เครื่องวัด VSWR และ เครื่องวิเคราะห์สายอากาศ ต่างกันอย่างไร



โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

เรื่องนี้เกิดจากการได้ยินเพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นสนทนากันทางความถี่ และมีการสอบถามกันว่าเครื่องวัด VSWR หรืออัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณกับเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ (antenna analyzer) ต่างกันอย่างไร ก็มีการให้ความเห็นกันไป บางคนบอกว่าเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ หรือ antenna analyzer วัดด้วยระดับสัญญาณที่ต่ำกว่าจึงถูกต้องกว่า (ไม่ใช่คำตอบที่ถูกต้อง) บางคนบอกว่า เครื่องวิเคราะห์สายอากาศแบ่งการวัดเป็นขั้นละเอียดกว่า (ไม่ใช่คำตอบที่ถูกต้อง)  บางคนบอกว่าเครื่องวิเคราะห์สายอากาศมีวงจรกำเนิดความถี่ในตัว (ถูกต้อง ในจุดนี้ ซึ่งก็ต่างจาก SWR meter จริงๆ นั่นแหละแต่นั่นก็ยังไม่ใช่ประเด็นหลัก)

ความแตกต่างที่สำคัญ

จนมีบางคนบอกว่าเครื่องวิเคราะห์สายอากาศวัด อิมพิแดนซ์ (ความต้านทานเชิงซ้อน) ได้ ซึ่งก็เป็นคำตอบที่ถูกต้องอยู่  แต่ในปัจจุบันเครื่องวิเคราะห์สายอากาศจะทำงานโดยใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ (คอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก) การทำงานจะต่างออกไป

เครื่องวิเคราะห์สายอากาศแบบสเกลาร์และเวคเตอร์

ปัจจุบันเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ (ซึ่งมีสองแบบ คือ เวคเตอร์และสเกล่าร์) แบบเวคเตอร์จะวัด สัมประสิทธิการสะท้อนกลับ หรือ reflection coefficient (เขียนแทนด้วยตัวอักษรกรีกตัวใหญ่ Г อ่านว่าแกมม่า) ที่เป็นปริมาณแบบเวคเตอร์ได้  (มีขนาด และ ปริมาณ - ซึ่งถ้าอยู่ในรูป phasor คือ ขนาดและ มุม) ถ้าเป็นแบบ สเกลาร์ จะวัดได้แต่ "ขนาด" ของ reflection coefficient หรือ |Г| ไม่สามารถวัดมุม Ɵ (เป็นอักษรกรีกอ่านว่า ซีต้า) ได้

วิดิโอ 1 แสดงตัวอย่างของ Г ที่เครื่อง

วิเคราะห์สายอากาศจะวัดได้ เมื่อโหลด

(เช่น สายอากาศ) แสดงอิมพิแดนซ์ที่มี

ลักษณะเป็นความเหนี่ยวนำหรือความจุไฟฟ้า

 

วิดิโอ 1 แสดงสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ ( Г ) ที่เกิดจากโหลดที่ไม่เป็น 50 โอห์ม ทำให้ Г มีค่าไม่เป็น 0 (ถ้าเป็น 0 นั่นคือขนาด |Г| เป็น 0 ด้วยและจะไม่มีการสะท้อนกลับ) โหลดค่าต่างกัน เป็น inductive (แสดงความเป็นตัวเหนี่ยวนำ) หรือ capacitive (แสดงความจุทางไฟฟ้า) จะได้ |Г| และมุม Ɵ ต่างกัน  สัมประสิทธิการสะท้อนกลับหรือ Г เป็นตัวเลขจำนวนเชิงซ้อน มีขนาด  |Г| และมุม Ɵ อธิบายได้ตามภาพที่ 1

ภาพที่ 1 Г แบบเวคเตอร์และสเกลาร์

แบบเวคเตอร์จะมีส่วนจริงและจินตภาพ

สามารถเขียนในรูปเฟเซอร์ได้ ส่วนแบบ

สเกล่าร์จะมีเฉพาะขนาด |Г| เท่านั้น

ตัวภาษากรีก Г (ออกเสียงว่า แกมม่า) นี่แหละ ที่เครื่องวิเคราะห์สายอากาศ วัดได้  ในขณะที่ VSWR meter ไม่มีความสามารถนี้ และจากสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ หรือ Reflection Coefficient ที่วัดได้ เครื่องจะคำนวณหาสิ่งอย่างทั้งหมดต่อไปได้ เช่น

1. ค่า SWR
2. อิมพิแดนซ์ที่ปรากฏที่ขั้วเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ
3. วาด Smith Chart ได้ที่ความถี่ต่างๆ

ซึ่งในข้อ 2 และ 3 จะต้องเป็นเครื่องวิเคราะห์สายอากาศแบบ   Vector Analyzer นะ ถ้าเป็นแบบ Scaler จะทำไม่ได้

