ทำไมทริมสายนำสัญญาณแล้ว VSWR เปลี่ยนได้

ภาพที่ 1 กระแส I₃ ทำให้สายนำสัญญาณกลายเป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศไปด้วย

 



ที่จริงผมก็ไม่แน่ใจว่าตั้งชื่อบทความนี้ถูกต้องหรือเปล่า แต่ถึงจะไม่ใช่ก็น่าจะใกล้เคียงนะครับเพื่อนๆ ที่ต้องหยิบยกเอาเรื่องนี้มาเล่ากันก็เพราะว่าเรามักจะได้ยินการพูดหรือเล่าต่อกันมาว่า นักวิทยุจะต้องมีการตัดสายนำสัญญาณออกทีละเล็กทีละน้อยหรือที่เรียกว่าการทริม (trim แปลว่า เล็ม ตัดออกเล็กน้อย) เพื่อให้ได้ค่า VSWR หรือ อัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณนั้นมีค่าต่ำที่สุด (ที่เป็นไปได้คือ 1:1)

ถ้าเราลองย้อนกลับไปอ่านบทความเรื่อง ความต้านทานที่เปลี่ยนไปตามสายนำสัญญาณ ที่ผ่านมา เราจะเห็นว่า ตามทฤษฎีสายนำสัญญาณแล้ว ถ้าระบบสายอากาศถูกต้องแล้ว การตัด (หรือต่อ) ปลายสายนำสัญญาณให้สั้นลงเล็กน้อยทำให้อิมพิแดนซ์ที่ปลายสายนั้นเปลี่ยนไปได้ แต่จะไม่ทำให้ VSWR เปลี่ยนไป เพราะมีค่าอิมพิแดนซ์จำนวนมากมายที่ทำให้ได้ค่า VSWR เดียวกัน ยกตัวอย่างเช่น โหลด 25 + j0 Ω หรือ 50 + j0 Ω (และที่จริงแล้ว อีกมากมายนับไม่ถ้วน) ก็ให้ค่า VSWR เป็น 2:1 ได้เหมือนกัน อ้าว.. แล้ว เวลาที่นักวิทยุสมัครเล่นยางคนทริมสายอากาศ ทำไมค่าของ VSWR มันเปลี่ยนล่ะ (คนที่เคยทำก็คงจะนึกในใจว่าจริงๆ นะ จริงๆ ด้วยแหละ จะให้เป็นพยานก็ยังได้เลย มันเปลี่ยนจริงๆ นะ) - เอ้า เปลี่ยนก็เปลี่ยน

แบบนี้ทฤษฎีก็ผิดสิ

หลายคนอาจจะคิดในใจตามนี้เลยว่า ถ้าเป็นแบบนี้แล้วก็แสดงว่าทฤษฎีไม่ถูกล่ะสิ คำตอบก็คือ "ไม่ใช่แบบนั้น" นั่นคือ ทฤษฎีก็ยังคงถูกต้องของเขานั่นแหละ แต่มีข้อแม้ว่าสายนำสัญญาณต้องทำหน้าที่ในแบบที่มันถูกออกแบบมาให้ทำ และประเด็นสำคัญในจุดนี้ก็คือ "สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) ที่เราใช้อยู่นั้นจะต้องไม่มี common mode current หรือกระแสที่ไหลอยู่ที่ผิวด้านนอกของส่วนชีลด์หรือเปลือกของมันด้วย (ดูภาพที่ 1 ในเรื่อง Balun และการเลือกใช้)

สายนำสัญญาณกลายเป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศ

เมื่อเราต่อสายนำสัญญาณออกจากสายอากาศ ไม่ว่าจะด้วยเหตุผลกลใดก็ตาม ที่ทำให้มีกระแสไหลอยู่ที่ด้านนอกของส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมแล้ว (กระแส I₃ ในภาพที่ 1) นั่นหมายความว่า ผิวตัวนำด้านนอกของส่วนชีลด์ของสายโคแอกเชียลนั้น "ทำหน้าที่เป็นส่วยหนึ่งของสายอากาศด้วย" ตามในภาพที่ 1 ของบทความนี้ (แล้วก็เป็นทั้งเส้น ยาวมาเรื่อยๆ จากปลายด้านสายอากาศมายังเครื่องวิทยุของเรานั่นแหละ แต่ถ้ายิ่งใกล้สายอากาศมาก กระแสก็มากหน่อย ไกลขึ้นก็น้อยลง เป็นเพราะผลของความเหนี่ยวนำตามความยาวของสายนำสัญญาณที่ยิ่งยาวขึ้นก็มีค่ามากขึ้น) การตัดสายนำสัญญาณให้สั้น/ยาว ย่อมเหมือนการตัดต่อส่วนออกอากาศ (ส่วนหนึ่งของสายอากาศ) ไปด้วย ก็ย่อมทำให้ค่า VSWR เปลี่ยนไป ไม่แปลก!

