นิพนธ์เชิงวิชาการ: กรอบความคิดเพื่อการอ่านพฤติกรรมกระแส RF บนสายอากาศ

A Step-by-Step Mental Framework for Visualizing Current Distribution on Arbitrary-Length Wire 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)

---

บทสรุปการสร้างองค์ความรู้ (Knowledge Creation Summary)  

ในปัจจุบัน องค์ความรู้ด้านการวิเคราะห์สายอากาศมักถูกแบ่งออกเป็น 2 ขั้วสุดโต่ง ฝั่งแรกคือ ตำราวิชาการเชิงทฤษฎี (Academics) ที่อัดแน่นด้วยสมการทางคณิตศาสตร์และ Maxwell's equations ที่เข้มงวด แต่นำไปประยุกต์ใช้หน้างานจริงด้วย "กระดาษกับดินสอ" ได้ยาก ฝั่งที่สองคือ กลุ่มผู้ใช้งานซอฟต์แวร์จำลอง (Software Users) ที่พึ่งพาโปรแกรมคำนวณอย่าง EZNEC หรือ MMANA โดยปล่อยให้กระบวนการทางฟิสิกส์กลายเป็นกล่องดำ (Black Box) โดยละเลยความเข้าใจเรื่องกระแสและการหักล้างของเฟสระหว่างทาง

บทความนี้นำเสนอ "กรอบโครงสร้างความคิดสำหรับการมองภาพกระแส RF บนสายอากาศความยาวอิสระ" (Jitrayut's Step-by-Step Mental Framework) ซึ่งทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมช่องว่าง (The Missing Gap) ระหว่างคณิตศาสตร์ขั้นสูงกับโปรแกรมสำเร็จรูป ผ่านระบบระเบียบวิธีคิดแบบเป็นขั้นตอนที่ช่วยให้วิศวกรและนักทดลองสามารถจำลองและทำนายพฤติกรรมกระแส เฟส และอิมพีแดนซ์ในหัวได้อย่างแม่นยำ ก่อนพึ่งพาซอฟต์แวร์ เพื่อยกระดับสัญชาตญาณทางวิศวกรรมสู่การออกแบบสายอากาศอย่างแท้จริง

In the realm of antenna analysis, existing literature typically falls into two extremes: the highly rigorous Academic approach, laden with complex Maxwell’s equations that are difficult to apply intuitively in the field, and the Software Simulation approach, where engineers rely blindly on tools like EZNEC or MMANA, treating physical wave interactions as a black box.

This paper introduces Jitrayut’s Step-by-Step Mental Framework, designed to bridge this critical gap. By establishing a systematic cognitive model based on first principles, this framework empowers radio engineers and researchers to visualize RF current distribution, phase relationships, and boundary conditions on arbitrary-length wire antennas (xλxλ) using a "paper-and-pencil" approach—fostering deep physical intuition well before simulation.

บทนำ  

การออกแบบสายอากาศมีหลายแนวทาง หนึ่งในนั้นอาจจะใช้โปรแกรมจำลองหรือวิเคราะห์การทำงานช่วยบอกเราว่าผลการทำงานน่าจะเป็นเช่นไรก่อนการสร้างและทดสอบจริง  แต่โปรแกรมเหล่านั้นไม่สามารถสังเคราะห์ลักษณะของสายอากาศให้กับผู้ออกแบบได้   นั่นคือผู้ออกแบบยังคงต้องออกแบบเองอยู่  ดังนั้นถ้าผู้ออกแบบมีแบบจำลองทางความคิด (mental model) ที่มองเห็นสิ่งที่ควรจะเกิดขึ้นก่อนการป้อนข้อมูลรูปร่างหน้าตาของสายอากาศเข้าไปในโปรแกรม น่าจะเป็นข้อได้เปรียบมากในการออกแบบสายอากาศ  อย่างไรก็ตาม องค์ความรู้ในเรื่องนี้ไม่มีวัตถุประสงค์ในการแทนที่โปรแกรมหรือซอฟท์แวร์จำลองสายอากาศแต่อย่างใด เพียงแต่ให้แนวคิดเชิงสัญชาตญาณเพื่อนำไปทำงานร่วมกันกับโปรแกรมหรือซอฟท์แวร์จำลองสายอากาศเหล่านั้นให้ได้ประสิทธิผลสูงสุดต่อไป 

สายอากาศทำงานได้อย่างไร  

ในทางวิศวกรรมความถี่วิทยุ (RF Engineering) การทำความเข้าใจว่าสายอากาศแผ่คลื่นออกไปได้อย่างไร มักเริ่มต้นจากการมองพฤติกรรมของกระแสไฟฟ้าสลับที่วิ่งอยู่บนตัวนำโลหะ

คลื่นนิ่งของกระแสไฟฟ้า RF (I_RF Standing Waves): เมื่อพลังงานความถี่วิทยุถูกส่งผ่านตัวนำ ปลายเปิดของโลหะจะทำหน้าที่เป็นจุดสะท้อนคลื่น เกิดการซ้อนทับกันระหว่างคลื่นตกกระทบและคลื่นสะท้อนจนกลายเป็น "คลื่นนิ่ง" (Standing Wave) ซึ่งทำให้เกิดการกระจายตัวของกระแสและแรงดันที่ไม่สม่ำเสมอตลอดความยาวของตัวนำ

Near Field และ Far Field: พลังงานรอบตัวนำจะแบ่งออกเป็นสนามใกล้ (Near Field - ส่วนใหญ่เป็นพลังงานรีแอคทีฟของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่เกาะอยู่รอบตัวนำ) และสนามไกล (Far Field - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลุดออกไปสู่อวกาศเป็นคลื่นระนาบ) ซึ่งการจะเกิด Far Field ที่มีประสิทธิภาพได้นั้น จะต้องอาศัยการไหลของกระแสไฟฟ้า RF บนตัวนำในปริมาณที่ถูกต้องและมีทิศทางของกระแส (หรือ เฟสของกระแส ซึ่งในงานนี้บางครั้งจะใช้แทนกันได้บ้าง แต่คำว่า เฟส จะให้ความหมายที่ละเอียดกว่าในบางกรณี) เสริมกัน

การกระจายตัวของกระแสไฟฟ้า RF ในสายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่น (Half-wave Dipole)  

เพื่อสร้างความเข้าใจพื้นฐานสายอากาศมาตรฐานอย่าง Half-wave (½λ) Dipole 

โครงสร้างนี้ประกอบด้วยก้านโลหะยาวด้านละ ¼λ รวมเป็นความยาวทางไฟฟ้าครึ่งคลื่นพอดี

ตามเงื่อนไขขอบเขตทางฟิสิกส์ ที่ปลายเปิดทั้งสองข้างของก้านโลหะจะมีค่ากระแสเป็นศูนย์ (I = 0) และมีแรงดันสูงสุด (High-Z) 

เมื่อไล่ความยาวเข้ามาสู่จุดป้อนตรงกลาง คลื่นกระแสจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจนไปถึงจุดสูงสุด (Current Maximum / Low-Z) ที่บริเวณจุดป้อนพอดี ทำให้ระบบสามารถดึงพลังงานจากสายส่งมาแผ่กระจายได้อย่างสมบูรณ์

รูปที่ 1 สายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่น จะ
เห็นการกระจายขนาดและเฟสของกระแส
ไฟฟ้าความถี่สูง (RF current, I_RF) บนลวดตัวนำ

รูปที่ 1 แสดงขนาดและเฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ตำแหน่งต่างๆ บนลวดตัวนำของสายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่นมาตรฐานที่เราคุ้นเคยในรูป (a) และถูกป้อนตรงกลาง (ตำแหน่ง C) ซึ่งเมื่อใช้โปรแกรม EZNEC ช่วยวิเคราะห์จะเห็นในรูป (c) ว่ากระแสที่บริเวณ A และ B บนสายอากาศมีเฟสเดียวกัน อยู่ใกล้เคียงกันในแผนผังเฟส (Phase Diagram) ในรูป (d) โดยที่จุดป้อน C มีเฟสอ้างอิงเป็น 0ᴼ  เสมอ และเฟสของกระแสไฟฟ้าที่จุดต่างๆ จะเทียบกับจุดป้อนนี้ 

แผนผังเฟส (Phase Diagram) ในรูป (d) ที่ผู้เขียนพัฒนาขึ้นเพื่อให้เห็นภาพทิศทางของกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (I_RF) มีความสำคัญมากเพราะช่วยให้เราเห็นว่ากระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ตำแหน่งต่างๆ บนตัวนำของสายอากาศเป็นทิศทาง เดียวกัน ต่างกัน หรือกลับกันอย่างไรในระดับมุมเฟส   ในรูปที่ 1 จะเห็นว่าเฟสที่ A และ B เกือบเท่ากันโดยสมบูรณ์ ทำให้คลื่นที่แพร่กระจายจากสองส่วนนี้มีเฟสเสริมกัน และได้รูปแบบการแพร่กระจายคลื่น (Radiation Pattern) ในรูปที่ 1(b) หรือโดนัทที่ไม่มีรูตรงกลางที่คุ้นเคย 

ก้านสายอากาศที่ความยาวอื่นและ/หรือป้อนจุดอื่น  

ในโลกความเป็นจริง เราไม่ได้จำกัดอยู่แค่ไดโพลครึ่งคลื่นที่สมมาตรเสมอไป ไม่ว่าจะโดยตั้งใจหรือไม่ สายอากาศอาจจะมีความยาว ไม่ใช่ครึ่งความยาวคลื่น (≠ ½λ ) และจุดป้อนไม่อยู่ตรงกลางก็ได้  เมื่อความยาวของก้านโลหะและตำแหน่งจุดป้อนเปลี่ยนไป ปัญหาที่ตามมาคือ:

การกลับเฟสของกระแส: หากก้านโลหะด้านใดยาวเกิน ½λ หรือครึ่งความยาวคลื่น กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (RF current) จะวิ่งครบครึ่งลูป ทำให้ส่วนเกินเกิดการกลับทิศทางหรือ "กลับเฟส" ของกระแสบนก้านโลหะช่วงนั้น

ความต่อเนื่องของขนาดกระแสที่จุดป้อน: ไม่ว่าโครงสร้างจะอสมมาตร (ก้านซ้าย-ขวา มีความยาวต่างกัน) เพียงใด แต่ตามกฎการอนุรักษ์กระแส (Current Continuity) ขนาดกระแสที่วิ่งมาบรรจบกันทั้งสองด้านของจุดป้อนจะต้องมีความต่อเนื่องกัน

