญ่โตขึ้น เพราะโดยพื้นฐานแล้วสายอากาศจะมีขนาดอย่างน้อยก็ 1/4 ของความยาวคลื่นหรือที่เรียกว่า quarter wavelength ถ้าจะให้ดีหน่อยก็ต้องมีขนาด ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นหรือที่เรียกว่าสายอากาศแบบไดโพล คราวนี้ บรรดาสายอากาศที่เราใช้กันในย่านความถี่ HF ก็จะยาวกัน 10, 20, 40 หรือ 80 เมตร เรียกว่ายาวเกินบ้านเกินที่ดินที่มีกันเลยเชียว แล้วคราวนี้เราจะทำอย่างไรถึงจะติดตั้งสายอากาศขนาดใหญ่แบบนี้ลงไปในพื้นที่เล็กๆ ได้ล่ะ คำตอบกีหลายคำตอบตั้งแต่เลือกชนิดของสายอากาศที่มีรูปร่างอื่น (เช่น แบบลูปสามหรือสี่เหลื่อม) ไปจนกระทั่งทำให้สายอากาศ "เล็กลง" สำหรับในบทความนี้เราจะมาดูกันที่วิธีที่สอง คือการทำให้สายอากาศมีขนาดเล็กลงกัน
พื้นฐานของสายอากาศ
อย่างที่เราทราบกันว่า สายอากาสพื้นฐานคือสายอากาศแบบไดโพลที่ยาวครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ถ้าถามว่า ทำไมสายอากาศจึงต้องมีขนาดความยาวครึ่งคลื่นด้วย ก็เพราะเมื่อเราสร้างสายอากาศจากตัวนำสองตัว สิ่งที่เกิดขึ้นมีสองอย่างหลักคือ ความเหนี่ยวนำเนื่องจากความยาวของตัวนำ และความจุไฟฟ้าที่เกิดจากตัวนำทั้งสอง เมื่อความยาวสั้นเกินไป สายอากาศจะมีอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้ามากกว่าอิมพิแดนซ์เนื่องจากความเหนี่ยวนำ (ดูภาพที่ 1) เมื่อสายอากาศยาวเกินไป อิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้าจะน้อยกว่าอิมพิแดนซ์เนื่องจากความเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า (ดูภาพที่ 2)
ภาพที่ 1 สายอากาศที่สั้นเกินไป จะมีอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้า (capacitance) XC
มากกว่าจากความเหนี่ยวนำ (inductance) XL อิมพิแดนซ์รวมจึงมีส่วนของความจุไฟฟ้าเหลืออยู่
ภาพที่ 2 สายอากาศที่ยาวเกินไป จะมีอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้า (capacitance) XC
น้อยกว่าจากความเหนี่ยวนำ (inductance) XL อิมพิแดนซ์รวมจึงมีส่วนของความเหนี่ยวนำไฟฟ้าเหลืออยู่
ต่อเมื่อ ความยาวถูกต้องคือประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (ประมาณ เพราะต้องชดเชยความเร็วของคลื่นบนตัวนำด้วย ซึ่งต่ำกว่าในสุญญากาศเล็กน้อย) จึงทำให้ค่าอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำของตัวนำทั้วสองหักล้างกันพอดี หรือที่เรีกยว่า เรโซแนนซ์ (ดูภาพที่ 3) และมีความต้านทานการแพร่กระจายคลื่นในช่วงที่ทำงานได้ คือมีส่วนจริงของอิมพิแดนซ์เป็นประมาณ 50-75 Ω ซึ่งในกรณีของไดโพลแบบครึ่งคลื่นที่เรโซแนนซ์แล้วจะมีอิมพิแดนซ์รวมประมาณ 73 + j0 Ω นั่นเอง
ภาพที่ 3 สายอากาศที่ยาวพอดี จะมีอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้า (capacitance) XC เท่ากับอิมพิแดนซ์
จากความเหนี่ยวนำ (inductance) XL ทำให้รีแอคแตนซ์หักล้างกัน เหลือแต่อิมพิแดนซ์ที่เป็นส่วนจริง (R)
เท่านั้นซึ่งเเราเรียกว่ากำทอน หรือ เรโซแนนซ์ (Resonance) ทางไฟฟ้านั้นเอง
เท่านั้นซึ่งเเราเรียกว่ากำทอน หรือ เรโซแนนซ์ (Resonance) ทางไฟฟ้านั้นเอง
ทำอย่างไรให้สายอากาศสั้นลง
