สายอากาศ ยากิ-อูดะ ทำงานอย่างไร



โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

เพื่อนนักวิทยุหลายคนคงทราบดีว่าสายอากาศนั้นมีหน้าที่เป็นตัวแปลงพลังงานอย่างหนึ่ง คือแปลงจากพลังงานไฟฟ้าในรูปของคลื่นที่วิ่งในสายนำสัญญาณ (อยู่ในรูปของศักดาและกระแส) ไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพ ร่กระจายไปในอากาศ สายอากาศมีหลายรูปแบบ หลายการออกแบบ ด้วยความต้องการการใช้งานที่ต่างกัน เช่น ต้องการให้เล็กเป็นพิเศษ ต้องการให้แพร่กระจายคลื่นได้รอบตัวที่สุด หรือตรงกันข้ามคือต้องการให้แพร่กระจายคลื่นไปในทิศทางใดเป็นพิเศษให้มากที่่สุด หรือในทางกลับกันคือ อาจจะต้องการให้แพร่กระจายคลื่น (และรับคลื่น) ได้น้อยที่สุดในบางมุม ทั้งนี้ก็ขึ้นกับว่าผู้ออกแบบและใช้งานต้องการอย่างไร

สายอากาศยากิ-อูดะ

สายอากาศแบบหนึ่งที่เราคุ้นเคยกันดี แต่ในชื่อเสียงว่ามีอัตราขยาย (gain) สูง ก็คือสายอากาศยากิ-อูดะ (เพราะคนออกแบบมีสองคนคือ ฮิเดซากุ ยากิ และ ชินทาโร อูดะ ดังนั้นเมื่อเราเรียกชื่อที่ถูกต้อง ก็ควรเป็น ยากิ-อูดะ เพื่อเป็นการให้เกียรติทั้งสองท่าน) โดยอัตราขยายนี้ก็คือความแรงของคลื่นในทิศที่แรงที่สุดเมื่อเทียบกับความแรงของคลื่นที่ออกมาจากสายอากาศสมมติไอโซทรอปิค (Isotropic) ซึ่งกระจายคลื่นออกรอบๆ ตัวเท่ากันทุกทิศทางในสามมิติ (เป็นทรงกลม) เมื่อป้อนกำลังไฟฟ้าเท่ากัน นั่นคืออัตราขยายที่ว่านี้ไม่ได้แปลว่าจะทำให้กำลังส่งจากเครื่องส่ง 10 วัตต์ไปออกอากาศรวมแล้วมากกว่า 10 วัตต์ไปได้ (เป็นไปไม่ได้ในทฤษฎีการสงวนพลังงาน - Conservation of Energy Theory) แด่หมายความว่ามันมีความแรงในการส่งไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าปกติ และมากกว่าของสายอากาศแบบ Isotropic เท่าไร (กี่เท่า) แค่นั้นเอง

ลักษณะของสายอากาศยากิ-อูดะจะเป็นเหมือนก้างปลาที่เราคุ้นเคยกัน และที่เราทราบกันคร่าวๆ ก็คือยิ่งมีก้างเยอะ (จำนวน element มาก) ก็จะมีอัตราขยายสูงขึ้น (ใกล้เคียง แต่ไม่ถูกต้องทั้งหมด เอ๊ะ ทำไมล่ะ อ่านต่อไปก่อนครับ) แต่ก่อนจะไปถึงรายละเอียด เรามาดูกันก่อนว่าสายอากาศ ยากิ-อูดะ ทำงานอย่างไรกันก่อนครับ

สายอากาศยากิ-อูดะทำงานอย่างไร

ทฤษฎีการทำงานของสายอากาศชนิดนี้ สามารถอธิบายได้หลายแนวทาง บางแนวทางนั้นเป็นแบบคณิตศาสตร์ซึ่งซับซ้อนและเข้าใจได้ยาก แต่ถ้าเราอธิบายโดยใช้หลักการแบบพื้นฐานโดยมุ่งให้เห็นภาพการทำงาน จะเข้าใจได้ง่ายกว่าและไม่ได้ผิดหลักการทำงานที่เกิดขึ้นจริงด้วย