ความต่อเนื่องของเฟส: เฟสของกระแสที่จุดป้อนทั้งสองด้านต้องสอดคล้องกัน เพื่อไม่ให้เกิดการหักล้างกันเองจนพลังงานหายไป 

รูปที่ 2 ตัวอย่างสายอากาศไดโพลที่ยาว ½λ 

และ 1λ  ซึ่งถูกป้อนที่ตำแหน่งกลางและเยื้อง
จากตำแหน่งกลาง อาจจะให้แพทเทิร์นต่างกัน

รูปที่ 2 เป็นตัวอย่างของสายอากาศไดโพลขนาดต่างกันและป้อนต่างกัน จะเห็นว่าในรูป 2(a) และ 2(b) สายอากาศไดโพลยาว ½λ  ไม่ว่าจะถูกป้อนที่ตำแหน่งตรงกลาง (center-fed) หรือเยื้องจากตำแหน่งกลางออกไป (off-center-fed) คลื่นทั้งสองด้านของก้านโลหะจะเป็นเฟสเดียวกันเสมอและได้รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นรวมเป็นโดนัทไม่มีรูตรงกลางแบบมาตรฐาน  

ในขณะที่สายอากาศไดโพลในรูป 2(c) และ 2(d) ยาว 1λ  และจะเห็นว่าถ้าถูกป้อนตรงกลาง (รูป c) เฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (I_RF) ที่ก้านโลหะด้านบนและล่างจะเป็นเฟสเดียวกัน (In-phase) ทำให้คลื่นจากทั้งสองด้านเสริมกันทำให้เกนสูงขึ้น    แต่เมื่อถูกป้อนเยื้องไปจากกึ่งกลางเช่นในรูป (d) เฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (I_RF) ที่ก้านโลหะด้านบนและล่างจตรงกันข้ามกัน (In-phase) คลื่นจากทั้งสองด้านจะหักล้างกันในทิศตั้งฉากกันแกนสายอากาศ และเสริมกันในมุมอื่น รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นจะคล้ายดอกไม้ตามด้านล่างของรูป 2(d)  

และผุ้ออกแบบควรต้องรู้เกี่ยวกับความแตกต่างที่มีนัยสำคัญมากนี้ก่อนจะสร้างหรือแม้แต่ป้อนข้อมูลทางกายภาพของสายอากาศเข้ายังโปรแกรมจำลองสายอากาศต่างๆ   คำถามคือ เราจะมีวิธีการอย่างไรให้สามารถสร้างกรอบความคิดเหล่านี้ในใจได้   

ข้อสังเกต ภาพแสดงขนาดกระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ได้จาก EZNEC ไม่แสดงเฟสว่ากลับกันหรือไม่ โดยจะเขียนด้านเดียวกันตลอด  ไม่แสดงเฟสที่กลับกันในภาพ โดยต้องดูเฟสในตาราง "Currents" (ดูรูป 1c) และแปลความหมายออกเป็นแผนผังเฟส (Phase Diagram) (ดูรูป 1d)  จึงจะเห็นว่าเฟสต่างกันหรือไม่อย่างไร และ/หรือ สังเกตจากรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นรวมว่ามีกลีบ (lobe) ผิดปกติหรือไม่ 

---

กฎเชิงโครงสร้างสำหรับการคาดการณ์การกระจายกระแสและเฟสบนโลหะสายอากาศ  
โดย Jitrayut Chunnabhata   

เพื่อให้เราสามารถมองเห็นภาพการเสริมหรือหักล้างกันของคลื่นที่เกิดจากเฟสที่สอดคล้องกันหรือเหลื่อมกันได้โดยไม่ต้องพึ่งพาซอฟต์แวร์จำลองตั้งแต่เริ่มต้น เราสามารถใช้หลักการพิจารณา 7 ข้อดังนี้:

1. ปลาย Whip ต้องมีกระแสเป็นศูนย์ (I = 0): ยึดเป็นจุดเริ่มต้นของขอบเขตเสมอเพราะเป็นปลายเปิด
2. การไล่กระแสความถี่สูง (I_RF) จากปลายก้านโลหะเข้าหา Source: 
• โดยการเขียนกระแสที่ด้านซ้ายกับขวาของก้านโลหะ แสดงถึงทิศทางของกระแสคนละทิศกัน
• สมมติทิศทางกระแสเริ่มต้นขึ้น 1 ทิศ 
• ขนาดกระแสจะเพิ่มขึ้นตามระยะทางที่ห่างจากปลาย โดยจะสูงสุดที่ระยะประมาณ ¼λ   
•  หลังจากระยะ ¼λ ขนาดกระแสจะลดลงจนต่ำสุดที่ระยะ ¼λ ถัดไป (ครบ ½λ จะเกิดการกลับทิศทางตามลักษณะของ Sine Function)
3. ทำซ้ำทั้งสองด้าน: 
• ทำขั้นตอนที่ 2 กับก้านโลหะทั้งสองฝั่ง เข้ามาหาจุดป้อน
4. ความต่อเนื่องที่จุดป้อน (Source): ก้านโลหะทั้งสองฝั่งที่ติดกับจุดป้อนต้องมีทิศทางกระแสเดียวกันและมีขนาดที่ต่อเนื่องกัน  ให้พิจารณาลักษณะของกระแสแต่ละด้านของจุดป้อนว่าเป็นกรณีใดดังต่อไปนี้ 
• 4.1) ถ้าขนาดกระแสของทั้งสองด้านของจุดป้อนไม่เป็นศูนย์ 
• การแก้ไขทิศทางของกระแส: หากทิศทางกระแสที่วิ่งมาพบกันที่จุดป้อนมีทิศตรงกันข้ามกัน (ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในทางกายภาพ) ให้ทำการกลับทิศทางกระแสทั้งหมดบนก้านใดก้านหนึ่ง (แสดงว่าการสมมติทิศทางในตอนแรกสวนทางกับความเป็นจริง) เพื่อให้กระแสสองด้านมีเฟสเดียวกัน ณ จุดป้อน 
• การปรับขนาดกระแส: ขนาดกระแสของทั้งสองด้านจะต้องถูกปรับเฉลี่ยให้มีความต่อเนื่องกัน
• 4.2) ถ้าขนาดกระแสของทั้งสองด้านของจุดป้อนเป็นศูนย์ 
• การกำหนดทิศทางของกระแส: 
• กรณีนี้เราจะคาดเดาเฟสของกระแสทั้งสองด้านเทียบกันเองโดยทันทีไม่ได้ 
• ดูความยาวของโลหะจากจุดป้อนไปยังปลายสายอากาศและย้อนกลับมาจนถึงจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ที่ใกล้กับจุดป้อน  ดูเช่นนี้ทั้งสองด้าน  ว่าแต่ละด้านมีความยาวแตกต่างกันเท่าไร 
• ถ้าความยาวเท่ากัน แสดงว่าจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ทั้งสองด้าน in-phase
• ถ้าระยะที่ต่างกันทำให้เฟสต่างกันไม่เกิน 90° ถือว่าทั้งสองด้านนั้น in-phase 
• ถ้าระยะที่ต่างกันทำให้เเฟสต่างกันเกิน 90° ถือว่าทั้งสองด้านนั้น out-of-phase
• จากนั้นปรับภาพทิศของกระแสบนก้านโลหะให้ถูกต้องทั้งสองด้านของจุดป้อน
• 4.3) ถ้าขนาดกระแสเพียงด้านเดียวของจุดป้อนเป็นศูนย์ แต่อีกด้านไม่เป็นศูนย์
• การกำหนดทิศทางของกระแส: 
• กรณีนี้เราจะคาดเดาเฟสของกระแสทั้งสองด้านเทียบกันเองโดยทันทีไม่ได้เช่นกัน 
• ข้อสังเกต1 กระแสบนโลหะด้านที่ “ไม่” ได้มีขนาดกระแสมาเป็นศูนย์ที่จุดป้อน จะถูกกด (suppressed) ให้มีขนาดกระแสต่ำลงตลอดก้านโลหะด้านนั้น
• ดูความยาวของโลหะจากจุดป้อนไปยังปลายสายอากาศและย้อนกลับมาจนถึงจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ที่ใกล้กับจุดป้อน  ดูเช่นนี้ทั้งสองด้าน  ว่าแต่ละด้านมีความยาวแตกต่างกันเท่าไร 
• ถ้าความยาวเท่ากัน แสดงว่าจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ทั้งสองด้าน in-phase
• ถ้าระยะที่ต่างกันทำให้เฟสต่างกันไม่เกิน 90° ถือว่าทั้งสองด้านนั้น in-phase 
• ถ้าระยะที่ต่างกันทำให้เเฟสต่างกันเกิน 90° ถือว่าทั้งสองด้านนั้น out-of-phase
• จากนั้นปรับภาพทิศของกระแสบนก้านโลหะให้ถูกต้องทั้งสองด้านของจุดป้อน
• ข้อสังเกต2 เฟสของกระแสในคลื่นลูกใกล้จุดป้อนที่สุดด้านที่ถูก suppress อาจไม่มีเฟสตรงหรือกลับอย่างชัดเจนเสียทีเดียว  ส่วนเฟสในช่วงอื่นจะยังถูกต้องตามที่ควรจะเป็น 

---

ตัวอย่างขั้นตอนการเขียนกระแสและเฟสบนก้านสายอากาศ  

ตัวอย่างที่ 1 สายอากาศไดโพลครึ่งคลื่น (½λ dipole antenna)    

เริ่มด้วยสายอากาศที่เราคุ้นเคยกันคือไดโพลขนาดครึ่งคลื่น (½λ-dipole) ซึ่งที่จริงแล้วเมื่อเราสร้างใช้งานจริงหรือแม้แต่เปลี่ยนความถี่ใช้งาน ความยาวของมันก็จะไม่เป็นครึ่งความยาวคลื่นอีกต่อไป 

รูปที่ 3 ไดโพลครึ่งคลื่น 

(½λ- dipole) ป้อนตรงกลาง

ดูรูปที่ 3(a)  เราเริ่มต้นด้วยขั้นตอนที่ 1-2  โดยเขียนขนาดของกระแสที่ปลายก้านสายอากาศด้านบน เริ่มจากขนาดต่ำสุด จากนั้นไล่เข้าไปยังจุดป้อนของสายอากาศซึ่งเป็นระยะประมาณ ¼λ   ทำให้ขนาดโดยประมาณของกระแสมีค่าสูงสุด  จากนั้นทำ 3 คือทำขั้นตอนที่ 3 ซ้ำแต่เริ่มจากปลายด้านล่างและไล่ขนาดกระแสสูงขึ้นไปยังจุดป้อนตรงกลาง   ในขั้นตอน 4 เราเลือกทำ 4.1 เพราะขนาดกระแสของทั้งสองด้านของจุดป้อนไม่เป็นศูนย์  จะเห็นว่าในกรณีตามภาพตัวอย่างนี้เราสมมติทิศ (เฟส) ของกระแสไว้ถูกต้อง ทำให้เฟสบรรจบที่ด้านเดียวกันพอดี  จึงไม่ต้องแก้ไขทิศและขนาดของกระแสในภาพ และได้ลักษณะการกระจายของขนาด-เฟสของกระแสในรูปที่ 3(a)    ซึ่งหมายความว่าเฟสของก้านโลหะทั้งสองด้านเป็นเฟสเดียวกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ออกจากก้านโลหะทั้งสองด้านควรมีเฟสเสริมกัน 

