ชมรมวิทยุสมัครเล่น E20AE Clubstation

Exploiting Non-Reciprocity: Utilizing Sleeve Outer Skin as an Intentional Return Path for Ultra-Low Common-Mode Current Antennas

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer
Former Senior Member of Technical Staff (Semiconductor Industry)
Independent Researcher in Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้ศึกษาบทบาทของโครงสร้าง sleeve (ปลอกโลหะ) ด้านล่างในสายอากาศแบบ sleeve dipole โดยมองให้ลึกกว่าความเข้าใจทั่วไปที่ว่า sleeve ทำหน้าที่เป็นเพียงแขนล่างของไดโพลเท่านั้น ผลการทดลองชี้ให้เห็นว่า sleeve ยังทำหน้าที่เป็นโครงสร้างลดกระแสโหมดร่วม (common-mode current suppression structure) แบบกระจายตัว (distributed structure) ซึ่งประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับรูปทรงทางกายภาพของ sleeve โดยเฉพาะอัตราส่วนระหว่างขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อกับความยาวคลื่น

ได้ทำการทดลองเปรียบเทียบสายอากาศแบบ sleeve dipole ที่ความถี่ 145 MHz โดยใช้ sleeve หลายขนาดร่วมกับการทดสอบทั้งในกรณีมีและไม่มี ugly balun ภายนอกเพื่อช่วยลดกระแสโหมดร่วมบนสายป้อน ผลการทดลองพบว่า sleeve ที่มี geometry (ขนาดและรูปร่าง) เหมาะสมสามารถลด common-mode current บนสายป้อนได้อย่างมาก พร้อมทั้งเพิ่มการกระจุกตัวของ RF current บนโครงสร้างสายอากาศหลัก ในทางกลับกัน sleeve ที่มี geometry ไม่เหมาะสมจะปล่อยให้ common-mode current ไหลต่อไปบนผิวด้านนอกของสายป้อน ส่งผลให้ RF current บนตัวสายอากาศลดลง และประสิทธิภาพการรับสัญญาณลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ผลการทดลองยังแสดงให้เห็นว่า external ugly balun สามารถช่วยฟื้นฟูประสิทธิภาพของสายอากาศในกรณีที่ sleeve ไม่สามารถ suppress common-mode current ได้เพียงพอ ซึ่งสนับสนุนสมมติฐานว่าการควบคุมกระแสโหมดร่วมมีบทบาทสำคัญต่อพฤติกรรมของสายอากาศโดยรวม

จากผลการทดลองนี้ งานวิจัยเสนอกรอบแนวคิด (framework) แบบแบ่ง regime สำหรับอธิบายพฤติกรรมของ sleeve dipole โดยมองว่า sleeve ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นเพียงส่วนแพร่กระจายคลื่นเท่านั้น แต่ยังเป็นโครงสร้างควบคุมกระแสโหมดร่วม (common-mode current) ในตัวอีกด้วย กรอบแนวคิดดังกล่าวนำไปสู่แนวทางการออกแบบสายอากาศ sleeve dipole ที่ให้ความสำคัญกับ current confinement, feed cleanliness และประสิทธิภาพการแพร่กระจายคลื่นมากกว่าการพิจารณาเฉพาะการปรับอิมพีแดนซ์ให้ถูกต้อง (impedance matching) หรือ SWR บนสายป้อนเพียงอย่างเดียว

สิ่งที่ต้องการรู้จากงานวิจัยนี้

รูปทรงทางกายภาพของ sleeve ในสายอากาศแบบ sleeve dipole ส่งผลต่อการลด common-mode current การกระจายตัวของ RF current และประสิทธิภาพของสายอากาศโดยรวมอย่างไร?
Sleeve ด้านล่างของสายอากาศ sleeve dipole สามารถทำหน้าที่เป็น integrated distributed balun หรือ common-mode choke ได้มากน้อยเพียงใด?
อัตราส่วนระหว่างขนาด sleeve กับความยาวคลื่น (เช่น D/λ) ส่งผลต่อสิ่งเหล่านี้อย่างไร?:

common-mode current บนสายป้อน
การกระจุกตัวของ RF current บนตัวสายอากาศ
และการที่สายป้อนกลายเป็นส่วนหนึ่งของการแผ่รังสี

การลดกระแสโหมดร่วม สามารถทำให้ RF current ถูก redistribute (กระจาย) กลับไปยังโครงสร้างสายอากาศหลักได้จริงหรือไม่?
External ugly balun สามารถชดเชยข้อจำกัดของ sleeve geometry ที่ suppress common-mode current ได้ไม่ดีหรือไม่ และได้มากเพียงใด?
สายอากาศ Sleeve Dipole มีพฤติกรรมที่สามารถแบ่งออกเป็นหลาย Regime เช่น weak choking, intermediate choking และ strong choking ตาม geometry และประสิทธิภาพการ suppress common-mode current หรือไม่?
สามารถพัฒนา framework และ design guideline สำหรับสายอากาศ sleeve dipole ได้หรือไม่?

สายอากาศแบบ Sleeve Dipole

สายอากาศแบบ Sleeve Dipole ที่สร้างขึ้นใช้งานกันมักต้องอาศัยอุปกรณ์ช่วย เช่น Ugly Balun (common mode choke ทำหน้าที่เป็น current balun) ในการลดกระแสโหมดร่วมที่อยู่บนสายป้อนของสายอากาศเพราะไม่เคยถูกสร้างด้วยขนาดและรูปร่างที่เหมาะสมเพื่อการลดกระแสโหมดร่วม หรือแย่ไปกว่านั้นคือถูกเข้าใจว่าส่วนของท่อด้านล่าง (sleeve) สามารถทำหน้าที่เป็นตัวกดกระแสโหมดร่วม (common-mode choke) ได้โดยตัวมันเองไม่ว่าจะทำด้วยรูปร่างอย่างไร อย่างไรก็ตาม งานนี้แสดงให้เห็นว่าความเชื่อนี้ไม่เป็นจริงภายใต้เงื่อนไขการใช้งานทั่วไป โดยเฉพาะที่ความถี่ VHF และขนาดท่อที่ใช้งานกันโดยทั่วไป (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 15 มม.) ดูรูปที่ 1

รูปที่ 1 สายอากาศแบบ Sleeve Dipole ทั่วไป

(a) ไม่มี Current Balun จะมีกระแสโหมดร่วม (I_cm)

ขนาดใหญ่ไหลในสายป้อน (b) เมื่อใส่ Ugly Balun

หรือ Current Balun อื่น จะทำให้ I_cm ลดลงมาก

สายอากาศ Sleeve Dipole ปกติจะใช้ท่ออลูมิเนียมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในขนาดประมาณ 8 - 10 มม. ซึ่งเป็นขนาดที่ถูกแนะนำให้ใช้ทั่วไปเป็นทั้งส่วนของตัวแผ่คลื่นและ sleeve ด้านล่าง เมื่อนำมาสร้างเป็นสายอากาศที่ความถี่ 145MHz พบว่ากระแสโหมดร่วม (common-mode current) บนผิวภายนอกของสายป้อน (RG-58) ยังคงมีสูงมากหากไม่มีการใช้ current balun ต่อไว้เพื่อหยุดกระแสนี้แม้จะมี sleeve อยู่แล้วก็ตาม ในทางกลับกัน เมื่อเพิ่ม ugly balun ที่จุดป้อน ค่ากระแสโหมดร่วมลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (เช่น 10 dB)

