VSWR ของสายอากาศต้องเป็น 1.0:1 ถึงจะดี จริงหรือ





เรื่องนี้มาจากคำถามเล่นๆ ของเพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นด้วยกัน ว่า ค่า VSWR ต้องเป็นเท่าไรจึงดีที่จะเกิดประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับสายอากาศนั้น ที่จริง คำถามง่าย แต่ตอบยากนะครับ เพราะก่อนจะตอบได้ ต้องมาดูพื้นฐานทางวิศวกรรม ในนิยามของคำว่า “ประสิทธิภาพ” ก่อน

(1) ประสิทธิภาพ

ในทางวิศวกรรมทั่วไป หมายถึง “ความสามารถในการแปลงรูปพลังงาน”  อุปกรณ์ที่มีการสูญเสียน้อยจะมีความสามารถในการแปลงรูปพลังงานสูง อุปกรณ์ที่มีการสูญเสียน้อยจะมีความสามารถในการแปลงรูปพลังงานสูง  ถ้าไม่มีการสูญเสียเลยก็คือประสิทธิภาพ 100%

ถ้าเป็นสายอากาศก็คือพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่มีพลังงานรูปอื่นออกมาด้วย (มักคือ ความร้อน) นั่นเอง สายอากาศที่มี ประสิทธิภาพดี ในแง่นี้ ก็คงต้องมีอุปกรณ์ประกอบที่สูญเสียต่ำ ตัวนำที่ดี  ประกอบ ไข ยึด แน่นหนา กระแสไฟฟ้าไหลได้ดี   อุปกรณ์ประกอบอื่นเช่น บาลัน มีการสูญเสียต่ำ เป็นต้น

(2) ประสิทธิภาพในการใช้งาน

เป็นคนละเรื่องกันกับ ประสิทธิภาพเชิงการแปลงพลังงาน  เปรียบเหมือน Directivity (ไดเร็คติวิตี้ , การมีทิศทาง) กับ Gain (เกน, อัตราขยาย - ที่จริงผมไม่ชอบคำนี้เลย มันสั้นไปและสร้างความเข้าใจผิดได้มาก) ของสายอากาศ  ที่ สายอากาศที่ Directivity ดี (มีความสามารถในการรับ/ส่ง “ในบางทิศทาง” โดยไม่สนใจว่าทิศใด) มากกว่าความสามารถ “เฉลี่ย” ในทิศทางอื่นๆ  อาจจะมี Gain ต่ำ เนื่องจากประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานต่ำ ก็ได้

เพราะ Gain = Directivity × ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน

วิดิโอ 1 ไดเร็คติวิตี้ และ เกน ของสายอากาศ

คืออะไร สัมพันธ์กันอย่างไร และเกี่ยวกับการ

ใช้งานสายอากาศนั้นอย่างไร



ดังนั้น คำว่าประสิทธิภาพในการใช้งาน คงต้องดูว่า Directivity ที่ดีนั้น ไปในทิศทางที่เราต้องการหรือไม่ และ/หรือ เป็นไปตามการออกแบบหรือไม่

การออกแบบที่ว่านั้น บางครั้ง (หรือ มักจะ) ก็เน้นที่ทิศทางเป็นหลัก โดยคิดเรื่องอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน (feed point impedance) เป็นเรื่องรอง คือมาแมทช์กันเอาทีหลัง เช่น สายอากาศแบบ Rhombic (รอมบิค) มีทิศทางดี เกนสูง แต่ อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนห่างไกลจาก 50 Ω ไปมาก ก็ใช้วงจรไฟฟ้ามาแมทช์กันทีหลัง

ภาพที่ 1 สายอากาศแบบรอมบิค (Rhombic)

ที่มีขนาดใหญ่โตมากสำหรับย่าานความถี่ HF

มีมุมการกระจายคลื่นต่ำ เกนสูง แต่มีอิมพิแดนซ์

ที่จุดป้อนสูงมาก ต้องแมทช์เสียก่อนการใช้งาน



บางทีก็พิจารณาทั้งประสิทธิภาพในการใช้งานและอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนไปด้วยกัน เช่น สายอากาศไดโพล ไม่ต้องแมทช์อะไรก็พอใช้ได้   บางทีออกแบบเพื่อความสะดวกในการใช้งานเป็นหลัก เช่น G5RV ในบางความถี่ก็มีทิศทางการแพร่กระจายคลื่นซับซ้อนประหลาดพิสดาร อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนก็แย่ (ไกลจาก 50 Ω มาก และยังเปลี่ยนแปลงไปมาในช่วงกว้าง) ก็แมทช์กันอุตลุต แต่ก็ใช้ได้หลายช่วงความถี่ เป็นต้น

