กิจกรรมและประชุมประจำเดือน กันยายน 2566

 

เมื่อครบเวลาหนึ่งเดือน เราก็มาพบปะ ทำกิจกรรมกันเช่นเคยนะครับกับ คลับสเตชั่น The DXer Thailand ที่ ซ. คลองหลวง 10 รังสิต ปทุมธานี สำหรับเดือนนี้มีทั้งทดสอบสายอากาศ ซ่อมสายอากาศ และติดตั้งสายอากาศบนสถานีรถยนต์ 

ลองส่ง/รับด้วยกำลังส่งต่ำๆ ดูซิ

โปรแกรม แก้ไข ปรับตั้ง Hotspot Digital Radio

ไหนๆ มีสายอากาศต่อลอยๆ อยู่

ลองสักหน่อยละกัน อุตส่าห์ตอบ
CQ เพื่อนจากประเทศเนปาลได้ด้วย

E22XEK กำลังติดตั้งเมาส์กระดก บนรถ ของ HS1DQ

แล้วพบกันใหม่ในเดือนหน้า ตุลาคม 2566 นะครับ 
73 DE E20AE 

พื้นดินกับ RF ground และความถี่ย่าน HF

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

วันนี้นึกขึ้นได้ว่ายังมีเรื่องน่าสนใจอะไรมาชวนเพื่อนๆ คุยกันบ้างปรากฏว่ายังมีอยู่หลายเรื่อง  แต่หนึ่งในนั้นที่นึกออกคือการติดตั้งสายอากาศที่มีพื้นดินมาเกี่ยวข้องด้วย ว่าจะเกิดอะไรขึ้น และทำอย่างไรให้พื้นดินกับ RF ground ทำงานอยู่ร่วมกันได้โดยไม่เกิดผลเสีย 

จริงๆ แล้วเรื่องนี้เป็นเรื่องค่อนข้างซับซ้อน แม้กระทั่งการตั้งชื่อบทความก็ยังต้องระวัง  ทีแรกจะตั้งว่า ทำอย่างไรให้พื้นดินเป็น RF ground ที่ดีแต่คิดดูแล้วสิ่งที่เกิดขึ้นมันก็ไม่เชิงที่จะเป็นอย่างนั้น  เราค่อยๆ ติดตามอ่านต่อไปนะครับ แล้วจะทราบในภายหลังว่าทำไมนะครับ

ย้อนอดีตสักหน่อย

ตอนเป็นนักวิทยุสมัครเล่นแรกๆ คือขั้นต้น เราใช้ความถี่ย่าน VHF เป็นหลัก ลองนึกดูว่าเราเคยได้ยินหรือต้องกังวลบ้างไหมกับพื้นดิน ว่าถ้าเราทำระบบกราวด์บนพื้นดินบริเวณสายอากาศไม่ดีแล้วอาจจะเกิดปัญหาได้ เช่น มีการสูญเสียพลังงานมาก (loss) ซึ่งทำให้อัตราขยาย (gain ของสายอากาศ) ต่ำลงไปด้วย, เกิดกระแสโหมดร่วม (common mode current) สูง, หรือ ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นผิดปกติไป เป็นต้น   คำตอบน่าจะเป็นว่า ไม่เคยได้ยินหรอก ไม่เห็นต้องสนใจเรื่องดินที่เกี่ยวกับสายอากาศเลย  เอาเป็นว่าปักเสาติดสายอากาศได้ไม่ล้มก็พอใจแล้ว (ฮา..) ซึ่งก็ไม่ผิดอะไรนะครับ จริงตามนั้นแหละ 

กราวด์มีกี่แบบ

เมื่อพูดถึงเรื่องกราวด์ในระบบหรือสถานีวิทยุสมัครเล่น มักเป็นเรื่องที่ต้องคุยกันยาว  เริ่มตั้งแต่  กราวด์ มีกี่ชนิด กันเลยทีเดียว 

1. กราวด์ของระบบไฟฟ้า/ความปลอดภัย

บ้านเรือนธรรมดาก็มี เป็นการลงเพื่อสร้างจุดอ้างอิงศักย์ไฟฟ้า 0 โวลท์ของระบบ รวมทั้งเป็นช่องทางการไหลของกระแสไฟฟ้าที่อาจจะรั่วไหลมาจากเครื่องใช้ไฟฟ้า  ถ้าเราลงกราวด์เหล่านี้ไม่ครบ ไม่ถูกต้อง การไฟฟ้าฯ คงไม่จ่ายไฟให้บ้านเราแน่

2. ระบบสายดินป้องกัน/ลดความเสียหายจากฟ้าผ่า

ถือเป็นเรื่องของความปลอดภัยเช่นกัน คือเมื่อเกิดฟ้าผ่า การผ่านั้นต้องลงในจุดที่เตรียมไว้ (ปลายยอดของโลหะแหลมที่ทำสายล่อฟ้า) กระแสไฟฟ้าต้องสามารถไหลลงพื้นดินได้ง่าย รวมทั้งไม่เกิด flashing (การโดดของกระแสไฟฟ้าจากตัวนำไปยังคนที่อยู่ใกล้และไหลผ่านคนลงดินไป) ไม่เกิด step voltage สูงจนเป็นอันตรายกับคนที่กำลังเดินอยู่บริเวณใกล้เคียงจุดที่ฟ้าผ่า เป็นต้น  (อ่านเพิ่มได้ใน การป้องกันฟ้าผ่าสำหรับสถานีวิทยุสมัครเล่น)

3. RF Ground 

อันนี้แหละเกี่ยวข้องกับเรื่องที่เรากำลังคุยกันอยู่และผมก็เชื่อว่า นักวิทยุสมัครเล่น (ไม่ใช่อาชีพ ที่ต้องรู้) จำนวนมากยังไม่เข้าใจมันดีนัก  เป็นส่วนที่ทำงานกับกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (ย่าน RF หรือ Radio Frequency คือ ความถี่วิทยุ) นั่นเอง 

RF ground คืออะไร 

เหมือนกับกราวด์ของระบบไฟฟ้า/ความปลอดภัย และ ระบบกราวด์ป้องกัน/ลดความเสียหายจากฟ้าผ่า  กราวด์ของกระแสไฟฟ้าย่านความถี่วิทยุก็มีหน้าที่ทำให้กระแส RF ไหลครบวงจรนั่นเอง  แล้ว RF ground นี่มันอยู่ที่ไหนล่ะ คำตอบโดยทั่วไปก็คืออยู่ที่สายอากาศนั่นเอง 

RF ground ที่สายอากาศ

เมื่อเราป้อนพลังงานไฟฟ้าให้กับสายอากาศโดยผ่านสายนำสัญญาณพลังงานไฟฟ้านั้นย่อมอยู่ในรูปของโวลเตจ (V) และกระแส (I)  และการจะส่งพลังงานไปได้สำเร็จก็ต้องมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านครบวงจรในโหลด (สายอากาศ) นั่นเอง  ในสายอากาศหลายแบบการครบวงจรที่ว่านี้เกิดขึ้นได้เอง แต่ในสายอากาศบางแบบก็ต้องเกิดขึ้นผ่าน RF ground

