เรื่องลึกแต่ไม่ลับของ VSWR



เชื่อเหลือเกินว่านักวิทยุแทบทุกคน เมื่อเริ่มเข้ามาในวงการ ได้จับ ได้เล่นวิทยุไม่นาน จะต้องรับรู้คำศัพท์ต่างๆ จำนวนมาก นอกจากคำศัพท์เกี่ยวกับการสนทนาเช่นตัวย่อของ Q-code ต่างๆ แล้ว ก็ยังมีศัพท์ย่อต่างๆ ที่ใช้เรียกสิ่งต่างๆ อีก (เช่น YL, OM, Mobile, Eyeball และสิ่งอันเป็นที่เคารพบูชาของนักวิทยุสุภาพบุรุษทั้งหลายก็คือ XYL เป็นต้น) แน่นอนว่าถ้าเป็นศัพท์ด้านเทคนิคแล้วล่ะก็ นอกจากโวลเตจ กระแส แอมแปร์ วัตต์ เหล่านี้แล้ว จะต้องมี "ศัพท์สร้างโลก" ที่มักถูกรุ่นพี่ย้ำนักหนาว่าจะต้องดูแลให้ดีก็คือ VSWR หรือ SWR (เหมือนกัน หมายถึงของอย่างเดียวกัน) และก็มักถูกสอนไว้ว่า ถ้าตัวเลขของ VSWR มีค่าสูงจะไม่ดีอย่างนั้นอย่างนี้ อาจจะทำให้เครื่องวิทยุเสียหายบ้าง อาจจะทำให้ส่งไม่ออกบ้าง เรียกได้ว่าถ้าเอาสายอากาศติดขึ้นไปบน เสา อาคาร หรือแม้แต่ลำไม้ไผ่แล้วล่ะก็ แทบไม่ต้องไปดูอย่างอื่นกันเลย ดูไอ้เจ้า VSWR นี่อย่างเดียวก็พอ ถ้ามันดีแล้วเดี๋ยวอย่างอื่นดีหมดตามมา ว่าไปนั่น!

ในบทความนี้ผมจึงหาโอกาสเล่าความตามความเป็นจริงสักหน่อยว่า สิ่งที่เราระวังกันนักหนานั้น ส่วนใดเป็นจริง ส่วนใดจริงบ้างไม่จริงบ้าง และส่วนใดไม่จริง

การสะท้อนกับ SWR

ตามทฤษฎีแล้ว เมื่อเราต่อโหลดเข้ากับสายนำสัญญาณ ถ้าอิมพิแดนซ์ของโหลด (Z_L) กับความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณ (Z₀) มีค่าเท่ากันคือ Z_L = 50 + j0 Ω และ Z₀ = 50 Ω แล้วล่ะก็จะทำให้ไม่มีการสะท้อนกลับที่จุดเชื่อมต่อ ดูรูปที่ 1



รูปที่ 1 เมื่อเราต่อโหลดเข้ากับสายนำสัญญาณ
ที่แมทช์กัน จะไม่มีกำลังสะท้อนกลับ (สีส้ม)
และทำให้ค่า SWR = 1:1





คราวนี้ ย้อนกลับมากรณีที่เกิดปัญหากันบ้าง คือ เมื่ออิมพิแดนซ์ของโหลด (Z_L) มีค่าไม่เท่ากับความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณ (Z₀) แล้ว ก็จะมีการสะท้อนกลับเกิดขึ้นที่จุดต่อเชื่อมดังแสดงในรูปที่ 2



รูปที่ 2 เมื่อเราต่อโหลดที่มีค่าอิมพิแดนซ์
ไม่เท่ากับความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณ
จะเกิดกำลังสะท้อนกลับ (สีส้ม)

