คำถามจากเพื่อนนักวิทยุ - เครื่องมือที่นักวิทยุสมัครเล่นควรมี

นักวิทยุสมัครเล่นนับว่าเป็นผู้ที่ต้องใช้เครื่องมือสื่อสารที่ค่อนข้างซับซ้อน อย่างน้อยในการต่อสายอากาศเข้ากับสายนำสัญญาณ ต่อเครื่องวิทยุเข้ากับสายนำสัญญาณ ล้วนต้องตรวจเช็คว่ามีการลัดวงจรหรือไม่ ไฟฟ้าที่จ่ายให้กับเครื่องวิทยุมีความต่างศักย์ถูกต้องหรือไม่ รวมทั้งต้องตรวจสอบความเข้ากันได้ของอิมพิแดนซ์ ทำให้มีอุปกรณ์เครื่องมือวัดพื้นฐานคือ มัลติมิเตอร์ (ที่ใช้วัดความต่างศักย์ ความต้านทาน กระแสไฟฟ้า ได้) และ VSWR meter ที่วัดอัตราส่วนของคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณที่เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เข้ากัน (ไม่แมทช์) ของอิมพิแดนซ์ นอกเหนือไปกว่านั้นถ้านักวิทยุบางท่านอาจจะสนใจในการทำสายอากาศ หรือสนใจสร้างวงจรไม่ว่าจะแบบพาสซีฟ (เช่น ฟิลเตอร์ต่างๆ) หรือวงจรแอ็คทีฟ (เช่น วงจรขยายต่างๆ) ก็คงต้องการเครื่องมือมากขึ้น เรื่องนี้มีเพื่อนที่สนใจและเขียนมาถาม จึงขอนำมาเล่าสู่กันฟัง (ต้องขอบคุณคุณสมชาย E25ECA ด้วยที่อนุญาตให้นำมาเผยแพร่ให้เพื่อนๆ ท่านอื่นฟังด้วยครับ)

คุณสมชาย (E25ECA):
สวัสดีครับ ผมได้อ่านบทความหลายๆบทความของชมรมจึงมีข้อสงสัยดังนี้ครับ

1. นอกจาก SWR meter แล้ว มีเครื่องมือวัดอะไรบ้างที่จำเป็นต้องมีไว้ประจำแล็บครับ
2. หากเราต้องการออกแบบสร้างสายอากาศตามย่านความถี่ที่เราต้องการขึ้นมาสักต้น ต้องมีเครื่องมือวัดอะไรบ้าง และมีขั้นตอนการออกแบบ คำนวณ สร้าง ยังไงบ้างครับ
3. Vector Network Analyzer มีไว้ทำอะไรหรือครับ
   ผมเป็น ham มือใหม่ครับเลยยังไม่มีข้อมูลอะไรมากนักและขอบคุณช่วยตอบข้อสงสัยครับ

 

เครื่องวัด VSWR มีหลายผู้ผลิตและหลาย

ความสามารถ ทั้งแบบอนาล็อกและดิจิตอล

ในช่วงการทำงานที่ความถี่ต่างๆ กัน



TheDXER (E20AE):
สวัสดีครับคุณสมชาย ขอบคุณที่ติดตาม และเขียนมาหานะครับ ขอตอบคำถาม