สายอากาศที่มีและไม่มี RF ground

ไม่ใข่สายอากาศทุกชนิดจะต้องมี RF ground   กระแส RF สามารถไหลครบวงจรได้ในสายอากาศหลายแบบ เช่น 

ภาพ a, b, และ c แสดงสายอากาศ
ที่ไม่ต้องการ RF ground แยกออกมา
เพราะกระแส RF สามารถครบวงจร
ได้ภายในตัวเองเลย

• โฟลเด็ดไดโพล (a)
• ไดโพล (b)
• สลิมจิม (c)

ภาพ d, e, และ f เป็นสายอากาศ
ที่ไม่ต้องการ RF ground เช่นกัน

• สายอากาศประเภท loop ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น quad (d), delta loop (e) 
• รวมทั้ง Magnetic loop (f) ก็ไม่ต้องการ RF ground ต่างหากแยกออกมา

จะเห็นว่ากระแสที่จุดป้อนไหลครบวงจรได้เอง รวมทั้งในสายอากาศแบบไดโพลที่ไหลผ่านความจุไฟฟ้าแฝง (parasitic capacitance) ระหว่างโลหะที่ทำ element ทั้งสอง

ส่วนสายอากาศที่ต้องการ RF ground ก็เช่น

• สายอากาศ  ¼λ หรือควอเตอร์เวฟ ต้องการ RF ground มาก  (g)
• สายอากาศ โมโนโพล ต้องการ RF ground มาก (h)
• สายอากาศแบบป้อนตรงปลาย (End-fed ทั้งหลาย) ต้องการ RF ground มากหรือน้อยขึ้นกับความยาวของ whip (i) 

ภาพ g, h, และ i เป็นสายอากาศแบบ
ควอเตอร์เวฟ, ควอเตอร์เวฟโมโนโพล,
และแบบป้อนปลาย (End-fed) ซึ่งทั้ง
ต้องการ RF ground เป็นพิเศษต่างหาก

สายอากาศเหล่านี้ ถ้าไม่มีโลหะเป็นก้าน ตาข่าย เป็น RF กราวด์ให้มัน  มันจะอาศัยผิวนอกของสาย Coax เป็นกราวด์แทน (และเกิดปัญหา common mode current ตามมา) 

ระดับความต้องการ RF ground

สายอากาศมีหลากหลายแบบมากจนบรรยายไม่ครบ  และการจะบอกว่าสาอากาศมีเฉพาะประเภทที่ต้องการและไม่ต้องการ RF ground เท่านั้น คงไม่สมบูรณ์นัก เพราะสายอากาศมี "ระดับ" ความต้องการ RF ground ไม่เท่ากัน  แล้วทำไมไม่เท่ากันก็ต้องมาดูเหตุผลกันต่อ 

ภาพ j และ k แสดงการกระจายของ
กระแส (ความถี่ RF) และโวลเตจบน
สายอากาศแบบไดโพลและควอเตอร์เวฟ
ตามลำดับ จะเห็นว่ากระแสมีค่ามากที่
บริเวณจุดต่อป้อนสัญญาณ

ในภาพจะเห็นว่าสายอากาศ ทั้งแบบไดโพลและควอเตอร์เวฟ "มีกระแสที่จุดป้อน" สูง (สุด) ทั้งคู่ ถ้าไม่มี "ก้านไดโพลซีกล่าง"  กระแสที่มันไม่สมดุลจะไปไหนได้? แต่สายอากาศแบบไดโพลมีอีเลเม้นท์ด้านล่างที่ทำหน้าที่เหมือน RF ground ในตัว (j) ในขณะที่สายอากาศแบบควอเตอร์เวฟก็ต้องการกราวด์และมีกราวด์เพลนด้านล่างทำหน้าที่เป็น RF ground ให้นั่นเอง (k) 

ภาพ l กระแสที่จุดป้อนสัญญาณของ
สายอากาศแบบ End-fed ที่มีความยาว
whip ใกล้เคียง ½λ จะต่ำ ทำให้ไม่ต้องการ
RF ground มากนัก (แต่มีก็ได้)

คราวนี้ลองดูสายอากาศแบบครึ่งคลื่น (half wave, ½λ) ในรูป (l)  บ้างที่whip  มันยาวเกือบๆ half wave (เป็น  ½λ  ไม่ได้นะ เพราะ impedance จะสูงมากเกินไป แมทช์ยาก) จะเห็นว่าที่ด้านปลายของสายอากาศใกล้จุดป้อนจะมีกระแส RF ต่ำมาก จึงไม่ต้องการ RF ground ที่คอยสร้างสมดุล (counteract) ให้มากนัก  แต่ในสายอากาศแบบนี้ เราต้องมีmatching circuit มาแปลงอิมพิแดนซ์ (อาจจะ 1-2 KΩ) ให้ลงมาเหลือ50 Ω  จึงต่อกับสาย coaxial ที่มี characteristic impedance 50Ω เหมือนกันแล้วไม่เกิดการสะท้อนมากที่จุดเชื่อมต่อ ซึ่งจะมีผลต่อเนื่องทำให้ VSWR ในสายนำสัญญาณสูงกว่า 1.0:1 ไปมาก
(อ่านเรื่อง RF ground คืออะไร ประกอบ)

จนถึงเดี๋ยวนี้เรายังไม่พูดถึง  RF ground ที่เกี่ยวข้องกับพื้นดินเลย อ่ะเดี๋ยวมาดูกันต่อครับ

สายอากาศในย่านความถี่ HF

ตอนที่เราเป็นนักวิทยุสมัครเล่นแรกๆ เราใช้ความถี่ VHF เป็นหลัก หรือUHF ในการรับ (ไทยเรา ยังส่งไม่ได้) สายอากาศบางแบบที่ต้องการ RF ground ก็อยู่บนตัวสายอากาศนั้นเองเสร็จสรรพ   และด้วยความยาวคลื่น (λ) สั้น (2 เมตร)  อะไรๆ เลยเล็ก สั้น 

โดยที่ อะไรๆ เลย เล็ก สั้น ตรงนี้แหละสำคัญ   เดี๋ยวมาเล่าให้ฟังต่อ 

เวลาเราชูสายอากาศแบบ VHF ขึ้นบนอากาศ  ในทางปฏิบัติ เรามักพยายามทำให้มันสูงจากพื้นดินมากอยู่แล้วและก็สำเร็จเสียด้วย  นั่นคืออย่างใกล้ๆ ดินก็ต้องเป็น 2 เมตรหรือ 1λ  ซึ่งถือว่า "ไกลพอ" ที่จะทำให้มีการคับปลิ้ง (capacitive coupling) กับพื้นดินน้อย/ต่ำ  พื้นดินจึงไม่มีผลอะไรนักกับการใช้งานความถี่/สายอากาศย่าน VHF ขึ้นไป ดูรูป (m)

