ใช้สายอากาศไม่ตรงความถี่ได้หรือไม่



สายอากาศเป็นอุปกรณ์สำคัญหนึ่งของระบบวิทยุสื่อสาร สายอากาศทำหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องส่งวิทยุ (ที่อยู่ในรูปคลื่น ในสายนำสัญญาณ) ให้เป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เรามักถูกบอกว่า สายอากาศจะทำงานได้ดีก็เมื่อมันถูกใช้งานถูกความถี่ แต่คำว่า “ใช้งานได้ดี” และ “ถูกความถี่” สองคำนี้เองที่น้อยคนนักจะเข้าใจอย่างแท้จริง  เราก็เลยมาแยกดูทีละส่วนๆ กันก่อน

ใช้งานได้ดี

อย่างที่บอกว่า สายอากาศมีหน้าที่แปลงหรือเปลี่ยนรูปพลังงานจากไฟฟ้าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เหมือนหลอดไฟ ที่พลังงานจากไฟฟ้าเป็นแสง ซึ่งก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารูปแบบหนึ่งเท่านั้นเอง)  การแปลงแล้วใช้งานได้ดี ก็ประกอบไปด้วยคุณสมบัติสองอย่างคือ

(1) มีการสูญเสียต่ำ
นั่นคือ พลังงานไฟฟ้าถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามากที่สุด ไม่มีตกหล่น สิ่งนี้เราเรียกว่า “ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน” ของสายอากาศนั่นเอง  (สายอากาศที่มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่ำโดยส่วนใหญ่แล้วก็จะมีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าบางส่วนไปเป็นความร้อนในโลหะที่ใช้ทำสายอากาศนั้น)

(2) มีทิศทางการแพร่กระจายคลื่นที่ตั้งใจ
เป็นที่ทราบกันดีว่าสายอากาศที่เราสามารถสร้างขึ้นได้จะมีทิศทางการแพร่กระจายคลื่นเสมอ นั่นคือพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้แพร่ออกจากสายอากาศในทุกทิศทางในสามมิติอย่างเท่ากัน (เพราะถ้าแพร่กระจายในทุกทางเท่ากันก็จะเป็นสายอากาศสมมติที่เรียกว่า ไอโซทรอปิค (Isotropic) ซึ่งไม่มีจริง และสร้างขึ้นจริงไม่ได้)  เมื่อเราสร้างสายอากาศที่มีสัดส่วน และ/หรือ ขนาดถูกต้อง เราจะสามารถคาดการณ์ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศนั้นได้ ดูภาพที่ 1



ภาพที่ 1 การแพร่กระจายคลื่นขอ

งสายอากาศแบบไดโพล ที่มี

ความยาว 1/2 ความยาวคลื่น

ถูกความถี่

นี่ล่ะครับที่เป็นเรื่องซับซ้อนขึ้น เพราะการ ถูกหรือไม่ถูกความถี่นั้นมีผลทำให้เกิดสิ่งที่ตามมาหลายอย่าง แต่ที่สำคัญคือ

(1) การกระจายคลื่นถูกต้อง

พื้นฐานของสายอากาศใดๆ คือควรยาวครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (1/2λ) แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าถ้าสั้นหรือยาวกว่านั้นมันจะทำงานไม่ได้เลย แต่ความยาวครึ่งคลื่นเป็นธรรมชาติของมันที่ทำให้กระแสบนสายอากาศสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้มีประสิทธิภาพดี

ถ้าสายอากาศสั้นกว่าปกติ (ถูกใช้งานที่ความถี่ต่ำเกินไป) จะมีกระแสบนสายอากาศไม่ครบครึ่งลูกคลื่น ทำให้ทิศทางเสียไป (แทนที่ส่งพลังงานไปด้านข้างได้ดี ก็จะแบ่งพลังงานไปทิศ บน-ล่าง มากขึ้น) และถ้าสายอากาศยาวกว่าปกติ (ใช้ที่ความถี่สูงเกินไป)  จะทำให้เกิดการกระจายของกระแสบนสายอากาศเกินกว่าครึ่งลูกคลื่น ส่วนที่เกินจากครึ่งลูกคลื่นนี้จะกลับเฟสกัน (และออกอากาศด้วย) ทำให้รบกวนกันและกัน (ดูภาพที่ 2) และทำให้การแพร่กระจายคลื่นผิดไปจากเมื่อมันยาวเป็น 1/2 ความยาวคลื่นพอดี ดูภาพที่ 3 และ 4