ผลการทดลองนี้ชี้ให้เห็นว่าขนาดของ sleeve ที่มักถูกเลือกใช้สร้างสายอากาศประเภทนี้ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ลดกระแสโหมดร่วม แต่พฤติกรรมของมันขึ้นอยู่กับมิติทางไฟฟ้า (electrical geometry) เป็นสำคัญ งานนี้จึงเสนอการทบทวนบทบาทของ sleeve ใหม่ โดยแยกหน้าที่ระหว่างส่วนแผ่คลื่นและกลไกการลดกระแสโหมดร่วมออกจากกันอย่างชัดเจน

ทบทวนพฤติกรรมกลับด้านได้ (Reciprocity) ของ Sleeve Balun

Sleeve Balun เป็นอุปกรณ์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีลักษณะเป็น Current Choke มีหน้าที่หลักในการลดกระแสโหมดร่วมบนสายป้อน มีลักษณะเป็นท่อโลหะที่มีสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial Cable) ร้อยอยู่ด้านใน โดยปลายด้านหนึ่งของท่อจะถูกลัดวงจรเข้ากับส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณ ในขณะที่ปลายอีกด้านหนึ่งปล่อยลอยไว้ ดูรูปที่ 2

รูปที่ 2 Sleeve Balun เป็นอุปกรณ์แบบ

Reciprocal คือสามารถกลับด้านได้ ไม่ว่า

จะให้จุดป้อนของสายอากาศอยู่ด้าน

ลัดวงจร (a) หรือเปิดวงจร (b) จะ

สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้เช่นกัน

เป็นที่ทราบโดยทั่วไปว่า Sleeve Balun มีคุณสมบัติ Reciprocal (กลับด้านได้) นั่นคือหากถูกสร้างอย่างถูกต้องและใช้งานถูกความถี่ ไม่วา่จะต่อด้านลัดหรือเปิดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศก็สามารถลดกระแสโหมดร่วมบนสายป้อนได้ไม่ต่างกัน แต่คุณสมบัติอื่นของมันยังคงเดิมแม้เมื่อถูกกลับด้านจริงหรือ

การใช้งาน Sleeve Balun โดยทั่วไป:

มักหันด้านเปิดวงจร (open circuit) เข้าใกล้สายอากาศ
ในขณะที่เราอนุมานว่า sleeve balun เป็นอุปกรณ์แบบ reciprocal (สามารถกลับด้านได้และให้ผลเหมือนกัน) คือหันด้านไหนก็ได้ไม่ว่าจะด้านเปิดวงจร (open circuit side) หรือลัดวงจร (shorted circuit side) เข้าหาจุดป้อนของสายอากาศหรือโหลดที่ไม่ balanced ซึ่งถูกต้องในด้านการลด I_cm (โดยจุดที่ได้ผลดีที่สุดตาม geometry ของท่ออาจจะขยับไปบ้างแต่ไม่มีนัยสำคัญนัก) อย่างไรก็ตาม:
ถ้าเราตรวจสอบด้วยการวัดทางไฟฟ้า:

(a) เมื่อหันด้านเปิดวงจรของ sleeve balun เข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ พบว่า I_cm บนสายป้อนด้านขาออกของ sleeve balun ลดลง และ กระแสบนผิวนอกของ metal sleeve: I_os~0mA
(b) เมื่อหันด้านลัดวงจรของ sleeve balun เข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ พบว่า I_cm บนสายป้อนด้านขาออกของ sleeve balun ลดลง แต่ กระแสบนผิวนอกของ metal sleeve I_os>> 0mA
(a) และ (b) บอกเราว่าคุณสมบัติการกลับด้านได้ (Reciprocal) ของ Sleeve balun นั้นจริงเฉพาะเมื่อพิจารณาด้านการลดกระแสโหมดร่วม (I_cm) ที่ผิวนอกของส่วนชีลด์ของสายป้อนแบบแกนร่วม (coaxial transmission line) เท่านั้น แต่ไม่ใช่ในด้านของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ไหลที่ผิวด้านนอกของปลอกโลหะ (I_os)

ตารางที่ 1 แสดง I_cm ที่สายป้อนและ I_os ที่ผิว

ด้านนอกของ Sleeve เมื่อหันด้านเปิดและลัดวงจร

ของ Sleeve Balun เข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ

rev.: เมื่อหันด้านเปิดวงจรของ sleeve เข้าจุดป้อน

-- : เมื่อหันด้านลัดวงจรของ sleeve เข้าจุดป้อน

ตารางที่ 1 อ้างอิงจากงานวิจัยก่อนหน้าของผู้เขียนเรื่อง Sleeve Balun: กรอบแนวคิดเชิงฟิสิกส์และแนวทางการออกแบบเพื่อการลดกระแสโหมดร่วม ซึ่งที่ความถี่ 145MHz ที่ทำการทดลอง ท่อโลหะ sleeve ขนาด 27.5 มม. (หรือประมาณ 0.013λ) และมีความยาวถูกต้องคือ 45 ซม. (¼λ_CS เมื่อ λ_CS เป็นความยาวคลื่นที่ความถี่ 145MHz ในสายนำสัญญาณแฝงระหว่างผิวนอกของสายนำสัญญาณและผิวด้านในของท่อ Sleeve) จะสามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดีที่สุดทั้งเมื่อต่อด้านลัดวงจรเข้าหาจุดป้อน (I_{cm max.}) และเมื่อต่อด้านเปิดวงจรเข้าหาจุดป้อน (I_{cm max. rev.}) ของสายอากาศทดลอง (Telescopic แบบ ½λ) และในขณะเดียวกันจะเห็นว่าที่ขนาดท่อดังกล่าวจะทำให้เกิดกระแสที่ผิวด้านนอกของท่อ Sleeve (I_{cm max.}) สูงสุดด้วย (ค่า 20.0 mA ในตารางที่ 1) ดูรูปที่ 3

รูปที่ 3 กราฟแสดงค่าของ I_cm และ I_os เมื่อต่อด้าน

ลัดวงจรของ Sleeve Balun เข้าใกล้จุดป้อนของ

สายอากาศ เมื่อท่อ Sleeve มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกัน

โดยมีความยาวดีที่สุดสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางนั้น

ที่สามารถลด I_cm ให้ต่ำที่สุด (ที่ความถี่ 145MHz)

จะเห็นว่าเมื่อท่อมีขนาด D/λ = 0.013 (เส้นประสีเขียว)
I_cm มีค่าต่ำที่สุด โดยที่จุดนั้น I_os มีค่าสูงสุดด้วย

แม้ว่าโดยทั่วไปมักเป็นที่ยอมรับกันว่า Sleeve Balun มีคุณสมบัติเป็นอุปกรณ์แบบ Reciprocal (กลับด้านได้) โดยเฉพาะในมิติของการลดกระแสโหมดร่วม (I_cm) อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติดังกล่าวอาจไม่ครอบคลุมถึงพฤติกรรมในแง่มุมอื่นทั้งหมดและมักไม่ได้รับการกล่าวถึงในงานวิจัยต่างๆ ที่ผ่านมา ซึ่งงานวิจัยชิ้นนี้ได้ทำการศึกษาและพิสูจน์ให้เห็นจริงในหัวข้อที่ 3 (b) โดยมีผลการทดลองในตารางที่ 1 เป็นสิ่งยืนยัน

