มุมมองใหม่ของ Sleeve Balun และหลักการป้องกันกระแสโหมดร่วม

Understanding the Sleeve Balun: Outer-Surface-Waves Suppression and Quarter-Wave Impedance Transformation

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

---

เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นหลายท่านคงเคยได้ยินชื่อของอุปกรณ์วิทยุสื่อสารผ่านหูมาหลายชนิด และหนึ่งในนั้นน่าจะเป็นคำว่า "บาลัน" (Balun) ซึ่งโดยรวมแล้วมีหน้าที่ไว้เชื่อมต่อระหว่างระบบแบบสมดุล (Balanced) กับระบบแบบไม่สมดุล (Unbalanced) เข้าด้วยกัน แต่ยังมีรายละเอียดไปอีกว่าเป็นแบบ Voltage Balun หรือ Current Balun ด้วย ซึ่งบาลันทั้งสองอย่างนี้ไม่สามารถทดแทนกันได้โดยสมบูรณ์และมีการทำงานคนละหลักการกัน

ในบางลักษณะของอุปกรณ์ การเชื่อมต่อ และการติดตั้ง มีเหตุผลเฉพาะที่จำเป็นต้องใช้ balun ต่อในระบบ (ในบางระบบอาจจะไม่จำเป็นก็ได้นะครับ ขึ้นกับสภาพแวดล้อมหลายอย่างของสถานีวิทยุนั้นๆ)  เพราะถ้าไม่ใช้หรือไม่ใส่บาลันให้เหมาะสมแล้วอุปกรณ์อาจจะทำงานไม่เต็มประสิทธิภาพและ/หรือมีกระแสโหมดร่วม (common mode current) ไหลที่ผิวด้านนอกของสายนำสัญญาณแบบ Coaxial กลับมาถึงเครื่องวิทยุของเรา (รวมทั้งอุปกรณ์ส่วนควบก่อนหน้า เช่น จูนเนอร์ เครื่องวัด SWR เป็นต้น) และรบกวนการทำงานต่างๆ ได้  balun ที่ต้องใส่เพื่อลดกระแสโหมดร่วมคือ current balun (voltage balun ไม่ช่วยเรื่องนี้) ที่ทำหน้าที่ลดหรือหยุดกระแสโหมดร่วมโดยเฉพาะ  current balun มีหลายแบบ เช่น Guanella balun, Ugly balun (ทำจากการเอาสายนำสัญญาณมาขดเป็นวงกลม เรียกทั่วไปว่าโช้ค), สวมด้วยวงแหวนเฟอร์ไร้ท์ (ferrite bead) หรือที่เรากำลังสนใจในบทความนี้คือบาลันแบบปลอกโลหะหรือ Sleeve balun ที่อาจจะเรียกว่า Bazooka balun ก็ได้ (sleeve แปลว่า ปลอก ฝัก ซึ่งก็ตรงกับลักษณะภายนอกของมัน)  แต่ก่อนจะเล่าต่อไป เราทบทวนพื้นฐานก่อนสักนิดครับ

กระแส common mode บนสาย Coaxial เกิดอย่างไร

กระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ไหลที่แกนกลางและผิวด้านในของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบ coaxial (หรือแม้แต่ตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณแบบสายแบนคู่หรือ twin-lead) เป็นโหมด differential คือ ที่จุดหน้าตัดใดๆ ของสาย กระแสที่แกนกลางของสายกับที่ผิวด้านในของสายจะเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้าม ซึ่งเป็นลักษณะบังคับตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าของสายนำสัญญาณ แต่มีกระแสอีกชนิดหนึ่งที่มักถูกมองข้ามแต่อาจจะแอบไหลอยู่ในระบบของเราคือ กระแสโหมดร่วมหรือ common mode current  ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 เมื่อสายอากาศไม่สมดุล
อาจจะเพราะวางในพื้นที่ที่สองด้าน
ของสายอากาศไม่เหมือนกัน จะเกิด
กระแสส่วนต่าง I₃ ขึ้น ซึ่งเรียกว่า

กระแสโหมดร่วม (โดยกระแส I₁ และ  

I₂ ภายในสายนำสัญญาณมีขนาด
เท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกันเสมอ

(เพราะเป็นกระแส differential)