ภาพ m เมื่อสายอากาศทั้งหมดอยู่สูง
จากพื้นดิน (เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น λ)
การเชื่อมโยง (coupling) กับพื้นดินจะต่ำ
นั่นคือเหมือนไม่ค่อยเกี่ยวข้องก้น แยกจากกัน

ในย่าน VHF เรา เลยไม่เคยกังวลเกี่ยวกับพื้นดินกันเลย  แต่ถ้าเราใช้ความถี่ย่าน HF ล่ะ   ความยาวคลื่น 20 เมตร หรือ 40 เมตร  อะไรๆ ก็จะใกล้สายอากาศเราไปหมด (ความใกล้ ไกล เทียบกับ ความยาวคลื่น) รวมทั้งพื้นดินด้วย  คราวนี้ล่ะ ความใกล้นี้เองทำให้อยู่ในส่วนของnear-field ของสายอากาศไปหมด อะไรที่ไกล้กว่า λ/(2π) คือสนามระยะใกล้ (near field)

ภาพ n สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ระยะต่างๆ
จากสายอากาศจะมีคุณสมบัติต่างกัน
ที่ระยะใกล้สายอากาศสนามไฟฟ้า
จะเป็น Reactive field 

สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กใน near-field เป็น reactive field  คือสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าส่วนใหญ่จะมีเฟสไม่ตรงกัน และของที่อยู่ใกล้สายอากาศจะมีผลต่ออิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนด้วย ในความถี่ย่าน HF  เราจึงต้องระวังว่าสายอากาศเราจะอยู่ใกล้พื้นดิน  "โดยเฉพาะสายอากาศที่ต้องการ RF ground" เพราะพื้นดินเองก็จะอยู่ใกล้RF ground ของเราและรบกวนการทำงานของ RF ground ของเราด้วย

สมมติเราติดตั้งสายอากาศ  ¼λ vertical  ซึ่งต้องการ RF ground และเราก็มี RF ground ให้มันด้วย ออกมาหน้าตาแบบนี้ 

ภาพ o เมื่อสายอากาศอยู่ใกล้พื้นดิน
(เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น λ)
ดินจะมีผลต่อมันมาก

ซึ่งถ้าเป็นย่าน HF   เจ้า RF ground มันจะ "ใกล้" พื้นดินอยู่แล้ว  (ไม่งั้นต้องยกทั้งหมดขึ้นไปสัก 40 เมตร  ถ้าทำได้ก็โอเคแหละ) ทำให้เกิดการcoupling แบบ capacitive กับดิน (สีส้ม) 

เมื่อมี capacitive coupling และพื้นดินเองก็ไม่ได้มีความต้านทานเป็น∞ Ω ย่อมมีกระแสไหล (สีแดง) อยู่ในพื้นดิน แต่ในขณะเดียวกันความต้านทานของดิน Re (สีชมพู) ก็ไม่ใช่ 0Ω จึงมี loss เป็นความร้อน ( P =  I²•r ) ในพื้นดินนั่นเอง

แล้วพลังงาน ที่ loss มาจากไหน ก็คงจะมาจากไหนไม่ได้นอกจากเครื่องส่งวิทยุของเรา นั่นคือเรากำลังปิ้ง เผา ย่าง พื้นดินแถวๆ สายอากาศของเราด้วยเครื่องวิทยุ นั่นเอง!!

ซึ่งเรื่องพวกนี้เป็น "ของใหม่" ที่นักวิทยุสมัครเล่นที่ใช้ความถี่ย่าน HF ต้องเรียนรู้ ว่าเมื่อเราติดตั้งสายอากาศ HF ชนิดที่ต้องการกราวด์  (ซึ่งมักใกล้ดินโดยธรรมชาติ) ต้องระวังเรื่องการ loss ในดินด้วย

ถ้าไม่อยากให้มีการสูญเสียจะทำอย่างไร

1. ย้ายบ้าน หาที่ที่ดินมี Re ต่ำๆ ใกล้ๆ 0Ω เลย (จะหาได้ไหมอะ)
2. เอาแผ่นโลหะตัวนำ  ใหญ่ๆ  สัก 40 x 40 เมตร ปูพื้นทำกราวด์เลย ( ถ้าขนาดนั้นได้  ยอมจริงๆ )
3. วาง Ground Radials 

ซึ่งนี่คือที่เขาทำกัน 

ภาพ p แผ่นโลหะเป็นจุดต่อของสายไฟ
จำนวนมาก (Radials) เพื่อลดการสูญเสียในพื้นดิน

ภาพบนเป็นอุปกรณ์ของ DX Engineering โดยทำเพลทสำหรับยึดสายไฟออกมาหลายสิบเส้นออกมารอบตัว  เป็นการพยายามไม่ให้เกิดการคัปปลิ้งของ กระแส RF ไปถึงดินนั่นเอง คือ ไปเจอสายไฟที่เราวางไว้เป็นผืนนั่นเสียก่อน  (พูดง่ายๆ คือพยายามให้ driven element และ RF ground คับปลิ้งกันเองเท่านั้น และมีกระแส RF ไหลในดินน้อยที่สุด  (อย่างที่บอกก่อนหน้าว่าดินไม่ได้มีความต้านทานเป็น 0Ω   เมื่อใดก็ตามที่มีกระแสไฟฟ้าไหลในดินย่อมมี loss เป็นความร้อน  แทนที่พลังงานจากเครื่องส่งวิทยุจะถูกแปลงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วออกอากาศไปทั้งหมดกลับต้องเสียส่วนหนึ่งเป็นความร้อน)  แต่ไหลผ่านลวดradials ที่มีความต้านทานใกล้ 0Ω นั่นเอง

ดังนั้นจึงแนะนำให้วางลวด radials เยอะๆ และไม่ต้อง (ไม่ควร) ฝังให้ลึกลงดินมากนัก มิฉะนั้น RF current ก็ต้องไหลผ่านดินก่อนจะไปถึงลวดตัวนำ  ซึ่งเราไม่ต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านดิน (ผ่านเมื่อไรก็ loss เมื่อนั้นแหละ)