1. ถ้าพูดถึงเครื่องมือสำหรับห้องทดลอง จะมีเครื่องมือเกี่ยวกับความถี่สูงจำนวนมากให้เราเลือกใช้ (และซื้อ จนกระเป๋าแฟบ) เลย เช่น Network Analyzer ซึ่งจะสามารถวัด S-parameter ได้, Service Monitor ที่มีทั้งตัวสร้างสัญญาณ และมอดูเลทแบบต่างๆ มีเครื่องวัดความถี่ เหมาะสำหรับการใช้วัดการทำงานของวิทยุสื่อสาร, Impedance Meter ไว้วัดอิมพิแดนซ์ของอุปกรณ์ควบที่มีทั้งความต้านทานและรีแอคแตนซ์, LRC meter ใช้วัดชิ้นส่วน (element) เพื่อการสร้างอุปกรณ์ขึ้นใช้เอง เช่น แทร็บ วงจรแท้งค์, Field Strength Meter ที่ใช้วัดความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศ เป็นต้น (ลองใส่คำเหล่านี้ใน Google ครับ จะเห็นหน้าตาเครื่อง และสเป็คคร่าวๆ ได้ว่ามันทำอะไร) 
2. การออกแบบสายอากาศ ส่วนมากทำตามหลักการ คือต้องรู้ก่อนว่าสายอากาศทำงานอย่างไร ควรมีขนาดเท่าไร รูปร่างที่ต่างกันมักจะให้ผลต่างกันอย่างไร แล้วทดลองป้อนเข้าโปรแกรมวิเคราะห์สายอากาศ เช่น EZNEC, 4NEC2 หรืออื่นๆ (มีเยอะมาก ฟรีบ้าง จ่ายเงินบ้าง) เน้นว่าโปรแกรมเหล่านี้มีไว้ “วิเคราะห์” ไม่ใช่”สังเคราะห์” ดังนั้นแล้วผู้ออกแบบต้องออกแบบมาก่อน ว่าสายอากาสจะมีหน้าตาอย่างไร ป้อนสัญญาณอย่างไร แล้วจะเกิดอะไรขึ้น มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเท่าไร มีรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นเป็นอย่างไร เมื่อเปลี่ยนความถี่แล้วสิ่งเหล่านั้นเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร โปรแกรมหรือซอฟท์แวร์พวกนี้ไม่ได้ทำงานกลับกัน คือ เราไม่สามารถใส่สเป็คของสายอากาศที่ต้องการเข้าไป แล้วให้มันคำนวณว่าสายอากาศต้องมีหน้าตาแบบไหน แบบนั้น โปรแกรมพวกนี้ทำไม่ได้ จากนั้นก็ทดลองสร้างและใช้เครื่องมือต่างๆ เช่น field strength meter วัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก ใช้ antenna analyzer วัดอิมพิแดนซ์ของสายอากาศ เพื่อปรับรูปร่างการแพร่กระจายคลื่น และ/หรือ อิมพิแดนซ์ และ/หรือ bandwidth และหาทางแมทช์อิมพิแดนซ์ต่อไป  จะเห็นได้ว่าเรื่อง อิมพิแดนซ์เป็นเรื่องหลังๆ เพราะถ้ามันไม่พิสดารคือ สูงหรือต่ำมากเกินไป เราปรับมันได้ แมทช์มันได้ สิ่งที่สำคัญที่สุดของสายอกาาศไม่ใช่อิมพิแดนซ์อย่างที่นักวิทยุสมัครเล่นเข้าใจกัน  มีเรื่อง ขนาด รูปร่างของสายอากาศนั้น, pattern, directivity, efficiency, gain, bandwidth, ความสามารถในการรับกำลัง, ความทนทานในการใช้งาน ที่สำคัญกว่า นะครับ
3. Vector Network Analyzer จะสามารถวัด “มุม” ของ reflection coefficient ได้ หรือ พูดให้ง่ายขึ้นคือมันบอกได้ว่า อิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้นเป็น resistive, capacitive หรือ inductive ในขนาดเท่าไร ในขณะที่ Network Analyzer แบบ Scalar จะบอกได้แต่ "ขนาด" ของรีแอคแตนซ์ ไม่สามารถบอกได้ว่าเป็น capacitive หรือ inductive และในท้ายที่สุด Vector Network Analyzer จะสามารถบอก scattering parameter (S-parameter) ให้เรารู้ได้ (ลองหาคำว่า 2-port network scattering parameter ใน Google ดูครับ) เราเอามันไว้วัดสายอากาศก็ได้ เอาไว้วัดวงจรขยาย วงจรกรองสัญญาณ ที่ความถี่สูงก็ได้  ครับ

 

ตัวอย่างของ Field Strength meter

ที่ใช้วัดความเข้มของสัญญาณคลื่นวิทยุ

(ความเข้มสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) มีตั้งแต่

แบบง่ายๆ ไม่ใช้ไฟเลี้ยง จนแบบที่ทำงาน

ได้แม่นยำ สามาถใช้อ้างอิงในการ

ทดสอบสายอากาศหรือวัดการรบกวนได้



 

Vector Network Analyzer มีความ

สามารถในการวัดวงจร (network) โดยมี

ทั้งแหล่งกำเนิดสัญญาณ และระบบวัดในตัวที่

สามารถวัด scattering parameter

(s-parameter) หลายรุ่นมี spectrum

analyzer ในตัวด้วย

 