กระแสโหมดร่วม (I₃ ในรูปที่ 1 ซึ่งต่อไปในบทความนี้อาจะเรียกว่ากระแส I_c) เป็นกระแสที่ไหลที่ "ผิวด้านนอก" ของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) ซึ่งต้องไม่ลืมนะครับว่าเราต้องมองผิวด้านในและด้านนอกของชีลด์ของสาย coaxial ว่าเป็นคนละตัวนำแยกจากกัน (เป็นผลของ skin effect ที่ทำให้กระแสไฟฟ้าความถี่สูงไหลที่ผิวตื้นๆ ของตัวนำไฟฟ้า)  กระแสโหมดร่วมไม่ได้เกิดจากเครื่องส่งวิทยุแต่เกิดจากหลายสาเหตุโดยสาเหตุหลักคือความไม่สมดุลของระบบสายอากาศของเรา   โดยทั่วไปแล้ว

• คลื่นที่อยู่ "ด้านใน" ของสาย coaxial เป็น TEM (Transverse ElectroMagnetic wave หรือทั้งเส้นแรงสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กจะตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของสนามไฟฟ้าและแม่เหล็กนั้นเสมอ) คลื่นด้านในของสาย coaxial นี้เกิดจากกระแสไฟฟ้าความถี่สูงแบบ differential mode เป็นส่วนที่เราต้องการเราใช้ป้อนพลังงานให้กับสายอากาศ (หรือโหลดอื่นๆ)  
• คลื่นด้านในของสาย coaxial นี้ไม่เกี่ยวอะไรกับกระแสโหมดร่วมและ "คลื่นที่ผิวด้านนอก" (outer- surface waves) ที่เกิดจากกระแสโหมดร่วมที่ไหลอยู่ที่ผิวด้านนอกของสาย coaxial คลื่น outer- surface waves นี้อาจจะมีโหมดหลักเป็น Quasi-TM ผสมกับโหมดอื่นๆ (คลื่นโหมด TM คือ Transverse Magnetic wave เส้นแรงแม่เหล็กจะตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่นเสมอ ส่วนเส้นแรงไฟฟ้านั้นอาจจะส่วนที่เบนอยู่ในทิศที่คลื่นเคลื่อนที่ได้) 
• ด้วยความไม่สมดุลที่เกิดเมื่อต่อสายนำสัญญาณเข้ากับสายอากาศ (หรือโหลดอื่นที่อาจจะสร้างปัญหา) จึงอาจมีกระแสโหมดร่วม (common mode current) ไหลบนผิวด้านนอกของชีลด์ของสาย Coaxial ได้    กระแสโหมดร่วมนี้เป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ มันรบกวนและสร้างปัญหาให้เรา
• ในบริเวณใกล้ๆ ผิวโลหะด้านนอกของสาย coaxial ที่กระแสโหมดร่วมที่ไหลจะมีคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) อยู่ แต่คลื่นนี้ไม่ใช่ TEM เพราะคลื่น TEM ต้องการตัวนำสองตัวและมีเส้นทางครบวงจร (return path) ถูกต้อง  แต่บนผิวด้านนอกของสาย coaxial มีตัวนำเดียว จึงไม่สามารถเกิด TEM ได้ 
• ถ้าเราไม่ทำอะไรกับ common mode current ผิวด้านนอกของสาย coaxial จะทำตัวเป็น "สายอากาศ" ไปด้วย แล้วส่งคลื่นรบกวนออกมา (ไม่นับที่ว่ามันทำให้กระแสที่โลหะของสายอากาศผิดไปจากการออกแบบ) 
• แม้เราจะสวม sleeve หรือท่อโลหะครอบสาย coaxial ไว้บางส่วน คลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) ที่เกิดจากกระแสโหมดร่วมในบริเวณที่ sleeve ไม่ได้ครอบคลุมก็ยังไม่ใช่ TEM  

ดูรูปที่ 2  จะเห็นว่ากระแสโหมดร่วมจะเกิดขึ้นที่สายอากาศและเดินทางลงมาหาเครื่องวิทยุและอุปกรณ์เท่านั้น (ไม่ใช่กลับด้านกัน) และกระแสนี้สร้างคลื่นที่ผิวด้านนอกของเปลือกชีลด์ ซึ่งสามารถกระจายออกมารบกวนการทำงานของสายอากาศหลักได้

