สายอากาศแบบ Traveling Wave คืออะไร

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

อุปกรณ์อย่างหนึ่งที่สำคัญมากในระบบสื่อสารด้วยความถี่วิทยุก็คือสายอากาศ ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไปมา ระหว่างพลังงานไฟฟ้าและพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แล้วแต่ว่าจะเป็นสายอากาศสำหรับส่งหรือสำหรับรับนั่นเอง

ส่วนใหญ่แล้วสายอากาศที่พวกเราคุ้นเคยและใช้กันส่วนมากจะเป็นสายอากาศที่เรียกว่าแบบเรโซแนนซ์ (Resonance Antenna) ไม่ว่าจะเป็นสายอากาศแบบ ไดโพล สลิมจิม ยากิ-อูดะ สายอากาศชัก สายอากาศยาง ควอด เลซี่-เอช เหล่านี้ล้วนเป็นสายอากาศแบบเรโซแนนซ์ทั้งสิ้น

สายอากาศแบบเรโซแนนซ์ (Resonance Antenna)

สายอากาศแบบนี้มักมีขนาดสั้นเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นที่เราใช้งานมันอยู่ เมื่อเราป้อนสัญญาณให้มัน ศักดาไฟฟ้าที่จุดป้อนจะบังคับให้ประจุไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) เคลื่อนที่ไปยังปลายสายอากาศอีกด้านหนึ่ง แต่ด้วยความสั้นของมัน (ไม่เกิน 1λ) และปลายอีกด้านหนึ่งไม่มีอะไรต่อเอาไว้ อิเล็กตรอนที่ถูกบังคับให้วิ่งไปเจอกับปลายทางที่ว่างเปล่าก็จะเดินทางสะท้อนกลับมา ทำให้เกิดภาวะเรโซแนนซ์ คือในทางวงจรไฟฟ้าแล้วเหมือนเป็นการอนุกรมกันระหว่างความเหนี่ยวนำไฟฟ้า (L) และความจุไฟฟ้า (C) และ Radiation Resistance (R_rad) ของสายอากาศนั่นเอง ดูภาพที่ 1 และ 2

ภาพที่ 1 สายอากาศไดโพล เป็น

ตัวอย่างที่ดีของสายอากาศแบบ

เรโซแนนซ์ ความยาวของตัวนำ

และการกางออกจากกันของตัวนำ

ทำให้เกิดความเหนี่ยวนำ

และความจุไฟฟ้าระหว่างกัน

ภาพที่ 2 วงจรสมมูลของสายอากาศไดโพล

ที่ความถี่เหมาะสม ขนาดของรีแอคแตนซ์

จากความเหนี่ยวนำ (X_L) และจากความจุ

ไฟฟ้า (X_C) ของตัวนำที่ใช้ทำสายอากาศ

จะเท่ากันแต่เครื่องหมายตรงกันข้ามกัน

นั่นคือเกิดสภาวะเรโซแนนซ์

จากภาพที่ 2 จะเห็นว่าเมื่อสายอากาศทำงานที่ตวามถี่เหมาะสม รีแอคแตนซ์จากความเหนี่ยวนำ (X_L = jωL = j2πfL) และจากความจุไฟฟ้า (X_C = 1/jωC = -j/ωC = -j/2πfC) ของตัวนำที่ใช้ทำสายอากาศจะมีขนาดเท่ากัน (คือ 2πfL มีค่าเท่ากับ 1/2πfC) แต่เพราะเครื่องหมายมันตรงกันข้ามกันจึงหักล้างกันไป (นี่ล่ะที่เรียกว่า เรโซแนนซ์) เหลือแต่ R_rad  ทำให้เมื่อมองเข้ามาที่จุดป้อนจะเหลือแต่ความต้านทานการแพร่กระจายคลื่นหรือ Radiation Resistance (R_rad) เท่านั้น (ซึ่ง R_rad สำหรับสายอากาศไดโพลก็คือประมาณ 73 โอห์ม และโฟลเด็ดไดโพลจะเป็นประมาณ 4 เท่าของ 73 โอห์ม เมื่อตัวนำมีขนาดเล็ก-บางมาก ถ้าตัวนำที่ใช้ทำสายอากาศอ้วนขึ้น ค่านี้จะลดลงกว่า 73 โอห์ม)