เครื่องวัดความจุ (capacitance) และ

ความเหนี่ยวนำ (inductance) แบบที่

พอใช้งานได้ ภาพทางขวามือเป็นรุ่นที่นัก

วิทยุสมัครเล่นหลายคนใช้งานอยู่



คุณสมชาย (E25ECA):
ผมขอถามต่อเลยนะครับ

1. จากข้อ 1. ที่แล้ว พอจะเรียงลำดับให้ได้มั้ยครับว่าเครื่องมือวัดตัวใหนควรจัดหามาประจำการก่อน-หลัง
2. ผมไปเจอสูตรการแมทชิ่งสายอากาศมาครับ z=r+jx ไม่ทราบว่ามันมีวิธีการคำนวณอย่างไรพอจะสอนได้มั้ยครับ
3. ระหว่าง Antenna Analyzer  กับ Vector Network Analyzer ผมควรจัดหาตัวไหนมาประจำการก่อนดีครับ ตอนนี้มีเพียง SWR meter ครับ

เครื่องวิเคราะห์สายอากาศในงานระดับ

สมัครเล่น มีให้เลือกจากหลายผู้ผลิต

มีความสามารถต่างกัน ครอบคลุมย่าน

ความถี่ต่างกัน ต้องเลือกให้ถูกตามที่

ต้องการใช้งาน



อันนี้เป็นข้อเสนอแนะในการทำบทความนะครับ
- อยากให้เพิ่มความละเอียดในส่วนของการคำนวณเผื่อว่าให้คนที่ไม่มีพื้นมาก่อน(แบบผม)เข้าใจได้ง่ายขึ้นน่ะครับ อย่างพวกย้ายสมการอะไรเนี่ยครับ
- ถ้ามีบทความแนะนำเครื่องไม้เครื่องมือของนักวิทยุสมัครเล่นว่ามีอะไรบ้างก็ดีนะครับ
ก็ยังติดตามบทความของชมรมอยู่เรื่อยๆนะครับ
QRU 73
E25ECA

TheDXER (E20AE):
ตอบต่อนะครับ

1. จากข้อ 1 ที่แล้ว นอกจาก VSWR meter พื้นฐาน ก็ควรมี Antenna Analyzer แบบ Vector ถ้าสามารถ plot smith chart ได้จะดีมาก (ที่จริง ถือว่าควร เลยล่ะครับ) จากนั้น ถ้าเงินเหลือ และสนใจการออกแบบวงจร ฟิลเตอร์ ฯลฯ ก็หา Network Analyzer แบบพกพาไว้อีกตัว น่าจะพอกับระดับสมัครเล่น ครับ
2. z=r+jx แสดงความหมายว่า อิมพิแดนซ์ (z) ประกอบไปด้วยความต้านทาน (r) และรีแอคแตนซ์ (x) โดย x ที่เป็น + หมายถึงการมีส่วนประกอบของความเหนี่ยวนำ (inductance) ในขณะที่ x ที่เป็น - หมายถึงการมีความจุไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบอยู่ด้วย โดยทั่วไปแล้วการแมทชิ่งคือพยายามทำให้ r=50 โอห์ม และ x=0 โอห์ม และการแมทช์นั้นแท้จริงแล้ว “ไม่มีสูตร” ไม่ตายตัว และมีวิธีการมากมาย ถ้าเราเข้าใจจริง เราก็ทำไปตามความเข้าใจ ผมเขียนเรื่องนี้และลงไว้ในบล็อกแล้ว เช่น

Vector Network Analyzer

แบบพกพาบางรุ่นมีความสามารถ

หลากหลาย รวมทั้งสามารถวัด S11

(input reflection coefficient)

ซึ่งสามารถแปลงเป็นอิมพิแดนซ์ขาเข้า

(เช่นของสายอากาศ) และแสดงลง

บน smith chart (ตามภาพ) ได้



"การแมทช์คืออะไร"
http://e20ae.blogspot.com/2016/02/blog-post_39.html
และ
"การใช้สมิทชาร์ทในการแมทช์อิมพิแดนซ์"
http://e20ae.blogspot.com/2016/03/blog-post_15.html

นอกเหนือไปจาก vswr meter ที่วัดการแมทช์หรือไม่แมทช์ได้เพียงคร่าวๆ แล้ว น่าจะเลือก antenna analyzer ก่อนอย่างอื่น เพราะจำเป็นกว่า ได้ใช้บ่อยกว่า และใช้ความรู้เฉพาะด้านน้อยกว่าในการใช้งาน ครับ
ขอบคุณสำหรับตำแนะนำเรื่องความละเอียดในการอธิบย และการรีวิวเครื่องมือสื่อสารครับ

QRU 73

HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)