ภาพที่ 2 เมื่อสายอากาศยาวเกินไป จะมีกระแส

บนสายอากาศเกินครึ่งลูกคลื่น และรบกวนกันเอง





ภาพที่ 3 การแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศ
ที่ยาวหรือสั้นกว่าครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น
ยิ่งสายอากาศยาวเกินไป ก็มีการซ้อนกันของ
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากส่วนต่างๆ ของ
สายอากาศนั้น ทำให้แพทเทิร์นซับซ้อนขึ้น
และแพร่กระจายออกเป็น lobe มากขึ้น

ภาพที่ 4 การกระจายคลื่นในสามมิติของ

สายอากาศไดโพลขนาด 1.25 ความยาวคลื่น

ในภาพขวา-บนสุด ของภาพที่ 3 ด้านบน

(2) อิมพิแดนซ์ถูกต้อง

สายอากาศที่ความยาวต่างๆ กัน จะมีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนต่างกัน เช่น  สายอากาศแบบไดโพล 1/2 ความยาวคลื่นที่ป้อนตรงกลาง จะมีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนประมาณ 73 + j42 โอห์ม (ว่ากันจริงๆ มันก็ไม่ใช่ 73 โอห์มพอดีนะ เราต้องทำให้มันสั้นกว่า 1/2 ความยาวคลื่น เล็กน้อย ส่วน +j42 โอห์ม จึงหายไป) ถ้าสายอากาศแบบไดโพล มีความยาวสั้นกว่า 1/2 ความยาวคลื่น จะทำให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนต่ำลง และมีความเป็น capacitive มากขึ้น (เช่น 10 - j50 โอห์ม)  สายอากาศที่ยาวประมาณ 1/2 ความยาวคลื่นแต่คราวนี้เราเปลี่ยนจุดต่อไฟฟ้า มาป้อนที่ด้านใดด้านหนึ่ง จะมีอิมพิแดนซ์สูงมาก (2-3 K Ohm) ดูภาพที่ 5 และดูข้อ (3) ด้านล่างต่อ

ภาพที่ 5 อิมพิแดนซ์ในการออกอากาศ (R­_r)

อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน (R­_in) และ

การมีทิศทาง (D­­₀) ของสายอากาศไดโพล

ที่ความยาวต่างๆ (เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น)

หมายเหตุ
ในภาพที่ 5
ก) ในทฤษฎีสายอากาศ เมื่อเราพูดถึงคำว่า "การมีทิศทาง" (หรือ Directivity - D­­₀) ของสายอากาศใดๆ จะหมายถึง การมีทิศทางที่ดีที่สุดของสาายอากาศนั้นในทิศทางใดๆ ซึ่งบางครั้งอาจจะ (แปลว่า ใช่หรือไม่ก็ได้) ไม่ได้มีทิศทางที่เราต้องการ ไปยังสถานีที่เราต้องการติดต่อด้วย ก็ได้
ข) เมื่อ R­_r ต่ำกว่า R­_in มากๆ อาจแสดงถึงความสูญเสีย (เป็นความร้อน) ในสายอากาศได้

(3) การแมทชิ่งที่ทำไว้ถูกต้อง

จะเห็นว่า บางครั้ง (ที่จริงคือ ส่วนใหญ่) เราไม่ได้ใช้สายอากาศแบบ ไดโพลที่ยาว 1/2 ความยาวคลื่นที่ป้อนสัญญาณเข้าตรงกลางหรอก แต่อาจจะเป็น แบบ 1/2 หรือ 5/8 ความยาวคลื่นป้อนปลายด้านล่าง (ก็พวกสายอากาศติดรถยนต์ทั้งหลาย ที่เราป้อนพลังงานไฟฟ้าเข้าที่ตรงกลางของมันได้ยาก ก็ต้องป้อนด้านล่างเอา  อิมพิแดนซ์ของตัวโลหะที่ทำสายอากาศเหล่านี้ (1/2 หรือ 5/8 ความยาวคลื่น ป้อนสัญญาณที่ปลาย) มีค่าผิดไปจาก 50 โอห์มมาก จึงต้องมีวงจรแมทชิ่ง (ตัวเหนี่ยวนำหรือคอล์ย, ตัวเก็บประจุ) ที่ปรับอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนให้ใกล้เคียง 50 โอห์มมากที่สุด  ซึ่ง (ตรงนี้สำคัญ) ค่าของตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ จะถูกคำนวณตามความถี่ที่ใช้ (เพื่อให้แมทช์ลง 50 โอห์มที่ความถี่ที่ตั้งใจใช้งาน)  ดูภาพที่ 6



