Standing Wave Radio and power loss in transmission line revealed
โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)
คำถามสำคัญที่มักเกิดขึ้นกับนักวิทยุสมัครเล่น (อาชีพก็ด้วยล่ะ) ก็คือถ้าเราต่อสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัวแมทช์กับไม่แมทช์กับโหลด การส่งผ่านกำลังไปถึงโหลดจะเป็นเท่าไรแน่ คำตอบนั้นน่าสนใจมากคือ กำลังจากแหล่งจ่ายจะถูกส่งออกไปยังโหลดได้ทั้งหมด เหตุผลเพราะถ้าสายนำสัญญาณนั้นไม่มีการสูญเสียกำลัง คลื่นจะสะท้อนกลับไปกลับมาจนหาทางส่งไปยังโหลดทั้งหมดจนได้ ดู รูปที่ 1 
เหตุผลก็คือเมื่อเกิดการสะท้อนกลับจากโหลด กำลังของคลื่นก็จะเดินทางกลับมายังเครื่องส่ง (อย่างไม่เกิดการสูญเสียระหว่างทาง เพราะสายนำสัญญาณที่ใช้ไม่มีการสูญเสีย) และเมื่อถึงเครื่องส่ง ก็จะสะท้อนกำลังกลับไปยังโหลดอีกครั้งหนึ่ง กลับไปกลับมาเช่นนี้จนสุดท้ายแล้วคลื่นที่ไม่มีทางหนีไปไหนได้ ไม่มีการสูญเสียไปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่นได้ ก็จะถูกบีบคั้นให้ออกไปยังโหลดได้ทั้งหมดในที่สุด (ตามหลักของการสงวนพลังงาน - conservation of energy)
แต่ในความเป็นจริงนั้นน่าเสียดายที่สายนำสัญญาณที่เราใช้งานกันนั้นไม่ได้เป็นแบบในอุดมคติ คือมีการสูญเสียพลังงานในระหว่างการเดินทางของคลื่นสมมติว่าเราใช้สายนำสัญญาณขนาด 50Ω เส้นหนึ่งที่มีการสูญเสีย 3dB (คือ กำลังงานจะหายไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นเช่นความร้อนในสายนำสัญญาณประมาณครึ่งหนึ่ง) ต่อกับโหลดที่มีอิมพิแดนซ์ 50Ω (แมทช์) จะเห็นว่าถ้าเราส่งกำลังจากเครื่องส่งวิทยุด้วยกำลัง 10 W กำลังงานที่ไปถึงสายอากาศจะเป็น 5 W ซึ่งเข้าใจได้ไม่ยาก ดูรูปที่ 2
คราวนี้มาดูกันว่า ถ้าสายนำสัญญาณก็มีการสูญเสีย และโหลดที่นำมาต่อก็ไม่แมทช์ จะเกิดอะไรขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคือมีการสูญเสียกับคลื่นทั้งที่เดินทางไปข้างหน้าหรือเดินทางกลับไปข้างหลัง รวมทั้งกลับไปกลับมาเมื่อเกิดการสะท้อนไปมาทั้งหมดอีก ทำให้พลังงานที่สามารถส่งผ่านไปยังโหลดหรือสายอากาศลดน้อยต่ำลงไปอีกในกรณีไม่แมทช์ ส่วนจะเป็นเท่าไรมากน้อยแค่ไหนนั้นสามารถคำนวณได้ แต่สำหรับพวกเราแล้วไม่ต้องจิ้มเครื่องคิดเลขตรงนี้ให้เวียนหัว ดูตารางในรูปที่ 3 ได้เลย ตารางนี้บอกเราว่านอกจากการสูญเสียตามปกติในสายนำสัญญาณแล้ว จะมีการสูญเสีย "พิเศษ" เพิ่มขึ้นอีกเท่าไรในกรณีที่โหลดไม่แมทช์กับสายนำสัญญาณนั้น
