วันอังคารที่ 5 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2562

VSWR กับนักวิทยุสมัครเล่น

Ham Operator's life and VSWR

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)



VSWR สำคัญ แต่ไม่ใช่ทั้งชีวิตของนักวิทยุสมัครเล่น ส่วนใหญ่แล้วค่าที่ไม่ต่ำมากก็ไม่ได้ถึงกับทำให้ " ใช้งานไม่ได้ " การจะปรับหรือทำให้ได้ค่า VSWR ที่ต่ำนั้น ต้องทำให้ถูกวิธีด้วย เพราะการทำผิดวิธีอาจจะได้ไม่เท่าเสีย สู้ปล่อยไว้ยังอาจจะได้ประสิทธิผลที่ดีกว่าก็ได้

เพื่อนๆ ที่เพิ่งเริ่มก้าวเข้าสู่กิจการวิทยุสมัครเล่นนั้นคงมีอีกหลายอย่างที่ทำให้เราตื่นตาตื่นใจ ทั้งเครื่องวิทยุเอง สายอากาศ เครื่องจ่ายไฟ สายนำสัญญาณและขั้วต่อชนิดต่างๆ และอุปกรณ์ประกอบอีกมากมาย หลายอย่างล้วนเป็นของใหม่กับชีวิตของพวกเราหรือไม่ค่อยได้เคยเห็นในชีวิตประจำวันทั้งสิ้น

นอกจากนั้นก็ยังมีศัพท์ใหม่ๆ อีกมากมายที่เราจำเป็นต้องรู้จัก ทั้งที่เป็นคำศัพท์ที่ถูกพูดและใช้งานโดยทั่วไปเรียกว่าเป็นคำระดับหรือประดิษฐ์ประดอยต่างๆ ก็ได้ คำเหล่านี้อาจจะไม่สำคัญกับความเป็นความตายในการใช้วิทยุมากนัก ในขณะเดียวกันก็มีคำศัพท์บางตัวหรือบางคำที่ในความเป็นจริงแล้วก็สำคัญแต่ถูกเน้นให้สำคัญมากเป็นพิเศษ (จนสำคัญมากเกินไป) โดยที่ในหลายกรณีผู้ที่เน้นย้ำนั้นก็ไม่ได้ตั้งใจที่จะให้ข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรอก เพียงแต่เขาอาจจจะมีความเข้าใจที่ไม่ลึกซึ้งอย่างแท้จริง และคำหนึ่งที่เรามักเคยถูกเน้นย้ำเสมอก็คือ "ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ" (นี่ย่อแล้วนะ คำเต็มจริงๆ ที่เข้าใจได้ ยาวกว่านี้อีก)

งงไหมล่ะครับ เพราะหลายท่านอาจจะไม่เคยได้ยินคำนี้เลยด้วยซ้ำ รวมทั้งคนที่เน้นย้ำว่าไอ้เรื่องนี้มันสำคัญจริงๆ แทบเป็นแทบตายก็อาจจะไม่รู้ที่มาที่ไปด้วยซ้ำ แต่ถ้าบอกว่า "ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ" ก็คือค่า VSWR หรือ SWR ก็คงจะต้องร้องอ๋อกันเกือบทุกคน

ค่า VSWR คืออะไร

ก่อนที่เราจะอธิบายกันต่อก็คงต้องทำความเข้าใจความหมายของ VSWR กันเสียก่อน ซึ่งที่จริงแล้วย่อมาจากคำว่า voltage standing wave ratio หรือ อัตราส่วนของศักดาไฟฟ้าที่สูงที่สุดและที่ต่ำที่สุดที่ทำตัวเป็นคลื่นนิ่งที่เกิดขึ้นในสายนำสัญญาณ นั่นเอง คลื่นนิ่งดังกล่าวนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความไม่เข้ากันของอิมพีแดนซ์จำเพาะของสายนำสัญญาณกับโหลดเช่นสายอากาศ ทำให้เกิดคลื่นสะท้อนที่จุดรอยต่อ คลื่นที่สะท้อนจะเดินทางย้อนกลับจากโหลด (เช่น สายอากาศ) ไปยังเครื่องส่งวิทยุ เมื่อเป็นดังนั้นแล้วเคลื่อนที่เดินทางไปข้างหน้า (จากเครื่องส่งไปสายอากาศ) ก็จะผสมกับคลื่นที่ย้อนกลับ (จากสายอากาศกลับไปยังเครื่องส่ง) เกิดการกระเพื่อมซ้ำไปมาอยู่ในสายนำสัญญาณกลายเป็นคลื่นนิ่งหรือ standing wave นั่นเอง (อ่านเพิ่มเติมใน อธิบาย VSWR ด้วยตัวอย่าง) ดูรูปที่ 1
รูปที่ 1 คลื่นที่วิ่งไปหาโหลด (น้ำเงิน)
ผสมกับคลื่นที่สะท้อนเนื่องจากการ
ไม่แมทช์ของอิมพิแดนซ์ (แดง) ทำให้
เกิดคลื่นนิ่ง (อยู่ภายในกรอบสีเทา)
ในสายนำสัญญาณ


