สายอากาศไดโพลทำงานอย่างไร

สายอากาศโฟลเด็ดไดโพล พัฒนาการอีกขั้นหนึ่งของสายอากาศไดโพล

เป็นที่ทราบกันดี (หรือ สำหรับบางท่านที่อาจจะยังไม่ทราบดี นับว่าเป็นเวลาที่ดีที่ได้ทราบกันในคราวนี้ล่ะครับ) ว่าสายอากาศพื้นฐานที่สุดและเป็นรากฐานของสายอากาศทุกชนิดก็ว่าได้ก็คือสายอากาศแบบไดโพล (และ พัฒนาเป็นโฟลเด็ดไดโพลในเวลาต่อมา) โดยโครงสร้างแล้วสายอากาศแบบไดโพลเกิดจากการนำตัวนำสองเส้นมาเรียงต่อกัน แล้วป้อนสัญญาณเข้าไปที่จุดกึ่งกลางของมัน ถ้าจะว่าไปแล้วสายอากาศแบบไดโพลก็ไม่ได้มีการระบุว่าจะต้องยาวเท่าไร อาจจะยาวเพียง 0.1 λ ก็ได้ แต่การทำแบบนั้นจะทำให้ได้อิมพิแดนซ์การแพร่กระจายคลื่น (Radiation Impedance) ต่ำมากเช่นเพียง 5 Ω ซึ่งเมื่อเทียบกับความต้านทานของโลหะที่ใช้ทำตัวนำแล้วอาจจะมีสัดส่วนไม่สูงนัก ทำให้สายอากาศแบบไดโพลที่มีขนาดสั้นมาก มีประสิทธิภาพ (ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่ป้อนให้กับมันไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ต่ำ เพราะมีพลังงานไฟฟ้าสูญเสียไปในรูปของความร้อนเป็นสัดส่วนที่สูง ดังนั้นสำหรับสายอากาศแบบไดโพลเราจึงนิยมทำให้ความยาวมากขึ้น และความยาวพอดีก็คือ 0.5 λ หรือที่เรียกว่า สายอากาศแบบไดโพลแบบครึ่งคลื่น (half wave dipole) นั่นเอง

สายอากาศแบบไดโพลที่ยาวครึ่งคลื่นหรือ 0.5 λ จะมีอิมพิแดนซ์ 73 Ω โดยประมาณ (ถ้าตัวนำที่ทำยิ่งอ้วน อิมพิแดนซ์จะต่ำลงบ้าง) จะเห็นว่ามีค่าสูงกว่า 5 Ω ในกรณีที่เป็นไดโพลขนาดสั้นมากตามที่อธิบายไปในย่อหน้าที่แล้ว ทำให้อัตราส่วนของอิมพิแดนซ์การแพร่กระจายคลื่นต่อความต้านทานของโลหะที่ใช้ทำสายอากาศมีค่าสูง ทำให้มีประสิทธิภาพสูเพราะมีพลังงานไฟฟ้าสูญเสียไปในรูปของความร้อนเป็นสัดส่วนต่ำกว่ามาก

• สายอากาศไดโพล

ภาพที่ 1

คลิกภาพเพื่อดูภาพใหญ่

หลายคนอาจจะสงสัยว่าแล้วสายอากาศทำงานอย่างไร กระแสที่เกิดขึ้นบนลวดตัวนำสายอากาศเป็นอย่างไร เคยเห็นแต่ที่เขาวาดสำเร็จแล้วแต่ก็ไม่เข้าใจว่าเป็นเพราะอะไร ผมก็เลยวาดภาพออกมาเพื่ออธิบายให้เข้าใจได้ดีขึ้น ลองดูภาพที่ 1 ที่ด้านบน เป็นสายนำสัญญาณที่มีปลายเปิดด้านหนึ่ง จะเห็นว่าเนื่องจากมีการเปิดวงจรที่ปลาย ดังนั้นกระแสที่เกิดขึ้นที่บริเวณปลายสายย่อมเป็น 0 A และกระแสที่กระจายตัวอยู่ในบริเวณต่างๆ ตามความยาวสายจะเป็นตามลูกศรสีม่วง โดยมีค่าสูงที่สุดที่ระยะ 1/4 λ จากปลายสาย ต่ำที่สุดที่ระยะ 1/2 λ จากปลายสาย สูงที่สุดอีกครั้งหนึ่งที่ระยะ 3/4 λ จากปลายสาย เช่นนี้เรื่อยไป โดยความยาวและทิศทางของลูกศรจะแสดงถึงขนาดและทิศทางของกระแสบนตัวนำของสายนำสัญญาณที่ระยะต่างๆ กันนั้น