กราวด์สัญญาณ (RF ground)

สายอากาศนั้น นอกจากต้องมีส่วนแพร่กระจายคลื่นแล้ว สายอากาศบางแบบยังต้องมี "กราวด์สัญญาณ" (RF ground) ของมันอีกด้วย เจ้า กราวด์สัญญาณ นี้จะอยู่ใกล้เหมือนเป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศ ไม่ใช่ว่ามาอยู่ด้านเครื่องวิทยุสื่อสาร ที่มีความต้านทานถึงกันเป็น 0 หรือเกือบศูนย์โอห์มเป็นพอ (นั่นเป็น Power ground หรือกราวด์ภาคจ่ายไฟกำลัง) ถามว่ากราวด์สัญญาณมีหน้าที่ทำอะไร หน้าที่มันสำคัญมาก ถ้าเปรียบเทียบกับ "นักว่ายน้ำ" หรือ "นักวิ่ง 100 เมตร" ที่ต้องกระโดดลงสระหรือถีบตัวเพื่อเร่งความเร็ว ย่อมจะต้องยัน (ถีบ จะตรงกว่า) กับขอบสระ ขอบสปริงบอร์ด หรือ สตาร์ทติ้งบล็อก เพื่อให้ตัวเองทะยานออกไปได้ กับสายอากาศก็คล้ายกัน คือ ต้องมีส่วนที่เป็นตัวนำอ้างอิงให้คลื่นครบวงจรของมันได้ (ผ่านช่องว่างระหว่างกัน) และเมื่อใดก็ตามที่กราวด์สัญญาณไม่ดีพอ ไม่ใหญ่พอ ออกแบบไม่ถูกต้อง หรือแม้กระทั่งไม่มี!!! (ลืมไปมั้ง ว่าต้องมี) ก็จะมำให้เกิด common mode current ไหล ที่ผิวด้านนอกของเปลือกของสายนำสัญญาณ และอาศัยผิวด้านนอกของเปลือกของสายนำสัญญาณนั่นแหละเป็น กราวด์สัญญาณ และ/หรือ เป็นอีกส่วนหนึ่งของสายอากาศ (ที่ต้องมี) ไปจนได้

และถึงแม้จะมี RF ground ไว้ที่ตัวสายอากาศเอง ก็ไม่มีแบบไหนที่เป็นกราวด์โดยสมบูรณ์อยู่ดี ดังนั้นเรียกง่ายๆ ว่า เจ้า commond mode current ก็ยังพยายามจะเกิดขึ้นให้ได้อยู่ดี (ตื้อ... ว่างั้นเถอะ) ยุ่งจัง!

สายนำสัญญาณคุณภาพแย่

อีกหนึ่งความเป็นไปได้ที่ทำให้เมื่อเราตัดสายนำสัญญาณให้สั้นลงหรือมีความยาวเปลี่ยนไปแล้วทำให้ค่า VSWR เปลี่ยนไปด้วยก็คือคุณภาพของสายนำสัญญาณที่ใช้นั้นไม่ดีพอ  ความไม่ดีก็คือมันมีอิมพีแดนซ์เฉพาะ (characteristic impedance หรือ Z₀) ผิดไปจาก 50 โอห์ม อาจจะทั้งเส้น หรือบางส่วน ซึ่งอาจจะเพราะผลิตมาไม่ถูกต้อง หรือหัก บิด งอ ทำให้เมื่อนำมาใช้งาน ตัวมันจะทำตัวเป็นหม้อแปลงอิมพิแดนซ์ไปโดย (ที่เรา) ไม่ได้ตั้งใจ และเมื่อมันแปลงอิมพิแดนซ์ไปๆ มาๆ ย่อมทำให้อิมพิแดนซ์สุดท้ายเปลี่ยนไปในทางที่จะทำให้ VSWR เปลี่ยนแปลงไปได้

สรุป

โดยหลักการแล้ว ถ้าสายนำสัญญาณคุณภาพสูง และ ไม่มี common mode current เกิดขึ้นในระบบ การทริมสายนำสัญญาณจะไม่เกิดผลทำให้ VSWR เปลี่ยนแปลงไปได้ (ไม่รวมถึงการที่ค่า VSWR ต่ำลงที่ปลายสายนำสัญญาณที่ยาวมากๆ นะครับ นั่นเป็นผลจากการสูญเสียในสายนำสัญญาณซึ่งเป็นคนละเรื่องกัน) การที่ทริมสายนำสัญญาณแล้วทำให้ค่า VSWR เปลี่ยนไปแสดงว่าผิวด้านนอกของเปลือกของสายนำสัญญาณของเราทำหน้าที่ออกอากาศไปด้วย (ใช่ ในห้องวิทยุเราด้วย ซึ่งเป็นเรื่องอันตรายได้) และควรได้รับการแก้ไขที่ตัวสายอากาศให้ถูกต้องเสียก่อน วิธีการก็มีหลายหลาก เช่น ใส่โช้คเพื่อลด RF common mode current, ใช้บาลันที่ทำหน้าที่หักลบกลบหนี้ common mode current เป็นต้น

สำหรับวันนี้ต้องกล่าวคำว่า QRU 73 ก่อน
แล้วพบกันใหม่ในบทความหน้านะครับ

HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)