ATU อยู่ตรงไหนดี



ห่างหายไปนานเนื่องจากงานปกติรัดตัวมาก เลยไม่ได้เขียนเรื่องเกี่ยวกับวิชาการให้เพื่อนๆ และพี่ๆ น้องๆ ได้อ่านกัน วันนี้พอจะว่างเลยต้องรีบเขียนเรื่องที่อยากเขียนเสียก่อนที่จะลืมหรือถูกงานประจำพรากเวลาไปเสียก่อน ก็คือเรื่องเกี่ยวกับการแมทช์และอุปกรณ์การแมทช์สายอากาศนั่นเองครับ

อย่างที่เราทราบกันมาแล้วโดยคร่าวๆ ว่า การแมทช์สายอากาศก็คือการทำให้อิมพิแดนซ์หลังจากการแมทช์มีค่าเท่ากับอิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ต่อไปที่จะนำไปต่อเข้าด้วยกัน โดยรวมแล้วสำหรับเราที่เป็นนักวิทยุสมัครเล่นก็คือทำให้อิมพิแดนซ์หลังการแมทช์มีค่าเป็น 50Ω เพราะว่าอะไรๆ ในระบบของเราก็เป็น 50Ω ทั้งสิ้น รวมทั้งสิ่งที่สำคัญมากคือ สายนำสัญญาณ ของเราที่เป็นระบบ 50Ω หรือเรียกให้ถูกต้องตามหลักวิชาการก็คือมีอิมพิแดนซ์ประจำตัว (Characteristic Impedance, Z₀) เป็น 50Ω นั่นเอง

สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นที่ใช้งานเฉพาะความถี่ย่าน VHF (ความถี่ย่าน 2m หรือ 144-146MHz) หรือ UHF (ความถี่ย่านประชาชน 1.2m หรือ 245MHz) อาจจะไม่คุ้นเคยกับอุปกรณ์ที่สำคัญอย่างหนึ่งซึ่งก็คือเครื่องจูนสายอากาศ (Antenna Tuning Unit, ATU) ที่ในหลายโอกาสดูเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อเราใช้งานความถี่ต่ำลงในย่าน HF คือความยาวคลื่น 10, 15, 20, 30, 40, 80, 160 เมตร เพราะโดยปกติแล้วสายอากาศในย่าน VHF และ UHF นั้น ผู้ที่ออกแบบสายอากาศจะใส่วงจรปรับอิมพิแดนซ์ (ขาออกของวงจรให้เป็น 50Ω) ไว้แล้วที่ตัวสายอากาศ จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องจูนสายอากาศหรือ ATU นั่นเอง แต่สำหรับผู้ที่ใช้งานความถี่ย่าน HF แล้วเราอาจจะจำเป็นต้อง "พยายาม" ใช้สายอากาศเดียวกับหลายความถี่ ทำให้เกิดความจำเป็นต้อง "จูน" มันเพื่อให้พอใช้งานได้และเกิดปัญหาน้อยที่สุด

มารู้จัก ATU กันก่อน

ATU ย่อมาจาก Antenna Tuning Unit หรือสั้นกว่าคือ Antenna Tuner และอาจจะเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Transmatch ตามแสดงในภาพที่ 1 หน้าที่ของมันก็คือทำการแปลงอิมพิแดนซ์จากค่าอื่นใด (แน่นอน ต้องอยู่ในช่วงที่เครื่อง ATU มีความสามารถ "แปลง" ได้) ให้เป็น 50Ω วงจรภายในของ ATU ก็ประกอบไปด้วยขดลวด (inductor) และตัวเก็บประจุ (capacitor) ปรับค่าได้หลายตัวโดยจะไม่มีตัวความต้านทาน (resistor) ประกอบอยู่ในทางเดินสัญญาณ เนื่องจากการมีตัวความต้านทานจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อน แต่เราไม่ต้องการให้ ATU มีการสูญเสียพลังงาน จึงหลีกเลี่ยงการใช้ตัวความต้านทานในวงจร คงเหลือไว้แต่ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุซึ่งในทางทฤษฎีแล้ว อุปกรณ์ทั้งสองนี้เป็นอุปกรณ์แบบ lossless หรือไม่มีการสูญเสียพลังงานเมื่อสิ่งที่ไหลผ่านมันนั้นเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ (ซึ่งรวมสัญญาณไฟฟ้าในความถี่ย่านคลื่นวิทยุด้วย)