รูปที่ 3(b) เป็นผลการจำลองการกระจายกระแสของสายอากาศนี้ด้วยโปรแกรม EZNEC จะเห็นได้ว่าเป็นไปในรูปแบบเดียวกันกับที่เราคาดการณ์ด้วยขั้นตอนการเขียนกระแสและเฟสบนก้านสายอากาศ และรูปที่ 3(c) เป็นรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศนี้ 

ตัวอย่างที่ 2 สายอากาศไดโพลยาวกว่าครึ่งคลื่นเล็กน้อย (Slightly ½λ+ dipole antenna)    

เมื่อสายอากาศไดโพลยาวกว่า ½λ เล็กน้อย เราสามารถเขียนสายอากาศนี้ได้ดังในรูป 4(a) และเนื่องจากขนาดของสายอากาศแต่ละด้านยาวกว่า ¼λ  กระแสส่วนที่เกิน ¼λ จะเริ่มลดขนาดลงจนถึงจุดป้อน   การทำตามขั้นตอนที่ 1-3 และ 4.1 จึงทำให้ได้ลักษณะการกระจายของกระแสเป็นตามในรูปที่ 4(a)  

รูปที่ 4 สายอากาศความยาวรวมมากกว่า

ครึ่งคลื่น (½λ) เล็กน้อย ป้อนตรงกลาง

และเมื่อจำลองการกระจายกระแสของสายอากาศในรูปที่ 4 นี้ด้วยโปรแกรม EZNEC จะเห็นในรูป 4(b) ว่าเป็นไปในรูปแบบเดียวกันกับที่เราคาดการณ์ด้วยขั้นตอนการเขียนกระแสและเฟสบนก้านสายอากาศในรูปที่ 4(a)   และรูปที่ 4(c) เป็นรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศนี้   คือใกล้เคียงกับสายอากาศ ½λ-dipole แต่อาจจะแตกต่างไปทั้งด้านแพทเทิร์นและอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อน (อิมพีแดนซ์จะสูงกว่า 72Ω และเป็น inductive มาก) 

รูปที่ 5 เป็นสายอากาศไดโพลความยาวยาวกว่า ½λ ประมาณ 20%  และจุดป้อนอยู่เยื้องจากศูนย์กลางประมาณ 20% จะเห็นว่าเมื่อเราเขียนการกระจายของกระแสด้วยขั้นตอนที่ 1-3 และ 4.1 จะได้เป็นตามภาพที่ 5(a) 

รูปที่ 5 สายอากาศความยาวรวมมากกว่า

ครึ่งคลื่น (½λ) เล็กน้อย ป้อนเยื้อง

จากศูนย์กลาง

จะเห็นว่าขนาดของกระแสในรูปที่ 5(a) จากก้านบนและล่างที่จุดป้อนมีค่าต่างกัน เราจึงต้องปรับปรุงกระแสที่จุดป้อนเฉลี่ยให้เท่ากัน ได้รูปที่ 5(b)   และเมื่อป้อนสายอากาศขนาดยาว ½λ+20% และป้อนเยื้องจากจุดศูนย์กลาง 20% ลงในโปรแกรมจำลองสายอากาศ EZNEC  จะได้ลักษณะการกระจายกระแสในรูปที่ 5(c) และแพทเทิร์นการกระจายคลื่นในรูปที่ 5(d) 

ตัวอย่างที่ 3 สายอากาศไดโพลสั้นกว่าเต็มคลื่นเล็กน้อย (Slightly 1λ- dipole antenna)    

รูปที่ 6.1 ขั้นตอนการเขียนทิศกระแส I_RF 

บนสายอากาศไดโพลที่สั้นกว่า 1λ  

(Full-wave) เล็กน้อย และป้อนตรงกลาง

รูปที่ 6.1 เป็นสายอากาศไดโพลความยาวสั้นกว่า 1λ เล็กน้อย   เมื่อทำตามขั้นตอน 1-3 และ 4.1 จะได้รูป 6.1(a)  ซึ่งจะเห็นว่าที่จุดป้อนนั้นเฟสของกระแสกลับด้านกันซึ่งขัดกับหลักทางฟิสิกส์  แสดงว่าเราสมมติเฟสของกระแสผิดไปหนึ่งด้าน   ในรูป 6.1(b) เราแก้ไขเฟสของกระแสก้านล่างให้ถูกต้องตรงกับก้านบน  และเมื่อใส่ขนาดของสายอากาศเข้าในโปรแกรม EZNEC จะได้การกระจายกระแสในรูปที่ 6.1(c) และรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นในรูป 6.1(d) 

รูปที่ 6.2 ผลการจำลองการทำงานของ

สายอากาศไดโพลแบบเต็มคลื่น

(Full-wave dipole) ป้อนตรงกลาง

ถ้าเราดูรายละเอียดของการกระจายกระแสว่าเป็นเฟสอย่างไร จะเห็นตามรูป 6.2(c) และสามารถเขียนลงบนไดอาแกรมแสดงเฟสบนก้านโลหะได้ในรูปที่ 6.2(d) ซึ่งจะเห็นว่าเฟสของกระแส I_RF ทั้งสองด้านเป็นเฟสเดียวกัน ดังนั้นคลื่นจากก้านบนและล่างจะเสริมกัน ทำให้สายอากาศนี้มีความมีทิศทาง (Directivity) ดีกว่าสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่นตามปกตินิดหน่อย 

ตัวอย่างที่ 4 สายอากาศไดโพลสั้นกว่าเต็มคลื่นเล็กน้อยป้อนเยื้อง (Slightly 1λ- dipole antenna Off-Center Fed )    

คราวนี้เราลองสร้างสายอากาศที่สั้นกว่าความยาวเต็มคลื่น (1λ) เล็กน้อย แต่ขยับจุดป้อนออกจากตรงกลาง   และวาดภาพกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (I_RF) ตามขั้นตอนที่ 1-3 และ 4.1   รูป 7.1(a) ที่เขียนขึ้นตอนแรกมีเฟสของกระแสก้านบนและล่างตรงกันข้ามกัน จึงต้องแก้ไขเป็นด้านเดียวกันในรูปที่ 7.1(b) และเพราะขนาดของกระแสต่างกันเล็กน้อย จึงปรับเฉลี่ยให้เท่ากันในรูปที่ 7.1(c)     เมื่อนำข้อมูลขนาดสายอากาศละจุดป้อนใส่ลงในโปรแกรม EZNEC จะคำนวณขนาดการกระจายกระแสได้ในรูปที่ 7.1(d) (EZNEC จะไม่แสดงเฟสกระแสในรูป (d) โดยแสดงแต่ขนาด  ผู้ใช้ต้องดูเฟสของกระแสแต่ละจุดในตารางแยกต่างหาก) และคำนวณรูปร่างการแพร่กระจายคลื่นได้ในรูปที่ 7.1(e) 

รูปที่ 7.1 ขั้นตอนการเขียนทิศกระแส I_RF 

บนสายอากาศไดโพลที่สั้นกว่าเต็มคลื่น

(Full-wave dipole) นิดหน่อย 

และจุดป้อนสัญญาณเยื้องจากตรงกลาง

จะเห็นว่าลักษระการแพร่กระจายคลื่นในรูป 7.1(e) ไม่ได้เป็นรูปโดนัทไม่มีรูตรงกลางอีกต่อไป (เทียบกับรูป 6.1(d) ซึ่งเป็นสายอากาศที่ยาวเท่ากัน แต่จุดป้อนอยู่ตรงกลาง)   แต่คล้ายดอกไม้และมี lobe (กลีบ) เกิดขึ้น  เพราะการเปลี่ยนจุดป้อนทำให้เฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ก้านบนและล่างมีเฟสตรงกันข้ามกันดังในรูปที่ 7.2(d) 

รูปที่ 7.2 ผลการจำลองการทำงานของ

สายอากาศไดโพลที่สั้นกว่าเต็มคลื่น

(Full-wave dipole) นิดหน่อย และจุดป้อน

เยื้องจากตรงกลางตามในรูปที่ 7.1

ตัวอย่างที่ 5 สายอากาศไดโพลเต็มคลื่นป้อนกลาง (1λ- dipole antenna, center-fed)   

เป็นสายอากาศอีกชนิดหนึ่งที่น่าสนใจ  สาเหตุที่นำมาไว้เป็นตัวอย่างที่ 5 หลังจากผ่านไปหลายตัวอย่างเพราะเมื่อเราเขียนเส้นกระแสบนแต่ละก้านของสายอากาศโดยเริ่่มจากปลายมาจรดที่จุดป้อนตรงกึ่งกลางตามขั้นตอนที่ 1-3  จะเห็นว่ากระแสจากทั้งสองด้านมีค่าต่ำมาก (จุด minimum หรือต่ำสุด) ที่จุดป้อนพอดี ทำให้เราไม่สามารถเราหรืออนุมานได้ว่าเฟสของกระแสทั้งสองด้านเหมือนกัน หรือต่างกัน หรือต่อเนื่องกันอย่างไร นั่นคือในรูปที่ 8(a) เราไม่รู้ว่ากระแสที่ก้านล่างของสายอากาศจะมีเฟสตรงหรือตรงกันข้ามกับกระแสที่ก้านบน  กรณีนี้เราต้องทำตามขั้นตอนที่ 4.2 

ในรูปที่ 8(b) เราไล่ระยะของสายอากาศจากจุดป้อนไปถึงปลายก้านโลหะ จากนั้นวนกลับมาถึงจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ที่ใกล้กับจุดป้อน (เส้น (1) สีเขียว) และทำเช่นเดียวกันกับก้านโลหะด้านล่างได้เส้น (2) สีแดง   จะเห็นว่าทั้งสองเส้นมีระยะ ¾λ เท่ากัน  จึงหมายความว่าจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ทั้งสองมีเฟสเดียวกัน  และเขียนลักษณะของเฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงบนสายอากาศนี้ได้ในรูปที่ 8(c) 

