การสูญเสียกำลังในสาย​นำสัญญาณ (ตอนที่ 1)



ส่วนประกอบสำคัญหนึ่งในระบบวิทยุสื่อสารก็คือสายนำสัญญาณ สายนำสัญญาณมีหน้าที่นำสัญญาณไฟฟ้า ระหว่างสายอากาศกับเครื่องรับส่งวิทยุ รวมไปถึงเชื่อมโยงสัญญาณระหว่างอุปกรณ์วิทยุสื่อสารต่างๆ เข้าด้วยกัน

สิ่งที่อยู่ในสายน้ำสัญญาณก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่มีศักดาและกระแสไฟฟ้าอยู่บนตัวนำที่ใช้ทำสายนำสัญญาณนั้น  ขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ไปบนสายนำสัญญาณที่มีตัวกลางระหว่างตัวนำเป็นฉนวนต่างๆ จะมีการสูญเสียกำลังเกิดขึ้น (ขนาดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในอากาศก็ยังมีการสูญเสียกำลังที่เรียกว่า free space loss)

ทำไมมีการสูญเสียกำลังในสายนำสัญญาณ

ในสายนำสัญญาณชนิดหนึ่งหนึ่งหรือเส้นหนึ่งหนึ่งจะมีการสูญเสียกำลังเกิดขึ้นจากหลายสาเหตุ เช่น

• การสูญเสียเนื่องจากความต้านทานทางไฟฟ้าที่ใช้ทำสายนำสัญญาณนั้น (ซึ่งแบ่งออกเป็นความต้านทานทางไฟฟ้าของส่วนที่เป็นปลอกด้านนอกและที่เป็นแกนกลางของสายนำสัญญาณ)
• การสูญเสียเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพ (physics) ของฉนวนระหว่างตัวนำในสายนำสัญญาณ 

ภาพที่ 1 การสูญเสียในสายนำสัญญาณ

(α อ่านว่า แอลฟ่า, alpha) แบบ

แกนร่วม (coaxial cable) ประกอบ

ไปด้วยการสูญเสียที่เกิดจากส่วนต่างๆ



วิเคราะห์การสูญเสียให้ลึกขึ้น

• การสูญเสียจากตัวนำ

ถ้าสังเกตภาพที่ 1 ให้ดี จะเห็นว่า เส้นสีแดงและสีเขียว ที่แสดงการสูญเสียจากตัวนำของสายนำสัญญาณ (copper loss) มีอัตราที่ต่างกันเมื่อความถี่สูงขึ้น  นั่นเพราะว่าที่ความถี่สูง กระแสไฟฟ้าจะวิ่งอยู่บริเวณตื้นๆ บนผิวของตัวนำเป็นเท่านั้น (ด้วยความลึกที่เรียกว่า skin depth มักเขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีก δ อ่านว่า เดลต้า) ยิ่งความถี่สูงขึ้น กระแสจะวิ่งที่ความลึกน้อยลง (ตื้นขึ้น) แกนกลางของสายนำสัญญาณ มีพื้นที่ผิวน้อยกว่าส่วนปลอก (ชีลด์)  เมื่อความถี่สูงขึ้น พื้นที่หน้าตัดส่วนที่กระแสจะไหลได้ตรงแกนกลาง จึงน้อยกว่าที่ปลอก (ชีลด์)  แกนกลางจึงเกิด copper loss มากกว่าส่วนลงปลอกของสายนำสัญญาณ (แบบ coaxial) ดูรูปที่ 2

ภาพที่ 2 เมื่อเกิด Skin Effect พื้นที่

หน้าตัดที่กระแสไฟฟ้าวิ่งได้ที่แกนกลาง

(สีน้ำเงิน) จะน้อยกว่าที่ปลอกหรือชีลด์

(สีแดง) ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม



• การสูญเสียจากฉนวน

ส่วนการสูญเสียจากฉนวน (dielectric loss) เกิดจากการที่ฉนวนถูกกระทำด้วยความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้อิเล็กตรอนของวัสดุที่ทำฉนวน (วัสดุทุกชนิด มี โปรตรอน และ อิเล็กตรอน เพียงแต่ถ้ามันเคลื่อนที่ยากมาก ก็เป็นฉนวนไฟฟ้า) เปลี่ยนขั้วไปมาถี่มากในหนึ่งวินาที ทำให้แปลงพลังงานเป็นความร้อน กลายเป็นความสูญเสีย การสูญเสียจากส่วนฉนวนเริ่มที่ความถี่สูงระดับหนึ่ง และยิ่งสูญเสียมากขึ้นที่ความถี่สูงขึ้น

ภาพรวมของการสูญเสียในสายนำสัญญาณ

จากองค์ประกอบต่างๆ ทำให้เราพอจะสรุปนิสัยใจคอของการสูญเสียในสายนำสัญญาณได้ว่า

1.  เมื่อความถี่สูงขึ้นการสูญเสียในสายนำสัญญาณจะสูงขึ้นตามไปด้วย (ซึ่งก็เหมือนกับการสูญเสียในอากาศหรือ free space ที่เมื่อความถี่สูงขึ้นการสูญเสียจะมากขึ้น)
2. สายนำสัญญาณที่มีขนาดใหญ่กว่า มีลวดตัวนำขนาดใหญ่ มักจะมีการสูญเสียน้อยกว่าสายนำสัญญาณที่มีขนาดเล็กกว่า
3. สายนำสัญญาณที่มีฉนวนลักษณะใกล้เคียงอากาศมากกว่า เช่น โฟม ที่มีรูปพรุนมากจะมีการสูญเสียน้อยกว่าสายนำสัญญาณที่มีฉนวนเป็นพลาสติก

ดังนั้น เมื่อเราทำงานกับความถี่ที่สูงขึ้น เช่น VHF หรือ UHF ก็มักจะต้องใช้สายนำสัญญาณขนาดใหญ่ มีการสูญเสียที่ความถี่สูงน้อย และราคาแพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเราต้องการเดินสายนำสัญญาณในระยะทางที่ไกล

ในตอนต่อไป (การสูญเสียกำลังในสาย​นำสัญญาณ (ตอนที่ 2)) เราจะมาดูว่า สายนำสัญญาณแบบไหน สูญเสียเท่าไรกัน สำหรับคราวนี้ ต้องขอ
73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต) ก่อนครับ พบกันในคราวหน้า ครับ