คราวนี้ถามว่าการที่ระบบของเรามีค่า VSWR สูงนั้นมีผลเสียอะไรและแค่ไหน  เรามักจะถูกสอนหรือบอกต่อๆ กันมาว่าจะทำให้เครื่องส่งวิทยุเสียหายบ้างล่ะ หรือทำให้กำลังจากเครื่องส่งวิทยุออกไปยังสายอากาศลดน้อยถอยลงไปบ้างล่ะ ซึ่งที่จริงก็ถูกต้องทั้งสองอย่างแหละ เพียงแต่ว่ามันไม่ได้เลวร้ายขนาดนั้นหรอกครับ

โดยปกติแล้วค่า VSWR ที่ว่ากันว่าแย่มากขนาด 2:1 จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับของกำลังไฟฟ้าเพียง 11%  และในระดับกำลังส่งของพวกเราชาวนักวิทยุสมัครเล่นแล้วคงไม่ถึงกับทำให้เครื่องส่งเสียหายได้ เพราะสนมมติว่าเราส่งกัน 10 วัตต์ ก็สะท้อนกลับมาเพียง 1 วัตต์เท่านั้นเอง ดังนั้นจึงไม่ควรกังวลมากเกินไปนัก ดูรูปที่ 2

รูปที่ 2 ค่า VSWR กับการ
สะท้อนกำลังที่เกิดขึ้น


การปรับให้ VSWR ต่ำที่สุดดีหรือไม่

ถ้าจะตอบตามคำถามอย่างตรงไปตรงมาก็คงต้องตอบว่าดี แต่ก็ต้องถามต่อไปว่าแล้วเราปรับอย่างไรล่ะ  โดยทั่วไปแล้วการปรับค่าของ VSWR ก็คือการปรับอิมพีแดนซ์ของโหลด (ซึ่งสำหรับพวกเราแล้วมักจะคือสายอากาศ แต่ในทางวิศวกรรมยังมีจุดต่างๆ อีกมากที่ต้องปรับให้เข้ากัน เช่นระหว่างภาคต่างๆ ของวงจรความถี่สูง  เป็นต้น) ให้มีค่าเท่ากับอิมพีแดนซ์จำเพาะของสายนำสัญญาณที่เราใช้ก็คือ 50 โอห์ม  ซึ่งมีคำศัพท์เฉพาะที่เรียกว่าแมตช์ชิ่ง (matching) แต่การปรับดังกล่าวนี้ทำได้หลายอย่างหลายวิธีทั้งทางกายภาพและทางไฟฟ้า

วิธีทางกายภาพก็คือการที่เราปรับขนาดรูปร่างของสายอากาศ ซึ่งก็จะทำให้อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศนั้นเปลี่ยนไปด้วย อย่างไรก็ตามสายอากาศแต่ละชนิดนั้นมีคุณสมบัติเฉพาะตัวของมัน เช่นสายอากาศแบบใดโพลครึ่งคลื่น ถ้ามีรูปร่างและความยาวถูกต้องตามทฤษฎี (ซึ่งจะยาวน้อยกว่าครึ่งคลื่นจริงๆ เล็กน้อย) แล้ว จะมีอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนอยู่ประมาณ 73Ω หรือสายอากาศแบบสี่เหลี่ยมที่เราเรียกว่าควอด (quad) ถ้ามีรูปร่างและความยาวถูกต้องตามทฤษฎีแล้วจะมีอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนอยู่ประมาณ 120 โอห์ม ถ้าเรานำสายอากาศดังกล่าวนี้ไปต่อเข้ากับสายนำสัญญาณแบบ 50Ω  ตรงๆ ก็ย่อมได้ค่า VSWR สูงกว่า 1:1 ไปพอสมควร  (เพราะ อิมพิแดนซ์ของมันเป็น 73Ω และ 120Ω ซึ่งไม่เท่ากับ 50Ω ของสายนำสัญญาณ)