นอกจากนี้ เรายังเห็นว่าในกรณีที่ติดตั้ง Sleeve Balun โดยหันด้านลัดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ กระแสโหมดร่วมหาเส้นทางอื่นคือผิวด้านนอกของโลหะที่เป็น Sleeve Balun ไหลแทน (ซึ่งเป็นได้เพราะเป็นด้านลัดวงจรโดยตรง) โดยจะเห็นได้ว่าความสามารถในการลดกระแสโหมดร่วมและกระแสที่ผิวด้านนอกของ Sleeve ขึ้นกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อและความยาวที่เหมาะสมกับขนาดท่อนั้น ยิ่งไปกว่านั้นยังแสดงว่า sleeve ไม่ได้เป็นแค่ choke เท่านั้นแต่มันสามารถกลายเป็น radiating conductor จากกระแส I_os ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าความถี่สูงได้ด้วย ดูรูปที่ 4

รูปที่ 4 เมื่อเราใช้งาน Sleeve Balun จริงๆ โดย

(a) หันด้านลัดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ

จะมีกระแสไฟฟ้าความถี่สูง I_os ไหลที่ผิวด้านนอก

ของ Sleeve (b) ในขณะที่ถ้าหันด้านเปิดวงจรเข้าหา

จุดป้อนของสายอากาศ กระแส I_os จะมีค่าต่ำมาก

และถ้าที่จุด sweet spot คือ จุดที่ขนาด (เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว) ของ Sleeve Balun สามารถลดกระแสโหมดร่วม (I_cm) ซึ่งทำให้ I_os มีขนาดสูงสุด และ I_os นั้นมีขนาดใกล้เคียงกับสายอากาศไดโพลมาตรฐาน เราก็น่าจะตั้งใจใช้ประโยชน์จากมันโดยทำให้ส่วนของ Sleeve Balun เป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศที่แพร่กระจายคลื่นเสียเลยโดยเพิ่มเอลลีเมนท์ด้านบนให้เป็นต้นกำเนิด I_cm ได้ และโครงสร้างทั้งหมดกลายเป็นสายอากาศได้ในที่สุด

การทดลอง

เพื่อทดสอบพฤติกรรมของ Sleeve Balun เมื่อต่อด้านลัดวงจรเข้าใกล้จุดป้อนของสายอากาศ โครงสร้างที่มีลักษณะของสายอากาศแบบ Sleeve Dipole Antenna ถูกสร้างขึ้นจากท่ออลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง หลายขนาด โดยมีความหนาไม่ต่ำกว่า 1 มม. จึงมากเกินพอเมื่อเทียบกับความลึกผิว (skin depth) ของกระแสไฟฟ้าที่ความถี่ที่ทำการทดลอง (145MHz)

การจัดเตรียมและสภาวะแวดล้อมการทดลอง

ใช้วิทยุสื่อสารเพื่อกำเนิด RF power
สายอากาศถูกจัดวางและทดสองในแนวตั้ง (Vertical Polarization)
วัดค่า SWR ด้วย NanoVNA
กระแสบนผิวโลหะสายอากาศส่วนบน (Upper I_element) และ ส่วนล่าง (Lower I_element) วัดห่างจากจุดป้อนซึ่งอยู่กึ่งกลางสายอากาศ 3ซม. (0.015λ ของความถี่ 145MHz)
เนื่องจากการทดลองใช้ท่อโลหะหลายขนาด กระแสที่วัดด้วย H-field current probe (เส้นผ่านศูนย์กลาง 38mm) จึงไม่เท่ากัน ค่า I_element ที่วัดได้โดยตรงจาก probe จึงถูก normalized เทียบกับการวัดบนท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางนอก 40mm ได้เป็นตัวเลขใน ( ) ก่อนนำไปพิจารณาต่อไป
ค่าของกระแสต่างๆ เป็นค่าสัมพัทธ์เฉพาะในการวัดเดียวกันนั้น เช่น ในการวัด Icm ภายใต้สภาพต่างๆ หรือในการวัด I_element ภายใต้สภาพต่างๆ
ทดลองในสถานที่เปิด ส่วนต่ำสุดของสายอากาศอยู่สูงจากพื้นไม่น้อยกว่า 1.5λ (หรือ 3 เมตรสำหรับความถี่ 145MHz)
ความแรงของสัญญาณวัดจากเครื่องรับที่อยู่ห่างออกไป 20 Km (Perfectly Far Field) เมื่อเครื่องส่งทำงานที่กำลังส่งเดียวกัน
Ugly Balun ที่ใช้คั่นสายอากาศก่อนป้อนสัญญาณทำจากสายนำสัญญาณ RG-58 ยาว 70cm พันบนแกนอากาศเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 2.5cm ซึ่งเป็นขนาดดีที่สุดในการลดกระแสโหมดร่วมที่ความถี่ 145MHz ภายใต้ข้อจำกัดความยาวของสายนำสัญญาณดังกล่าว
Sleeve Balun ที่ใช้คั่นสายอากาศก่อนป้อนสัญญาณ เป็นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 27.5มม. ยาว 45ซม. ซึ่งเป็นขนาดดีที่สุดในการลดกระแสโหมดร่วมที่ความถี่ 145MHz ที่ได้ทำการทดลองมาแล้วก่อนหน้า และทำโดยหันด้านเปิดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ ซึ่งกระแส RF ที่ผิวด้านนอกของ Sleeve Balun ขณะมันทำงานต่ำมากจนตัดข้อกังวลเรื่องการรบกวนทั้งไปได้

รูปที่ 5 ลักษณะการจัดวางอุปกรณ์ในการทดลอง

(a) ป้อนสายอากาศโดยตรง
(b) ป้อนผ่าน ugly balun
(c) ป้อนผ่าน sleeve balun

ผลการทดลอง

1. Sleeve Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=8mm
ใช้ Outside diam.=10mm เพื่อคำนวณ normalized current

1.1) ป้อนสายอากาศโดยตรง (w/o balun)
Feed line max Icm: 47.5mA
Signal S/N: N/A (ดู note) เปิดรีพีทเตอร์ไม่ได้
SWR:
145.000MHz 3.73:1
132.200MHz 3.14:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element (Medium power):
Center-upper 12mA (7.38mA)
Center-upper 12mA (7.38mA)
Note: บางครั้งเปิดรีพีทเตอร์ได้ ระดับ S/N 30dB

1.2) ป้อนสายอากาศผ่าน ugly balun
Feed line max Icm: 8mA
Signal S/N: 44.2dB
SWR:
145.000MHz 1.82:1
143.800MHz 1.80:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 67mA (41.20mA)
Center-lower 65mA (39.98mA)

1.3) ป้อนสายอากาศผ่าน sleeve balun
Feed line max Icm: 4mA
Signal S/N: 43.4dB
SWR:
145.000MHz 1.92:1
148.200MHz 1.66:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 80mA (49.20mA)
Center-lower 82mA (50.43mA)