สรุป

1. สายอากาศหลายแบบไม่ได้ต้องการ RF ground
2. สายอากาศที่ต้องการ RF ground ก็ไม่ได้ต้องการในความรุนแรง (degree) ที่เท่ากัน
3. สายอากาศที่ต้องการ RF ground หนักๆ เลยคือ quarter wave (¼λ) antenna
4. สายอากาศใดที่ต้องการ RF ground แต่ เราไม่เตรียมไว้ให้มัน  มันจะหากราวด์ของมันเอง  ง่ายสุดก็คือผิวด้านนอกของชีลด์ของสายCoaxial
5. ปัญหาหลักๆ เกิดกับ Vertical quarter wave (¼λ) antenna ในย่านHF เพราะมันใกล้ดิน  ถ้า RF ground wires (เติม s เป็นพหูพจน์ คือมีหลายเส้น) ไม่พอ ไม่มากพอ ไม่สามารถกันการ coupling ไม่ให้มีกระแสไฟฟ้า RF ไหลในดินได้ ก็จะ loss 
6. ใน Vertical quarter wave (¼λ) antenna ย่าน HF เราจึงต้องวาง redials ให้มากพอ
7. สำหรับ radials ที่วางบนดิน เส้นสั้นๆ มากเส้นดีกว่าเส้นยาวๆ น้อยเส้น  และการใช้น้อยเส้นสามารถใช้เส้นสั้นลงได้ (ซึ่งขัดความรู้สึกหน่อย แต่เป็นแบบนั้นแหละ)
8. Radials แบบวางบนดิน (ติดกับดิน ไม่ยกขึ้นมาก) กับฝังลงไป ให้ผลพอกัน
9. RF ground พื้นดินที่ดีต้องมี impedance ต่ำ (มักเกิดจาก capacitance ที่สูง ที่ความถี่สูงจะยิ่งมี reactance ต่ำ)  ไม่อย่างนั้นแล้วกระแสก็จะหาทางวิ่งไปเป็น common mode ซะเยอะ 
10. บางกรณี เราวาง Radials ไม่ได้ เราอาจจะใช้สายไฟทำ Counterpoise (จริงๆ แล้วศัพท์คำนี้เป็นคำใหม่ ถ้าย้อนไปหลายสิบปีก่อนในตำราสายอากาศทั้งหมดรวมทั้งของ ARRL จะไม่มีคำนี้อยู่)  ยกให้สูงจากดินให้มาก (เพื่อความปลอดภัยกับคน ไม่เดินชน ควรเกิน 2 เมตร)  ก็ช่วยได้
11. สายกราวด์ที่ยกขึ้นจากดินที่เรียกว่า counterpoise (เอาจริงๆ คำนี้ถูกใช้สับสนปนเปมาก) นี้ เพียง 2-4 เส้นทำงานดีกว่าแบบติด/ฝังดินเยอะเส้น   โดยแต่ละเส้นควรยาว 1/4λ  และสูงขึ้นมา 0.05 λ  แต่เกิน 2 เมตรด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย

หวังว่าเรื่องนี้จะทำให้เพื่อนๆ เข้าใจขึ้นเกี่ยวกับผลของพื้นดิน และเมื่อไรที่เราจะต้องทำให้พื้นดินเป็นกราวด์ที่ดี และด้วยวิธีการอย่างไรครับ 

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จ.) 

คุยกันเรื่องสายอากาศแบบแกมม่าแมทช์

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นคงคุ้นเคยกับสายอากาศหลากหลายรูปแบบ และหนึ่งในนั้นเป็นสายอากาศที่ใช้การแมทช์แบบแกมม่า (Gamma match) เพราะรูปร่างหน้าตาโครงสร้างของมันเป็นเหมือนตัวอักษรกรีกแกมม่านั่นเอง หลายคนอาจจะทำตามแบบขึ้นเล่นบ้างแต่ไม่เคยรู้หลักการในการแมทช์ที่ทำให้ได้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน (จุดต่อสายนำสัญญาณเข้าไป) ใกล้เคียง 50Ω    บทความเรื่องนี้ผมเลยชวนดูสายอากาศชนิดนี้ให้ละเอียดขึ้นนะครับ 

ภาพที่ 1 ลักษณะของสายอากาศ
ที่ใช้การแมทช์แบบแกมม่า (Gamma)
ซึ่งเหมือนตัวอักษรกรีก Г  อย่างไรก็

พยายามดูให้เหมือนหน่อยนะครับ (ฮา..)

ลักษณะทางไฟฟ้า

หลังจากที่คุยเรื่องรูปร่างของชิ้นส่วนที่ใช้ในการแมทช์ว่าคล้ายอักษรกรีก (ตัวแกมม่า Г) กันไปแล้ว เรามาดูหลักษณะทางไฟฟ้าของมันกัน

1. สายอากาศบางอย่างเช่น ยากิ-อูดะ (Yagi-Uda) เมื่อเราเอาโลหะอื่น เช่น director, reflector ไปวางไว้ใกล้ๆ driven element ทำให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน (feed point) ที่ driven element ต่ำลง โดยทั่วไปคือต่ำกว่า 50Ω (อาจอยู่ในช่วง 20-30 โอห์มได้) เราจึงต้องหาวิธีทำให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน (Z_f หรือ feed point impedance) สูงขึ้นเป็น 50Ω หรือใกล้เคียงให้ได้ ซึ่งว่ากันจริงๆ ก็มีหลายวิธีนะครับ จะใช้วงจรแมทชิ่งจาก L (ตัวเหนี่ยวนำ) และ C (ตัวเก็บประจุ) ก็ได้ แต่ในกรณีนี้เราจะลองใช้แกมม่าแมทช์กันซึ่งเป็นอีกหลักการหนึ่งเลย

2. การขยับจุดป้อนออกจากจุดกลางของชิ้นโลหะที่เป็น driven element ไปเป็นจุดแท็ป A บน driven element แล้วทำเป็นเหมือนลูปเล็กๆ ของโฟลเด็ดไดโพลที่ทำให้เกิดการเพิ่มอิมพิแดนซ์ (มีตัวคูณ) ทำนองเดียวกับในโฟลเด็ดไดโพล จึงทำให้ได้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนสูงขึ้นเป็น (R₂ + jX₂) ดูภาพที่ 2

3. แต่การต่อแบบนั้นทำให้มีอิมพิแดนซ์อีกตัวหนึ่งที่เกิดจากการลัดวงจรที่ปลายด้านหนึ่งของสายนำสัญญาณความยาว  ℓ  (แอล) มาปรากฎที่จุดป้อนด้วยค่าเป็น + j X₁ (+ คือแสดงค่าเป็นความเหนี่ยวนำ)

4. อิมพิแดนซ์ Z_f โดยรวมจึงเกิดจากอิมพิแดนซ์สองค่าที่ ขนานกัน อยู่คือ (1) + j X₁ จากส่วนลัดวงจรที่จุดแท็บ A แล้วถูกแปลงอิมพิแดนซ์ด้วยความยาวของส่วนที่เป็น gamma rod (เหมือนเป็นสายนำสัญญาณเส้นสั้นๆ) และ (2) R₂ + jX₂ จากจุดป้อนที่ผ่าน gamma rod ที่มีลักษณะการเพิ่มอิมพิแดนซ์ทำนองเดียวกับการดัดห่วงของโฟลเด็ดไดโพล กลายเป็น  Z_f = R_f + j X_f

ภาพที่ 2 โครงสร้างอิมพิแดนซ์ของ
การแมทช์แบบ Gamma 

5. เราพยายามหาจุดแท็บ A ที่ทำให้ได้ R_f ใกล้เคียง 50Ω ที่สุด แต่ในด้านไฟฟ้าแล้วผลที่เกิดจากโครงสร้างนี้จะทำให้อิมพีแดนซ์ที่สายป้อนมองเห็นมี reactance เป็นความเหนี่ยวนำ (inductive) คือ + j X_f  ( ใน Z_f = R_f + j X_f ) แถมมาด้วย