ภาพที่ 6 ตัวอย่างวงจรแมทชิ่งของสายอากาศ

ที่ยาวครึ่งความยาวคลื่น ที่ความถี่ 50MHz

จะเปลี่ยนอิมพิแดนซ์ (ที่สูงมาก) ให้ใกล้เคียง

50 โอห์ม ซึ่งจะทำงานได้ดีที่ความถี่ที่ออกแบบ

ไว้ (เพราะทั้ง L, C มีความต้านทานที่ความถี่

ต่างจากที่ออกแบบไว้ไม่เท่าเดิม

เกิดอะไรขึ้นถ้าใช้ผิดความถี่

จากทั้งหมดที่อธิบายด้านบน เมื่อเราใช้สายอากาศผิดความถี่ สิ่งที่เกิดขึ้นคือ

(1) ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผิดไปจากที่ได้ออกแบบไว้ เช่น มีทิศทางขึ้นฟ้ามากกว่าในแนวระนาบ หรือกระจัดกระจายแตกเป็นส่วนเล็กๆ ทำให้พลังงานไม่เข้มข้นในทิศทางที่ต้องการ  การผิดแผกของรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นไปจากที่ได้ออกแบบไว้นี้ “แทบแก้ไขไม่ได้” เพราะเป็นเรื่องทางกายภาพ คือความยาวของตัวนำที่ใช้ทำสายอากาศนั้นเมื่อเทียบกับความถี่

(2) อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนผิดไปจาก 50 โอห์ม อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเรื่องทางไฟฟ้า เราสามารถใส่วงจรแมทชิ่ง (หรืออุปกรณ์ปรับอิมพิแดนซ์ที่เรียกว่า antenna tuner ดูภาพที่ 7) เพื่อปรับอิมพิแดนซ์ให้เป็น 50 โอห์มได้ ซึ่งจะป้องกันการเสียหายของเครื่องส่งวิทยุ (ถ้าจะมี) ได้

ภาพที่ 7 เครื่องปรับอิมพิแดนซ์ของสายอากาศ

(antenna tuner) สำหรับย่านความถี่

VHF และ UHF



สรุป

ถ้าถามว่าเราสามารถใช้สายอากาศผิดความถี่ได้ไหม คำตอบคือ "ได้" แต่ต้องรู้ว่าแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นจะผิดไปจากปกติที่ได้ออกแบบไว้ และอิมพิแดนซ์จะผิดจาก 50 โอห์มไป ถ้าจำเป็นต้องใช้ ก็ใช้กำลังส่งต่ำลง เพราะอย่างไรก็ตาม การมีสายอากาศที่ติดต่อได้เมื่อยามจำเป็น ก็ดีกว่ามีสายอากาศในมือแล้วไม่กล้าใช้ (ทั้งที่ พอใช้ได้) จริงไหมล่ะครับ

เพื่อนๆ คงหายสงสัยหรือได้ข้อมูลเพิ่มเติมที่ถูกต้องแล้วนะครับว่าถ้าเราใช้สายอากาศผิดไปจากความถี่ที่ได้ออกแบบไว้จะเกิดอะไรขึ้น โดยส่วนใหญ่ถ้าไม่ได้ผิดความถี่ขนาดสองหรือสามเท่าก็คงจะไม่เลวร้ายมากนัก แต่ถ้าสามารถใช้สายอากาศที่ถูกตามความถี่ที่ออกแบบไว้ได้ก็เป็นสิ่งที่ดีครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)