2. Sleeve Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=10mm
ใช้ Outside diam.=12.5mm เพื่อคำนวณ normalized current

2.1) ป้อนสายอากาศโดยตรง (w/o balun)
Feed line max Icm: 50mA
Signal S/N: 35.4dB
SWR:
145.000MHz 3.06:1
151.800MHz 1.82:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 63mA (40.76mA)
Center-lower 60mA (38.82mA)

2.2) ป้อนสายอากาศผ่าน ugly balun
Feed line max Icm: 13.75mA
Signal S/N: 39.3dB
SWR:
145.000MHz 1.71:1
140.600MHz 1.57:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 70mA (45.29mA)
Center-lower 70mA (45.29mA)

2.3) ป้อนสายอากาศผ่าน sleeve balun
Feed line max Icm: 10mA
Signal S/N: 44.8dB
SWR:
145.000MHz 1.7:1
147.000MHz 1.53:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 95mA (61.47mA)
Center-lower 93mA (60.17mA)

3. Sleeve Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=13mm
ใช้ Outside diam.= 16mm เพื่อคำนวณ normalized current

3.1) ป้อนสายอากาศโดยตรง (w/o balun)
Feed line max Icm: 24mA
Signal S/N: 37.4dB
SWR:
145.000MHz 3.27:1
135.000MHz 1.84:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 20mA (13.24mA)
Center-lower 22mA (15.22mA)

3.2) ป้อนสายอากาศผ่าน ugly balun
Feed line max Icm: 3mA
Signal S/N: 39.1dB
SWR:
145.000MHz 2.06:1
138.600MHz 1.61:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 59mA (40.83mA)
Center-lower 62mA (42.90mA)

3.3) ป้อนสายอากาศผ่าน sleeve balun
Feed line max Icm: 6mA
Signal S/N: 40.4dB
SWR:
145.000MHz 1.57:1
144.200MHz 1.56:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 94mA (65.05mA)
Center-lower 97mA (67.12mA)

4. Sleeve Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=19mm
ใช้ Outside diam.= 23mm เพื่อคำนวณ normalized current

4.1) ป้อนสายอากาศโดยตรง (w/o balun)
Feed line max Icm: 9mA
Signal S/N: 39.5dB
SWR:
145.000MHz 1.87:1
140.200MHz 1.49:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 38mA (30.21mA)
Center-lower 38mA (30.21mA)

4.2) ป้อนสายอากาศผ่าน ugly balun
Feed line max Icm: 2mA
Signal S/N: 38.7dB
SWR:
145.000MHz 1.82:1
140.600MHz 1.58:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 40mA (31.8mA)
Center-lower 40mA (31.8mA)

4.3) ป้อนสายอากาศผ่าน sleeve balun
Feed line max Icm: 9mA
Signal S/N: 40.7dB
SWR:
145.000MHz 1.78:1
141.000MHz 1.52:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 39mA (31.0mA)
Center-lower 40mA (31.8mA)

5. Sleeve Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=27.5 mm (เป็นขนาดท่อที่ไม่จำเป็นต้องมี Choke ใดๆ)
ใช้ Outside diam.=32mm เพื่อคำนวณ normalized current

5.1) ป้อนสายอากาศโดยตรง (w/o balun)
Feed Line Icm max.: 3-4mA
Signal S/N: 40.5 dB
SWR:
145.000MHz 1.47:1
143.000MHz 1.39:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 38mA (34.086mA)
Center-lower 38mA (34.086mA)
Bandwidth กว้างและ SWR response ราบเรียบดี

5.2) ป้อนสายอากาศผ่าน ugly balun
Feed Line Icm max.: 10mA
Sig. S/N: 40.6dB
SWR:
145.000MHz 1.68:1
139.000MHz 1.62:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 38mA (34.086mA)
Center-lower 38mA (34.086mA)
Bandwidth กว้างและ SWR response ราบเรียบดี

5.3) ป้อนสายอากาศผ่าน sleeve balun
Feed Line Icm max.: 8 mA
Signal S/N: 40.5dB
SWR:
147.800MHz 1.57:1
145.000MHz 1.60:1
141.800MHz 1.46:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 46mA (41.262mA)
Center-lower 46mA (41.262mA)
Bandwidth กว้างและ SWR response ราบเรียบดี

6. Standard ½λ Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=8mm
ใช้ Outside diam.=10mm เพื่อคำนวณ normalized current
Feed Line Icm max.: ต่ำมาก
Sig. S/N: 41.1dB
SWR:
145.000MHz 1.6:1
I_element:
Center-upper 82mA (50.43mA)
Center-lower 78mA (47.97mA)

7. Standard ½λ Dipole Antenna
Element: Aℓ Ø=27.5mm
ใช้ Outside diam.=32mm เพื่อคำนวณ normalized current
Feed Line Icm max.: ต่ำมาก
Sig. S/N: 40.5 dB
SWR:
145.000MHz 1.34:1
136.000MHz 1.14:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper 42mA (37.674mA)
Center-lower 40mA (35.88mA)

8. สายอากาศทดสอบทำจาก:
¼λ-whip ต่อเข้าด้าน Open-Circuit-Side Sleeve Balun
Sleeve Balun size 27.5mm, D/λ=0.013, Very effectively suppress Icm

8.1) ป้อนโดยตรง (w/o balun)
Feed Line Icm max.: <1mA
Sig. S/N: N/A เปิดภาครับไม่ได้
SWR:
145.000MHz 8:1
158.000MHz 6:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper ≈ 1mA
Center-lower < 1mA

8.2) ป้อนผ่าน ugly balun
Feed Line Icm max.: <1mA
Sig. S/N: N/A เปิดภาครับไม่ได้
SWR:
145.000MHz 7.6:1
165.000MHz 4.98:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper ≈ 2mA
Center-lower < 1mA

8.3) ป้อนผ่าน ugly balun
Feed Line Icm max.: <1mA
Sig. S/N: N/A เปิดภาครับไม่ได้
SWR:
145.000MHz 6.8:1
165.000MHz 5.46:1 (ความถี่ที่ดีที่สุด)
I_element:
Center-upper < 1mA
Center-lower < 1mA

และสามารถสรุปเป็นตารางได้ในตารางที่ 2 และ 3

ตารางที่ 2 สรุปข้อมูลกระแสโหมดร่วม (I_cm),

ความแรงสัญญาณที่รับได้ (S/N), ค่า SWR,

กระแสบนผิวโลหะเมื่อประกอบ Sleeve Balun

เป็นส่วนล่างของสายอากาศ Sleeve Dipole

เมื่อป้อนด้วยวิธีการต่างๆ กันตามการทดลอง
หัวข้อ 1-5

ตารางที่ 3 SWR และกระแสบนผิวโลหะตัวนำ

ของสายอากาศไดโพลที่ใช้ตัวนำขนาดต่างๆ ใน

การทดลอง 6-7 เพื่อการอ้างอิงเปรียบเทียบ

นอกจากนั้น ยังสามารถสร้างแผนภูมิต่างๆ ได้ ดังรูปที่ 6-12

รูปที่ 6 แสดงกระแสโหมดร่วมบนสายป้อนที่จ่าย

กำลังให้กับสายอากาศ Sleeve Dipole ที่สร้างจาก

ท่ออลูมิเนียมขนาดต่างๆ เมื่อ: ไม่มี Balun (เส้นสีน้ำเงิน),

มี ugly balun (เส้นสีส้ม), มี sleeve balun (เส้นสีเขียว)