รูปที่ 3 เราสามารถคำนวณค่า SWR จากกำลัง
ตกกระทบและกำลังสะท้อนกลับได้







ซึ่งเราสามารถคำนวณค่าของ SWR จากกำลังที่วิ่งเข้าสู่โหลดและที่สะท้อนกลับก็ได้คือ (รูปที่ 3) โดย
P_f  เป็นกำลังไฟฟ้าที่ตกกระทบ  และ
P_r  เป็นกำลังไฟฟ้าสะท้อนกลับ
หมายเหตุ
เราสามารถคำนวณค่า SWR ได้จากหลายอย่างมาก เช่น ค่าอิมพิแดนซ์ของโหลดและความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณ  หรือคำนวณจากสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ หรือคำนวณจากโวลเตจสูงสุดและต่ำสุดบนสายนำสัญญาณ รวมทั้งจากกำลังที่ตกกระทบและสะท้อนกลับตามสมการในรูปที่ 3 ด้วย

นั่นไงล่ะ
เห็นไหม ถ้าค่า SWR แย่กว่า 1:1 แล้วล่ะก็ จะมีการสะท้อนกลับ กำลังไฟฟ้าจะสะท้อนกลับมา และทำให้กำลังออกอากาศน้อยลง ดังนั้นต้องทำให้ค่าSWR ต่ำที่สุดเท่านั้นด้วยเหตุผลนี้ เย้

แต่... เดี๋ยวก่อน!!

ถึงตรงนี้ผมอยากเน้นให้เพื่อนๆ ย้อนกลับไปดูภาพที่ 2 ให้ดีอีกครั้งหนึ่งว่า "กำลัง" หรือ Power ที่เราใช้การคำนวณ SWR ในภาพนั้น เกิดเมื่อสายนำสัญญาณมีความยาวมาก มากๆ และมากที่สุด คือยาวเป็น ∞ (infinity) นั่นเอง นั่นหมายความว่า กำลังไฟฟ้าที่สะท้อนกลับที่โหลดก็จะสะท้อนกลับไปเลย ไม่สะท้อนกลับมาอีกนั่นเอง

การต่อเครื่องส่งเข้ากับสายอากาศในทางปฏิบัติ

ในทางปฏิบัติแล้ว เมื่อเราต้องการต่อเครื่องส่งวิทยุเข้ากับสายอากาศ แน่นอนว่าถ้าใช้เครื่องวิทยุชนิดพกพา เราอาจจะต่อเข้าไปตรงๆ ได้เลย แต่ถ้าเราต้องการต่อสายอากาศภายนอกแล้ว เราก็มักใช้สายนำสัญญาณช่วยในการต่อเชื่อม ตามรูปที่ 4



รุปที่ 4 เมื่อเราต่อเชื่อมโหลดหรือสายอากาศ
เข้ากับเครื่องวิทยุด้วยสายนำสัยญาณที่มี
ความยาวจำกัด จะเกิดกำลังไฟฟ้าสะท้อนไปมา





จากรูปที่ 4 จะเห็นชัดเจนว่าสายนำสัญญาณนี้ก็มีความยาวจำกัดอยู่ค่าหนึ่ง สมมติว่าสายนำสัญญาณที่ใช้ไม่มีการสูญเสียกำลังไฟฟ้าที่วิ่งผ่านตัวมันไปเป็นความร้อน สิ่งที่เกิดขึ้นคือ

