แบนด์วิดท์ของสายอากาศคืออะไร



เมื่อนักวิทยุสมัครเล่นต้องการเลือกใช้อากาศสำหรับใช้ในกิจการวิทยุสมัครเล่นเราก็คงมีข้อพิจารณาหลายเรื่องเป็นต้นว่า ชนิดของสายอากาศ ยี่ห้อผู้ผลิต หรืออื่นๆ ทั้งนี้ทั้งนั้นที่สำคัญที่สุดก็คือชนิดของสายอากาศที่มักเริ่มด้วยกันดูว่าต้องเป็นสายอากาศชนิดรอบตัวหรือชนิดที่ถามก็ขึ้นอยู่กับว่าเราต้องการติดต่อกับใครอยู่ในทิศทางใดด้วย

ทั้งหมดแล้วก็มีข้อมูลจำเพาะของสายอากาศหลายประการที่ต้องพิจารณาเช่นช่วงความถี่ที่สามารถใช้ได้ความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ว่ามีค่าเท่าใดรวมไปถึงอัตราขยายของสายอากาศที่เราต้องการใช้ว่าควรจะมีค่าเท่าไหร่สูงหรือต่ำอย่างไรเป็นต้น

อย่างไรก็ตามแล้วสายอากาศไม่ว่าจะเป็นชนิดใดหรือถูกสร้างมาจากผู้ผลิตใดก็ตามมันก็ไม่สามารถใช้งานได้ในทุกความถี่ถึงแม้ว่าจะถูกออกแบบมาอย่างความถี่หนึ่งหนึ่งช่วงต้นหรือกลางหรือปลายของความถี่ก็อาจจะมีคุณสมบัติไม่เท่ากันทุกประการทั้งนี้คุณสมบัติที่เปลี่ยนไปเมื่อเราใช้งานสถานการณ์ที่ความถี่ ต่างๆแล้วตัวสายอากาศยังมีคุณสมบัติที่เรายอมรับได้ก็เรียกว่าเป็นช่วงกว้างของความถี่ที่เราสามารถใช้งานสายจากนั้นได้เราเรียกข้อมูลจำเพาะนี้ว่า แบนด์วิดท์ (bandwidth)

ที่จริงแล้วเมื่อความถี่เปลี่ยนไปคุณสมบัติต่างๆของสายอากาศย่อมเปลี่ยนไปทั้งหมดไม่ว่าจะเป็น

• อัตราขยาย (Gain) ของสายอากาศนั้น
• รูปร่างของการแพร่กระจายคลื่น
• อิมพิแดนซ์ของสายอากาศ

ลองคิดดูเล่นๆ ถึงสายอากาศอันหนึ่งที่มีแบนด์วิดท์ทางความถี่ (frequency bandwidth) แคบมากๆ เรียกว่าไม่กี่สิบเฮิรทซ์ก็แล้วกัน ถ้าเราใช้สายอากาศนั้นตรงกับความถี่ของมันและใช้โหมดคลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) หรือที่เรียกว่ารหัสมอร์สก็คงไม่เดือดร้อนอะไรเพราะสายอากาศนั้นมันออกอากาศได้ที่ความถี่นั้นเรียกว่าดีงามอย่างเต็มที่เถอะ แต่ถ้าเราออกอากาศด้วยการผสมคลื่นแบบอื่น เช่น AM FM หรือ SSB สิ่งที่เกิดขึ้นคือจะมีความถี่ด้านข้าง (sidebands) ถูกผสมออกไปด้วย ซึ่งข่าวสาร ก็คือเสียงพูดของเราจะอยู่ในความถี่แถบข้างนั่นเอง เมื่อใดก็ตามที่สายอากาศมีแบนด์วิดท์แคบมากและไม่สามารถส่งคลื่นที่อยู่เป็นความถี่แถบข้างออกไปได้มันก็คงไม่สามารถพาเสียงพูดของเราออกไปได้นั่นเอง ดูรูปที่ 1 ประกอบ



รูปที่ 1 ถ้าสายอากาศมีแบนด์วิดท์แคบมาก

มันจะไม่สามารถส่งหรือรับความถี่แถบข้าง

(sideband) ได้ ดังตัวอย่างในภาพขวามือ

ที่รับได้แต่เพียงคลื่นพาหะช่วงแคบๆ

ซึ่งจะทำให้ไม่สามารถรับข่าวสาร

ก็คือเสียงพูดที่ผสมมาได้

อย่างไรก็ตามในตัวอย่างที่กล่าวถึงนั้นเป็นกรณีที่สุด (extreme case) อย่างหนึ่ง (จะเรียกว่ากรณีสมมติก็ได้) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วโชคดีที่มักไม่เกิดขึ้นกับการใช้งานสายอากาศตามปกติเพราะสายอากาศโดยทั่วไปไม่ได้มีแบนด์วิดท์แคบขนาดนั้น

รูปที่ 2 เมื่อความถี่เปลี่ยนไป รูปร่าง

ลักษณะการแพร่กระจายคลื่นก็เปลี่ยนไป

(จากภาพ เป็นตัวอย่างสมมติของสาย

อากาศหนึ่งเท่านั้น)