รูปที่ 2 แสดงกระแสโหมดร่วม I_c ที่ไหล

บริเวณผิวด้านนอกของสายชีลด์
จะทำให้เกิด outer-surface wave และ
แพร่กระจายออกไปรบกวนคลื่นจาก
สายอากาศได้

รูปร่างทางกายภาพของ Sleeve Balun และการทำงานโดยคร่าวๆ

รูปที่ 3 แสดง sleeve balun ที่สวมเข้ากับสายนำสัญญาณ  

• เป็นปลอกโลหะ (sleeve) ความยาวประมาณ ¼λ สวมเข้ากับสายนำสัญญาณ
• ด้านหนึ่งของ sleeve ถูกต่อเข้ากับส่วนชีลด์ (ลัดวงจร, short) ของสายนำสัญญาณแบบ coaxial 
• ส่วนอีกด้านหนึ่งปล่อยไว้ตามปกติ (เปิดวงจร, open) 
• สิ่งที่เราต้องสนใจไม่ใช่เพียงกระแสโหมดร่วมบนผิวด้านนอกของสาย coaxial เท่านั้น  แต่เราสนใจคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) ที่เกิดจากกระแสโหมดร่วมด้วย 
• ถ้าเรากำจัดอย่างหนึ่งได้ (เช่นกำจัดคลื่นที่ผิวด้านนอก) เราก็จะกำจัดของอีกอย่างหนึ่งได้ด้วย (คือ กระแสโหมดร่วม) และกลับกันก็เช่นเดียวกัน
• สายนำสัญญาณส่วนที่มี sleeve หรือปลอกโลหะครอบอยู่ จะกลายเป็นสายนำสัญญาณส่วนเพิ่มที่มีโลหะสองชื้นคือผิวด้านนอกของชีลด์และผิวด้านในของ sleeve และพร้อมทำงานกับคลื่นโหมด TEM  
• สายนำสัญญาณส่วนเพิ่มนี้จะสร้างกำแพงอิมพิแดนซ์ (impedance wall) จากการ mismatch ให้กับคลื่น outer-surface waves ให้สะท้อนกลับจากคุณสมบัติร่วมกันระหว่างการเปิด-ลัดวงจรและคุณสมบัติของสายนำสัญญาณที่ยาว λ/4 

จากด้านบนจะเห็นว่าหลายคนเข้าใจผิดคิดว่า sleeve ทำงานกับคลื่น TEM ที่อยู่ภายในสาย coaxial ซึ่งผิดมากเพราะด้วยผลของ Skin effect ทำให้ด้านในและด้านนอกของสาย Coaxial เหมือนเป็นคนละส่วนกัน 

รูปที่ 3 ลักษณะของ Sleeve balun

มุมมองใหม่ในการทำความเข้าใจการทำงานของ Sleeve balun 

คราวนี้ลองพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นให้ละเอียดขึ้นคือเมื่อมีกระแสโหมดร่วมไหลที่ด้านนอกของชีลด์ของสาย coaxial จะเกิดคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) คลื่นนี้จะมองเห็นโลหะผิวด้านนอกของชีลด์ (ส่วนที่ไม่มี sleeve ครอบ) เป็น "สายนำสัญญาณ#1" ที่มีโลหะชิ้นเดียว (คลื่นที่เดินทางบนมันเป็น TEM ไม่ได้) มีอัตราคูณลดความเร็ว (velocity factor: VF₁) และความต้านทานเฉพาะตัว (characteristic impedance, Z₁) ของมันเอง  แต่เมื่อเรานำปลอกโลหะ (sleeve) สวมเข้ากับบางส่วนของสายนำสัญญาณ บริเวณที่ถูกสวมนั้นจะกลายเป็น "สายนำสัญญาณ#2" อีกเส้นหนึ่งที่ซ้อนทับสาย coaxial อยู่ สายนำสัญญาณ#2 นี้มีโลหะสองชิ้น (คลื่นโหมด TEM สามารถเดินทางได้) มีอัตราคูณลดความเร็ว (velocity factor: VF₂) และความต้านทานเฉพาะตัว (characteristic impedance, Z₂) ของมันเอง

โดย 
VF₂ = c / √(ε_r(effective)) 

c คือความเร็วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอากาศ

ε_r(effective) คือ Permittivity โดยรวมที่เป็นผลจากฉนวนที่เปลือกของสาย coaxial และอากาศใน sleeve

เมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอก outer-surface waves เดินทางไปตามสายนำสัญญาณ#1 จนถึงรอยต่อที่ปลอกโลหะสวมอยู่หรือปลายของสายนำสัญญาณ#2 ซึ่งโดยปกติทั้งคู่มีความต้านทานเฉพาะตัว (characteristic impedance) ไม่เท่ากันและต้องเกิดการสะท้อนอยู่แล้ว แต่ยิ่งไปกว่านั้นเราได้ลัด (หรือเปิดวงจร) ที่รอยต่อระหว่างสายนำสัญญาณทั้งคู่ไว้อีก ทำให้เกิดการสะท้อนกลับเกือบทั้งหมด  ดูรูปที่ 4 

รูปที่ 4 ผิวด้านนอกของสายนำสัญญาณ
หลักในบริเวณที่ไม่ได้สวมปลอกโลหะ
ทำตัวเป็นสายนำสัญญาณ#1 และใน
บริเวณที่สวมปลอกโลหะจะทำตัวเป็น
สายนำสัญญาณ#2 (a) เมื่อคลื่น (สีชมพู)
เดินทางจากสายนำสัญญาณ#1
มาถึงจุดลัดวงจรก่อนเข้าสายนำ
สัญญาณ#2 จะสะท้อนกลับ
และ (b) เมื่อคลื่นเดินทางจากสายนำ
สัญญาณ#1 มาถึงจุดเปิดวงจรก่อนเข้า
สายนำสัญญาณ#2 ก็จะสะท้อนกลับด้วย

พฤติกรรมโดยรวมของ Sleeve ความยาว λ/4

ผลโดยรวมที่เกิดขึ้นเมื่อเราเอาปลอกโลหะ (sleeve) สวมเข้ากับสาย coaxial จากนั้นที่ด้านหนึ่งก็ต่อตัวนำที่ปลายปลอกโลหะเข้ากับชีลด์ของสาย coaxial (เรียกว่าด้าน short) ส่วนอีกด้านหนึ่งไม่ทำอะไร ปล่อยไว้เฉยๆ (เรียกว่า ด้าน open) สิ่งนี้ทำให้เกิดการการสะท้อนของ "คลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves)" โดยกลไกคือ:

• คลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) สะท้อนเมื่อเดินทางมาถึงจุด short (0 Ω) หรือ open (∞ Ω) 
• บริเวณที่ sleeve ครอบสายนำสัญญาณอยู่นั้น ผิวด้านนอกของชีลด์และผิวด้านในของ sleeve ทำตัวเป็นสายนำสัญญาณ#2 ที่พร้อมสำหรับโหมด TEM ดังนั้น อิมพิแดนซ์ที่ปรากฏ (Z_in) ที่ระยะ ℓ ห่างจาก Z_L จึงเป็น

β  = 2π / λ    

เมื่อ  ℓ = ¼λ   ทำให้   βℓ  =  π/2  
แทนลงในสมการบน จะได้สมการการแปลงอิมพิแดนซ์ของสายนำสัญญาณที่ยาว ¼λ ที่คุ้นเคยคือ

ซึ่งกรณีนี้ไม่ว่า Z₀ ในสมการข้างบน (ซึ่งคือความต้านทานเฉพาะตัวของสายนำสัญญาณ#2 หรือ Z₂ ในรูปที่ 4) จะเป็นเท่าไรก็ตาม:

ถ้า Z_L =  0 Ω (ลัดวงจร) → Z_in จะเป็น ∞ Ω  (เปิดวงจร)  

หรือถ้า Z_L = ∞ Ω  (เปิดวงจร) →  Z_in จะเป็น 0 Ω  (ลัดวงจร)  

และเมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) เดินทางมาตามสายนำสัญญาณ#1 เมื่อถึงรอยต่อระหว่างสายนำสัญญาณ#1 กับสายนำสัญญาณ#2 ความแตกต่างของอิมพิแดนซ์ที่ปรากฏ (Z_in ที่มองเข้าไปในปลาย sleeve) กับอิมพิแดนซ์ของสายนำสัญญาณ#1 เอง (Z₁ ในรูปที่ 4 หรือ Z₀ ในสมการด้านล่าง) ทำให้คลื่นสะท้อนด้วยค่าสัมประสิทธิ Г (แกมมา)  