สายอากาศแบบคลื่นเดินทาง (Traveling Wave Antenna)

ก่อนอื่นเรามาดูกันที่ชื่อของสายอากาศชนิดนี้กันเสียก่อน โดย traveling หมายถึงเดินทาง และ wave หมายถึงคลื่น รวมความแล้วก็หมายถึงสายอากาศที่มีคลื่นเดินทางอยู่ในตัวของมันโดยที่ไม่เกิดการสะท้อนกลับหรือเกิดก็น้อยมาก (ที่จริงเราบังคับได้ เราอาจจะอยากให้มันสะท้อนหรือไม่ มากน้อยอย่างไรก็ได้) และในทางไฟฟ้าแล้วสายอากาศนี้จะไม่เรโซแนนซ์ (คือ X_L และ X_C จะไม่หักล้างกันหมดไป) ดูภาพที่ 3

ภาพที่ 3 สายอากาศแบบคลื่นเดินทาง

หรือ Traveling Wave Antenna จะยาว

หลายความยาวคลื่น (λ) คลื่นจะเดินทาง

บนตัวนำไปจนสุดปลายของสายอากาศ

ถ้าเราต่อไว้ด้วยความต้านทานที่ถูกต้อง

เราจะควบคุมการสะท้อนกลับของคลื่นได้

(ให้สะท้อน มากน้อย หรือไม่สะท้อนก็ได้)

จากภาพจะเห็นว่า สายอากาศ (ส่วนสีน้ำเงิน) ยาวมาก อาจจะหลายความยาวคลื่น (λ) ทำให้คลื่นเดินทางไปตามสายอากาศ ระหว่างเดินทางไปก็มีขนาดลดลงบ้าง (loss) มีการสะท้อนจากพื้นดินบ้าง โดยที่คลื่นที่เดินทางในดินและบนเส้นลวดโลหะที่ทำสายอากาศก็เร็วไม่เท่ากัน (ในดิน ช้ากว่า) และถ้าเราใส่ความต้านทาน (Terminating Resistance, R ในภาพที่ 3) ไดัถูกต้อง ก็จะไม่มีคลื่นสะท้อนกลับมาจากปลายสายอากาศ (โดยทั่วไป คือประมาณ 400-600 โอห์ม)

คุณสมบัติของสายอากาศแบบ Traveling Wave

จากที่กล่าวมาจะเห็นว่าสายอากาศแบบนี้มีลักษณะพิเศษ 2-3 อย่างที่ชัดเจนคือ

1. ใหญ่ ยาว เพราะมันต้องยาวหลายความยาวคลื่น (λ) ลองจินตนาการว่าถ้าเราใช้ความถี่ 14MHz ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 20 เมตร เราอาจจะต้องมีสายกาศยาวสัก 80 เมตรเพื่อเป็น 4λ
2. อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน มีค่าสูง การต่อตรงๆ เข้ากับสายนำสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์จำเพาะ 50 หรือ 75 โอห์มจะทำให้เกิดการสะท้อนกลับมาก มีค่า VSWR ในสายนำสัญญาณสูง จึงต้องมีวงจรจูน (Tune) เพื่อปรับอิมพิแดนซ์เสียก่อน
3. เนื่องจากไม่ใช่สายอากาศแบบเรโซแนนซ์ อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนจะมี Reactance ปนอยู่ด้วยมาก