หลักการของสายอากาศ ยากิ-อูดะ คือเราสร้างตัวแพร่กระจายคลื่นหลักโดยสายนำสัญญาณให้กับตัวแพร่กระจายคลื่นนี้ เรียกว่า driven element (ตัวขับ) ซึ่งจะแพร่กระจายคลื่นออกไปรอบๆ ตัวมัน จากนั้นเราก็นำเอาตัวนำอื่น (เรียกว่า parasitic element) มาวางไว้ใกล้ๆ ตัวขับดังกล่าว ซึ่งจะวางไว้ใกล้ในอาณาบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า near field ของตัวขับ (อ่านเรื่อง near field / induction field ด้านล่าง) เมื่อตัวนำอื่น ได้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากตัวขับ ก็จะเกิดกระแสไหลในตัวมัน และเมื่อมีกระแสไหลในตัวมัน ก็จะแพร่กระจายคลื่นออกมาอีกครั้งหนึ่ง (เรียกว่า re-radiate) แต่เนื่องจาก

• มีระยะระหว่าง driven element กับ parasitic element
• ความยาวของ parasitic element จะยาวหรือสั้นกว่าความยาวปกติ (ซึ่งคือความยาว resonance ทางไฟฟ้า) จึงทำให้เฟสของกระแสที่ไหลใน parasitic element ช้า หรือ เร็ว กว่าปกติ
• ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติ เฟสจะช้าลงไป ในทางตรงกันข้ามถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติ เฟสจะเร็วขึ้น

สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ คลื่นจาก driven element กับคลื่นจาก parasitic element ต่างๆ จะเกิดการรวมกันทางขนาดและเฟส ทำให้เกิดการเสริมกันในบางทิศทางและหักล้างกันในบางทิศทาง แต่เนื่องจากบรรดา parasitic element ต่างๆ ไม่ได้ถูกขับหรือป้อนสัญญาณจากสายนำสัญญาณตรงๆ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถควบคุมขนาดและเฟสของกระแสในตัวมันได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะขึ้นกับระยะทางระหว่าง driven element กับ parasitic element และความสั้นยาวกว่าปกติของ parasitic element นั่นเอง หรือพูดอีกทีก็คือเราคงไม่สามารถควบคุมให้เกิดการเสริมหรือหักล้างกันทางเฟสได้อย่างสมบูรณ์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง อย่างไรก็ตามผลที่เกิดขึ้นก็ใช้ได้ดีพอสมควร และทำให้เกิดอัตราขยายด้านหน้าสูงและด้านหลังต่ำ ทำให้ได้อัตราส่วนระหว่างอัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) สูงและใช้งานได้ดี

 

รูปที่ 1 (a) สายอากาศไดโพลวางแนวดิ่ง 

ทำหน้าที่เป็น driven element  แพทเทิร์น

การกระจายคลื่นที่ดีที่สุดในแนวระดับ

(elevation) จะตั้งฉากกับไดโพล ในขณะที่

(b) ในมุมรอบตัว (azimuth) แล้วจะแพร่

กระจายคลื่นออกรอบๆ ตัว เท่าๆ กัน

 

รูปที่ 2 (a) สายอากาศยากิ-อูดะ มี driven element

(1) สร้างคลื่นหลัก (สีแดง) ไปกระทบรีเฟล็คเตอร์ (2)

ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในรีเฟล็คเตอร์และ

สร้างคลื่นกลับ (re-radiate) ออกมา (สีเขียว)

เมื่อคลื่นสีน้ำแดงและเขียวผสมกันทางขนาด

และเฟส จะได้แพทเทิร์นรวมในแนวราบ

(azimuth) เป็นรูปร่างสีน้ำตาลในรูป (b)