เมื่อ

 Z_in = 0 Ω  →  Г = -1 

 Z_in = ∞ Ω  →  Г = 1  

ขนาด  | Г | = 1 โดยทฤษฎ๊หมายถึงการสะท้อนกลับหมด แต่ในทางปฏิบัติอาจะมีคลื่นเดินทางต่อได้บ้าง 

• ถึงแม้คลื่นจะทะลุเข้าไปใน สายนำสัญญาณ#2 ได้ แต่ด้วยผลของ ¼λ stub ทำให้คลื่นเดินทางต่อไม่ได้ หรือได้ยากมาก
• การวาง sleeve ยาว λ/4 จาก short จะเกิดผลลัพธ์ดังนี้
• เมื่อคลื่นเดินทางมาเจอ short → คลื่นสะท้อน
• เมื่อคลื่นเดินทางมาเจอ open  → คลื่นสะท้อน
• ที่ระยะ λ/4 จาก short → จะเห็นความต้านทานสูงมาก 
• ที่ระยะ λ/4 จาก open → จะเห็นความต้านทานต่ำมาก 
• ถึงแม้คลื่นจะทะลุเข้าไปในสายนำสัญญาณ#2 ได้ แต่คลื่นจะไม่สามารถเดินทางผ่าน sleeve ไปได้ง่ายหรือไกลนัก
• เมื่อคลื่นส่วนใหญ่ถูกหยุด กระแสโหมดร่วม (Common mode current, I_c) ส่วนใหญ่ก็ถูกหยุดเอาไว้ด้วยนั่นเอง

รูปที่ 5 Sleeve Balun ที่เราใส่เข้าไป
เมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface
waves) จากกระแส I_c เดินทางจากด้านบน
ถึงจุด "Open" มันจะสะท้อนกลับ

 ประกอบกับด้านล่างของ sleeve ห่างลงมา
 ¼λ ยังมีจุดลัดวงจร ที่ทำให้ด้านบนเห็น
อิมพิแดนซ์เป็น "Open" อีกครั้งด้วย

ทำให้ป้องกันไม่ให้คลื่นเดินทาง

ผ่าน sleeve ได้

การทำงานร่วมกันของ short และ open

• เมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอกเดินทางมาในทิศที่ถึงด้าน open ก่อน ก็จะสะท้อนกลับ แต่เท่านั้นยังไม่พอ ที่ระยะ λ/4 ห่างออกไปยังเป็น short ซึ่งทำให้เห็นเป็น open เสริมกันเข้าไป ทำให้คลื่นสะท้อนกลับเกือบทั้งหมด (รูปที่ 5)
• เมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอกเดินทางมาในทิศที่ถึงด้าน short ก่อน ก็จะสะท้อนกลับเช่นกัน และที่ระยะ λ/4 ห่างออกไปยังเป็น open ซึ่งทำให้เห็นเป็น short เสริมกันเข้าไปอีกชั้น ทำให้คลื่นสะท้อนกลับเกือบทั้งหมด (รูปที่ 6) 
• ผลคือคลื่นจะเดินทางจากผิวด้านนอกของสาย coaxial เข้าไปใน sleeve ได้ยากมาก หรือถึงจะหลุดเข้าไปได้บ้างก็จะสะท้อนกลับอยู่ดี
• เมื่อคลื่นถูกหยุด กระแส common mode บนผิวด้านนอกของสาย coaxial ก็หยุดไปด้วย

รูปที่ 6 คล้ายรูปที่ 5 เพียงแต่เราสลับ
ตำแหน่งลัดและเปิดวงจรของ sleeve
จะเห็นว่าคลื่นจากด้านบนเดินทางมา
เจอจุด "Short" ก็จะสะท้อนกลับไป
ซ้ำด้านล่างห่างลงมา ¼λ มีการเปิด
วงจรไว้ ทำให้ด้านบนมองเห็นเป็น

"Short" ซ้ำอีกที  ทั้งคู่ทำงานด้วยกัน
จึงป้องกันไม่ให้คลื่นเดินทาง

ผ่าน sleeve ได้

การทำงานสองทาง (bi-directional)