• เมื่อเครื่องส่งวิทยุส่งกำลังออกไป (สีชมพู ① ในภาพที่ 4) คลื่นจะวิ่งไปหาโหลด กำลังส่วนใหญ่จะถูกโหลดคือสายอากาศรับไว้ (แล้วเปลี่ยนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) และ
• คลื่นบางส่วนสะท้อนกลับจากโหลด (สีส้ม ②) และวิ่งกลับมายังเครื่องวิทยุ 
• ที่เครื่องรับวิทยุ เนื่องจากภาคขาออก (ภาคเอ้าท์พุท) ของมันไม่ใช่ความต้านทาน 50Ω แต่ถูกออกแบบให้เป็น conjugate matching (ไว้เราคุยเรื่องนี้กันในคราวต่อไปนะครับ) ทำให้กำลังไฟฟ้าที่วิ่งกลับมาหาตัวมันเกือบทั้งหมด "สะท้อนกลับไปยังโหลดอีกครั้งหนึ่ง" (Re-reflect) แสดงเป็นสีม่วง ③และวิ่งกลับไปถึงโหลด (สายอากาศ)
• เมื่อกำลังไฟฟ้าสีม่วงวิ่งไปถึงโหลด กำลังส่วนใหญ่จะถูกโหลดคือสายอากาศรับไว้เหมือนคราวแรก กำลังส่วนน้อยจะสะท้อนกลับมาอีกครั้งหนึ่ง เป็นสีน้ำตาล ④) วิ่งกลับมายังเครื่องส่งวิทยุ และ
• เมื่อถึงฝั่งเครื่องส่งวิทยุ กำลังเกือบทั้งหมดจะสะท้อนกลับอีกครั้ง (สีเขียว ⑤ ในภาพ) และกำลังส่วนนี้ก็จะวิ่งไปหาโหลดหรือสายอากาศอีก
• สิ่งที่เกิดขึ้นนี้ดำเนินไปเรื่อย จนคลื่นที่สะท้อนจะมีขนาดเล็กลงๆ จนหายไป เนื่องจากการสะท้อนเป็นสัดส่วนของคลื่นที่ตกกระทบ

ผลที่เกิดขึ้นโดยรวมก็คือ ถ้าสายนำสัญญาณไม่มีการสูญเสีย และภาคขาออกของเครื่องส่งวิทยุเป็นแบบอุดมคติ จะเกิดการสะท้อนกลับไปทั้งหมดโดยไม่มีการสูญเสียเลย ทำให้ในที่สุดแล้ว กำลังงานทั้งหมดก็จะถูกสะท้อนส่งกลับไปหาโหลดหรือสายอากาศทั้งหมดอยู่ดีโดยไม่ได้เดือดร้อนมากมายนักว่าค่า SWR หรือ VSWR ของโหลดหรือสายอากาศเป็นเท่าไร แต่ในความเป็นจริง การสะท้อนกลับจากภาคขาออกของเครื่องส่งวิทยุ ไม่ได้สะท้อนกลับทั้งหมด แต่ถูกดูดกลืนหายไปบ้างเพราะภาคขาออกของเครื่องส่งวิทยุไม่ได้เป็นแบบอุดมคติ ทำให้เมื่อโหลดหรือสายอากาศไม่แมทช์กับสายนำสัญญาณ จึงมีการสูญเสียของกำลังไฟฟ้าไปบ้าง (แต่ไม่ได้มากมายแบบที่เราไม่ได้รวมผลของการ Re-reflect เข้าไปด้วย)

ถ้าอย่างนั้นที่รุ่นพี่สอนมาก็ผิดหมดน่ะสิ

ก็ไม่เชิง โดยแม้ผลสรุปมีส่วนจริงอยู่บ้าง แต่เหตุผลที่มาที่ไปก็ไม่ได้ถูกอธิบายไว้อย่างครบถ้วน ภาคขาออกของเครื่องส่งวิทยุไม่ได้เป็นแบบอุดมคติ และสายนำสัญญาณที่เราใช้จริงๆ นั้นมีการสูญเสียเกิดขึ้น และการสูญเสียนี้เองทำให้มี "การสูญเสียเพิ่มเติมเนื่องจาก SWR สูง" บวกเข้าไปอีก (อ่านเรื่อง การสูญเสียกำลังในสายนำสัญญาณกับค่า VSWR เพิ่มเติม) นั่นแปลว่าในสายนำสัญญาณเส้นเดียวกัน ถ้าเราต่อกับโหลดหรือสายอากาศที่แมทช์กับไม่แมทช์ (กับ Z₀) จะทำให้มีการสูญเสียเป็นความร้อนในตัวมันไม่เท่ากัน การต่อกับโหลดหรือสายอากาศที่แมทช์จะมีการสูญเสียรวมน้อยกว่าเมื่อต่อโหลดหรือสายอากาศที่ไม่แมทช์ นอกจากนั้นการมีค่า SWR สูง ทำให้มีคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณบางจุดที่ทำให้ค่าโวลเตจสูงมาก อาจจะเกิดอันตรายกับคนหรือกับสายนำสัญญาณ (คือเสียหายเนื่องจากการ breakdown หรือทนศักย์ไฟฟ้าไม่ได้ที่บางตำแหน่ง) แต่ในระดับของวิทยุสมัครเล่นแล้วเรื่องเหล่านี้มักไม่เป็นปัญหามากนัก