 



ความยาวหรือสั้นของ parasitic element มีผลอย่างไร

ความยาวของตัวนำกาฝาก หรือ parasitic element มีผลต่อเฟสของกระแสที่ไหลในตัวมันคือ

• ถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติมันจะมีความเป็นตัวเก็บประจุ (capacitive) กระแสจะนำโวลเตจในตัวนำ parasitic นั้น และกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้นนี้จะมีเฟสที่ทำให้สายอากาศรวมมีคลื่นจำนวนมากกว่าออกมาทางด้าน parasitic element จึงเรียกว่าตัวชี้ทิศหรือ director การทำให้เป็นความจุทางไฟฟ้าอาจจะทำโดยการจูนให้มีความถี่สูงกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของ driven element อาจจะโดยเพิ่มตัวเก็บประจุก็ได้ แต่ปกติมักจะทำให้สั้นกว่า driven element ประมาณ 5%
• ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติมันจะมีความเป็นความเหนี่ยวนำ (inductive) กระแสจะตามโวลเตจในตัวนำ parasitic นั้น และจะสะท้อนคลื่นออกไปจาก parasitic element ทำให้สายอากาศรวมมีคลื่นจำนวนมากกว่าออกไปด้านตรงกันข้ามกับ parasitic element จึงเรียกว่าตัวสะท้อนหรือ reflector การทำให้เป็นความเหนี่ยวนำอาจจะทำโดยการจูนให้มีความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของ driven element อาจจะโดยเพิ่มตัวเหนี่ยวนำก็ได้ แต่ปกติมักจะทำให้ยาวกว่า driven element ประมาณ 5%

รูปที่ 3 สายอากาศ Yagi-Uda แบบ 3 element 

จะเห็นว่าเราให้ reflector (1) และ director (3)

ยาวและสั้นกว่า driven element (1) ประมาณ 5%

 ในการออกแบบเราสามารถขยับระยะต่างๆ ได้

(ลูกศรสี ชมพู และ ส้ม)



ผลที่เกิดจาก director และ reflector

Director

ไดเร็คเตอร์ คือโลหะที่มีลักษณะสั้นกว่า driven element และวางไว้ "ด้านหน้า" ของ driven element และมีหน้าที่ทำให้ทิศทางคลื่นไปในทางของมัน จำนวนเกนที่สูงขึ้นขึ้นอยู่กับความยาวของสายอากาศ (ความยาวของบูม) ไม่ใช่จำนวนของ director ที่ใช้ ระยะห่างระหว่าง director มีได้ตั้งแต่ 0.1 ถึง 0.5 λ หรืออาจจะมากกว่าตามการออกแบบ

ถ้าออกแบบได้ดี

• director ชิ้นแรกจะเพิ่มเกนประมาณ 3dB จากเกนรวม
• director ชิ้นที่สองจะเพิ่มได้อีกราว 2dB
• director ชิ้นที่สามจะเพิ่มได้อีกราว 1.5dB 

ยิ่งชิ้นห่างๆ ไปยิ่งมีผลน้อยลง ถ้าพูดถึงการได้เกน (gain - อัตราขยาย) ที่ดี ก็จะวางระยะระหว่างไว้ราวๆ 0.15-0.3 λ ถ้าเกินกว่านั้นไม่ช่วยให้เกนดีขึ้น

 