6. ดังนั้นเราจึงต้องพยายามกำจัด inductive reactance ค่า + j X_f นี้ออกด้วยการใส่ capacitive reactance ค่า - j X_f  (เครื่องหมาย - แสดงความเป็น capacitive ซึ่งตรงกันข้ามกับ inductive) ซึ่งทำได้ด้วยการต่อตัวเก็บประจุอนุกรมเข้าไป ตัวเก็บประจุจะมี reactance เป็น - j X_f  หรือเท่ากับ - j/(2πf C)   โดยต้องเลือกค่า C ให้มีขนาดที่ถูกต้อง (โดยทั่วไปอยู่ในช่วง pF) เพราะขึ้นกับความยาวของชิ้นโลหะที่ต่อป้อนเยื้องจากจุดกึ่งกลางของ driven element และความถี่ที่ใช้ 

เมื่อรวมอิมพิแดนซ์จากการอนุกรมกัน (เอาอิมพิแดนซ์บวกกันได้ตรงๆ) จึงเป็น 
 Z_f = R_f + j X_f - j X_f =  R_f   
หรือเหลือแต่ความต้านทาน R_f ล้วนๆ ที่มีค่าใกล้เคียง 50Ω  และไม่มี reactance ( X ) นั่นเอง  

(ในความเป็นจริงก็อย่าจริงจังเกินไป สายอากาศอะไรที่แค่ใกล้ๆ 50Ω  และจะมี reactance บ้างก็ใช้งานได้แหละครับ) 

ภาพที่ 3 เราลด inductive reactance
ที่เกิดจากการต่อแท่งโลหะแกมมา
(Gamma Rod) ด้วยการต่อตัวเก็บประจุ
อนุกรมเข้าไป

7. ค่าความจุไฟฟ้า C นั้น เราอาจจะใช้ตัวเก็บประจุจริงๆ ต่อเข้าไปก็ได้ หรือบางทีก็สร้างขึ้นเองโดยเอาใส้แกนกลางของสายนำสัญญาณแบบ Coaxial สอดเข้าไปในท่ออลูมิเนียมกลวงที่ใช้ทำชิ้นโลหะที่ต่อป้อนเยื้องจากจุดกึ่งกลางของ driven element นั่นแหละ 

ภาพที่ 4 บางครั้งเราก็สร้างตัวเก็บประจุ
ที่จะต่ออนุกรมเข้าที่จุดป้อนด้วยการร้อย
ใส้ในของสายนำสัญญาณแบบ Coaxial
เข้าในท่ออลูมิเนียม

8. เนื่องจากจุดกึ่งกลางของ driven element มีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ เราสามารถต่อลงกราวด์ของระบบได้ และ/หรือ ผ่านจุดจับยึดและตัวเสาอากาศ (tower, pole) ลงดินไป ทำให้สายอากาศนี้เป็นแบบunbalanced จึงต่อเข้ากับสายป้อนแบบ coaxial cable ได้โดยตรง 

จะเห็นว่าการแมทช์แบบ Gamma มีตัวแปรเยอะมาก ถ้าจะคำนวณก็คงมีตัวแปรมากเช่นกัน จึงมีนักประดิษฐ์พยายามทดลองแล้วให้คำแนะนำสัดส่วนต่างๆ ไว้ดังนี้ (ดูภาพที่ 5)

a) จุดป้อน A อยู่ห่างจากจุดกึ่งกลางของ driven element ประมาณ 0.05λ (หรือ 5% ของ λ) 

b) โลหะที่ใช้ป้อน (gamma rod) มีขนาดความใหญ่ประมาณครึ่งหนึ่งของ driven element 

c) ระยะระหว่างโลหะที่ใช้ป้อน driven element กับ driven element ประมาณ 0.007λ (0.7% ของ λ) 

d) ตัวเก็บประจุควรมีค่าแถวๆ 7 pF / 1 m ของ λ ของความถี่ที่ทำงาน (เช่น เราทำสายอากาศสำหรับย่าน 2 เมตร (145MHz) ก็น่าจะลองใช้ที่ 14 pF เป็นต้น) 

ภาพที่ 5 มิติต่างๆ ของการแมทช์แบบแกมมา
เป็นจุดเริ่มต้นในการทดลองสร้างที่ดี

โดยทั้งหมดนั้นเป็นค่าโดยประมาณในการการเริ่มต้นทำซึ่งต้องปรับแต่งอีกครั้งหนึ่ง จึงไม่ได้หมายความว่าจะใช้ได้เลยและไม่ได้หมายความว่าถ้าผิดจากนี้จะใช้ไม่ได้  โดยรวมๆ ดูแล้วก็ไม่ได้ง่ายเท่าไรนะ ทำให้สงสัยว่าแล้วทำไมเราถึงเลือกใช้มันอยู่ในบาง (หรือหลาย) กรณี 

ข้อดี

• ไม่มีจุดผ่ากลางของ driven element ทำให้แข็งแรง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสายอากาศย่านความถี่ HF ที่ driven element ต้องมีขนาดยาวและมักจะหนักด้วย จะช่วยได้มาก)
• หาจุดป้อนที่อิมพิแดนซ์สูงขึ้นจนเหมาะสมกับความต้านทานจำเพาะของสายป้อนได้ เพื่อแก้ปัญหาอิมพิแดนซ์ที่ลดลงเมื่อมีแท่งโลหะอื่นๆ ที่เป็น reflector, director อยู่ใกล้ๆ driven element ในสายอากาศแบบ Yagi-Uda
• เมื่อติดตั้งจะกลายเป็นสายอากาศแบบ unbalanced ทำให้ป้อนด้วยสายนำสัญญาณแบบ coaxial ได้โดยตรง (ไม่ต้องมี balun)

ข้อเสีย

• การคำนวณการแมทช์ค่อนข้างยาก ไม่ตรงไปตรงมาสั่งเท่าไรเมื่อเทียบกับเทคนิคการแมทช์แบบอื่น
• ชิ้นส่วนมากขึ้น
• ถ้าป้องกันน้ำไม่ดี น้ำเข้าส่วนที่เป็น Capacitor ในแบบที่ใช้ท่ออลูมิเนียมสร้างขึ้นมา การทำงานก็ผิดเพี้ยนไป
• มิติต่างๆ มักได้จากการทดลองมากกว่าการคำนวณ (การคำนวณทำได้ แต่ตัวแปรมีจำนวนมาก และมีค่าไม่แน่นอนในการสร้าง) 

เป็นอย่างไรครับ หลังจากอ่านเรื่องนี้แล้วน่าจะพอทำให้เพื่อนๆ เข้าใจหลักการของการแมทช์แบบ Gamma ได้ดีขึ้นนะครับ  แล้วพบกันใหม่ในสาระความรู้เรื่องต่อๆ ไปนะครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ / Jason) 