เมื่อนำข้อมูลทั้งหมดป้อนลงในโปรแกรม EZNEC  จะคำนวณการกระจายกระแสได้ในรูปที่ 8(d)  มีแพทเทิร์นแบบโดนัทที่แบนลงเล็กน้อยและไม่เป็นลักษณะกลีบ (lobe) แสดงว่าเฟสของคลื่นจากก้านด้านบนและล่างของสายอากาศนี้เสริมกัน (เฟสเดียวกัน)  ตารางแสดงเฟสของกระแส I_RF ในรูป 8(f) ซึ่งวาดลงแผนผังเฟสในรูปที่ 8(g) เป็นสิ่งยืนยันว่ารูปที่ 8(c) ที่เราวาดขึ้นตามขั้นตอนของ กฎเชิงโครงสร้างสำหรับการคาดการณ์การกระจายกระแสและเฟสบนโลหะสายอากาศ นั้นถูกต้อง 

รูปที่ 8 สายอากาศแบบไดโพลเต็มคลื่น
(Full-wave dipole) ป้อนกลาง

ตัวอย่างที่ 6 สายอากาศ  1.25λ ป้อนที่ระยะ 0.5λ จากปลาย (1.25λ  antenna, 0.5λ edge-fed)   

เป็นตัวอย่างที่ซับซ้อนขึ้น เราทดลองสร้างสายอากาศจากลวดตัวนำความยาว 1.25λ  โดยป้อนสัญญาณห่างจากปลายด้านหนึ่งเป็นระยะ 0.5λ    เมื่อทดลองคาดการณ์การกระจายของกระแส   เมื่อทำตามขั้นตอน 1-3 เบื้องต้นจะได้ตามรูปที่ 9(a)  ให้สังเกตว่าลูกคลื่นจากปลายด้านบนมาจรดที่จุดป้อนมีขนาดเป็นศูนย์ ในขณะที่ลูกคลื่นจากปลายด้านล่างมาจรดที่จุดป้อนไม่มีขนาดเป็นศูนย์ ทำให้เราไม่รู้ว่าเฟสของคลื่นด้านล่างเป็นแบบใด (เขียนความเป็นไปได้ไว้สองเส้น คือเส้นทึบสีฟ้า และเส้นประสีฟ้า)  จึงทำตามขั้นตอน 4.3 ต่อไป  

ในขั้นตอน 4.3 เมื่อดูความยาวของโลหะจากจุดป้อนไปยังปลายสายอากาศและย้อนกลับมาจนถึงจุดสูงสุดของลูกคลื่นไซน์ที่ใกล้กับจุดป้อนทั้งสองด้าน  จะเห็นว่าด้าน (1) และ (2) ในรูปที่ 9(b) มีระยะต่างกันประมาณ ≈ 3(¼λ) = 3(90ᴼ) = 270ᴼ  และเป็นเฟสของกลีบก้านล่างใกล้กับจุดป้อนที่สุดที่ช้ากว่าก้านด้านบน  โดยขนาดของกระแส I_RF ในก้านโลหะด้านล่างจะถูกกดให้ต่ำลง (รูปที่ 9c) และคลื่นในก้านโลหะด้านล่าง (ลูกศร A และ B ในรูปที่ 9d) จะมีเฟสต่างกันเอง 180ᴼ ด้วย 

เมื่อนำข้อมูลทั้งหมดป้อนลงในโปรแกรม EZNEC ให้ช่วยคำนวณขนาดและเฟสของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงบนก้านโลหะสายอากาศ จะได้ตามรูปที่ 9(d) และรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นในรูปที่ 9(e) ซึ่งได้อิทธิพลส่วนใหญ่มาจากกระแส RF ในก้านด้านบนซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าก้านด้านล่างที่ถูกกดขนาด (suppress) ลง

รูปที่ 9(f) และ 9(g) แสดงขนาดและมุมเฟสของกระแส  ในแต่ละส่วนของโลหะสายอากาศ และแผนผังเฟส (Phase Diagram) ที่ได้จาก EZNEC  จะเห็นว่าสอดคล้องกับการร่างด้วย กฎเชิงโครงสร้างสำหรับการคาดการณ์การกระจายกระแสและเฟสบนโลหะสายอากาศ นี้ 

รูปที่ 9 สายอากาศไดโพลความยาวรวม
1.25λ ป้อนที่ระยะ 0.5λ จากปลายด้านหนึ่ง

ตัวอย่างที่ 7 สายอากาศ 1.5λ ป้อนที่ระยะ 0.2λ จากปลาย (1.5λ  antenna, 0.2λ edge-fed)   

สายอากาศใน รูปที่10 เป็นตัวอย่างที่ดีที่แสดงให้เห็นว่าถ้าเราใช้โลหะตัวนำสายอากาศที่ยาวเกินไปและไม่มีการรจัดเฟสที่ถูกต้อง เฟสของกระแสจะกลับทิศไปมา ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายออกจากแต่ละส่วนหักล้างกันในบางมุมในสามมิติและเสริมกันในบางมุมในสามมิติ ทำให้ได้รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นที่ซับซ้อนขึ้น

เมื่อทำตามขั้นตอน 1-3 จะได้รูปที่ 10(a)  ซึ่งจะเห็นว่าที่จุดป้อนนั้นเฟสของกระแสกลับด้านกันซึ่งขัดกับหลักทางฟิสิกส์  แสดงว่าเราสมมติเฟสของกระแสผิดไปหนึ่งด้าน   กรณีนี้เราทำต่อด้วยขั้นตอน 4.1 แก้ไขเฟสของกระแสก้านล่างให้ถูกต้องตรงกับก้านบนและได้การกระจายกระแสและลักษณะของเฟสใน รูป 10(b) เราแก้ไขเฟสของกระแสก้านล่างให้ถูกต้องตรงกับก้านบน  และเมื่อใส่ขนาดของสายอากาศเข้าในโปรแกรม EZNEC จะได้การกระจายกระแสในรูปที่ 10(c) และรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นในรูป 10(d) 

รูปที่ 10 สายอากาศยาว 1.5λ ที่มีจุดป้อน

อยู่เกือบริมสุดของด้านหนึ่ง

ขั้นตอนการสร้างแผนผังการกระจายของกระแสไฟฟ้าความถีสูงบนก้านโลหะสายอากาศด้านบน จะทำให้ผู้ทำงานกับสายอากาศหรือผู้ออกแบบมีแนวคิดเชิงสัญชาตญาณในการทำงานของมัน  และ ช่วยในการปรับขนาดและจุดป้อนก่อนทดลองใส่ลักษณะของสายอากาศ (design) นั้นลงในโปรแกรมช่วยจำลองการทำงานของสายอากาศต่อไป 

สรุป (Conclusion)  

สิ่งที่ได้จาก กรอบแนวคิดเชิงวิชาการต้นฉบับ (Original Conceptual Framework) ชิ้นนี้ คือความสามารถในการ "มองทะลุ" โครงสร้างทางกายภาพของสายอากาศว่าเมื่อมีความยาวเท่าใดและจุดป้อนอยู่ตรงไหนบนตัวมัน น่าจะมีการกระจายของกระแสและเฟสอย่างไรก่อนที่เราจะลงมือสร้างหรือนำไปคำนวณในโปรแกรม Simulation เชิงตัวเลข การที่เรารู้กระแสและเฟสบนโลหะสายอากาศได้ล่วงหน้า ช่วยให้เราเข้าใจพฤติกรรมการเสริมหรือหักล้างกันของคลื่น และป้องกันความผิดพลาดจากการออกแบบโครงสร้างที่ทำให้เกิดเฟสกลับด้านโดยไม่ตั้งใจได้อย่างมีประสิทธิภาพ

---

© Jitrayut Chunnabhata, 2026.

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.

© 2026 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

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

กิจกรรมและประชุมประจำเดือน ตุลาคม 2569

ถึงฝนจะตก ถึงฟ้าจะร้อง หรือไม่ตกก็ตาม The DXer Clubstation ยังคงมีกิจกรรมอยู่สม่ำเสมอเป็นประจำทุกเดือน

ครั้งที่ผ่านมาเราพบกันวันที่ 18 ตุลาคม 2569 มีหลายเรื่องที่เราคุยกันและน่าสนใจเหมือนเช่นเคย ไม่ว่าจะเป็น

- พื้นฐานด้านสายอากาศ

- สารพัดการต่อเชื่อมทางดิจิตอล

- พื้นฐานของสายนำสัญญาณและสมิธชาร์จ 

- การอ่านหน้าจอ NanoVNA อย่างง่าย

- การทดลองวัด ขนาดเครื่องนิ่งของ โวลเตจและกระแสบนโลหะสายอากาศ

- อุปกรณ์เครื่องมือวัดต่างๆ 

เป็นต้น

เครื่องมือวัดเบื้องต้น เช่น SWR meter, Power meter, 

เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับนักวิทยุสมัครเล่น 

นอกจากนั้นก็มีอุปกรณ์จุกจิกเช่น Dummy load,

Attenuator ที่มีประโยชน์มากและต้องใช้บ่อย

มัลติมิเตอร์คือเครื่องมือวัดที่จำเป็น มีทั้งแบบ

ดิจิตอลตัวเลขและแบบเข็ม ช่างที่ชำนาญ

หลายท่านก็ยังชื่นชอบแบบเข็มเพราะมักสังเกต

เห็นการเปลี่ยนแปลงของสิ่งที่เกิดขึ้นในวงจร

ได้ง่ายกว่าแบบตัวเลข พยายามซื้อของที่ดีมีคุณภาพ

แล้วมันจะ ทำงานดีตั้งแต่วันแรกจนถึงวันที่มันจากเราไป 

(ซึ่งถ้าไม่หายเสียก่อน มันก็อยู่ได้นานมากครับ)

แหล่งจ่ายไฟที่มีคุณภาพดีก็เป็นสิ่งจำเป็น นอกจากที่

เราต้องจ่ายให้กับเครื่องวิทยุแล้วบางครั้งวงจร

อิเล็กทรอนิกส์ที่เราประดิษฐ์ขึ้นมา

ก็ต้องการแหล่งจ่ายไฟเช่นกัน

ทักษะเชิงช่างเป็นสิ่งที่ทำให้การเล่น

หรือใช้งานวิทยุสื่อสารสนุกยิ่งขึ้น

มัลติมิเตอร์ในภาพอายุนานมาก เปลี่ยนแบตเตอรี่ไป

หลายครั้งแล้วแต่วันนี้ก็ยังทำงานสมบูรณ์อยู่

เราคุยกันเรื่องสายนำสัญญาณและคลื่นที่สะท้อน

ในสายนำสัญญาณ รวมถึงคุยกันว่าสุดท้ายแล้ว

ทำให้เกิด “คลื่นนิ่ง” ได้อย่างไร รวมทั้งอธิบายว่า

ที่จริงแล้วคลื่นนิ่งที่อยู่ในสายนำสัญญาณ 

“มีหน้าตาอย่างไรกันแน่”