ภาพที่ 1 ATU หรือ Transmatch
จะแปลงอิมพิแดนซ์ค่าอื่นให้เป็น 50Ω  

เหตุผลที่เราต้อง "จูน" หรือปรับอิมพิแดนซ์ (ด้านขาออกของ ATU) ให้เป็น 50Ω ก็เพื่อเมื่อเราต่อสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์จำเพาะขนาด 50Ω เข้าด้วยกันแล้ว เกิดการแมทช์ เนื่องจากอิมพิแดนซ์เท่ากัน จึงไม่มีการสะท้อนของกำลังไฟฟ้านั่นเอง

เรื่องดีๆ ที่บังเอิญเกิดกับย่าน VHF/UHF

อย่างที่เล่าให้ฟังแล้วว่าผู้ที่ออกแบบสายอากาศจะใส่วงจรปรับอิมพิแดนซ์ (ขาออกของวงจรให้เป็น 50Ω) ไว้แล้วที่ตัวสายอากาศสำหรับย่าน VHF และ UHF วงจรที่ว่านี้ที่เราสังเกตเห็นได้ก็คือบรรดาขดลวดบ้าง ตัวเก็บประจุบ้าง หรือทั้งสองอย่างบ้าง สิ่งที่เกิดขึ้นคืออิมพิแดนซ์ขาออกของวงจรปรับอิมพิแดนซ์เหล่านี้จะใกล้เคียง 50Ω เมื่อนำมาต่อกับสายนำสัญญาณขนาด 50Ω ทำให้ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่ง (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) ภายในสายนำสัญญาณเส้นยาวๆ นั้นมีค่าต่ำ (ใกล้เคียง 1:1) ตลอดทั้งเส้น การสูญเสีย การรบกวนต่างๆ ก็ต่ำทั้งเส้น ดูภาพที่ 2



ภาพที่ 2 บางครั้งเราออกแบบให้มีวงจรปรับอิมพิแดนซ์
อยู่ที่ตัวสายอากาศเลย ทำให้ VSWR ในสายนำสัญญาณ
เส้นยาวที่ต่อลงมายังเครื่อง รับ/ส่ง วิทยุมีค่าต่ำทั้งเส้น (ดี)

ตำแหน่งของ ATU

สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นที่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Antenna Tuning Unit (ATU) ซึ่งมักจะใช้งานกับความถี่ย่าน HF (High Frequency) ส่วนมากแล้วก็มักจะติดตั้งเจ้า ATU เอาไว้ในห้องวิทยุก่อนเข้าเครื่องรับ/ส่งของตัวเอง (ดูภาพที่ 3) สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือสายนำสัญญาณ 50Ω จะถูกต่อกับสายอากาศซึ่งอาจจะมีอิมพิแดนซ์ผิดไปจาก 50Ω มาก ทำให้ในสายนำสัญญาณที่ต่อลงมายัง ATU มี VSWR สูงทั้งเส้น (เช่น ถ้าสายอากาศมีอิมพิแดนซ์ 100Ω ก็จะมี VSWR ในสายนำสัญญาณเป็น 2:1) จนกระทั่งมาถึงตัว ATU จึงปรับอิมพิแดนซ์ลงมาเหลือ 50Ω ก่อนต่อเข้าเครื่อง รับ/ส่ง วิทยุ ค่า VSWR ที่สูงในสายนำสัญญาณที่ยาวจะทำให้เกิดการสูญเสียเพิ่มขึ้น และอาจนำมาซึ่งการรบกวนต่างๆ ความดีของการต่อเชื่อมแบบนี้ก็คือปลอดภัยต่อเครื่อง รับ/ส่ง วิทยุของเรา เรียกว่าเป็นการจูนเพื่อเอาใจเครื่องวิทยุเป็นหลักก็คงจะพอได้ ลักษณะของเครื่อง ATU ที่เราเอาไว้ใกล้เครื่อง รับ/ส่ง วิทยุแสดงในภาพที่ 4



 ภาพที่ 3 การต่อ ATU ไว้ด้านเครื่องวิทยุ เป็นการปรับอิมพิแดนซ์
 ขาออกของ ATU ให้เหมาะกับเครื่องวิทยุ (B) แต่สายนำสัญญาณ
 เส้นยาวทั้งเส้น (A) อาจมีค่า VSWR สูงมาก ปัญหายังเกิดอยู่ที่นั่น
 