ต่อไว้ก่อนสายป้อน

ข้อสังเกตจากรูปที่ 6

ทั้ง ugly balun และ sleeve balun สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดีที่ทุกขนาดท่ออลูมิเนียมที่ใช้
ท่ออลูมิเนียมขนาดเล็กกว่ามีแนวโน้มจะสร้างกระแสโหมดร่วมค่าสูงกว่าท่อที่ใหญ่กว่า
ท่อขนาด 27.5mm ที่ความถี่ทดลอง 145MHz (D/λ = 0.013) สร้างกระแสโหมดร่วมได้ต่ำด้วยตัวเองโดยไม่ต้องมีอุปกรณ์ choke กระแส (ugly balun หรือ sleeve balun ต่างหาก) ช่วย

รูปที่ 7 แสดงความแรงของสัญญาณที่ภาครับ

รับได้ (S/N) จากสายอากาศ Sleeve Dipole ที่สร้างจาก

ท่ออลูมิเนียมขนาดต่างๆ เมื่อ: ไม่มี Balun (เส้นสีน้ำเงิน),

มี ugly balun (เส้นสีส้ม), มี sleeve balun (เส้นสีเขียว)

ต่อไว้ก่อนสายป้อน

ข้อสังเกตจากรูปที่ 7

เมื่อไม่มีอุปกรณ์ choke กระแส (ugly balun หรือ sleeve balun ต่างหาก) มาช่วย โครงสรางสายอากาศแบบ Sleeve Dipole ที่สร้างจากอลูมิเนียมขนาดเล็กกว่า (มีแนวโน้มสร้างกระแสโหมดร่วมสูงกว่า) จะแพร่กระจายคลื่นด้วยความเข้มต่ำกว่า
เมื่อใส่อุปกรณ์ choke กระแสโหมดร่วมลง สายอากาศจากทุกขนาดโลหะทำงานได้ดีขึ้นใกล้เคียงกัน

รูปที่ 8 ค่า SWR ซึ่งแสดงความเบี่ยงเบนของ

อิมพีแดนซ์ไปจาก 50Ω ที่จุดป้อนของสายอากาศที่

ความถี่ 145MHz ของสายอากาศ Sleeve Dipole ที่สร้างจาก

ท่ออลูมิเนียมขนาดต่างๆ เมื่อ: ไม่มี Balun (เส้นสีน้ำเงิน),

มี ugly balun (เส้นสีส้ม), มี sleeve balun (เส้นสีเขียว)

ต่อไว้ก่อนสายป้อน

ข้อสังเกตจากรูปที่ 8

สายอากาศทั้งหมดถูกปรับความยาวให้อิมพีแดนซ์ถูกต้อง (ใกล้เคียง 50 ) ที่ความถี่ 145MHz เมื่อมีอุปกรณ์ choke เพื่อลดกระแสโหมดร่วม I_cm ลง คือ ugly balun หรือ sleeve balun ติดตั้งอยู่ด้วย
ดังนั้นเมื่อนำอุปกรณ์ลดกระแสโหมดร่วมออก อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนจึงผิดจาก 50Ω ไป โดยยิ่งสายอากาศ Sleeve Dipole ที่ทำจากท่อขนาดเล็กลง ยิ่งมีอิมพีแดนซ์ผิดไปมาก
นั่นแสดงว่า ugly balun และ sleeve balun มีผลต่ออิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ Sleeve Dipole ที่ทำจากท่อขนาดเล็กมากกว่าที่ทำจากท่อขนาดใหญ่
อิมพิแดนซ์ของสายอากาศ Sleeve Dipole ที่ทำจากท่อขนาด 27.5mm ที่ความถี่ทดลอง 145MHz (D/λ = 0.013) ซึ่งมีกระแสโหมดร่วมต่ำมากด้วยตัวเองอยู่แล้ว จะถูกกระทบจากการต่อ ugly balun และ sleeve balun น้อยมาก

รูปที่ 9 แสดงค่า SWR ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้ (ที่ความถี่

ใดๆ) ของสายอากาศ Sleeve Dipole ที่สร้างจาก

ท่ออลูมิเนียมขนาดต่างๆ เมื่อ: ไม่มี Balun (เส้นสีน้ำเงิน),

มี ugly balun (เส้นสีส้ม), มี sleeve balun (เส้นสีเขียว)

ต่อไว้ก่อนสายป้อน

ข้อสังเกตจากรูปที่ 9

ค่า SWR ดีที่สุดของสายอากาศที่ทำจากท่อต่างๆ มีค่าไม่ต่างกันนัก
ยกเว้นในกรณีท่อขนาดเล็ก (Ø = 8mm) ซึ่งสร้างกระแสโหมดร่วมสูงมาก แต่ไม่มีอุปกรณ์ลดกระแสโหมดร่วมติดตั้งไว้ (Bare) จึงมีกระแสโหมดร่วมสูงบนสายป้อน ส่วนของสายป้อนเองกลายเป็นส่วนของสายอากาศด้วย ทำให้ SWR มีค่าสูงมากแม้ที่ความถี่ที่ดีที่สุ่ดซึ่งขยับลงต่ำกว่า 145MHz มาก (132.2MHz ในตารางที่ 2)
เมื่อท่อมีขนาดใหญ่ขึ้น (Ø ≥ 10mm) อาการที่ความถี่ที่ SWR ดีที่สุดและเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำลงจะน้อยลง (พิจารณาข้อมูลในตารางที่ 2 ประกอบ)

รูปที่ 10 กระแสบนโลหะตัวนำสายอากาศหลังจาก

ปรับเทียบ (normalized) ของสายอากาศ Sleeve Dipole

ที่สร้างจากท่ออลูมิเนียมขนาดต่างๆ เมื่อ: ไม่มี Balun

(เส้นสีน้ำเงิน), มี ugly balun (เส้นสีส้ม), มี sleeve balun

(เส้นสีเขียว) ต่อไว้ก่อนสายป้อน

ข้อสังเกตจากรูปที่ 10

กระแสบนโลหะของสายอากาศ Sleeve Dipole ที่สร้างจากท่อขนาดเล็ก (Ø ≤ 13mm) และไม่มีอุปกรณ์ลดกระแสโหมดร่วมติดตั้งไว้ (Bare) มีแนวโน้มต่ำลง มีความเป็นไปได้สูงที่พลังงานถูกแบ่งออกไปแพร่กระจายผ่านกระแสโหมดร่วมที่อยู่บนสายป้อน
แต่เมื่อใส่อุปกรณ์ลดกระแสโหมดร่วม (ugly balun หรือ sleeve balun) ไว้ก่อนป้อนสัญญาณ ค่ากระแสบนโลหะสายอากาศมีแนวโน้มดีขึ้นอย่างชัดเจน