เช่น ถ้าเราต่อสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ 100Ω (ไม่แมทช์) จะเห็นว่ามีค่า VSWR เป็น 2:1 ถ้าเราย้อนกลับไปดู รูปที่ 3 จะเห็นว่าถ้าเราในสายนำสัญญาณที่มีการสูญเสีย 3dB (ดูแกนนอน) กับโหลดที่มี VSWR เป็น 2:1 จะทำให้เกิด "การสูญเสียเพิ่มเติม" ขึ้นไปอีก 0.35dB (ดูแกนตั้ง กับเส้น VSWR = 2 ตัดกับเส้นการสูญเสียในสายนำสัญญาณ 3dB ในแกนนอน) และกรณีนี้จะทำให้กำลังที่ส่งไปถึงโหลดในที่สุดเหลือเพียง 4.6 W (แทนที่จะเป็น 5 W ถ้าโหลดแมทช์กับสายนำสัญญาณ) ดู รูปที่4
นี่ก็จะเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เราทราบถึงการสูญเสียในสายนำสัญญาณว่าจะมีการสูญเสีย "เพิ่มเติม" เนื่องมาจากค่า VSWR ที่สูง แม้ไม่ได้มากมายอะไร แต่ก็ทำให้สายนำสัญญาณร้อนขึ้น (ก็เพราะมันสูญเสียเป็นความร้อนมากขึ้น - เกร็ดความรู้เรื่องค่าสูงสุดของโวลเตจในสายนำสัญญาณ) และในฐานะนักวิทยุสมัครเล่นที่มีคุณภาพก็ถือว่าเราจำเป็นต้องรู้ว่ามันมีอยู่ และทำให้เข้าใจว่าเรื่องของการแมทช์นั้นเป็นสิ่งสำคัญ แต่ก็ไม่ได้สำคัญมากที่สุดเท่ากับการติดตั้งสายอากาศให้ถูกตำแหน่ง การสร้างสายอากาศให้ถูกขนาด และอื่นๆ ซึ่งเราจะคุยกันในภายหลังครับ
รูปที่ 1 การสะท้อนกลับไปมาของกำลัง
ในสายนำสัญญาณแบบไม่มีการสูญเสีย
สุดท้ายแล้วกำลังทั้งหมดจะถูกส่ง
ไปถึงโหลดทั้งหมดคือ PS = PL
แม้ SWR > 1:1 ก็ตาม
(ขนาดคลื่นในภาพ not-to-scale)
(ขนาดคลื่นในภาพ not-to-scale)
เหตุผลก็คือเมื่อเกิดการสะท้อนกลับจากโหลด กำลังของคลื่นก็จะเดินทางกลับมายังเครื่องส่ง (อย่างไม่เกิดการสูญเสียระหว่างทาง เพราะสายนำสัญญาณที่ใช้ไม่มีการสูญเสีย) และเมื่อถึงเครื่องส่ง ก็จะสะท้อนกำลังกลับไปยังโหลดอีกครั้งหนึ่ง กลับไปกลับมาเช่นนี้จนสุดท้ายแล้วคลื่นที่ไม่มีทางหนีไปไหนได้ ไม่มีการสูญเสียไปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่นได้ ก็จะถูกบีบคั้นให้ออกไปยังโหลดได้ทั้งหมดในที่สุด (ตามหลักของการสงวนพลังงาน - conservation of energy)
แต่ในความเป็นจริงนั้นน่าเสียดายที่สายนำสัญญาณที่เราใช้งานกันนั้นไม่ได้เป็นแบบในอุดมคติ คือมีการสูญเสียพลังงานในระหว่างการเดินทางของคลื่นสมมติว่าเราใช้สายนำสัญญาณขนาด 50Ω เส้นหนึ่งที่มีการสูญเสีย 3dB (คือ กำลังงานจะหายไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่นเช่นความร้อนในสายนำสัญญาณประมาณครึ่งหนึ่ง) ต่อกับโหลดที่มีอิมพิแดนซ์ 50Ω (แมทช์) จะเห็นว่าถ้าเราส่งกำลังจากเครื่องส่งวิทยุด้วยกำลัง 10 W กำลังงานที่ไปถึงสายอากาศจะเป็น 5 W ซึ่งเข้าใจได้ไม่ยาก ดูรูปที่ 2
รูปที่ 2 กำลังงานที่ส่งผ่านไปยังสายอากาศ
(อิมพิแดนซ์แมทช์สมบูรณ์) ด้วยสายนำสัญญาณ
ที่สูญเสีย 3dB จะเหลือ 50% หรือครึ่งหนึ่ง