เม้าท์เรื่อง SWR ที่โดยพื้นฐานแล้วสามารถคำนวณ

ได้จากกำลังของคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้า

และสะท้อนกลับมาข้างหลัง

เราสามารถวัดคลื่นนิ่งของโวลเตจของคลื่นนิ่ง

ที่อยู่บนก้านโลหะของอากาศได้

บนสายอากาศก็มีคลื่นนิ่ง และจริงๆ แล้วคลื่นนิ่ง

บนสายอากาศเป็นสิ่งจำเป็น ไม่อย่างนั้นแล้ว

มันจะทำงานได้ไม่ดี ควบคุมยาก

เพื่อนๆ ที่สนใจจะเข้าร่วมกิจกรรมสามารถติดตามที่บล็อกนี้ได้ หากมีข่าวสารเราจะประกาศให้ทราบล่วงหน้า แล้วพบกันอีกในกิจกรรมครั้งต่อไปนะครับ 

73 DE E20AE

ถอดรหัสรูปแบบและโหมดสัญญาณ Balanced-Unbalanced และ Differential-Common Mode

Demystifying Signal Types and Modes: Balanced, Unbalanced, Differential, and Common Mode

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

---

สายไฟฟ้าที่ใช้กับงานความถี่สูงที่เราคุ้นเคยกันจะมีลักษณะพิเศษและชื่อเฉพาะของมัน และแทนที่จะเรียกว่า "สายไฟ" เราจะเรียกว่า "สายนำสัญญาณ" (Transmission Line Cable) แทน  ซึ่งกับความถี่สูงแล้ว สายนำสัญญาณเหล่านี้จะมีเรื่องตามมาอีกมาก (เช่น 145MHz, อิมพีแดนซ์เฉพาะตัว Z₀ = 50 Ω, VF=0.66, λ ≈ 1.365 m) เพราะความยาวของสายนำสัญญาณเพียง 0.3-0.5 เมตร ที่เราใช้กลายเป็นหลายส่วนของความยาวคลื่น เช่น  ¼λ, ½λ, ¾λ หรือมากกว่านั้นเช่น หลาย λ    สิ่งที่ตามมาคือการแปลงอิมพีแดนซ์ที่ต่อกับปลายด้านหนึ่งของสายนำสัญญาณไปปรากฏเป็นอีกค่าหนึ่งที่ปลายอีกด้านที่อาจจะมีค่าเปลี่ยนไปจากเดิมได้    นอกจากนั้นยังมีเรื่องของการสะท้อนของคลื่นเมื่อิมพีแดนซ์ของโหลดที่นำมาต่อกับสายนำสัญญาณ (Z_L) มีค่าไม่เท่ากัน (Z₀ ≠ Z_L)  รวมถึงการสูญเสียสัญญาณอีกด้วย   แต่สิ่งเหล่านั้นไม่ใช่ประเด็นที่เราจะพูดถึงกันในบทความนี้ เพราะเรากำลังสนใจเรื่อง รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) และ โหมดของสัญญาณ (Signal Mode) บนสายนำสัญญาณที่มีตัวนำสองตัว เป็นหลัก ซึ่งเราจะต้องเข้าใจให้ชัดเจนก่อนจะเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นจริงๆ เมื่อเรานำสายนำสัญญาณเหล่านี้ไปใช้งาน 

เพราะโดยส่วนมากแล้ว ผู้ใช้อาจจะรู้จักเพียงชนิดของสายนำสัญญาณโดยไม่รู้จักรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) หรือเคยได้ยินคำว่า กระแสโหมดร่วม แต่ไม่รู้จักโหมดของสัญญาณ (Signal Mode) ที่เกี่ยวกับชีวิตเราจริงๆ  เราจะดูเรื่องนี้กันให้ละเอียดในบทความนี้ 

ชนิดทางกายภาพของสายนำสัญญาณ  

ส่วนใหญ่แล้วเราจะคุ้นเคยสายนำสัญญาณที่ใช้กับความถี่สูงที่มีสองตัวนำ (ยังมีอุปกรณ์ที่นำคลื่นความถี่สูงได้ แต่มีเพียงตัวนำเดียวและส่วนมากมีลักษณะเป็นท่อกลวง ภายในอาจจะเป็นอากาศหรือฉนวนอย่างอื่น เรียกว่า "ท่อนำคลื่น" หรือ Waveguide ซึ่งอยู่นอกเหนือจากบทความนี้)  ซึ่งมีสองชนิดหลักคือ

• สายนำสัญญาณ Twin-lead Cable: ลักษณะเป็นสายแบน มีตัวนำวิ่งขนานกันอยู่ริมทั้งสองข้าง
• สายนำสัญญาณแกนร่วมหรือ Coaxial Cable: เป็นสายที่เราคุ้นเคยกันมาก 

ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 (a) สายนำสัญญาณ Twin-lead Cable
(b) สายนำสัญญาณแกนร่วม (Coaxial Cable)

เนื่องจากสายนำสัญญาณทั้งสองชนิดมีโลหะสองชิ้น ทำให้คลื่นที่เดินทางในสายนำสัญญาณนี้สามารถอยู่ในโหมด TEM (Transverse Electromagnetic) ได้ 

คุณสมบัติของสายนำสัญญาณ Twin-lead และ Coaxial  

นอกจากลักษณะทางกายภาพที่ต่างกันมากแล้ว สิ่งสำคัญที่เราต้องรู้เกี่ยวกับความแตกต่างของสายนำสัญญาณสองชนิดนี้คือมันมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้าต่างกันมาก

รูปที่ 2 แสดงสายนำสัญญาณ Twin-lead  ที่โครงสร้างของมัน ไม่มีฟิสิกส์บังคับว่ากระแสบนตัวนำทั้งสอง (I₁  และ I₂) ต้องมีขนาดเท่ากัน และ มีทิศทางตรงกันข้ามกัน   โดยกระแสไฟฟ้าความถี่สูงนี้จะไหลที่บริเวณผิวของตัวนำ  และเมื่อใดก็ตามที่  I₁ ≠ I₂  สายนำสัญญาณนี้จะแพร่กระจายคลื่นได้เพราะขาดควาสมดุล

รูปที่ 2 โดยปกติกระแสบนตัวนำทั้งสองของ
สายนำสัญญาณ Twin-lead (I₁ และ I₂) จะมี
ขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเพื่อให้
สายนำสัญญาณไม่แพร่กระจายคลื่น  แต่ก็ไม่มี
ฟิสิกส์อะไรบังคับไว้ว่าจะต้องเป็นแบบนั้น

คราวนี้เรามาดูสายนำสัญญาณแกนร่วมหรือ Coaxial บ้าง สายชนิดนี้มีโครงสร้างทางกายภาพต่างไปมาก โลหะตัวนำแกนกลางถูกหุ้มด้วยโลหะอีกตัวหนึ่งทั้งหมด ทำให้คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) และ ทางไฟฟ้า (Electrical) ต่างไปมาก ดูรูปที่ 3 ซึ่งเป็นภาพหน้าตัดของสายนำสัญญาณ Coaxial Transmission Line

รูปที่ 3 โครงสร้างของสายนำสัญญาณ
แกนร่วม (Coaxial Cable) และกระแสที่
บริเวณต่างๆ

• ① เป็นพื้นที่หน้าตัดของชีลด์และแกนกลาง  กระแสไฟฟ้า RF ส่วนใหญ่จะไม่ไหลในบริเวณนี้เนื่องจาก skin effect คือ RF current จะไหลที่ผิวของตัวนำ ลึกลงไปเป็นระยะ δ หรือ skin depth แค่ไม่กี่ไมครอน ยิ่งโลหะเป็นตัวนำที่ดีเท่าไร และ/หรือ ความถี่สูงขึ้นเท่าไร → δ ยิ่งตื้นเท่านั้น เช่น ที่ 145MHz โลหะทองแดง δ ≈ 5.48μm (1μm=1/1,000,000 เมตร) กระแสไฟฟ้า RF ไหลลึกกว่านั้นไม่ได้  (ไม่ใช่มันเลือกเองว่าจะไม่ไหลนะ แต่ “ไหลไม่ได้” ฟิสิกส์บังคับว่าไหลไม่ได้) 
• หมายเลข ② ต่างๆ คือ ผิวของแกนกลาง, ผิวด้านในของชีลด์, ผิวด้านนอกของชีลด์ (ลึกลงไป δ)  เป็นบริเวณที่กระแสไฟฟ้าความถี่สูง ⵊrf ไหลอยู่ 
• โดยผิวด้านในของชีลด์กับผิวด้านนอกของชีลด์แยกกันเพราะ Skin Effect กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (ⵊrf) ไหลเฉพาะที่ผิว ลึกลงไปแค่ไม่กี่ไมครอน (5.48) แต่ชีลด์หนากว่านั้นมาก เช่น ชีลด์ของสายนำสัญญาณ RG58 หนาประมาณ 120μm ดังนั้นกระแสที่ผิวด้านในกับด้านนอกจึงเป็นอิสระจากกัน  เหมือนมีตัวนำคนละตัว
• เมื่อมองเฉพาะด้านในของสาย Coaxial จึงเห็นว่ากระแสไฟฟ้าความถี่สูง ไหลที่ผิวของแกนกลาง(③)  กับที่ผิวด้านในของชีลด์(④) ได้  และผิวด้านในคือ ④ ก็เป็นคนละตัวนำกับ ผิวนอกของชีลด์ ⑤ → นั่นคือเราต้องมองว่า ที่ความถี่สูง สายนำสัญญาณ Coaxial มีตัวนำ 3 ตัว
• ด้วยคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณ Coaxial  โหมดฐาน (Fundamental Mode) ของคลื่นที่เดินทางในมันเป็น TEM (Transverse ElectroMagnetic) และ กระแสที่ไหลที่ผิวของแกน ③ ต้องเท่ากับกระแสที่ไหลที่ผิวในของชีลด์ ④ จะผิดจากนี้ไปไม่ได้!!  ดูรูปที่ 4
• เช่น ในรูป  ที่หน้าตัดเดียวกัน ในเวลาหนึ่ง ถ้ากระแสที่ ③ พุ่งออกจากหน้ากระดาษ (สัญลักษณ์คือ จุดสีแดงมีวงกลมล้อมรอบ คือเรามองเห็น “หัวลูกศร” เป็นจุดสีแดงพุ่งออกจากหน้ากระดาษมาหาเรา)   กระแส ④ จะต้องพุ่งเข้าหาหน้ากระดาษ (สัญลักษณ์คือ กากบาทสีเขียวมีวงกลมล้อมรอบ คือเรามองเห็น “หางลูกศร” สีเขียวพุ่งเข้าหาหน้ากระดาษ) และกระแส ③ และ ④ ต้องมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอ 
• กระแส ③ และ ④ จึงถูกเรียกว่า กระแส Differential-Mode 
• ถ้าจะมีกระแสอะไรส่วนเกินโผล่เข้ามาอีก มันจะไป “ยุ่ง” กับ กระแส ③ และ ④ ไม่ได้ แต่ต้องไปไหลที่ ⑤ คือผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น
• ไม่มีฟิสิกส์อะไรบังคับกระแสที่ ⑤ เลยว่า ต้องไหลเหมือนหรือต่างจาก และ/หรือ ขนาดของ ⑤ ต้องสัมพันธ์กับกระแส ③ และ ④  (ในความเป็นจริง อยู่กระแสที่ไหลบนผิว ⑤ จะไหลทางไหน ขนาดเท่าไร ต้องมีเหตุเฉพาะของมันเอง  แต่ประเด็นคือไม่เกี่ยวกับกระแส ③ และ ④) 
• กระแสที่ผิวด้านนอก ⑤ เรียกว่า กระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm)  ซึ่งมันแพร่กระจายคลื่นได้ 