รูปที่ 11 แสดงขนาดของกระแส RF บนโลหะของ

สายอากาศ 4 ชนิดคือ: สายอากาศแบบ Sleeve Dipole

ที่ถูกต่อด้วย Sleeve Balun อีกชั้นเพื่อลด I_cm ,

สายอากาศแบบไดโพลมาตรฐานที่สร้างจากอลูมิเนียม

Ø = 8mm , สายอากาศ Sleeve Dipole และ สายอากาศ

ไดโพลมาตรฐานที่สร้างจากอลูมิเนียม Ø = 27.5mm

รูปที่ 12 แสดงความแรงของสัญญาณจากสายอากาศ

4 ชนิด พบว่า: สายอากาศแบบSleeve Dipole ที่สร้าง

จากอลูมิเนียม Ø = 8mm และถูกต่อด้วย Sleeve Balun

อีกชั้นเพื่อลด I_cm และ สายอากาศแบบ Sleeve Dipole

ที่สร้างจากอลูมิเนียม Ø = 27.5mm ที่มีกระแส I_cm ต่ำ

ด้วยตัวเองอยู่แล้ว ให้ประสิทธิผลด้านความแรง

สัญญาณใกล้เคียงสายอากาศไดโพลมาตรฐาน

ที่สร้างจากอลูมิเนียมสองขนาดนั้น

วิเคราะห์ผลการทดลอง: ผลเมื่อแต่ละด้านของ Sleeve ถูกต่อเข้าหาโหลด

การทดลอง 1-5 ใช้ท่อโลหะยาวประมาณ ¼λ เป็น whip (load) และหันด้านลัดวงจรของ Sleeve Balun ต่อเข้ากับ whip ดังกล่าว ผลการทดลอง:

I_cm บนสายป้อนต่ำมาก (ซึ่งเป็นสิ่งปกติ เพราะ Sleeve Balun ทำหน้าที่ choke กระแสโหมดร่วมไว้)
กระแสที่ผิวนอกของ Sleeve (I_os ซึ่งคือกระแส Center-Lower) และกระแสบน whip ¼λ (ซึ่งคือกระแส Center-Upper) มีค่าสูง
impedance อยู่ในช่วง 1/3.5 - 3.5 เท่าของ 50Ω เห็นได้จากค่า SWR แต่บางรูปแบบ (set up) ก็ให้ค่า impedance ที่จุดป้อนใกล้เคียง 50Ω มาก
การแพร่กระจายคลื่นดี เทียบเคียงสายอากาศไดโพล

การทดลอง 8 ใช้ก้านโลหะยาว ¼λ เป็น whip และหันด้านเปิดวงจรของ Sleeve Balun ต่อเข้ากับ whip เราได้โครงสร้างที่คล้ายการทดลอง 1-5 แต่ Sleeve Balun ถูกกลับด้าน จะเห็นได้ว่า:

I_cm บนสายป้อนต่ำมาก (ซึ่งเป็นสิ่งปกติ เพราะ Sleeve Balun ทำหน้าที่ choke กระแสโหมดร่วมไว้)
ค่ากระแสที่สำคัญสำหรับการแพร่กระจายคลื่นที่ปรับเทียบแล้ว (Normalized Current) ที่วัดได้บนก้าน whip หรือ Center_Upper และบนผิวนอกของ Sleeve I center_lower ต่ำกว่า 1mA ตลอดการวัด นี่คือข้อมูลเชิงประจักษ์ที่น่าตกใจมากเมื่อเทียบกับกรณีปกติที่กระแสแผ่รังสีพุ่งไปถึง 20mA (แสดงถึงความแตกต่างระดับ 20 เท่า!) พลังงานส่วนใหญ่ถูกสะท้อนกลับทั้งหมด
impedance ผิดจาก 50Ω มาก เห็นได้จากค่า SWR ที่สูงมาก
และการแพร่กระจายคลื่นแย่ลงมากจนไม่สามารถทำให้ภาครับทำงานได้ (ความแรงสัญญาณต่ำกว่าระดับ Squelch)

การทดลอง 1-5 (หันด้านลัดวงจรของ Sleeve Balun เข้าใกล้จุดป้อนของสายอากาศ/whip) ให้ผลคล้ายคลึงกันและโครงสร้างทั้งหมดมีกระแส RF (กระแส Center-Upper และ Center-Lower) ไหลบนตัวนำสูง สามารถแพร่กระจายคลื่นได้ดีใกล้เคียงสายอากาศไดโพลเปรียบเทียบ (การทดลอง 6-7) ในขณะที่การทดลอง 8 (หันด้านเปิดวงจรของ Sleeve Balun เข้าใกล้จุดป้อนของสายอากาศ/whip) แต่โครงสร้างนี้มีกระแส RF (กระแส Center-Upper และ Center-Lower) ไหลบนตัวนำต่ำมาก และการแพร่กระจายคลื่นด้อยลงมาก

โดยสรุป: การทดลองหมายเลข 1-5 เทียบกับ 8 นี้คือหลักฐานเชิงประจักษ์ (Empirical Proof) อีกอย่างหนึ่งที่มายืนยันความแปลกใหม่ (Novelty) ของงานวิจัยนี้ได้อย่างสมบูรณ์ และหยุด Reciprocity behavioral (คุณสมบัติการกลับด้านใช้ทางไหนก็ได้ ให้ผลเหมือนกันทุกประการ) แบบเหมารวมของ sleeve balun และพิสูจน์ให้เห็นว่า การจัดสรรกระแสเพื่อสร้าง I_os จะเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพเฉพาะเมื่อหันด้านลัดวงจรของ sleeve balun เข้าหาจุดต่อโหลดเท่านั้น นี่คือเงื่อนไขบังคับในการออกแบบ (Design Constraint) ทางฟิสิกส์ไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดสำหรับการสร้าง Self-Sufficient Sleeve Dipole ที่ให้ประสิทธิภาพสูงสุด

วิเคราะห์ผลการทดลอง: พฤติกรรมของโครงสร้างเมื่อขนาดท่อและการป้อนสัญญาณต่างกัน

โครงสร้างในการทดลอง 1-5 คือ Sleeve Balun ที่หันด้านลัดวงจรต่อเข้ากับท่ออลูมิเนียมทำหน้าที่เป็น whip ขนาด ¼λ และกลายเป็น Sleeve Dipole Antenna ที่คุ้นเคย แต่ถูกป้อนด้วยหลายวิธี ทั้งป้อนตรง ผ่าน ugly balun และผ่าน Sleeve Balun (หันด้านเปิดวงจรเข้าหาจุดจ่าย) อีกชั้นหนึ่ง ประกอบกับข้อมูลดิบจากการทดลอง (ตารางที่ 2) และแนวโน้มของกราฟ SWR (รูปที่ 8-9) และกราฟกระแส (รูปที่ 6, 10) เราสามารถจัดหมวดหมู่พฤติกรรมของสายอากาศ Sleeve Dipole ตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ D/λ ออกเป็น 3 regimes ชัดเจน ดังนี้:

Regime 1: ช่วงท่อเล็ก (Weak Choking) → Ø = 8-10 mm (D/λ ≤ 0.005)