นั่นคือก็แล้วแต่ความต้องการ บวกกับความสะดวกของผู้ใช้ด้วย

ภาพที่ 2 สายอากาศแบบ G5RV

ที่พอจะทำงานได้ในหลายย่านาความถี่

แต่ก็ต้องแมทช์อิมพิแดนซ์ด้วยจูนเนอร์



หมายเหตุ
นักวิทยุสมัครเล่นขั้นต้นอาจจะไม่เห็นความสำคัญของความสามารถของสายอากาศที่ใช้งานได้ในหลายช่วงความถี่  แต่สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นกลางขึ้นไปแล้วความสามารถนี้ค่อนข้างสำคัญ เนื่องจากมีช่วงความถี่ 5-10 ช่วงให้เราใช้งาน  การจะมีสายอากาศ 5-10 ต้นด้วยเป็นเรื่องที่ทำไม่ง่ายนักในทางปฏิบัติ โดยเฉพาะเมื่อสายอากาศแต่ละต้นในย่านความถี่ HF มักมีขนาดใหญ่มาก

อยากทำให้สายอากาศมีอิพิแดนซ์ 50 Ω

หลายครั้งเรามีสายอากาศที่อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนไม่เป็น 50 Ω บางคนก็พยายาม ไป ตัด ดัด งัด แงะ แคะ ง้าง ทำให้สายอากาศมีรูปร่าง ขนาด ผิดไปจากแบบที่ออกแบบไว้ เพื่อหวังให้อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อน เข้าใกล้ 50 Ω เพื่อให้ VSWR ต่ำเท่าที่ใจอยากได้ อาจจะทำให้สายอากาศนั้นทำงานผิดไปจากที่ออกแบบ   ที่เกิดขึ้นชัดเจนคือมีแพทเทิร์นผิดไปนะครับ

ภาพที่ 3 การทำให้อิมพิแดนซ์ของสายอากาศ

เป็น 50 Ω แบบผิดวิธี แบบนี้ VSWR เป็น

1.0:1 ก็จริง แต่คงใช้งานไม่ได้เรื่องราวนัก

 



เราอาจจยกตัวอย่างกรณีสุดโต่ง เช่น ถ้าสายอากาศต้นหนึ่งมีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเป็น 25 Ω นั่นคือค่า VSWR 2:1  แล้วมีใครบางคนอยากได้ค่า VSWR เป็น 1:1 มาก จึงเอา ตัวความต้านทาน 25 Ω ไปต่ออนุกรมที่จุดป้อน  ก็ได้อิมพิแดนซ์รวมเป็น 50 Ω ซึ่งก็ได้ค่า VSWR เป็น 1:1 จริงๆ นั่นล่ะ แต่... ตัวความต้านทานนั้นก็จะแปลงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวมันกลายเป็นความร้อน  ประสิทธิภาพรวมเชิงพลังงานก็แย่ลง

อยากให้ VSWR เป็น 1.0:1 ทำอย่างไร

วิธีที่ถูกต้องคือ สร้างสายอากาศด้วยตัวนำไฟฟ้าที่มีคุณภาพดี ประกอบอย่างแน่นหนาตามแบบของสายอากาศนั้นที่ได้รับการออกแบบมา (ทั้งขนาดและรูปร่าง) จากนั้นจึงใช้วงจรไฟฟ้าช่วยในการปรับอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนสัญญาณ วงจรไฟฟ้าที่นำมาช่วยนี้ รวมทั้งการเอาสายอากาศมาต่อกันแบบขนาน อนุกรม การเพิ่มตัวเก็บประจุเข้าไป (เช่นที่อยู่ใน Gamma Matching) การเพิ่มตัวเหนี่ยมนำ (ที่เห็นอยู่ตามโคนสายอากาศติดรถยนต์ต่างๆ) การใช้ส่วนสั้นของสายนำสัญญาณ (เรียกว่า Stub) มาช่วยปรับอิมพิแดนซ์ ทั้งหมดเลยนะครับ

สรุป

1)  VSWR ของสายอากาศต้องเป็น 1.0:1 ถึงจะดี นั้นมีส่วนจริง (ถ้าเลือกได้) แต่ค่า 1.0:1 กับ 1.5:1 นั้น ในความเป็นจริงอาจจะแยกไม่ออกด้วยซ้ำไปว่าต่างกัน หรือยิ่งไปกว่านั้นคือ อาจจะบอกไม่ได้เลยว่าต้นไหนใช้งานตามวัตถุประสงค์ของเราได้ดีกว่ากัน
2) แต่ การที่ VSWR ต่ำนั้น จะต้องไม่ใช่ด้วยการเปลี่ยนแปลงขนาดและหรือรูปร่างของสายอากาศที่ได้รับการออกแบบมาจนกระทั่งมีการแพร่กระจายคลื่นที่ผิดไป
3) VSWR ขนาด 1.7:1 หรือ 2:1 ก็ยังใชังานได้สบายในกำลังส่งระดับสมัครเล่น และไม่เป็นอันตรายกับเครื่องส่ง (ไม่เหมือน เปิดวงจร หรือ ลัดวงจรที่ขั้วเครื่องส่งวิทยุ เพราะนั่นคือ VSWR เป็น ∞:1)
4) ค่า VSWR ที่ต่ำ กับ ความสามารถในการ รับ/ส่ง ที่ดีของสายอากาศนั้น อาจจะเกี่ยวหรือไม่เกี่ยวข้องกันเลยก็ได้

แล้วพบกันใหม่ ในเรื่องต่อไปนะครับ สำหรับวันนี้ ต้องกล่าวคำว่า
73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
ก่อนล่ะครับ