ที่ขึดเส้นใต้ไว้ด้านบนนั้น สำคัญมาก ลองกลับไปอ่านอีกครั้งหนึ่ง

รูปที่ 4 กระแสที่ผิวของแกน (I₁) และผิวในของชีลด์ (I₂)
ของสายนำสัญญาณ Coaxial จะต้องมีขนาดเท่ากัน
แต่ทิศทางตรงกันข้ามกัน (I₁ = -I₂) เสมอ เพราะถูกบังคับ
ด้วยฟิสิกส์ของโครงสร้างของสาย ถ้ามีกระแสแปลกปลอม
จะต้องไหลทที่ผิวนอกของสายเท่านั้น และเรียกว่ากระแส
โหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) 

รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type)   

หลังจากเรารู้คุณสมบัติของสายนำสัญญาณสองชนิดแล้ว  เรื่องต่อไปที่ต้องรู้คือ รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) คือแบบสมดุล (Balanced) และแบบไม่สมดุล (Unbalanced)   ซึ่งคือ "โครงสร้างทางกายภาพและระบบอ้างอิง (Physical Architecture & Reference System)" ของสายไฟและวงจร  ดูรูปที่ 5 

รูปที่ 5 แสดงรูปแบบของสัญญาณที่ต่างกัน
(a) สัญญาณแบบสมดุล (Balanced) 
(b) สัญญาณแบบไม่สมดุล (Unbalanced)
โดย a, b เป็นขั้วของสัญญาณแบบสมดุล
และ c, g เป็นขั้วของสัญญาณแบบไม่สมดุล

สัญญาณแบบสมดุล (Balanced)  

สัญญาณแบบ balanced  จะไม่มีสายใดของสายนำสัญญาณนี้มีศักย์เป็น 0V จริงของระบบ  ศักย์บนตัวนำทั้งสองที่ระยะหน้าตัดเดียวกันบนตัวนำจะตรงกันข้ามกันเมื่อเทียบกับ virtual ground (จุดกราวด์สมมติที่มีศักย์เป็น 0V หรือจุด x ในรูปที่ 5(a))  จากรูปแบบของสัญญาณ สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบสมดุล (balanced) ก็คือสาย Twin-lead

สัญญาณแบบไม่สมดุล (Unbalanced)  

ในขณะที่สัญญาณรูปแบบ unbalanced นั้น ขั้วหนึ่งของมันซึ่งปกติคือชีลด์ของสายนำสัญญาณ Coaxial จะถูกต่อลงกราวด์ของระบบจริงๆ  (system ground = 0V หรือจุด g ในรูปที่ 5(b))  และศักย์ที่แกนกลางจะสลับกันสูงกว่า (positive) และต่ำกว่า (negative) ศักย์ที่ชีลด์ของสาย  สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณรูปแบบนี้ (unbalanced) ก็คือสาย Coaxial 

โหมดของสัญญาณ (Signal Mode)  

ไม่ว่ารูปแบบสัญญาณ (Signal Type) จะเป็นสมดุลหรือไม่สมดุล  ทั้งสองรูปแบบจะมีโหมดของสัญญาณ (Signal Mode) ที่ประกอบร่างเป็นสัญญาณจริงๆ บนสายนำสัญญาณสองโหมด คือ โหมดต่าง (Differential-Mode) และ โหมดร่วม (Common-Mode)  ซึ่งเป็น "รูปแบบการไหลของกระแสหรือความต่างศักย์ (Mathematical / Behavior Concept)" ที่เกิดขึ้นบนโครงสร้างนั้นๆ 

โหมดต่าง (Differential-Mode)   

โดยปกติแล้วโหมดของสัญญาณหรือคลื่นในสายนำสัญญาณไม่ว่าจะเป็นสัญญาณแบบสมดุลหรือไม่สมดุล บนสายนำสัญญาณชนิดสายคู่ (Twin lead) หรือแกนร่วม (Coaxial) ที่เราต้องการให้วิ่งในนั้นคือ “โหมดต่าง เท่านั้น” (อะไรที่เกินเลยมา คือการรบกวน และยังอาจทำให้สายนำสัญญาณแพร่กระจายคลื่น RF ได้ด้วย) หรือเรียกว่า Differential-Mode signal/current (I_dm)  ลักษณะของโหมดนี้ก็คือ  ณ ตำแหน่งหน้าตัดหนึ่งในเวลาหนึ่งๆ โวลเตจหรือกระแสที่วิ่งอยู่บตัวนำทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน โดยไม่มีสัญญาณหรือกระแสอื่นมาเกี่ยวข้อง  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากกระแสทั้งสองจะหักล้างกันไป และสายนำสัญญาณจะไม่แพร่กระจายคลื่นออกมา  ดูรูปที่ 6 

เงื่อนไขสำหรับการมีแต่กระแสโหมดต่าง (Differential-Mode Current, I_dm) บนสายนำสัญญาณเท่านั้น คือ: 

• I₁ = - I₂  
• เมื่อ I₁ ,  I₂  เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ Twin-lead ตามลำดับ 
• หรือ I₁ ,  I₂  เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 ซึ่งคือแกน (core หรือเรียกว่า I_core ก็ได้) และ กระแสบนผิวของตัวนำ 2 คือด้านในของชีลด์ (shield_inner หรือเรียกว่า I_{shield_inner} ก็ได้) ของสายนำสัญญาณ Coaxial ตามลำดับ  และ ไม่มีกระแสใดๆ ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณนี้
• ในกรณีนี้ เราจะเรียก I₁ และ I₂ ว่าคู่กระแสโหมดต่าง I_dm ได้เลย

รูปที่ 6 โหมดปกติของสัญญาณบนสายนำ
สัญญาณคือโหมดต่าง (Differential-Mode)
คือกระแส I₁ และ I₂ บนตัวนำทั้ง
สองที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศตรงกันข้าม
หรือ I₁ = - I₂ 

โหมดร่วม (Common-Mode)  

ถ้าสัญญาณ คลื่น กระแส โวลเตจ ไม่อยู่ในเงื่อนไขที่ถูกต้องสำหรับการมีเพียงกระแสโหมดต่าง (Differential-Mode Current, I_dm) เท่านั้นตาในหัวข้อที่ผ่านมา สายนำสัญญาณนั้นจะมีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) ไหลร่วมอยู่ด้วย   

รูปที่ 7 สายนำสัญญาณที่มีสัญญาณทั้งโหมดต่าง
และโหมดร่วมอยู่ด้วยกัน (a) สายนำสัญญาณ
Twin-lead (b) สายนำสัญญาณ Coaxial

รูปที่ 7 ในสายนำสัญญาณสามารถมีสัญญาณทั้งสองโหมดในเวลาเดียวกันได้  

ในรูป 7(a) สายนำสัญญาณ Twin-lead 

• I_cm1 และ I_cm2  เป็นกระแสโหมดร่วมที่อาจอาศัยอยู่บนตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ
• I_dm1 และ I_dm2  เป็นกระแสโหมดต่างที่เป็นโหมดหลักที่เราต้องการให้สายนำสัญญาณพาไป
• กระแสบนตัวนำ 1:   I₁  =  I_dm1  +  I_cm1   
• กระแสบนตัวนำ 2:   I₂  =  I_dm2  +  I_cm2   
• เมื่อ  I₁ = - I₂  →  I₁ + I₂  =  0  →  I_cm1 =  I_cm2  = 0  ← ไม่มี Common-Mode Current , มีแต่ Differential-Mode Current  I_dm1  =  - I_dm2   
• เมื่อ I₁ ≠ - I₂  →   I₁ + I₂  ≠  0  →  Differential-Mode Current  I_dm1  ยังคง =  - I_dm2  แต่ส่วนต่างระหว่าง I₁ และ I₂ นั่นเองที่เป็น Common-Mode Current  I_cm1  และ/หรือ  I_cm2  แล้วแต่ว่า  I₁  หรือ I₂  มีขนาดใหญ่หรือเล็กกว่ากัน 
• สรุปง่าย: เมื่อ I₁ ≠ - I₂  →   I₁ + I₂  ≠  0  แสดงว่ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) อยู่บนสายนำสัญญาณ และส่วนเกินที่ไม่หักล้างกันนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย 

รูป 7(b) สายนำสัญญาณ Coaxial 

• I_core = - I_{shield_inner} → I_core + I_{shield_inner} = 0  อยู่แล้วเพราะเป็นข้อบังคับทางฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณ Coaxial  กระแส   และ   คู่นี้เป็นกระแสโหมดต่าง (I_dm) 
• ถ้ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) จะไหลที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณเท่านั้น 
• สรุปง่าย: เมื่อมีกระแสไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ กระแสนี้คือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) และกระแสส่วนเกินนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย 