สรุป

ก่อนจะจบเรื่องนี้ ขอสรุปให้เพื่อนๆ ผู้อ่านได้เข้าใจประเด็นหลักอีกครั้งดังนี้

1. ภาคขาออกของเครื่องส่ง ไม่ได้มีวงจรเสมือนที่มีความต้านทานขาออก 50Ω เพื่อจะแมทช์กับวงจรส่วนอื่นๆ เหมือนกับภาคขาออกของวงจรออสซิเลเตอร์ (ดูรูปที่ 5 บน) แต่มีลักษณะเป็น conjugate matching ซึ่งถูกออกแบบให้ส่งกระแส (และกำลังไฟฟ้า) มากที่สุดไปยังสายนำสัญญาณที่มาต่อกับมัน ซึ่งแม้ว่าจะถูกออกแบบให้ทำงานได้ดีกับโหลด 50Ω  ที่มาต่อด้วย แต่เมื่อมองกลับเข้าไปในภาคขาออก มันไม่ได้เป็นความต้านทาน 50Ω แต่จะมีค่า SWR สูงมากกับกำลังคลื่นที่วิ่งกลับมาหามัน (ดูรูปที่ 5 ล่าง) ดังนั้นมันก็จะสะท้อนคลื่นที่วิ่งมาหามันกลับไป เกือบทั้งหมด นั่นเอง (เกือบทั้งหมด แปลว่าไม่ทั้งหมด คือกำลังก็หายไปบ้างในการสะท้อนจากวงจรขาออกนี้)
2. การออกแบบให้ภาคขาออกของเครื่องส่งเป็น conjugate matching เพื่อให้เกิด "การส่งถ่ายกำลังสูงสุด" เป็นหลักไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้เกิดการแมทช์ที่สุดเป็นหลัก
3. คลื่นที่สะท้อนจากสายอากาศกลับมาจนถึงเครื่องส่งวิทยุ จะสะท้อนกลับไปหาโหลดอีกครั้งหนึ่งได้ เรียกว่า "การสะท้อนกลับอีกครั้งหนึ่ง" หรือ "Re-reflect" และเกิดขึ้นเรื่อยๆ ไม่สิ้นสุด จนคลื่นไปถึงโหลดทั้งหมด (หรือสูญเสียไปในสายนำสัญญาณจนหมด ในกรณีที่มีการสูญเสียในสายนำสัญญาณ)
4. แม้ว่าค่า SWR ไม่มีผลมากนักต่อกำลังไฟฟ้ารวมที่ส่งไปยังโหลด แต่ "การมีค่า SWR สูงมากในสายนำสัญญาณ" ทำให้มีข้อเสียอื่น เช่น สูญเสียในสายนำสัญญาณมากขึ้น (ไม่ใช่ส่งไม่ออก เป็นคนละเรื่องกัน) หรืออาจจะเกิดคลื่นนิ่งที่ศักดาสูงมากทำให้สายนำสัญญาณเสียหายได้
   
   

   

   รูปที่ 5 ภาคขาออกของเครื่องส่งวิทยุไม่ได้มีอิมพิแดนซ์
   50Ω เหมือนกับออสซิเลเตอร์ (บน) แต่มีลักษณะเป็น
   voltage หรือ current source ที่ดี ดังนั้นเมื่อ
   มองเข้ามาจะมีค่า SWR สูงมาก ทำให้คลื่นที่วิ่งกลับ
   มากระทบภาคขาออกสะท้อนกลับไปเกือบทั้งหมด (ล่าง)

แล้วพบกันใหม่ในเรื่องต่อไปนะครับ สำหรับวันนี้ต้องขอ
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)