เป็นช่วงที่การออกแบบเพื่อควบคุมกระแสโหมดร่วม (I_cm) ล้มเหลว

พฤติกรรม: เมื่อป้อนไฟตรง ๆ (Bare) ค่า I_cm พุ่งสูงที่สุด (47.5-50mA) จนทำให้ SWR ผิดไปมาก (3.73:1) และสัญญาณไปถึงภาครับแย่ลงมาก เพราะพลังงาน RF ที่ควรจะแพร่กระจายออกจากตัวสายอากาศหลักถูกแบ่งไปไหลย้อนกลับบนผิวนอกของสายป้อน (Coaxial Cable) กลายเป็น parasitic radiator ที่เราไม่ต้องการ

สรุป: ท่อขนาดเล็กทั่วไปที่นิยมใช้กัน ไม่มีคุณสมบัติความเป็น Choke ในตัวมันเองเลยแม้แต่น้อย ต้องพึ่งพา Ugly Balun ภายนอกเท่านั้นเพื่อกู้ประสิทธิภาพการทำงานกลับมา

Regime 2: ช่วงท่อขนาดกลาง (Intermediate Choking) → Ø =13-19 mm (0.006 ≤ D/λ ≤ 0.009)

เป็นช่วงเปลี่ยนผ่าน (Transition) ขนาดของท่อเริ่มกว้างพอที่จะสร้าง Choke Impedance ขึ้นมาได้ระดับหนึ่ง

พฤติกรรม: ค่า I_cm เมื่อป้อนโดยตรงเริ่มลดลงอย่างเห็นได้ชัด (24mA → 9mA) และค่ากระแสบนตัวนำสายอากาศที่ทำหน้าที่แพร่กระจายคลื่น (I_element) เริ่มดีดกลับมาสูงขึ้น ระบบเริ่มเสถียรขึ้น และการต่อบาหลันภายนอก (Ugly Balun) เริ่มมีผลต่อ SWR และความถี่ใช้งานน้อยลง

สรุป: โครงสร้างเริ่มกั้นกระแสได้ด้วยตัวเอง แต่ยังทำหน้าที่ไม่สมบูรณ์ 100%

Regime 3: ช่วงดีที่สุด (Strong Self-Choking) → 27.5 mm (D/λ ≈ 0.013)

นี่คือจุดการออกแบบประสบสำเร็จ โดยใช้ประโยชน์จาก geometry เองล้วนๆ

พฤติกรรม: เป็นจุดสุดยอดของการทดลอง เมื่อป้อนสายอากาศตรงๆ (Bare) ค่า I_cm บนสายป้อนมีค่าต่ำมากเหลือเพียง 3-4mA โดยไม่ต้องมีอุปกรณ์ Choke ภายนอกช่วยเลย ในขณะที่กระแสบนโลหะสายอากาศที่ทำหน้าที่แพร่กระจายคลื่น (I_element) มีค่าสูงสุด สัญญาณไปถึงภาครับได้สมบูรณ์ SWR ต่ำและ Bandwidth กว้าง

สรุป: ที่ขนาดมิตินี้ โครงสร้างท่อด้านล่างได้กลายเป็น "Integrated Distributed Balun" ที่สมบูรณ์แบบในตัวเอง สามารถกั้นกระแสโหมดร่วม (I_cm) และบีบให้กระแสทั้งหมดเบี่ยงออกไป (Redistribute) ไหลที่ผิวนอกท่อ (เป็น I_os) เพื่อทำหน้าที่เป็นแขนด้านล่างของไดโพลอย่างเต็มที่

เพื่อขยายความให้ชัดเจนขึ้น การสรุปพฤติกรรมของโครงสร้างนี้เพียงแค่คำว่า "ช่วยลดกระแสโหมดร่วม" (common mode current suppression) จึงเป็นการมองข้ามมิติทางฟิสิกส์ของไฟฟ้าที่สำคัญไป เพราะในความเป็นจริง เมื่อเราใช้งาน Sleeve Balun แบบ Non-Reciprocal (หันด้านลัดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ) ตัวโครงสร้าง geometry ของ Sleeve ไม่ได้ทำหน้าที่เพียงแค่ choke (ขวาง) ไม่ให้กระแสโหมดร่วม (I_cm) ไหลได้ แต่ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือจัดลักษณะการไหลของกระแส RF (Active Current Redistribution Tool) ผ่านกลไกทางฟิสิกส์คลื่นนิ่ง (Standing Wave Paradigm) โดยบีบให้พลังงานส่วนใหญ่ที่ควรจะหลุดไปเป็นกระแส I_cm แฝงอยู่บนสายป้อน ถูกเบี่ยงทิศทางและแปลงไปเป็นกระแสที่ผิวนอกของ sleeve (I_os) ที่เป็นระเบียบและควบคุมได้บนผิวนอกของ sleeve แทน ดังนั้นตามข้อมูลจากตารางที่ 1 ที่แสดงผลต่างของ I_cm และ I_os ระหว่างการกลับด้านและไม่กลับด้าน จึงเป็นสิ่งสำคัญที่พิสูจน์พฤติกรรมการจัดลักษณะการไหลของกระแส ( redistribute) นี้ และเปิดมุมมองใหม่ในการมองสายอากาศแบบ Sleeve Dipole ว่าไม่ใช่สายอากาศที่ต้องมี Choke ห้อยอยู่ที่จุดป้อนเสมอไป แต่สามารถเป็น สายอากาศที่ Choke และ Element ที่ทำหน้าที่แพร่กระจายคลื่นถูกรวมเข้าด้วยกันเอาไว้ได้ภายใต้รูปร่างที่เหมาะสมทางไฟฟ้า นั่นคือ

เดิมทีเรามองว่า:

Sleeve Balun = Common-mode Choke
ตัวแปรหลักที่สนใจคือ Icm ก่อนและหลัง Sleeve Balun ลดลงได้เท่าไร
แต่แน่นอนว่าใน Sleeve balun มีสายนำสัญญาณที่มีอิมพีแดนซ์เฉพาะตัวอยู่ และย่อมมีคุณสมบัติการแปลงอิมพีแดนซ์อยู่ด้วย จึงอาจมีผลแปลงอิมพีแดนซ์ได้เป็นสิ่งที่ควรคาดเดาไว้

แต่การอธิบายแบบนั้นไม่ครบถ้วน เพราะ:

ยังมีอีกกระแสหนึ่งคือ Ios จาก Current Redistribution ไม่ใช่ Suppression เท่านั้น
และกระแสบนผิวนอกของ sleeve Ios นี้ย่อมแพร่กระจายคลื่นได้
โดยที่สายอากาศ Sleeve Dipole Antennaไม่ใช่ “สายอากาศชนิดหนึ่งแยกต่างหาก” แต่เป็น "กรณีพิเศษ" ของ Framework นี้

Common-Mode Current Redistribution Framework

งานวัจัยนี้เสนอกรอบความคิดหลายประการ เช่น:

- Reciprocity Behavior ของ Sleeve Balun นั้นไม่สมบูรณ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาเรื่องการกระจายกระแสที่ผิวนอกของปลอกโลหะ (Sleeve) ขณะที่มันทำงาน และการแพร่กระจายคลื่นจากตัวมัน
- เมื่อหันด้านลัดวงจรของ Sleeve Balun เข้าใกล้จุดป้อนของสายอากาศที่มีพฤติกรรมกำเนิดกระแสโหมดร่วม นอกจาก Sleeve Balun ที่ออกแบบเหมาะสมจะลดกระแสโหมดร่วมได้แล้ว ยังมีกระแสไหลที่ผิวนอกของ Sleeve โลหะด้วย (I_os ในงานวิจัยนี้)
- Sleeve Balun จึงเปลี่ยนบทบาทจาก Suppress I_cm → มีคลื่นนิ่ง (Standing Wave) ที่สามารถวัดด้วย H-probe → Radiator ที่ Radiate ได้ ควบคุมได้
- กระแสบนผิวด้านนอกของ sleeve ไม่ได้เป็นเพียงกระแสหลงเหลือ (parasitic current) แต่เป้นกระแสที่ถูกกระจายไปทางอื่น (redistributed reshaped and controlled, ดูรูปที่ 4 a) กลายเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างการกระจายคลื่น และหลักฐานจากการวัดระดับสัญญาณว่าใกล้เคียงกับสายอากาศไดโพลมาตรฐาน มีความเป็นไปได้สูงมากว่ามีเฟสที่เหมาะสม (in-phase) กับส่วนประกอบด้านบน เช่น ก้านหรือ whip ขนาด ¼λ จนทำหน้าที่เป็นแขนล่างของ dipole ได้
- สามารถคาดการณ์ได้ด้วย common mode ratio (ว่ามีกระแสโหมดร่วมให้ใช้ประโยชน์หรือไม่ อย่างไร) และ structure dependency (การเลือกด้านที่หันเข้าหาจุดต่อ ของ Sleeve Balun และแนวการวางของท่อ Sleeve Balun)

ประโยชน์จากงานวิจัย

1. เรารู้ว่าคุณสมบัติ Reciprocity ของ Sleeve Balun นั้นเป็นจริงเมื่อพิจารณาด้านความสามารถในการลดกระแสโหมดร่วมเท่านั้น แต่กระแสที่ผิวด้านนอกของ Sleeve นั้นต่างกันได้มากระหว่างการหันด้านเปิดและลัดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ

2. เมื่อต่อ Sleeve Balun โดยหันด้านลัดวงจรเข้าหาจุดป้อนของสายอากาศ กระแสโหมดร่วมที่อาจมีได้จะเปลี่ยนทิศทาง (Redistribute) จากการไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณไปอยู่ที่ผิวด้านนอกของปลอกโลหะ (Sleeve)

3. เมื่อออกแบบ Sleeve Balun ได้ขนาด (เส้นผ่านศูนย์กลางและความยาว) ถูกต้องตามความถี่ที่ใช้งาน สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดีที่สุด ซึ่งท่อมักมีขนาดประมาณ 0.013λ ทำให้ระยะ ¼λ_CS → ¼λ_air (สั้นกว่าเล็กน้อย) เมื่อต่อ Sleeve Balun นั้นโดยหันด้านลัดวงจรเข้ากับจุดป้อนของสายอากาศ (หรือ Whip) จะทำให้เส้นทางของกระแสโหมดร่วมเปลี่ยนไปไหลที่ผิวนอกของ Sleeve แทน (กลายเป็น I_os) ในขนาดที่สูงมาก และผิวด้านล่างของ Sleeve Balun กลายเป็น Return Path ที่เหมาะสมได้

4. กระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ผิวนอกของ Sleeve แทน (I_os) มีขนาดที่เทียบเคียงกับกระแสที่ผิวนอกของโลหะอากาศไดโพลที่ขนาดเท่ากัน เราจึงสามารถใช้ผิวด้านนอกของท่อ Sleeve Balun เป็นส่วนหนึ่งของสายอากาศ Sleeve Dipole ได้ดี

สรุป

ด้วยเหตุผลทั้งหมดที่กล่าวมา งานวิจัยนี้จึงสามารถเสนอและสร้างกรอบแนวคิดใหม่ (Framework Shift) สำหรับการออกแบบสายอากาศ Sleeve Dipole Antenna ได้อย่างสมบูรณ์:

หยุดการซ้ำซ้อน (Redundancy): สิ้นสุดยุคของการใช้ท่อ Sleeve ขนาดเล็กแล้วต้องมาห้อย Ugly Balun ซ้ำซ้อนที่จุดป้อน เพราะข้อมูลจากการทดลองได้พิสูจน์ชัดเจนว่าหากเลือกมิติของท่อผิด ตัว Sleeve เองก็ไม่สามารถขวางกระแสโหมดร่วมได้ และการใส่อุปกรณ์ภายนอกเพิ่มกลับทำให้ impedance เปลี่ยนและลดเสถียรภาพของระบบ

เงื่อนไขบังคับในการออกแบบ (design constraint): D/λ ≥ 0.013 คือตัวเลขค่าคงที่ทางกายภาพไฟฟ้าที่สำคัญ ( sweet spot) สำหรับการออกแบบ Sleeve Dipole ที่ต้องการความเป็น Self-Sufficient (เพียงพอด้วยตัวเอง) โดยไม่ต้องมีอุปกรณ์กั้นกระแสภายนอก ซึ่งผลการทดลองที่ 27.5mm ที่ความถี่ 145MHz พิสูจน์แล้วว่าให้ค่า Icm ต่ำสุดควบคู่ไปกับ Ielement และ S/N ที่ดีมาก

การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่เติมเต็ม research gap เชิงทฤษฎี แต่ยังได้ Design Guideline ที่มีค่าในทางปฏิบัติ ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถออกแบบสายอากาศที่เรียบง่าย น้ำหนักเบา ต้านลมน้อย และมี Feed Cleanliness ระดับสูงได้อย่างมั่นใจโดยอิงจากหลักฟิสิกส์ไม่ใช่การเดาสุ่ม

This article is an original research work developed independently by the author, including its concepts, analyses, and theoretical framework. All rights to the content are reserved by the author. The ideas, content, and results presented here may be used for study, reference, or further research provided that proper credit is given to the author and the original source is clearly cited in all cases. Any reproduction, adaptation, or presentation of this work, in whole or in part, as one’s own without appropriate attribution—whether directly or indirectly—constitutes academic plagiarism and a clear violation of copyright.

บทความนี้เป็นงานวิจัยต้นฉบับที่ผู้เขียนพัฒนาขึ้นด้วยตนเอง ทั้งในเชิงแนวคิด การวิเคราะห์ และกรอบทางทฤษฎี ลิขสิทธิ์ของเนื้อหาทั้งหมดสงวนไว้โดยผู้เขียน อนุญาตให้นำเนื้อหา แนวคิด หรือผลการวิเคราะห์ไปใช้เพื่อการศึกษา การอ้างอิง หรือการวิจัยต่อยอดได้ โดยต้องระบุชื่อผู้เขียนและแหล่งที่มาอย่างชัดเจน ทุกครั้ง การคัดลอก ดัดแปลง หรือนำเนื้อหาทั้งหมดหรือบางส่วนไปนำเสนอเป็นผลงานของตนเอง โดยไม่ให้เครดิตผู้เขียน ไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม ถือเป็นการ ลอกเลียนงานวิชาการ (plagiarism) และเป็นการละเมิดลิขสิทธิ์อย่างชัดเจน