จะสังเกตได้ว่า 

• บนสายนำสัญญาณ Twin-lead  ไม่มีอะไรบังคับว่ากระแสบนโลหะสองเส้นต้องเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็นโหมดต่าง (Differential-Mode Current) หรือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ดังนั้นกระแสโหมดร่วม I_cm1 และ I_cm2 อาจจะอยู่บนตัวนำเส้นเดียวหรือสองเส้นก็ได้  โดย I_cm1 ไม่จำเป็นต้องมีขนาดเท่ากับ I_cm2 ด้วย 
• แต่บนสายนำสัญญาณ Coaxial กระแส I_core = - I_{shield_inner} เสมอ ดังนั้นกระแสโหมดร่วมบนสายนำสัญญาณ Coaxial  (I_cm) ต้องอยู่ที่ผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น 

โดยปกติแล้ว กระแสโหมดร่วม เป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ เนื่องจากมันมักสร้างปัญหาให้เรา เช่น สร้าง eddy current ในโลหะรอบข้าง (เนื่องจากไม่มีกระแสมาหักล้างมัน) หรือแม้แต่ทำให้สายนำสัญญาณแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ (กลายเป็นสายอากาศไปเสีย ซึ่งเราไม่ต้องการ) 

การป้องกันการเกิดกระแสโหมดร่วม  

เรื่องนี้เป็นเรื่องพื้นฐานที่เรามักทำกันอยู่แล้ว คือเริ่มที่การต่อชนิดของสายนำสัญญาณให้ถูกกับชนิดของสัญญาณ (Signal Type)  แต่มักไม่ค่อยพบการอธิบายว่าทำไมต้องทำเช่นนั้น หัวข้อนี้และหัวข้อถัดไปจะอธิบายเรื่องนี้ให้สามารถเข้าใจและนำไปใช้ได้   รูปที่ 8 เป็นการต่อที่ถูกต้อง 

รูปที่ 8 การต่อสายนำสัญญาณถูกชนิด
กับแบบของสัญญาณ (Signal Type)
เป็นจุดเริ่มต้นในการหลีกเลี่ยงปัญหา
สัญญาณโหมดร่วม

รูปที่ 8(a) เราต่อสายนำสัญญาณ Twin-lead เข้ากับแหล่งสัญญาณแบบสมดุล (balanced)  โลหะทั้งสองของสายนำสัญญาณจะถูกกระตุ้นด้วยโวลเตจซึ่งทำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม นั่นคือกระแสโหมดร่วม I_cm = 0 และเกิดคลื่นเดินทางไปในสายนำสัญญาณ   สายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่มีฟิสิกส์ของโครงสร้างบังคับให้กระแสที่โลหะสองด้านมีค่าเท่ากัน (แต่ทิศตรงกันข้าม) ได้ด้วยตัวเอง เราต้องป้อนโวลเตจกระตุ้นมันให้ถูกต้องด้วยตัวเอง

รูปที่ 8(b) เราต่อสายนำสัญญาณ Coaxial เข้ากับแหล่งสัญญาณแบบไม่สมดุล (unbalanced) ชีลด์ของสายนำสัญญาณด้านหนึ่งจะถูกตรึงโวลเตจไว้ที่ 0V เมื่อแกนของสายนำสัญญาณจะถูกป้อนด้วยศักย์บวกและลบ (เมื่อเทียบกับ 0V) กระแสที่เกิดขึ้นที่แกนกลาง (I_core) จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามที่ผิวด้านในของชีลด์ (I_{shield_inner} = - I_core) ทันทีเสมอด้วยข้อบังคับตามธรรมชาติของฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณชนิด Coaxial   โดยไม่มีกระแสโหมดร่วม I_cm เกิดขึ้น (I_cm = 0) 

ปัญหาการต่อเชื่อมอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดกระแสโหมดร่วม  

จากหัวข้อที่ผ่านมา เรารู้แล้วว่าโหมดของสัญญาณที่เราต้องการใช้งานคือโหมดต่าง (Differential-Mode) ที่จะพากำลังคลื่นจากจุดหนึ่งไปอีกจุดได้  และที่ไม่ต้องการให้มีคือโหมดร่วม (Common-Mode) เพราะนอกจากจะสร้างปัญหาเรื่องการแพร่กระจายคลื่นออกรบกวนการทำงานของสายอากาศหรืออุปกรณ์รอบข้างแล้ว ยังดึงพลังงานออกไปจากการใช้งานของเราอีก  เราจึงต้องหาวิธีกำจัดกระแสโหมดร่วมให้มีประสิทธิผลที่สุด

แต่ก่อนที่จะไปถึงการกำจัดกระแสโหมดร่วม เรามาดูต้นเหตุของกระแสโหมดร่วมกันก่อนว่าเกิดจากอะไรบ้าง เพราะถ้าเราสามารถกำจัดหรือลดกระแสโหมดร่วมตั้งแต่ต้นเหตุได้ น่าจะเป็นทางเลือกที่ดี 

1. ป้อนสายอากาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial 

ตัวอย่างง่ายที่สุดคือการป้อนสายอากาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial   ซึ่งต้องไมลืมว่าสายนำสัญญาณนี้มีจำนวนตัวนำที่กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (Radio Frequency current, RF current)  มองเห็นจำนวน 3 ตัวนำ ไม่ใช่ 2 ตัวนำอย่างที่สายตาของเราเห็น ดูรูปที่ 9 

รูปที่ 9 เมื่อต่อสายอากาศที่เป็นชนิด balanced
เข้ากับสายนำสัญญาณ Coaxial ซึ่งเป็น
 ชนิด unbalanced และมีตัวนำที่กระแส RF ไหล
ได้จำนวน 3 ตัว ทำให้เกิดกระแสโหมดร่วม I₃ 
ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณ

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (RF - Radio Frequency) มองเห็นผิวด้านในและด้านนอกของชีลด์เป็นคนละตัวนำกัน  ถ้าเราป้อนสายกาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial แล้ว

• ก้านของสายอากาศทั้งสอง ดึงกระแสไม่เท่ากัน  เช่นในรูปที่ 9 ก้านสีแดงดึง I₁  ในขณะที่ก้านสีเขียวดึง  I₂ - I₃  = I₁ - I₃  (เพราะ | I₁ | = | I₂ | )  จึงมีกระแสส่วนต่าง I₃ ไหลที่เปลือกนอกของชีลด์เป็นกระแสโหมดร่วม (I_cm)  และ/หรือ   
• ส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณถูกคัปปลิ้ง (เช่น capacitive coupling) ไปยังกราวด์หรืออิมพิแดนซ์อื่น ทำให้ I₃ ถูกดึงจากจุดร่วม (สีเหลืองในรูปที่ 9) ระหว่างผิวในและนอกของชีลด์กับก้านสายอากาศ  ด้วยหลักการของ KCL (Kirchhoff's current law) เป็นกระแสโหมดร่วม (I_cm) และทำให้กระแสบนก้านทั้งสองของสายอากาศไม่สมดุล 
• I₃ ในรูปหรือ I_cm  จะดึงกำลังจากจุดป้อน แทนที่จะส่งไปก้านโลหะของสายนอากาศทั้งหมด ก็จะมาแพร่กระจายคลื่นด้วยผิวด้านนอกของส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณด้วย 

2. ต่อ Output ของสัญญาณแบบ unbalanced เข้ากับสายนำสัญญาณ Twin-lead  

สัญญาณ (Signal Type) แบบ unbalanced จะมีศักย์ไฟฟ้าด้านหนึ่งตรึงไว้ที่กราวด์ (0V) เมื่อเรานำสายนำสัญญาณ Twin-lead มาต่อโดยให้เส้นหนึ่ง (เส้นหมายเลข 2) ต่อลงกราวด์ แล้วป้อนโวลเตจสัญญาณ +/- (ศักย์สูงกว่าและต่ำกว่ากราวด์) เข้าอีกเส้นหนึ่ง (เส้นหมายเลข 1)  จะไม่สามารถเกิดสัญญาณแบบ balanced (Differential-Mode) บนสายนำสัญญาณได้  

เนื่องจากโครงสร้างของสาย Twin-lead ไม่มีตัวนำที่โอบล้อมเก็บสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างในสาย Coaxial  (ซึ่งสาย Coaxial เมื่อมีแรงดันสวิงที่แกนกลาง จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามบนผิวด้านในของ shield ได้เอง)  

รูปที่ 10 การป้อนสัญญาณแบบ Unbalanced 

เข้าสายนำสัญญาณ Twin-lead จะทำให้

การสมมาตรเสียไป เกิดความไม่สมดุลของ

กระแสในตัวนำทั้งสองอย่างรุนแรง และทำให้

เกิดกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current)

ขนาดใหญ่แผ่สัญญาณรบกวนออกมา

3. ต่อ Output ของสัญญาณแบบ balanced (หรือปลายสาย Twin-lead ที่มีสัญญาณแบบ balanced เดินทางอยู่) เข้ากับสายนำสัญญาณ Coaxial 

ในทางย่านความถี่สูง (RF) สายนำสัญญาณ Coaxial จะมีพฤติกรรมเสมือนมีตัวนำไฟฟ้า 3 ตัว คือ แกนกลาง, ผิวด้านในของชีลด์ และผิวด้านนอกของชีลด์ 

เมื่อนำสัญญาณแบบ Balanced มาต่อเข้ากับสาย Coaxial โดยตรง หากเกิดการคัปปลิ้ง (Coupling) ระหว่างชีลด์ด้านนอกไปยังกราวด์ภายนอกหรือเส้นทางไหลอื่น ตามกฎกระแสของเคอร์ชฮอฟฟ์ (KCL) กระแสย้อนกลับ (I₂​) ที่ควรจะไหลเข้าผิวด้านในของชีลด์ทั้งหมดจะถูกแบ่งส่วนหนึ่ง (เป็น I_cm) ออกมาไหลบนผิวด้านนอกของชีลด์แทน ส่งผลให้กระแสภายในสายผิดไปจากสมดุลตามปกติ และเกิดกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ไหลที่ผิวภายนอกของชีลด์

รูปที่ 11 การนำสัญญาณแบบ Balanced ต่อเข้ากับสาย
Coaxial จะทำให้กระแสป้อนกลับ I₂ ถูกแบ่งไหล
ออกมาบนผิวด้านนอกของชีลด์เป็นกระแส
โหมดร่วม (Icm​) ผ่านทาง Stray Capacitance
ลงกราวด์ และ/หรือ ผ่าน impedance ที่จุดป้อนที่
 reflect มาจากอิมพิแดนซ์อื่นที่ผิวนอกของชีลด์
มองเห็น (ตามทฤษฎีการควบคุมอิมพีแดนซ์รอยต่อ
และการต่อเนื่องของกระแสในระบบสายอากาศ*)
ส่งผลให้ระบบเสียสมดุล