กิจกรรมและประชุมประจำเดือน สิงหาคม 2566

 

เมื่อวันที่ 19 สิงหาคม 2566 ที่ผ่านมา คลับสเตชั่น ชมรม The DXER (Thailand) (สัญญาณเรียกขาน E20AE) ก็มีกิจกรรมประจำเดือนเช่นเคย  งานนี้ได้ทั้งเพื่อนๆ และแตงโมอร่อยๆ ที่พี่อู้ม (HS3FSK) เตรียมไว้ต้อนรับเพื่อนๆ ด้วย ขอบคุณด้วยนะครับ 

เริ่มงานแต่เช้าก็มาออกอากาศย่าน HF กันกลาง
สนามหน้าบ้านพี่ตู่ (HS1ZHY) กันเลย ใช้สาย
อากาศแบบเส้นลวดเส้นเดียว ปลายยอดสูงสัก
7-8 เมตร ใช้เครื่องน้อยๆ กำลังส่ง 5 วัตต์ ก็เพียงพอ
กับการติดต่อข้ามหลาย จว. แล้ว   HF ก็งี้แหละ
ขี้โกงนิดๆ เพราะมีชั้นบรรยากาศของโลกคอยช่วยอยู่

ต้องลองเคาะกันหน่อย แต่จริงๆ แล้วเราลืมไปเลย
ว่าเก้าอี้อยู่ไหน การยืนเคาะไม่ค่อยถูกสุขอนามัย
(เพิ่งจะนึกออกก็ตอนเขียนบรรยายนี่แหละ ช้าไปนิด
เดียวเนอะ ฮ่าๆๆ)

บรรยากาศใต้ร่มไม้ ประมาณว่าในบ้านที่ไม่พอ
หรือส่งเสียงดังเกินไปมั้ง เลยต้องหนีออกจากบ้าน

คันเคาะมอร์สเล็กที่สุดที่เคยสัมผัสแล้วใช้งานได้จริง
ก็คงเป็นอันนี้แหละ แต่เวลาเคาะต้องเอามือจับไว้
ไม่งั้นมันวิ่งหนีไปซะเฉยๆ งั้นแหละ เล็กจริงๆ

ทำสายอากาศเล่นดีกว่า แต่ก่อนอื่นต้องทำความ
เข้าใจสักนิดว่า 64:1 หรือ 9:1 หรืออะไรต่ออะไร

ต่อลูกหนึ่ง หรือ ต่อครึ่งลูก (เอ๊ย ไม่ใช่ๆ) นั้น มาจากไหน
มาทำเล่นที่ชมรมก็ต้องอธิบายที่มากันหน่อยครับ

นี่ๆ พันแบบนี้ เห็นไหมๆๆๆ ว่าเจ็บมือนิดหนึ่ง
อันนี้ 64:1

นี่อีกวงหนึ่ง พันเป็นหม้อแปลง autotransformer
Un-un แบบ 9:1 เอาไปซ่อมสายอากาศ Deltaloop
ที่คลับฯ ที่พระพายพาลงมาครึ่งหนึ่ง

64:1 ทำเสร็จแล้วเอามาลองกันหน่อย

ไหน ใช้ได้ไหม อืม พอไหวๆ

ถ่ายภาพเป็นที่ระทึก ว่าทำสายอากาศแล้วใช้ได้
เดี๋ยวเอากลับบ้านแล้วใช้ไม่ได้ จะได้ตามมาช่วยถูกคน

ทำกิจกรรมกันไป ก็ประชุมชมรมไปด้วยถึงแผนการ
ทั้งแผนเที่ยว แผนออกอากาศนอกสถานที่ และ
แผนการเดินทางไปให้ความรู้ พูดคุย เม้าท์แตกกับ
เพื่อนสมาชิก ชมรม สมาคม ในจังหวัดต่างๆ

ก็จบกันไปอีกหนึ่งกิจกรรมและประชุมประจำเดือนของ The DXER Clubstation นะครับ ถ้าเพื่อนๆ นักวิทยุสมัครเล่นหรือประชาชนทั่วไป ที่สนใจในกิจการวิทยุสมัครเล่น และอยากเข้าร่วมกิจกรรมกับเรา ซึ่งมีทั้งการ ซ่อม สร้าง ดัดแปลง อุปกรณ์สื่อสารต่างๆ และแลกเปลี่ยน รวมทั้งเรียนรู้ สอบถาม ความรู้ทางเทคนิค ก็สามารถติดต่อชมรมได้ โดยคลิกที่ <ติดต่อชมรม> 

สำหรับคราวนี้ ขอ 73 ก่อน แล้วพบกันใหม่ในเดือนต่อนะครับ

ทำความรู้จักกับ Guanella Balun กันหน่อย

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

Balun (บาลัน) เป็นอุปกรณ์ที่เราใช้ในการต่อเชื่อมระหว่างระบบแบบ Unbalanced เข้ากับระบบแบบ Balanced เช่น สายนำสัญญาณแบบ Coaxial ซึ่งเป็นแบบ Unbalanced เข้ากับสายอากาศแบบไดโพลที่เป็นแบบ Balanced เป็นต้น    บาลันมีหลายรูปแบบของวงจร และ Guanella ก็เป็นหนึ่งชนิดที่เราได้ยินชื่อกันบ่อย   ที่จริงแล้ว Guanella เป็นชื่อคนที่ออกแบบ Balun ชนิดนี้นั่นเอง และมีความน่าสนใจ เป็นพื้นฐานของTransmission Line Transformer ด้วยที่เราน่าจะศึกษากัน (ก่อนเอาไปใช้งานได้จริงๆ แหละ) โดยมีแบบสำคัญๆ สองอย่างคือ 1:1 และ 4:1 (ตัวเลขนี้ เป็นสัดส่วนการแปลงอิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้นไปพร้อมๆ กับการพยายามลดกระแส common mode ส่วนเกินจากการไม่สมดุลด้วย)

ภาพที่ 1 Guanella Balun แบบ 1:1
คือไม่มีการแปลงอิมพิแดนซ์เมื่อทำงาน
ต่อเชื่อมระบบ

ภาพที่ 2 Guanella Balun แบบ 4:1 
จะแปลงอิมพิแดนซ์ขึ้น/ลง 4 เท่าตัว
ไปพร้อมๆ กับการต่อเชื่อมระบบ

ถ้าเราดูเผินๆ แล้วก็จะเหมือนกับว่า Balun แบบนี้เป็นหม้อแปลงตัวหนึ่งที่พันลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ แต่จริงๆ แล้วไม่ใช่เลย  โดยหลักการแล้วมันคือ Current Balun ทีรอาศัยแกนเฟอร์ไร้ท์ในบางกรณีเท่านั้น และ มันสามารถแปลงอิมพิแดนซ์ได้ (กรณีแบบ 4:1) โดยไม่ต้องอาศัยแกนเฟอร์ไร้ท์เลยด้วยซ้ำไป 