เมื่อพวกเราเห็นสามข้อด้านบนนี้แล้วก็ไม่แน่ใจว่าจะเป็นข้อดีของสายอากาศแบบนี้ไหม (บอกให้เลยก็ได้ว่า น่าจะเป็นข้อไม่ดีมากกว่า) เพราะดูว่าท่าทางใช้งานยาก ทั้งใหญ่ ทั้งยาว แถมยังต้องมีวงจรปรับอิมพีแดนซ์ให้พอดีกับสายนำสัญญาณที่จะนำมาต่อเข้าด้วยกันอีก แล้วทำไมน่าสนใจล่ะ ก็เพราะ

1. เนื่องจากเป็นสายอากาศแบบไม่เรโซแนนซ์ ทำให้มีแบนด์วิดธ์ (bandwidth) กว้าง สามารถทำงานด้านในช่วงความถี่ที่กว้าง
2. ด้วยความ ใหญ่ ยาว และมีพื้นดินเป็นตัวช่วย (เรามักติดตั้งสายอากาศนี้ไว้สูงจากพื้นดิน 1 - 5 เมตรเท่านั้น) ทำให้มีทิศทางดีมาก (ดูภาพที่ 4) การมีทิศทางดีมากหมายถึงการมีเกนสูงขึ้นในทางใดทางหนึ่ง และแย่มากในทิศอื่น นั่นคือเราสามารถ "ไม่รับ" สัญญาณที่มาจากทิศทางที่เราไม่ต้องการได้ด้วย

ภาพที่ 4 สายอากาศแบบ Traveling Wave

มีทิศทางดีมาก สามารถตัดการรบกวน

จากทิศทางอื่นได้ดี

ตัวอย่างสายอากาศแบบ Traveling Wave

เล่าให้ฟังมาเป็นนาน เพื่อนๆ อาจจะสงสัยว่าตกลงแล้วมีคนใช้สายอากาศชนิดนี้จริงๆ อยู่หรือไม่ คำตอบก็คือแน่นอนว่า มีสิครับ สายอากาศแบบนี้ที่เป็นที่รู้จักกันก็เช่น

1. Beverage Antenna (สายอากาศแบบ เบเวอเรจ) มักใช้ "รับ" เป็นหลัก (ภาพที่ 5(a))
2. Rhombic Antenna (สายอากาศแบบ รอมบิค) นี่เรียกได้ว่าเป็น King of Antenna เลยก็ได้ เพราะทั้งใหญ่โตมโหฬาร มีเกนสูงมาก (ระดับ 15-18 dB) และมีมุมยิงคลื่น (Elevation) ต่ำมากแม้ในย่านความถี่ HF (ภาพที่ 5(b))

ภาพที่ 5 ตัวอย่างสายอากาศแบบ Traveling Wave

ที่ใช้กันมากคือ Beverage และ Rhombic Antenna



สรุป

1. สายอากาศแบบ Traveling Wave เป็นสายอากาศที่มีขนาดยาวมาก และไม่เรโซแนนซ์
2. เนื่องจากไม่จำเป็นต้องเรโซแนนซ์ทำให้มีแบนด์วิดธ์กว้าง
3. และด้วยความใหญ่ของมัน จึงสามารถจัดการออกแบบรูปร่างให้มีทิศทางที่ดี (ตามมาด้วยเกนที่ดี) ได้
4. แต่อิมพิแดนซ์ของสายอากาศนี้จะสูง จึงต้องมีการจูนก่อนการต่อเชื่อมเข้าสายนำสัญญาณแบบ 50 หรือ 75 โอห์ม
5. สายอากาศชนิดนี้ บางแบบก็เหมาะกับการรับเท่านั้น ไม่ได้เหมาะกับการส่งด้วย

เป็นอย่างไรบ้างครับ บทความในตอนนี้ถือเป็นการแนะนำสายอากาศชนิดใหม่ให้เพื่อนรู้จัก คราวต่อไปถ้ามีโอกาสก็จะมาดูว่าเราจะทดลองสร้างสายอากาศนี้ได้อย่างไร หรือต้องมีวงจรอะไรในการปรับจูนสายอากาศชนิดนี้ให้ใช้งานได้จริง แล้วพบกันใหม่ในบทความต่อไปนะครับ

73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จ.)