การเพิ่มประสิทธิผลให้สายอากาศยาง

 

สายอากาศเป็นอุปกรณ์สำคัญในระบบวิทยุสื่อสาร ถ้าไม่มีสายอากาศแล้ว พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องส่งวิทยุก็ไม่สามารถ ถูกแปลงเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วแพร่กระจายออกไปในอากาศหรืออวกาศได้ (space)  เมื่อเราเป็นนักวิทยุสมัครเล่นใหม่ๆ (หรือแม้กระทั่งเก่าๆ ก็ตาม) เมื่อเราซื้อเครื่องรับส่งวิทยุโดยเฉพาะที่เป็นเครื่องแบบมือถือพกพา เราก็มักจะได้สายอากาศเล็กๆแถมติดมากับเครื่องด้วย สายอากาศเล็กๆ นี้บางทีเราก็เรียกว่าสายอากาศยาง บางทีก็เรียกว่าสายอากาศรับเบอร์ดัค (rubber duck หรือ ducky antenna)  ดูภาพที่ 1

 

ภาพที่ 1 สายอากาศยาง
หรือรับเบอร์ดัค มีขนาดเล็ก
ใช้ง่าย พกพาง่าย พอจะใช้
ติดต่อได้ในระยะใกล้ๆ

พื้นฐานของสายอากาศยาง

สวยอากาศยางนั้น ที่จริงเป็นยางหรือพลาสติกแต่ภายนอกเท่านั้น โดยข้างในของมันก็ยังต้องเป็นโลหะอยู่ดี  ใช้อากาศยางให้ผลการใช้งานไม่ดีนักแต่ก็พอจะใช้ติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องวิทยุได้ในระยะใกล้ๆ  สาเหตุหลักที่สายอากาศยางมีประสิทธิภาพไม่ดีเพราะรูปร่าง ลักษณะ และขนาดของมันไม่ถูกต้องตามที่ควรจะเป็น ทำให้ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นจากตัวมันเป็นไปในทิศทางที่ค่อนข้างไม่ตรงกับที่เราต้องการ ไม่ตรงกับทิศทางของคู่สถานีที่เราต้องการติดต่อสื่อสารด้วยซึ่งมักจะอยู่ในแนวระนาบขนานกับพื้นโลกหรือระดับสายตา ดูภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การแพร่กระจาย
คลื่นของสายอากาศยาง
มักมีพลังงานไปในทิศทางอื่น
ที่ไม่ใช้ทิศที่คู่สถานีอยู่

จากทฤษฎีย้อนกลับ (Reciprocal theory) ที่บอกว่า ทิศทางรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นในขณะส่งเป็นอย่างไร รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นในขณะรับก็เป็นลักษณะเดียวกัน  ทำให้การรับและส่งด้วยสายอากาศยางมีประสิทธิผลไม่ดีทั้งสองการใช้งาน

ข้อสังเกต
ผมตั้งใจหลีกเลี่ยงไม่ใช้คำว่า “ประสิทธิภาพ” เพราะคำว่าประสิทธิภาพในทางวิศวกรรมหมายถึงความสามารถในการแปลงรูปพลังงานจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่ง (เช่นจากไฟฟ้าเป็นแสงสว่าง จากเสียงเป็นไฟฟ้า จากไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เป็นต้น) ที่สายอากาศยางก็อาจจะมีประสิทธิภาพสูง คือมีการสูญเสียเป็นพลังงานในรูปอื่นน้อย (เรียกว่า loss น้อย) ก็ได้ ดูภาพที่ 3 แต่หลังจากสายอากาศยางแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว  รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นไม่เป็นไปอย่างที่เราต้องการนัก (แบ่งไปในทิศทาง ขึ้นฟ้า ลงดิน เสียมากด้วย แทนที่จะไปในทิศขนานกับพื้นโลกให้มาก จึงทำให้ประสิทธิผลในการใช้งานไม่ดีนัก)

 

ภาพที่ 3 คำว่าประสิทธิภาพ ในทาง

วิศวกรรมคือความ0สามารถในการ

แปลงรูปพลังงาน ถ้ามีการสูญเสีย

ไปเป็นรูปที่เราไม่ต้องการน้อย นั่นคือ
มีประสิทธิภาพสูง

การเพิ่มประสิทธิผลให้สายอากาศยาง

จากที่เราทราบว่าทิศทางการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศยางอยู่ในทิศที่เราไม่ได้ต้องการ นั่นคือไม่ใช่ทิศที่คู่สถานีของเราตั้งอยู่  สาเหตุหลักก็เพราะความไม่สมบูรณ์ของตัวมันเอง สายอากาศยางไม่มี RF ground (หรือ Counterpoise) มีแต่ตัวนำเดี่ยวๆ โผล่ขึ้นมายาวคืบเดียว ที่จุดป้อนก็มีกระแสไหล (แบบไม่สมดุลๆ) อยู่มาก แพทเทิร์นหรือรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นก็เลย เบี้ยวๆ บูดๆ ขึ้นฟ้า ลงดิน ไปตามธรรมชาติของมันนั่นเอง

วิธีแก้ไข ดัดแปลง ก็คือพยายามสร้างความสมดุลให้สายอากาศยางสมบูรณ์ขึ้นทางไฟฟ้า เรารู้ว่ามันไม่มี RF ground/counterpoise เราก็ใส่ให้มันเสีย โดยใช้สายไฟยาวประมาณ ¼λ (หรือ 50 ซม. สำหรับความถี่ย่าน 2 เมตร หรือ 145 MHz) ต่อกับโคนสายอากาศที่เป็นกราวด์ของสายอากาศและเครื่องด้วย ทำให้มีลักษณะใกล้เคียงสายอากาศไดโพลมากขึ้น  แพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นก็อยู่ในแนวระนาบมากขึ้น ดูภาพที่ 4

ภาพที่ 4 เมื่อเราใส่ตัวนำ
ให้กับสายอากาศยาง ทำให้
มันทำหน้าที่เป็น RF ground
สายอากาศทำงานครบวงจร
แพทเทิร์นจึงดีขึ้น

ผลการทดสอบ

จากการทดสอบอย่างง่ายๆ เห็นได้ว่าการใส่สายไฟเส้นเล็กๆ ทำให้ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นอยู่ในแนวระนาบมากขึ้น วัดได้ดีขึ้นประมาณ 5-6 dB (4 เท่า โดยประมาณ) ดูวิดิโอ 1

วิดิโอ 1 วินาทีที่ 0:20 ถึง 1:08
เป็นผลการวัดความแรงในแนว
ระนาบของสายอากาศยางที่
ไม่มีและมีสายไฟ Tiger tail

สรุป

การเพิ่มสายไฟเส้นเล็กๆ ในแนวดิ่ง (แนวเดียวกันกับตัวสายอากาศยางเอง) เข้ากับโคนของสายอากาศซึ่งเป็นกราวด์ของเครื่องวิทยุด้วย ทำให้กระแส RF ครบวงจรดีขึ้น แพทเทิร์นอยู่ในแนวระนาบ (ตั้งฉากกับสายอากาศ) ดีขึ้น เพื่อนๆ ลองทำเล่นดูได้ ไม่เสียเงินเพราะใช้เศษสายไฟอะไรมาทำก็ได้

แล้วพบกันใหม่ในบทความที่น่าสนใจในคราวหน้าครับ
73 de HS0DJU