 

ภาพที่ 4 เครื่อง ATU ที่เราใช้ในห้องวิทยุ จะอยู่ใกล้เครื่องวิทยุ



เอาไปไว้ให้ถูกที่

ในการใช้งานย่านความถี่ HF มีเครื่องจูนสายอากาศหรือ ATU แบบที่เรียกว่า Remote Antenna Tuner ซึ่งเราจะทำการติดตั้งไว้ที่ด้านใกล้ชิดติดกับสายอากาศ (ดูภาพที่ 5 และ 6) เราจะให้เครื่องวิทยุเป็นตัวสั่งการให้ Remote ATU ทำงานปรับอิมพิแดนซ์ลงมาใกล้เคียงกับ 50Ω มากที่สุดตั้งแต่ต้น ดังนั้นเมื่อเราต่อสายนำสัญญาณ 50Ω ออกจากตัว Remote ATU จะทำให้ค่า VSWR บนสายนำสัญญาณเส้นยาวๆ ทั้งเส้นมีค่าต่ำ ก่อนจะต่อเข้าเครื่องวิทยุ การสูญเสียในสายนำสัญญาณ และการรบกวนต่างๆ ก็จะน้อยลง แหม แบบนี้ถึงเรียกว่าเครื่องจูนสายอากาศหน่อย



ภาพที่ 5 Remote ATU จะถูกติดตั้งไว้ใกล้กับสายอากาศ

คือความยาวสายนำสัญญาณ A ที่ต่อมายัง ATU สั้นมาก
และทำการปรับอิมพิแดนซ์ขาออกให้เป็น 50Ω ทำให้ค่า

VSWR ในสายนำสัญญาณ B ที่ยาวมากมีค่าต่ำทั้งเส้น
 

 

ภาพที่ 6 ลักษณะของ Remote ATU จะปิดทึบเนื่องจาก

ต้องติดตั้งไว้ใกล้สายอากาศซึ่งอยู่ภายนอกอาคาร มีช่องต่อ

สายควบคุม สายนำสัญญาณไปยังสายอากาศและลงมายังห้องวิทยุ



สรุป

มีสายอากาศจำนวนมากที่ตัวมันเองมีอิมพิแดนซ์ไม่ใกล้เคียงกับ 50Ω จำเป็นต้องปรับอิมพิแดนซ์ก่อนการต่อเข้ากับสายนำสัญญาณ การปรับนี้จะปรับทางไฟฟ้าคือไม่ได้ไปเพิ่ม ลด ขยับ บิด งอ ตัวสายอากาศทางกายภาพ สายอากาศย่าน VHF เช่น 1/2λ หรือ 5/8λ ล้วนจำเป็นต้องปรับอิมพิแดนซ์ทั้งสิ้น แต่เราไม่เห็นครื่องปรับอิมพิแดนซ์ของสายอากาศ (หรือ ATU) กับมันเพราะมีการใส่วงจรปรับอิมพิแดนซ์เอาไว้แล้ว ต่างจากการใช้งานสายอากาศในย่าน HF ที่เรามักต้องการใช้งานสายอากาศต้นเดียวกับหลายย่านความถี่ ก็จำเป็นต้องใช้ ATU เข้าช่วย (แม้จะพยายามออกแบบสายอากาศให้มีอิมพิแดนซ์ที่ดีสำหรับหลายย่านความถี่ ก็ยังไม่ดีพอ จำเป็นต้องปรับจูนอีก) โดยหลักการคือ อย่าให้ค่า VSWR สูงๆ ไปอยู่ในสายนำสัญญาณเส้นยาวๆ การต่อ ATU ที่ถูกต้องจริงๆ คือต่อให้ใกล้สายอากาศที่สุดด้วย Remote ATU เพื่อให้สายนำสัญญาณเส้นยาวมี VSWR ต่ำทั้งเส้น ช่วยลดการสูญเสียและการรบกวนลง

สำหรับวันนี้ เล่าจบก็หมดแรงพอดี
ไว้พบกันคราวหน้านะครับ วันนี้ต้องบอกว่า
QRU 73 ครับ
จาก HS0DJU/KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)