• เนื่องจากผลของ transmission line stub เกิดที่ทั้งสองด้าน 
• ไม่ว่าคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) จะเดินทางมาจากด้านไหน มาเจอจุด short หรือจุด open ก็จะถูกสะท้อนกลับเหมือนกัน
• Sleeve balun จึงเป็นอุปกรณ์แบบ bi-directional
• Sleeve balun เป็นอุปกรณ์ passive ไม่มี loss (เอาล่ะ อาจจะมีบ้างจากสาย coaxial สั้นๆ นั่นแหละ) ไม่มี element ที่เป็น nonlinear จึงทำงานได้สองทิศทางอย่างสมบูรณ์
• รูปที่ 5 และ 6 แสดงให้เห็นว่า ไม่ว่าคลื่น surface wave จะเดินทางมาจากทิศไหน sleeve ก็จะหยุดคลื่นไว้ได้ (ทำให้กระแสโหมดร่วม หยุดไปด้วย) 

ความยาวของปลอกโลหะ (Sleeve) 

ตรงนี้สำคัญว่าเราจะให้ความยาว λ/4 ของ Sleeve เป็นเท่าไร  บางคนหรือบางตำราบอกว่าคำนวณจาก Velocity Factor ของสายนำสัญญาณ coaxial ซึ่งไม่ถูกต้องเพราะนั่นคือความเร็วคลื่น "ใน" สายนำสัญญาณ  บางคนบอกว่าใช้ความยาวคลื่นในอากาศซึ่งก็ไม่ใช่อีก เพราะสายนำสัญญาณ#2 นั้นมีฉนวน (dielectric) ในแบบของมันเอง  แล้วต้องใช้เท่าไรล่ะ

• ไม่ใช่ความยาวที่คำนวณจาก dielectric ภายใน coaxial (คือ velocity factor ที่เราคุ้นเคยกัน) 
• ความยาว λ/4 ต้องคำนวณมาจากความเร็วของคลื่นบนสายนำสัญญาณที่ประกอบไปด้วยผิวด้านนอกของโลหะส่วนชีลด์และผิวด้านในของ sleeve  (สายนำสัญญาณ#2) ซึ่งมีโลหะสองชิ้นและพร้อมจะรับคลื่นแบบ TEM ได้
• ความเร็วของคลื่่นในส่วนของ สายนำสัญญาณ#2 จึงขึ้นกับค่า Permittivity ลัพธ์ (ε_r(effective)) ของฉนวนระหว่างตัวนำทั้งสองของ สายนำสัญญาณ#2 นั่นคือ (1) เปลือกของสาย coaxial (2) อากาศ (3) สัดส่วนระหว่างเปลือกของสาย coaxial กับอากาศใน sleeve ว่าอะไรมากกว่ากันอย่างไร
  
• หลังจากคำนวณความยาว ¼λ ของ sleeve ได้ ก็ต้องปรับแต่งให้สามารถลดกระแสโหมดร่วมให้มีค่าต่ำที่สุดอีกครั้ง 
• สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือ Sleeve balun ทำงานดีที่ความถี่เฉพาะ คือเมื่อความยาวของมันเท่ากับ ¼λ ของความถี่ที่ใช้งาน นั่นคือ bandwidth ไม่ได้กว้างนัก 

เปรียบเทียบกับ balun แบบที่คล้ายกัน

หัวข้อนี้ถือว่า "แถม" นะครับ เพราะเห็นว่าเกี่ยวข้องกัน และด้วยความที่หลายท่านอาจจะมองไม่ออกว่า current balun บางแบบทำงานอย่างไร คราวนี้จะได้เข้าใจกันแล้วล่ะ

• Pawsey balun หรือ Pawsey stub หรือ coaxial stub balun 
• ใช้หลักการ short–open λ/4 เช่นกัน 
• ลักษณะต่างออกไปคือ
• ใช้สาย coaxial อีกเส้นหนึ่งสั้นๆ (ก็ยาว λ/4 นั่นแหละ) ขนานกับสายป้อนหลัก
• Short ปลาย stub → ที่ระยะ λ/4 แปลงเป็น → ความต้านทานสูงมากที่จุดป้อน
• คลื่น Differential mode แบบ TEM ภายใน coax ยังคงส่งสัญญาณได้ปกติ 
• คลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) เดินทางมา ไม่ว่าจะเจอ short หรือ open ก็สะท้อนหมดเช่นกัน
• ข้อดีคือ เบา ติดตั้งง่าย ยืดหยุ่น 