ในฐานะนักวิทยุสมัครเล่นที่ไม่ได้ "ทำตามแบบ" เพียงอย่างเดียวก็ต้องมาเรียนรู้กันหน่อยล่ะครับว่าสิ่งที่เห็นนั้นคืออะไร  และทำงานอย่างไร ด้วย 

คุณสมบัติของ Guanella Balun

1. Guanella Balun เป็น current balun (voltage balun ใดๆ ไม่จัดเป็น Guanella Balun)

2) Guanella Balun ไม่ได้ทำงานในโหมดฟลักซ์แม่เหล็ก  นั่นคือ ปกติแล้ว  ถ้าไม่มี common mode current แล้ว จะไม่มีฟลักซ์แม่เหล็กในแกน (ส่วนมากเป็นแกนเฟอร์ไร้ท์) เลย ( φ = 0 )   ดังนั้น มันจึงทนกำลังได้สูงมาก 

3) ลวดที่พันๆๆ บนแกนเฟอร์ไร้ท์  ของ Guanella Balun จริงๆ แล้วทำตัวป็น "สายนำสัญญาณ" (Transmission Line)  ไม่ใช่ขดลวด  ซึ่งจุดแหละที่นักวิทยุสมัครเล่นเข้าใจผิด นึกว่าเป็นขดลวด แบบที่เราพันหม้อแปลงทั่วๆ ไป

ภาพที่ 3. เส้นลวดที่พันบนแกนของ 1:1 Guanella Balun

นั้นที่จริงทำตัวเป็นสายนำสัญญาณ (มีความ
ต้านทานจำเพาะของมันเองด้วย)

4) ในเมื่อเส้นลวดอาบน้ำยาที่พันอยู่นั้น  เป็นสายนำสัญญาณ  จึงมีความต้านทานจำเพาะ (Z₀) ของมันด้วย  (ถ้าเราทำ Guanella Balun 1:1 ให้กับระบบ 50Ω   เราจะพยายามเลือกขนาดเส้นลวด และ space ระหว่างกัน ให้ได้ characteristic impedace เป็น 50Ω 

5) แต่ การพยายามเลือกขนาดลวด  และ พันให้ได้ความห่างกันของมันจนได้ความต้านทานจำเพาะ (Z₀)  เป็นที่ต้องการจริงๆ นั้น ไม่ง่าย  จึงออกมาไม่ตรงบ้าง   ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วความไม่ตรงกันนี้จะแปลงอิมพิแดนซ์ไปด้วย  และผลที่มากที่สุดที่เกิดขึ้นคือเมื่อความยาวของสายนำสัญญาณเป็น ¼λ

ดังนั้น เราจะพยายามใช้ความยาวของลวดที่พัน (ซึ่ง ประกอบร่างเป็นสายนำสัญญาณ) L

L  << ¼λ

คือให้สั้นๆ ไว้ อย่าไปพันเอ้อระเหยมากรอบตามใจเกินไป  แต่โชคดีที่ในความถี่ย่าน HF ไม่เป็นไรนัก  เพราะ λ มันยาว    ¼λ มันเลยยังยาวไม่น้อย   ยังไงซะลวดของเราคงไม่ยาวใกล้ ¼λ นัก 

แล้ว มันทำงานอย่างไร 

มาดูแบบ Guanella Balun 1:1 ก่อน 

ภาพที่ 4 พื้นฐานของ Guanella Balun แบบ 1:1
คือสายนำสัญญาณที่ขดเพื่อให้เกิด Inductance
สำหรับกระแส Common Mode

Guanella Balun 1:1 ก็คือ สายนำสัญญาณที่มีความต้านทานจำเพาะค่าหนึ่ง (เช่น 50 Ω) เอามาพันบนแกนเฟอร์ไร้ท์เท่านั้นเอง เจ๋งไหมล่ะ 

การทำงานของมันก็คือ กรณีที่ ไม่มีกระแส Common Mode คือ มีแต่กระแส Differential Mode   ซึ่งเกิดเมื่อขนาดกระแสที่แทนด้วยลูกศรสีชมพูกับม่วงเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกัน (ดูภาพที่ 5) ในเมื่อขนาดเท่ากันก็จะหักล้างกันหมดพอดี   ไม่เหลือ Common Mode Current ให้เป็นปัญหา

ภาพที่ 5 กรณีที่การสมดุลดีอยู่แล้ว จะไม่มี
กระแส common mode ทำให้ความเหนียวนำหรือ
Inductance เป็น 0 ไม่มีการลดทอนสัญญาณใดๆ

เมื่อไม่มีกระแส Common mode Inductance รวม (ของ common mode current) ที่เกิดขึ้นจะไม่มี คือเป็น 0    รีแอคแตนซ์ของ common mode current  ก็ไม่มี คือ เป็น 0  นั่นคือ บังเอิญว่าฟาก unbalance น่ะ กระแสมัน balance กันอยู่แล้ว 

คราวนี้ มาดู ตอนมีปัญหาบ้าง กรณีนี้ จะมีกระแส common mode  ลูกศรสีเทาเกิดขึ้นด้วย จากการ unbalance   ส่วนของกระแส common mode นี่เองที่ทำให้เกิด inductance (ของตัวมัน) ขึ้น    และ inductance นี้ทำให้เกิด reactance ต้านทานการไหลของกระแส common mode นั้น  (โดยไม่มีผลกับส่วนของ differential mode คือลูกศรสี ชมพู และ ม่วง) 

ภาพที่ 6 เมื่อเกิดการไม่สมดุล จะมีกระแส
common mode ความถี่ RF ไหลร่วมอยู่ด้วย
(กระแสส่วนลูกศรสีเทา) ทำให้เกิดความเหนียวนำ
ของส่วนของกระแสนั้น

เราอาจจะพูดว่า "Guanella Balun แบบ 1:1 เป็น Current Balun ที่คือ Common mode choke นั่นเอง"  ก็ได้ และเราเรียกว่ามันเป็น Current Balun เพราะ มันพยายามทำให้ กระแสบนตัวนำทั้งสอง (เส้นสีแดงและสีน้ำเงินในรูป) มีขนาดเท่ากัน  (โดยลด ส่วนของกระแส common mode ลูกศรสีเทา ลง) 

Guanella Balun 4:1 

คราวนี้มาดู 4:1 Guanella Balun กันบ้าง   ซึ่งต้องปูพื้นฐานกันก่อน   เรามาดูหม้อแปลงธรรมดาก่อน  (แต่อย่าลืมว่า Guanella Balun ไม่ใช่หม้อแปลงนะ) 

สมมติ เรามีหม้อแปลงตัวหนึ่ง อัตราการพันขดลวด 1:2  คือ โวลเตจเข้า/ออก ออก/เข้า (แล้วแต่เอาทางไหนเข้า ทางไหนออกแหละ) เป็นสองเท่าของกันและกัน  โดยหลักการ สงวนพลังงาน   กำลังที่เข้ากับออกต้องเท่ากัน   นั่นคือ ผลคูณของ (โวลเตจ x กระแส) ที่ขดเข้า ต้อง เท่ากับขดออก  สังเกตไหมครับ หม้อแปลงมันไม่ค่อยร้อนหรอก  แค่อุ่นๆ แสดงว่าพลังงานมันไม่ได้หายไปในตัวมันสักเท่าไหร่  (มีบ้างแหละแต่น้อย)  นั่นแปลว่ากำลังงานขาเข้ากับกำลังงานขาออกมันต้อง พอๆ กันไง   