คราวนี้มาดูกันว่า ถ้าสายนำสัญญาณก็มีการสูญเสีย และโหลดที่นำมาต่อก็ไม่แมทช์ จะเกิดอะไรขึ้น สิ่งที่เกิดขึ้นคือมีการสูญเสียกับคลื่นทั้งที่เดินทางไปข้างหน้าหรือเดินทางกลับไปข้างหลัง รวมทั้งกลับไปกลับมาเมื่อเกิดการสะท้อนไปมาทั้งหมดอีก ทำให้พลังงานที่สามารถส่งผ่านไปยังโหลดหรือสายอากาศลดน้อยต่ำลงไปอีกในกรณีไม่แมทช์ ส่วนจะเป็นเท่าไรมากน้อยแค่ไหนนั้นสามารถคำนวณได้ แต่สำหรับพวกเราแล้วไม่ต้องจิ้มเครื่องคิดเลขตรงนี้ให้เวียนหัว ดูตารางในรูปที่ 3 ได้เลย ตารางนี้บอกเราว่านอกจากการสูญเสียตามปกติในสายนำสัญญาณแล้ว จะมีการสูญเสีย "พิเศษ" เพิ่มขึ้นอีกเท่าไรในกรณีที่โหลดไม่แมทช์กับสายนำสัญญาณนั้น
รูปที่ 3 แสดงการสูญเสียเพิ่มขึ้นจากการ
ไม่แมทช์ ในสายนำสัญญาณที่เราใช้กันจริงๆ
มีการสูญเสียภายในหลักอยู่ส่วนหนึ่ง และ
หากเกิดการไม่แมทช์ มีคลื่นนิ่งบนสายด้วย
จะมีการสูญเสียเพิ่มเติมเข้าไปอีก
เช่น ถ้าเราต่อสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ 100Ω (ไม่แมทช์) จะเห็นว่ามีค่า VSWR เป็น 2:1 ถ้าเราย้อนกลับไปดู รูปที่ 3 จะเห็นว่าถ้าเราในสายนำสัญญาณที่มีการสูญเสีย 3dB (ดูแกนนอน) กับโหลดที่มี VSWR เป็น 2:1 จะทำให้เกิด "การสูญเสียเพิ่มเติม" ขึ้นไปอีก 0.35dB (ดูแกนตั้ง กับเส้น VSWR = 2 ตัดกับเส้นการสูญเสียในสายนำสัญญาณ 3dB ในแกนนอน) และกรณีนี้จะทำให้กำลังที่ส่งไปถึงโหลดในที่สุดเหลือเพียง 4.6 W (แทนที่จะเป็น 5 W ถ้าโหลดแมทช์กับสายนำสัญญาณ) ดู รูปที่4
รูปที่ 4 การสูญเสียรวมที่เกิดขึ้นเมื่อต่อโหลด
แล้วมีอัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ
(VSWR) เป็น 2:1 จะทำให้สายนำสัญญาณ
ที่มีการสูญเสียปกติ (เมื่อแมทช์สมบูรณ์) 3dB
กลายเป็น 3.35dB
นี่ก็จะเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เราทราบถึงการสูญเสียในสายนำสัญญาณว่าจะมีการสูญเสีย "เพิ่มเติม" เนื่องมาจากค่า VSWR ที่สูง แม้ไม่ได้มากมายอะไร แต่ก็ทำให้สายนำสัญญาณร้อนขึ้น (ก็เพราะมันสูญเสียเป็นความร้อนมากขึ้น - เกร็ดความรู้เรื่องค่าสูงสุดของโวลเตจในสายนำสัญญาณ) และในฐานะนักวิทยุสมัครเล่นที่มีคุณภาพก็ถือว่าเราจำเป็นต้องรู้ว่ามันมีอยู่ และทำให้เข้าใจว่าเรื่องของการแมทช์นั้นเป็นสิ่งสำคัญ แต่ก็ไม่ได้สำคัญมากที่สุดเท่ากับการติดตั้งสายอากาศให้ถูกตำแหน่ง การสร้างสายอากาศให้ถูกขนาด และอื่นๆ ซึ่งเราจะคุยกันในภายหลังครับ
©Jitrayut Chunnabhata, 2016.
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 discouraged.
©2016 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ
เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และหลีกเลี่ยงการคัดบอกเนื้อหาไปเผยแพร่ซ้ำโดยตรง