 

แกมม่า Г เป็นจำนวนเชิงซ้อนและขนาดที่เป็นไปได้ตั้งแต่ 0 (เมื่อแมทช์ คือไม่มีการสะท้อนของคลื่นเลย) ถึง 1 (เมื่อสะท้อนกลับทั้งหมด มักเกิดเมื่อมีการลัดหรือเปิดวงจรที่โหลด) และจาก Reflection Coefficient  (Г แกมม่า) ที่มีทั้งขนาด และ มุม เครื่องจะคำนวน VSWR ให้ได้

ภาพที่ 2 สมการคำนวณ SWR จาก

ขนาดของ Г (เขียนแทนด้วย |Г|)

ตรงนี้ จะเห็นว่า ในเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ แบบ สเกล่าร์ ที่วัดได้แต่ ขนาด ของ Reflection Coefficient คือ |Г| ก็บอก VSWR ได้แล้ว ยิ่งถ้าได้ค่าแกมม่า เป็นแบบเวคเตอร์ คือ รู้ทั้งขนาดและมุม จะหาอิมพิแดนซ์ได้ เพราะในการคำนวณหาอิมพิแดนซ์จำเป็นตัวรู้ขนาดและมุมของสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ

ภาพที่ 3 เราสามารถคำนวณหา

อิมพิแดนซ์จาก Г (เวคเตอร์) ได้

ในขณะที่เราวัดสายอากาศ เราต้องต่อสายนำสัญญาณจากขั้วต่อสายอากาศมายังขั้วของเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ  สายนำสัญญาณเส้นสั้นๆ ที่ยาว ℓ นี้ (ดูภาพที่ 3) จะมีผลทำให้อิมพิแดนซ์ที่ปลายอีกด้านหนึ่งผิดไปจากที่เป็นจริงที่ขั้วของสายอากาศ ดูภาพที่ 4

ภาพที่ 4 สายนำสัญญาณที่ยาว

ทางไฟฟ้าต่างกันทำให้อิมพิแดนซ์
ที่ปรากฏอีกด้านหนึ่งเปลี่ยนไป

และเมื่อเราเปลี่ยนความถี่ในการวัด (สแกนความถี่) ความยาวทางไฟฟ้าของสายนำสัญญาณก็เปลี่ยนไป ทำให้ผลที่วัดได้ผิดไปอีก ดูภาพที่ 5 และวิดิโอที่ 2

ภาพที่ 5 ตัวอย่างสายนำสัญญาณ RG58

ความยาวคงที่ 1.3655 เมตร

เมื่อเปลี่ยนความถี่ ความยาวทางไฟฟ้า

ℓ­­_elec ของมันเปลี่ยนไป (λ เปลี่ยนไป)

ทำให้อ่านค่า Z_in ได้ต่างจาก Z_L ได้



วิดิโอ 2 สายนำสัญญาณมีคุณสมบัติ

ในการแปลงอิมพิแดนซ์ได้ โดยขึ้นกับ

ความยาวและอิมพิแดนซ์จำเพาะของ

สายนำสัญญาณนั้น จึงมีผล

ต่อค่าของอิมพิแดนซ์ที่วัดได้



เพื่อกำจัดผลจากสายนำสัญญาณที่ต่อระหว่างเครื่องวิเคราะห์สายอากาศกับโหลด (หรือสายอากาศ) ออกไป เครื่องวิเคราะห์สายอากาศหลายรุ่น เช่น RIG Expert บางรุ่น จึงสามารถปรับเทียบ (calibrate) เพื่อลบล้าง (Cancel Out) ความยาวของสายนำสัญญาณที่ต่อจากขั้วสายอากาศที่เราจะวัดจริงๆ กับ เครื่อง RIG Expert ออกไปได้ ทำให้การวัดอิมพิแดนซ์สะดวกขึ้น

สรุป
เครื่องวิเคราะห์สายอากาศแบบเวคเตอร์ สามารถบอกอิมพิแดนซ์ของสายอากาศได้ (และเครื่องนำค่าอิมพิแดนซ์นี้ไปคำนวณหา VSWR ทำให้เครื่องบอก VSWR ได้ด้วย) ซึ่งค่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศสำคัญมากในการแมทช์ (แปลง) ให้อิมพิแดนซ์กลายเป็น 50 โอห์ฒ ในขณะที่ VSWR meter สามารถบอกได้เพียงค่า VSWR ซึงจะมีอิมพิแดนซ์ที่เป็นไปได้จำนวนนับไม่ถ้วนที่ทำให้ได้ค่า VSWR หนึ่งค่านั้น ทำให้ไม่สามารถรู้อิมพิแดนซ์ที่แน่นอนของสายอากาศ จึงใช้แมทช์อิมพิแดนซ์ของสายอากาศไม่ได้นั่นเอง

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)