จะเห็นว่า ในส่วนของสายนำสัญญาณจะมีกระแสที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามไหลอยู่เสมอ สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากกระแสทั้งสองนี้จะหักล้างกัน จึงทำให้สายนำสัญญาณไม่สามารถแพร่กระจายคลื่นออกมาได้

เมื่อเราจัดการแยกสายนำสัญญาณซีกบนและล่างออกจากกัน จะทำให้เกิดการกระจายของกระแสและมีทิศทางตามในภาพที่ 1 ด้านล่าง โดยที่ปลายบนและล่างสุดของสายอากาศจะมีกระแสเป็นศูนย์ (ต่ำสุด) และมีกระแสสูงสุดที่บริเวณจุดป้อนของสายอากาศ จะสังเกตเห็นว่าทิศทางของกระแสบนลวดตัวนำซีกบนและซีกล่างของสายอากาศนั้นอยู่ในทิศทางเดียวกัน ทำให้ทั้งสองซีกของสายอากาศสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีเฟสเสริมกัน

• สายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล

ภาพที่ 2

คลิกภาพเพื่อดูภาพใหญ่

ในกรณีของสายอากาศแบบนี้ ก็คล้ายกับสายอากาศแบบไดโพล เพียงแต่เราอาจจะเริ่มพิจารณาจากสายนำสัญญาณที่ถูกลัดวงจรที่ด้านหนึ่งของมัน ทำให้บริเวณตรงปลายที่เกิดการลัดวงจรมีกระแสปริมาณมากไหลผ่าน (ภาพที่ 2 ด้านบน) และที่ระยะห่างจากปลายสายนำสัญญาณ 1/4 λ กระแสจะลดลงจนเป็นศูนย์ก่อนจะเกิดการกลับเฟสที่ระยะมากกว่า 1/4 λ เป็นเช่นนี้เรื่อยไปตามภาพ

เมื่อเราจัดการ ดัด พับ โก่ง งอ ส่วนของสายนำสัญญาณจากช่วง DACBE ให้กลายเป็นสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล (Folded Dipole) ตามภาพที่ 2 ด้านล่าง ทิศทางและขนาดของกระแสที่เกิดขึ้นบนตัวนำก็จะไม่เปลี่ยนไปจากเดิม และแสดงให้เห็นได้ตามภาพที่ 2 ด้านล่างนี้ จะเห็นว่ากระแสที่เกิดขึ้นนั้นมีเฟสเสริมกัน   "และเมื่อมีกระแสที่เปลี่ยนขนาดและทิศทางอยู่ตลอดเวลาไหลในตัวนำสายอากาศ ก็จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลารอบๆ สายอากาศนั้น (ตามกฏมือขวาของ Ampere-Maxwell หรือกฎเดียวกับการสร้างแม่เหล็กไฟฟ้า) สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามไปด้วย (ตามกฏของ Faraday หรือกฏเดียวกับการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า) และทั้งสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงก็จะเหนี่ยวนำสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจาย (Propagate) ไปได้อย่างต่อเนื่อง"   ดูภาพที่ 3

ภาพที่ 3 แสดงสนามแม่เหล็ก (B) และสนามไฟฟ้า (E)

ที่แพร่กระจายออกจากสายอากาศไดโพล ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง

หวังว่าบทความนี้จะทำให้เพื่อนๆ เข้าใจการทำงานของสายอากาศเบื้องต้นได้ดีขึ้นนะครับ สวัสดีครับ HS0DJU/KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)