รูปที่ 2 แสดงลักษณะการแพร่กระจายคลื่น (ทั้งการส่งและการรับ) ที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อใช้งานสายอากาศที่ความถี่ที่ออกแบบไว้ และเมื่อผิดจากความถี่ที่ออกแบบไปมาก จะเห็นว่าทั้งรูปร่างการแพร่กระจายคลื่น ความมีทิศทาง (Directivity) และอัตราขยายก็เปลี่ยนไป อย่างไรก็ตาม ในเรื่องของอัตราขยายและรูปแบบการแพร่กระจายคลื่น ผลที่เกิดขึ้นก็ไม่มากมายจนใช้งานได้ยากหรือใช้งานสายอากาศนั้นไม่ได้ หรือทำให้เครื่องส่งเสียหายไปได้ เราจึงไม่กังวลมากนัก

แล้วสนใจอะไรในแบนด์วิดท์

ในการใช้งานสายอากาศเรามักมุ่งความสำคัญไปตรงจุดที่เรากังวลค่อนข้างมากก็คืออิมพีแดนซ์หรือความต้านทานของสายอากาศ ดังนั้นเมื่อเราพูดถึงช่วงกว้างของความถี่ที่สายอากาศทำงานได้เราก็มักจะเน้นหรือเข้าใจกันว่าเป็นช่วงความถี่ที่อากาศยังมีอิมพีแดนซ์ในขอบเขตที่ยอมรับได้หรือมีค่า vswr ไม่เกินที่ต้องการ (ส่วนมากสำหรับนักวิทยุเราคือ 1.5:1 แต่ที่จริงแล้ว 2:1 ก็ยังใช้การได้) ในลักษณะนี้คือที่จริงแล้วเราเรียกว่า Impedance Bandwitdth และขอเรียกรวมๆ ว่าแบนด์วิดท์ (bandwidth) ก็แล้วกันครับ  รูปที่ 3 ด้านล่างแสดงให้เห็นว่าถ้าเรายอมรับ VSWR ที่ไม่เกิน 2:1 ได้แล้ว อิมพิแดนซ์แบนด์วิดท์ของสายอากาศนี้จะอยู่ในช่วง 2.375 - 2.66 GHz



รูปที่ 3 อิมพิแดนซ์ที่เปลี่ยนไปตาม
ความถี่ที่สายอากาศทำงาน ทำให้มี
ช่วงกว้างของความถี่ที่ใช้งานได้ดี
อยู่ช่วงหนึ่ง ไม่ใช่ใช้ได้ดีทุกความถี่

แบนด์วิดท์ขึ้นกับอะไรบ้าง

การที่สายอากาศใดจะมีอิมพิแดนซ์กว้างหรือแคบอย่างไร ขึ้นกับองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ความต้านทานของโลหะที่นำมาทำสายอากาศนั้น ชนิดของการคับปลิ้งและวงจรแมทชิ่งของสายอากาศนั้น (ถ้าเรามองว่า วงจรเหล่านั้นเป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศไปด้วย) ส่วนประกอบอีกอย่างหนึ่งที่ทำให้แบนด์วิดท์กว้างหรือแคบก็คือรูปร่างและการเชื่อมต่อของสายอากาศเอง จะเห็นว่าสายอากาศแบบไดโพลมีแบนด์วิดท์แคบกว่าสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลเล็กน้อย  สายอากาศแบบไดโพลที่มีปลายบานออก (ดู bowtie dipole ในรูปที่ 4) ก็มีแบนด์วิดท์กว้างขึ้นไปกว่าสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล สานอากาศแบบล็อกพีริออดิก (Log Periodic ในรูปที่ 5) มีแบนด์วิดท์กว้างที่สุดในตัวอย่างที่ยกมานี้



รูปที่ 4 ขนาดและรูปร่างของสายอากาศ

มีส่วนสำคัญที่สุดต่อ bandwidth ของมัน

รูปที่ 5 สายอากาศหลายชนิดถูกออกแบบ

เพื่อให้มีช่วงการทำงานของความถี่กว้าง



สรุป

1. เมื่อเราพูดถึงแบนด์วิดท์ของสายอากาศ เรามักพูดถึง อิมพิแดนซ์แบนด์วิดท์ คือดูว่าช่วงความถี่ไหนที่อิมพิแดนซ์ยังผิดไปจาก 50 โอห์มไม่มากนัก
2. อิมพิแดนซ์แบนด์วิดท์ มักขึ้นกับรูปร่างของสายอากาศ สายอากาศที่มีรูปร่างอ้วนๆ พองๆ มีเส้นลวดตัวนำเกะกะๆ กินพื้นที่ปริมาตรมากๆ มักมีอิมพิแดนซ์แบนด์วิดท์กว้างกว่า
3. ในความเป็นจริงแล้ว ยังมีแบนด์วิดท์ในลักษณะอื่นอีกที่สำคัญ เช่น แพทเทอร์นแบนด์วิดท์ ที่บอกว่าสายอากาศยังคงรูปร่างการแพร่กระจายคลื่นเอาไว้ได้ในช่วงความถี่กว้างแค่ไหน (ดูรูปที่ 2) เป็นต้น

หวังว่าจะทำให้เพื่อนๆ เข้าใจคำว่าแบนด์วิดท์ของสายอากาศได้ดีขึ้นจากบทความนี้นะครับ แล้วพบกันใหม่ในบทความหน้านะครับ และสำหรับวันนี้ต้องบอกว่า
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)