ทำไมปลอกโลหะต้องยาวประมาณ λ/4 

เรื่องนี้น่าสนใจเพราะดูเผินๆ เมื่อคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) เดินทางมาพบจุดที่ลัดหรือเปิดวงจร คลื่นก็สะท้อนอยู่แล้ว เราทำ sleeve สั้นๆ ก็น่าจะพอ ประหยัดโลหะด้วย แต่มันมีเหตุผลคือ

• หากทำ sleeve สั้นๆ  สมมติว่า short ทั้งสองปลาย  เมื่อคลื่นเดินทางมาถึงก็เกิดการสะท้อน แต่ก็ยังมีบางส่วนที่อาจจะเดินทางเข้าไปได้ 
• ถ้า sleeve ยาว λ/4 และลัดวงจรที่ด้านหนึ่ง (เช่น short ที่ด้านหนึ่ง) แล้ว open ที่อีกด้านหนึ่ง แบบนี้ คลื่นที่เดินทางเข้าไปใน sleeve จะเห็น impedance สูงมากๆ หรือต่ำมากๆ ทำให้มันหยุดเดินทาง
• สิ่งที่ปรากฏคือหากออกแบบได้ถูกต้องจะทำให้คลื่นสะท้อนกลับหมด

สรุป 

1. กระแสโหมดร่วมหรือ common-mode อยู่บนผิวด้านนอกของ coaxial เท่านั้น ไม่เกี่ยวกับกระแสและคลื่นด้านในของสายนำสัญญาณ coaxial
2. คลื่นที่เกิดจากกระแสโหมดร่วมไม่ใช่ TEM  แต่เป็นคลื่นที่ผิวด้านนอก (outer-surface waves) อาจจะประกอบด้วยคลื่นหลักคือ quasi-TM และโหมดอื่นๆ โดยเดินทางไปกับผิวโลหะด้านนอกของชีลด์
3. Sleeve balun ใช้ ลัด/เปิดวงจรกับการแปลงอิมพิแดนซ์ที่ระยะ λ/4 ของสายนำสัญญาณได้ เปิด/ลัด วงจร ให้เกิดการสะท้อนเพื่อหยุดคลื่นไม่ให้เดินทางผ่าน sleeve balun ไปได้ 
4. การสะท้อนจากการ Short/Open เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ ต้องมีผลจากการ Open/Short ที่ระยะ λ/4 ห่างออกมามาเสริมเข้าไปอีก
5. Sleeve balun เป็น bi-directional และ passive คือทำงานได้สองทางโดยไม่สูญเสียกำลัง
6. ความยาว sleeve ต้องคำนวณจากความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณ#2 (เป็น TEM mode capable) ซึ่งขึ้นกับฉนวนระหว่างตัวนำทั้งสอง (ผิวนอกของชีลด์ กับ ผิวในของ sleeve) คือเปลือกของสาย coaxial และอากาศและมีอะไรมากกว่ากัน  ไม่ใช่ใช้ Velocity Factor ของสายนำสัญญาณ coaxial 
7. Sleeve balun มี bandwidth ไม่กว้าง เมื่อความถี่เปลี่ยนไป ความยาวของมันอาจจะไม่ใช่ ¼λ แล้ว  
8. อีกมุมมองหนึ่งที่มองได้ก็คือ เมื่อสายนำสัญญาณ#2 พร้อมสำหรับโหมด TEM กระแสโหมดร่วมไม่สามารถทำให้คลื่นในสายนำสัญญาณ#2 เป็นโหมดระหว่างผิวนอกของชีลด์และผิวในของ sleeve ได้เพราะไม่มีกระแสที่ผิวด้านในของ sleeve ไหลในทิศตรงกันข้ามมาสร้าง boundary condition ให้ครบ  โหมดที่เกิดจึงเป็นเพียงสนามแบบไม่เดินทาง (evanescent) และไม่สามารถส่งพลังงานผ่านความยาวของ sleeve ได้

การเข้าใจเรื่องนี้ช่วยลดความสับสนที่มีอยู่ในวงการ RF และทำให้สามารถออกแบบ sleeve balun หรือ balun แบบอื่น ๆ ได้อย่างถูกต้องและมีประสิทธิภาพครับ 

---

© 2025 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

อนุญาตให้เผยแพร่เพื่อการศึกษาไม่แสวงหากำไร โดยต้องให้เครดิตผู้เขียน ห้ามคัดลอก ดัดแปลง หรือใช้ในเชิงพาณิชย์โดยไม่ได้รับอนุญาต