บางคนพยายามปรับรูปร่างและลักษณะรวมทั้งความยาวของสายอากาศ จนเรียกว่าทำอย่างไรก็ได้ให้ค่า VSWR ใกล้เคียง 1:1 มากที่สุด เช่นการ ตัดให้สั้น ต่อให้ยาว หรือพยายามบิดงอรูปร่างของสายอากาศ การทำอย่างนั้นอาจจะทำให้อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนมีค่าใกล้เคียง 50Ω มากขึ้นและทำให้ค่า VSWR ใกล้เคียง 1:1 มากขึ้น แต่นั่นคือผลทางไฟฟ้าเท่านั้น การที่เราไปปรับเปลี่ยนรูปร่างของสายอากาศรวมทั้งขยับปรับความยาวของมันย่อมมีผลทางกายภาพตามมาด้วย ผลอย่างหนึ่งที่เห็นได้ชัดคือทิศทางและรูปร่างการแพร่กระจายคลื่นที่ผิดไปจากมาตรฐาน เช่นแทนที่จะแพร่กระจายคลื่นออกไปแนวแนวระนาบขนานกับผิวโลกซึ่งเป็นทิศทางที่คู่สถานีของเราตั้งอยู่ ก็อาจจะมีทิศทางยิงขึ้นท้องฟ้าที่ก็ไม่รู้ว่าส่งคลื่นไปแล้วจะไปคุยกับใคร เป็นต้น (ดูรูปที่ 3)

รูปที่ 3 การพยายาม ดัด งอ สายอากาศ
อาจจะทำให้อิมพิแดนซ์ใกล้เคียง 50 โอห์ม
ได้ก็จริง แต่ทิศทางการแพร่กระจายคลื่น
ผิดไปจากการออกแบบแต่แรก


แล้วต้องทำอย่างไรถึงจะถูกต้อง

การออกแบบ สร้าง และปรับค่าอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ (เพื่อให้มีค่าใกล้เคียง 50 โอห์มมากที่สุดและทำให้ค่า VSWR ใกล้เคียง 1:1 มากที่สุด) จะต้องทำในองค์รวม คือสร้างสายอากาศให้มีลักษณะรูปร่างและความยาวที่ถูกต้องก่อน ซึ่งจุดนี้เราจะทราบคร่าวๆ อยู่แล้วว่ามันมีอิมพิแดนซ์เท่าใด แล้วนำสายอากาศนั้นมาต่อเชื่อมกันในรูปแบบที่เรียกว่าการอะเรย์ (array) โดยในการต่อเชื่อมกันนี้เราก็จะคาดล่วงหน้าได้ว่าอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนโดยรวมจะเป็นเท่าใด จากนั้นเราจึงใช้อุปกรณ์ทางไฟฟ้าสำคัญก็คือ ตัวเหนี่ยวนำ (inductor) และ/หรือ ตัวเก็บประจุ (capacitor) รวมทั้งส่วนของสายนำสัญญาณ (ที่เรียกว่า สตับ, stub) มาช่วยในการปรับอิมพีแดนซ์ให้ใกล้เคียง 50 โอห์มมากที่สุด (ดูรูปที่ 4) แนวทางดังกล่าวนี้จึงเป็นแนวทางที่ถูกต้อง  ไม่ใช่ไป ตัดๆ ต่อๆ บิดงอ เพียงเพื่อหวังให้ค่า VSWR ต่ำที่สุดเท่านั้น


รูปที่ 4 เราสามารถปรับอิมพิแดนซ์
ของสายอากาศไดโพงแบบครึ่งคลื่น
จาก 73Ω ไปเป็น 50Ω  ได้ด้วยวงจร
แมทชิ่ง โดยไม่ต้องไปเปลี่ยนรูปร่าง
ของสายอากาศ ซึ่งทำให้แพทเทิร์น
ผิดปกติไปจากปกติ


สรุป
  1. อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศที่ใกล้เคียง 50Ω นั้นดีและสำคัญแต่ไม่ได้สำคัญที่สุด 
  2. ตัวสายอากาศจะต้องมีรูปร่าง ลักษณะ และความยาวที่ถูกต้องเพื่อมีทิศทางการกระจายคลื่นเป็นไปอย่างที่เราต้องการและคาดหวังได้
  3. ค่า VSWR ต่ำกว่า 2:1 ถือว่าใช้งานได้ ถ้าต่ำกว่า 1.5:1 ถือว่าดี  ยิ่งต่ำกว่า 1.25:1 ถือว่าดีมาก  ถ้าเราทำสายอากาศให้มี VSWR ต่ำกว่านั้นได้ก็ดี แต่จะว่าไปแล้วก็ไม่ได้จำเป็นกับชีวิตเท่าไหร่หรอก
  4. ทั้งนี้ ไม่ได้หมายความรวมถึงค่า VSWR ที่สูงผิดปกติอันเนื่องจากความผิดปกติของระบบ เช่น ขั้วต่อสายไม่แน่น น้ำเข้าสายนำสัญญาณ เกิดการลัดวงจรที่จุดต่างๆ ซึ่งสาเหตุที่กล่าวมาทั้งหมดนี้จะต้องถูกแก้ไขจริงๆ


?Jitrayut Chunnabhata, 2016.
This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is discouraged. 

? 2016 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ
เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และหลีกเลี่ยงการคัดบอกเนื้อหาไปเผยแพร่ซ้ำโดยตรง