ภาพที่ 7 การแปลงอิมพิแดนซ์ของหม้อแปลง

โดยหลักการสงวนพลังงานนี้ ผลสุดท้ายก็คือทำให้หม้อแปลงสามารถแปลง impedance ได้ด้วย  ในภาพที่ 7 จาก Z_x เหลือ Z_x/4   ถ้า อัตราส่วนรอบการพันขดลวดเป็น 1:8 มันก็จะลดอิมพิแดนซ์ลงมา 8² หรือ 64 เท่า นั่นเอง   แล้วทำไมต้องอธิบายเรื่องนี้  ก็เพราะมันคือรูปเดียวกันกับรูปที่ 8 ด้านล่างนี้ 

ภาพที่ 8 การแปลงอิมพิแดนซ์เกิดขึ้นเมื่อ
โวลเตจและกระแสที่ขาเข้า/ออกถูกจัด
ให้มีค่าตามที่เราต้องการ

เมื่อไรก็ตามที่ด้านขาออกเห็นโวลเตจเป็นสองเท่า แต่ กระแสเป็นครึ่งหนึ่งของขาเข้าแบบในภาพที่ 8   ด้านอินพุทจะเห็นอิมพิแดนซ์ลดลง 4 เท่า แบบในภาพที่ 7

คราวนี้ล่ะสนุก ถ้าเราเอาสายนำสัญญาณ สองเส้น มาต่อกันแบบในรูป 

ภาพที่ 9 เราป้อนโหลด Z ด้วยสายนำสัญญาณ
สองเส้น ด้านหนึ่งขนานกัน อีกด้านหนึ่งอนุกรมกัน
ทำให้ได้ลักษณะการจัดโวลเตจและกระแสเหมือน
ในภาพที่ 8 ด้วย

ด้านหนึ่งจับขนาน
อีกด้านจับอนุกรม
กระแสด้านขนาน (2i) จะเป็นสองเท่าของด้านอนุกรม (i)
โวลเตจด้านขนาน (v) จะเป็นครึ่งหนึ่งของด้านอนุกรม (2v)

มันก็จะแปลงอิมพิแดนซ์ 4 เท่า เหมือนกับกรณีหม้อแปลง    โดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงสักนิดเดียว (มีข้อแม้  คือ สายนำสัญญาณนั้นต้องสั้นมากๆ เมื่อเทียบกับ λ/4 นะ)  

แล้ว...   ถ้าเราไม่ ม้วน พัน ให้เกิด inductance effect จากส่วนของ common mode current ที่อาจจะเกิดขึ้นจากการไม่สมดุล มันก็จะลด Common mode current ลงไม่ได้ เราก็เลยจับมันพันลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ ขดใคร ขดมัน เป็นรูปนี้

ภาพที่ 10 เรานำสายนำสัญญาณจำนวนสองเส้น
มาพันบนแกนเฟอร์ไร้ท์แยกกัน เส้นละขด

ภาพที่ 11 เมื่อเราพันสายนำสัญญาณตามภาพ
ที่ 10 จริงๆ ลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์ จะออกมาแบบนี้

จะเห็นว่าถ้าไม่มี common mode current แล้ว   แกนเฟอร์ไร้ท์ "ไม่"ได้ทำหน้าที่อะไรเลย   อยู่เฉยๆ หล่อๆ แบบนั้นแหละ  Guanella Balun จึง ไม่ได้อาศัย Transformer Effect ใดๆ นั่นเอง  

หมายเหตุ 

1) มีการพันขดลวดอีกแบบที่ไม่ใช่ Guanella Balun จริงๆ ตามภาพที่ 12  

ภาพที่ 12 การพันแบบนี้ดูคล้ายจะเป็น
Guanella Balun แต่ไม่ใช่

เพราะเป็นการพันขดลวดสองขด (สายนำสัญญาณ 2 เส้น/คู่) ลงบนแกนเดียวกัน ย่อมเกิด transformer effect ขึ้น แต่การแปลงอิมพิแดนซ์ของ Guanella Balun จริงๆ นั้นเป็น Transmission Line Effect ต่างหาก

2) บาลันหลายชนิดใช้การพันขดลวดทำหน้าที่เป็นหม้อแปลง เพื่อสร้างโวลเตจที่สมดุล (บาลานซ์ - Balanced)  บาลันเหล่านั้นเรียกว่า โวลเตจบาลันและไม่ใช่ Guanella Balun ดูภาพที่ 13

ภาพที่ 13 1:1 Ruthroff voltage balun อาศัยการ
ทำงานของฟลักซ์แม่เหล็กในแกนที่ขดลวดพันอยู่
เพื่อทำให้เกิดโวลเตจที่สมดุลด้าน Balanced ไม่ใช่
Guanella Balun

การเลือกแกนเฟอร์ไร้ท์ 

เมื่อเกิดความไม่สมดุลของระบบขึ้น และ Guanella Balun ต้องทำหน้าที่สร้าง Reactance สำหรับกระแส common mode ที่เกิดขึ้นลง โดยที่กระแส common mode เองก็เป็นความถี่สูง ดังนั้นแกนเฟอร์ไร้ท์จะต้องมีคุณสมบัติที่ดีที่ความถี่สูงนั้นด้วย คือ มีค่า permeability ( µ = µ' + jµ" ) ที่ดี คือมีส่วนจริง ( µ' ) สูงกว่าส่วนจินตภาพ ( µ" ) มากๆ  ไม่เช่นนั้นจะเกิดการสูญเสียพลังงานมาก (จาก µ" นั่นเอง) 

การต่อยอดไปใช้งาน

จะเห็นว่า Guanella Balun แบบ 4:1เป็นการสร้างขึ้นจากหลักการของ 1:1  ซึ่งจริงๆ แล้วเราสามารถนำหลักการแบบนี้ไปทำเป็นแบบ 9:1 หรืออื่นๆ คือ เอาสายนำสัญญาณมาขนานเพิ่ม อนุกรมเพิ่ม หรือผสมกันก็ยังได้ ก็จะได้สัดส่วนการแปลงอิมพแดนซ์ต่างๆ ออกมา แต่ไม่เป็นที่นิยมนัก

เป็นไงบ้างครับ หวังว่าบทความเรื่องนี้จะทำให้เพื่อนๆ ได้ความรู้เพิ่มขึ้น และเข้าใจการทำงานของ Balun แบบนี้ (Current Guanella Balun) ได้ดีขึ้นนะครับ แล้วพบกันใหม่ในเรื่องต่อๆ ไปนะครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)