*อ่านเพิ่ม: ทฤษฎีการควบคุมอิมพีแดนซ์รอยต่อและการต่อเนื่องของกระแสในระบบสายอากาศ (จิตรยุทธ จุณณะภาต) 

การต่อเชื่อมสัญญาณต่างรูปแบบเข้าด้วยกัน    

ในหัวข้อที่ผ่านมาเรารู้ว่า: 

• สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบสมดุล (balanced) คือ สาย twin-lead
• สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบไม่สมุดล (unbalanced) คือสาย coaxial 
• การต่อสัญญาณผิดแบบ ไม่เหมาะกับสายนำสัญญาณสร้างปัญหาทั้งกระแสโหมดร่วม และ/หรือ ความไม่ปกติของสัญญาณบนสายนำสัญญาณนั้นๆ 

ดังนั้นถ้าเราต้องการต่อสัญญาณรูปแบบ (balanced/unbalanced) จากแหล่งสัญญาณ (source) เข้ากับสายนำสัญญาณ (twin-lead/coaxial) หรือปลายทาง (load) ที่ต้องการสัญญาณอีกรูปแบบหนึ่ง เราจะต้องปรับรูปแบบของสัญญาณด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า โวลเตจบาลัน (voltage balun)  ซึ่งชื่อของมันบ่งบอกชัดเจนว่า ปรับรูปแบบของโวลเตจ ของสัญญาณนั่นเอง  (ดูรูปที่ 5 a และ b ที่แสดงรูปแบบของสัญญาณที่ต่างกัน) 

ตัวอย่างของโวลเตจบาลันบางแบบแสดงในรูปที่ 12-15

รูปที่ 12 โวลเตจบาลันที่สร้างจากสาย
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 1:1 แต่ต้องเลือก Z₀ ของสายนำสัญญาณ

coaxial ให้ถูกต้องด้วย (อ่าน:

อีกมุมมองของ 1:1 Coaxial Voltage Balun) 

รูปที่ 13 โวลเตจบาลันที่สร้างจากสาย
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 4:1 

รูป 14 โวลเตจบาลันแบบหม้อแปลง
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 1:1 

รูปที่ 15 โวลเตจบาลันแบบหม้อแปลง
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 4:1

โวลเตจบาลันเหล่านี้ทำหน้าที่ปรับศักย์ไฟฟ้าจากระบบ balanced ไปเป็น unbalanced หรือกลับกัน  แต่ไม่สามารถทำหน้าที่ลด Common-Mode Current (I_cm) ได้เพราะนั่นเป็นห้าที่ของบาลันแบบกระแส (current balun) 

การป้องกันและแก้ไขกระแสโหมดร่วม    

กรณีที่เราต่อเชื่อมอุปกรณ์จำพวก สายอากาศ สายนำสัญญาณ เข้าด้วยกันและมีความเสี่ยงที่จะเกิดกระแสโหมดร่วมไหลอยู่บนผิวนอกของสายนำสัญญาณแกนร่วม (coaxial) หรือไหลบนสายนำสัญญาณ twin-lead และทำให้กระแสบนตัวนำทั้งสองไม่เท่ากัน 

อุปกรณ์ที่เราต้องใช้ ลด ขัดขวาง หรือกั้น กระแสโหมดร่วม จะเป็นบาลันชนิด บาลันกระแส (current balun)  ซึ่งชื่อก็บอกชัดเจนว่าทำงานกับกระแส (ลดกระแสโหมดร่วม) 

ตัวอย่างของบาลันกระแส (current balun) บางแบบแสดงในรูปที่ 16-19  ให้สังเกตว่าบางแบบก็เหมาะกับสัญญาณแบบ balanced  และบางแบบก็เหมาะกับสัญญาณแบบ unbalanced 

รูปที่ 16 Ugly Balun เป็นบาลันแบบกระแส
ที่สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้อง
ถูกสร้างให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้  เนื่องจาก

สร้างจากสายนำสัญญาณ coaxial จึงเหมาะ

กับสัญญาณ unbalanced

รูปที่ 17 Common Mode Choke (CMC)
ที่ลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้องเลือก
ชนิดของแกนเฟอร์ไร้ท์ให้ถูกความถี่ที่
ใช้งาน และพันด้วยจำนวนรอบที่เหมาะสม

เนื่องจากสร้างจากสายนำสัญญาณ coaxial 

จึงเหมาะกับสัญญาณ unbalanced

รูปที่ 18 Guanella Balun เป็นบาลันกระแสที่
ดูคล้ายหม้อแปลงแต่ไม่ใช่ ลวดสองเส้นที่
พันคู่กันนั้นจริงๆ ทำหน้าที่เป็นสายนำสัญญาณ
ชนิด twin-lead และถ้าด้านหนึ่งไม่ลงกราวด์
ก็จะเป็นบาลันกระแสสำหรับสัญญาณแบบ
balanced ได้ด้วย

รูปที่ 19 Sleeve Balun หรือ Bazooka Balun
เป็นบาลันกระแสที่สามารถกั้น (block, 
suppress) กระแสโหมดร่วมที่อาจจะไหล
ที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณ
coaxial ของสัญญาณ unbalanced ที่ป้อน

ให้กับสายอากาศหรือโหลดได้

อย่างไรก็ตาม บาลันกระแสเหล่านี้ไม่ช่วยปรับศักย์ไฟฟ้าจากรูปแบบ balanced ไปเป็น unbalanced หรือกลับกันได้   นั่นคือ ชื่อว่า balun เหมือนกัน แต่มีสองชนิดใหญ่ๆ (voltage และ current balun) และมีหน้าที่ต่างกัน ทดแทนกันไม่ได้

สรุป 

• สายนำสัญญาณที่เราใช้กันบ่อยในงานความถี่ย่าน HF, VHF, UHF เป็นแบบสองตัวนำคือ Twin-lead และ Coaxial Cable 
• รูปแบบสัญญาณในสายนำสัญญาณ (Signal Type) มีสองชนิดหลักคือ balanced คือศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำทั้งสองมีขนาดเท่ากันแต่เฟสตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับกราวด์และสมดุลกัน และ unbalanced คือศักย์บนตัวนำหนึ่งจะมีค่าสูงและต่ำกว่าศักย์บนอีกตัวนำที่ถูกต่อลงกราวด์ 0 V 
• สายนำสัญญาณแบบ Twin-lead ควรใช้กับสัญญาณแบบ balanced และสายนำสัญญาณแบบ Coaxial มักใช้กับสัญญาณแบบ unbalanced เนื่องจากมีความเหมาะสมทางกายภาพ
• นอกจากรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) แล้ว สัญญาณที่วิ่งบนสายนำสัญญาณยังมีโหมด (Signal Mode) ด้วย คือ โหมดต่าง (Differential-Mode) และโหมดร่วม (Common-Mode)  โดยปกติแล้วเราจะส่งกำลังคลื่นในโหมดต่าง  โดยมีขนาดหรือกำลังในโหมดร่วมน้อยที่สุด
• กระแสโหมดร่วม (Common-Mode current, I_cm) ความถี่สูงเป็นกระแสที่ไม่ถูกหักล้าง ดังนั้นมัแพร่กระจายคลื่นได้  และทำให้แพทเทิร์นรวมของระบบสายนอากาศผิดเพี้ยนได้ 
• ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของแกนและที่ผิวด้านในของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม "ต้อง" มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอ (คือโหมดต่าง - Differential-Mode)  ทำให้กระแสโหมดร่วม I_cm (ถ้ามี) จะต้องอยู่ที่ผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น 
• ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead เมื่อทำงานถูกต้องจะเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม (Differential-Mode)  แต่อาจจะไม่เท่ากันก็ได้  (ไม่ได้ถูก "บังคับ" ด้วยฟิสิกส์เหมือนสาย Coaxial)   เมื่อกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่เท่ากัน ส่วนต่างนั้นเป็นผลจากกระแสโหมดร่วม  และอาจจะอยู่บนตัวนำทั้งสองหรือตัวนำตัวใดตัวหนึ่งก็ได้ (มี I_cm1 และ I_cm2 ได้) 
• กระแสโหมดร่วม (Common Mode Current, I_cm) มักเกิดจากการต่อสายนำสัญญาณของระบบ (Signal Type) ต่างกันเข้าด้วยกัน เช่น ต่อสายนำสัญญาณแบบ Coaxial ที่เป็นระบบ Unbalanced เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ Twin-lead ที่เป็นระบบ Balanced 
• การต่อสายนำสัญญาณที่ไม่เหมาะสมกับรูปแบบของสัญญาณ เช่น ใช้สายนำสัญญาณแบบ Twin-Lead ต่อกับสัญญาณแบบ Unbalanced แบบตรงๆ คือทำให้ด้านหนึ่งของมันลงกราวด์ ทำให้โลหะสองเส้นของมันไม่สมดุล (I₁ ≠ -I₂ ) และเกิดกระแสโหมดร่วม I_cm = (I₁ + I₂)/2 → I_cm ≠ 0 ขึ้น 
• การต่อสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial) เข้ากับสัญญาณระบบ Balanced แบบตรงๆ ก็สร้างปัญหาได้ แม้ในสาย Coaxial นั้น I_core = - I_{shield_inner} แต่ผิวนอกของสายนำสัญญาณ Coaxial อาจจะมี Capacitive Coupling กับสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดทางเลือกให้กระแสโหมดร่วมไหลที่ผิวนอกของชีลด์ได้ และทำให้กระแสต่างๆ ของระบบผิดเพี้ยนไป 
• ไม่ว่าจะอยู่บนสายนำสัญญาณแบบ Twin-lead หรือ Coaxial ก็ตาม กระแสโหมดร่วมเป็นกระแสที่ไม่มีอะไรมาหักล้าง มันจึงสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแพร่กระจายคลื่นได้ 
• บาลันแบบโวลเตจ (Voltage Balun) มีหน้าที่เปลี่ยนรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) แต่ไม่สามารถกำจัดกระแสโหมดร่วมได้ 
• การลดหรือกำจัดกระแสโหมดร่วมทำได้โดยใช้บาลันกระแส (Current Balun) ที่เหมาะสม แต่บาลันกระแสก็ไม่สามารถเปลี่ยนรูปแบบของสัญญาณได้ 

---

©Jitrayut Chunnabhata, 2026.

This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is not permitted without prior permission. 

© 2026 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และไม่อนุญาตให้คัดลอกหรือเผยแพร่ซ้ำโดยตรงโดยไม่ได้รับอนุญาต