เมื่อเราต้องการทำให้สายอากาศสั้นลง แล้วเราตัดให้มันสั้นลงเอาดื้อๆ อย่างนั้น จะทำให้ได้สายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์เนื่องจากความจุไฟฟ้า (capacitance) มากกว่าจากความเหนี่ยวนำ (inductance) ตามภาพที่ 1 สิ่งที่เราต้องทำคือ เพิ่มอิมพิแดนซ์เนื่องจากความเหนี่ยวนำเข้าไปให้กับสายอากาศเพื่อชดเชยความยาวที่หายไป โดยการใส่ตัวเหนี่ยวนำเข้ากับสายอากาศตามภาพที่ 4 ซึ่งถ้าเราเลือกได้ถูกต้องแล้ว จะทำให้เราสามารถได้สายอากาศที่เรโซแนนซ์ได้ ในขนาดที่สั้นลง
ภาพที่ 4 เราสามารถเพิ่มตัวเหนี่ยวนำเข้ากับสายอากาศที่สั้นลง
เพื่อทำให้ดูเหมือนมันยาวขึ้นทางไฟฟ้า
ขนาดและตำแหน่งของตัวเหนี่ยวนำ
ในการเลือกขนาดของตัวเหนี่ยวนำที่จะต้องใช้ จะขึ้นกับ
1) เราต้องการหดสายอากาศให้สั้นลงมาเท่าไร ยิ่งหดให้สั้นลงมามาก ยิ่งต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ขึ้น
2) ตำแหน่งของตัวเหนี่ยวนำ ยิ่งอยู่ห่างจากจุดป้อนตรงกลางมากขึ้น จะต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ขึ้น
ข้อมูลคร่าวๆ เพื่อเป็นแนวทาง
ภาพที่ 5 สายอากาศแบบไดโพลที่เราต้องการทำให้สั้นลง จะมี
ระยะ B และ C ตามตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ ดูตารางที่ 1 ประกอบ
ต่อไปนี้คือข้อมูลคร่าวๆ เพื่อเป็นแนวทางในการทำสายอากาศแบบไดโพลในย่านความถี่ HF ให้สั้นลง เราต้องการทำให้สายอากาศที่มีขนาดปกติคือยาวข้างละ B + C เมตร (ดูภาพที่ 5) ให้สั้นลง จะเห็นว่าเมื่อเราวางตัวเหนี่ยวนำให้ใกล้หรือไกลออกจากจุดป้อน ความเหนี่ยวนำที่ใช้จะต่างกัน ดูตารางที่ 1
ตารางที่ 1 ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้จะมีผลต่อระยะ B และ C
ของสายอากาศไดโพลที่เราต้องการทำให้สั้นลง
ทั้งนี้ ในการสร้างสายอากาศชนิดนี้ นักวิทยุจะต้องทดลองสร้างสายอากาศขึ้นมาจริงๆ จากนั้นจึงทดลองวัดอิมพิแดนซ์ ค่า VSWR ด้วยเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ และดูว่าสายอากาศเรโซแนนซ์ (และมี VSWR ต่ำสุด) ที่ความถี่เท่าไร ถ้าเรโซแนนซ์ที่ความถี่ต่ำเกินไปก็อาจจะตัดสายไฟตัวนำที่ทำสายอากาศให้สั้นลง (โดยแนะนำให้ค่อยๆ ตัดทั้งส่วน B และ C สลับกันไป) หรือทำให้ตัวเหนี่ยวนำมีขนาดใหญ่ขึ้น (แต่ในทางปฏิบัติ เราคงไม่อยากเปลี่ยนขนาดตัวเหนี่ยวนำที่พันมาแล้ว จึงมักเลือกการตัดต่อสายไฟตัวนำที่ทำสายอากาศมากกว่า (ใช่ครับ ต่อก็ได้ ในกรณีที่ความถี่เรโซแนนซ์สูงเกินไป ก็ต่อให้ยาวขึ้นได้ในบางกรณีเพื่อการทดลอง)
ตัวอย่าง
สายอากาศของผู้เขียน ย่านความถี่ 7 MHz (40 meter band) ที่ปกติแล้วจะต้องยาวประมาณ 20 เมตร แต่ถูกทำให้สั้นลงมาเหลือเพียง 8.5 เมตร (ความยาวรวม ขึ้นกับขนาดตัวเหนี่ยวนำและการวางตำแหน่งของสัดส่วนระยะ B กับ C ด้วย ต้องทดลองสร้างและปรับแต่งเอง) โดยเรโซแนนซ์ (ค่ารีแอคแตนซ์ X = 0 Ω) และได้ค่า VSWR ดีกว่า 1.5:1 ใช้ตัวเหนี่ยวนำข้างละ 20µH
หวังว่าเรื่องนี้คงพอเป็นแนวทางให้เพื่อนๆ ได้ทดลองสร้างสายอากาศที่มีขนาดเล็กลง แล้วได้ทดลองใช้งานกันนะครับ
สำหรับวันนี้ต้องขอ 73 ไปก่อน พบกันใหม่ในเรื่องหน้านะครับ
de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
อ้างอิง
http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/shortant.html
การพันตัวเหนี่ยวนำบนท่อทรงกระบอก http://zpostbox.ru/how_to_calculate_inductors.html