Reflector
รีเฟล็คเตอร์ คือโลหะที่มีลักษณะยาวกว่า driven element และวางไว้ "ด้านหลัง" ของ driven element และมีหน้าที่ทำให้ทิศทางคลื่นไปในทางตรงกันข้ามกับมัน รีเฟล็คเตอร์ จะมีความถี่เรโซแนนซ์ต่ำกว่า และยาวกว่า driven element ประมาณ 5% ความยาวก็อาจจะเปลี่ยนไปได้ตามระยะทางและความอ้วน/ผอมของรีเฟล็คเตอร์เอง (ไดเร็คเตอร์ก็เหมือนกัน) ระยะห่างของรีเฟล็คเตอร์จะอยู่ประมาณ 0.1 ถึง 0.25 λ ทำให้เกนสูงขึ้นประมาณ 2.5dB ถ้าระยะเกินจาก 0.3 λ ไปก็ไม่ช่วยทำให้เกนสูงขึ้นอีก) รีเฟล็คเตอร์มีความสำคัญในการควบคุมอัตราส่วนระหว่างอัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) ของสายอากาศ ระยะ/ตำแหน่งของมันจะมีผลต่ออัตราขยาย, front to back ratio, ลักษณะรูปร่างของ side lobe ปกติแล้วสายอากาศจะมี reflector เพียงอันเดียว เพราะการมีมากกว่านั้นจะมีผลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

การประนีประนอมในการออกแบบ (Trade-offs)

จะเห็นว่าโดยหลักการแล้ว สายอากาศ ยากิ-อูดะ นั้น ประกอบไปด้วยตัวขับ (driven element) หนึ่งตัว กับ ไดเร็คเตอร์ และ/หรือ รีเฟล็คเตอร์ อีกอย่างน้อยหนึ่งตัว นั่นคือจะมี driven element + reflector เท่านั้น หรือจะเป็น driven element + director เท่านั้น ก็เป็นสายอากาศ ยากิ-อูดะ แล้ว จากนั้นก็มีการเพิ่มไดเร็คเตอร์ และ/หรือ รีเฟล็คเตอร์ต่อไปได้อีก (แต่อย่างที่กล่าวไว้ด้านบน เรามักจะไม่มีรีเฟล็คเตอร์เกินหนึ่งตัว เพราะไม่ช่วยเรื่องอัตราขยายนัก) ทีนี้ในการวางตำแหน่งของบรรดา ไดเร็คเตอร์ และ รีเฟล็คเตอร์ (ที่รวมเรียกว่าเป็น parasitic element) เหล่านี้ ก็มีผลต่อสิ่งต่างๆ และต้องเลือกเอา คือได้อย่างก็จะเสียอีกอย่าง คือ

• ถ้าวางไดเร็คเตอร์ที่มีขนาดเท่ากัน ไว้ในตำแหน่งห่างเท่าๆ กัน จะทำให้ได้เกนที่สูงที่ความถี่หนึ่ง แต่แบนด์วิดธ์ก็จะแคบและมี side lobe ใหญ่
• ตำแหน่งที่ห่างขึ้น จะทำให้แบนด์วิดธ์กว้างขึ้น แต่ side lobe ใหญ่
• ดังนั้นการปรับความยาวและตำแหน่งของไดเร็คเตอร์ จะทำให้ควบคุมแพทเทิร์นและแบนด์วิดธ์ได้ดีขึ้น
• จำนวนไดเร็คเตอร์ที่มากขึ้น แต่อยู่ในความยาวบูมเดิม จะไม่ทำให้อัตราขยาย (gain) สูงขึ้นสักเท่าไร แต่จะทำให้ควบคุมแพทเทิร์นได้ในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น
• ถ้าเราลดความยาวของไดเร็คเตอร์ไปเรื่อยๆ (ไดเร็คเตอร์ตัวที่ไกลจาก driven element ออกไปๆ จะสั้นลงๆ) ด้วยสัดส่วนหนึ่ง และ เพิ่มระยะของตำแหน่งของไดเร็คเตอร์ไปด้วยอีกสัดส่วนหนึ่ง ก็จะได้แพทเทิร์นสวยงาม (side lobe น้อย) และมีแบนด์วิดธ์กว้าง แต่ เกนด้านหน้าจะต่ำลง (10-15%)

นั่นคือ เมื่อเราเปลี่ยนแปลงอะไรสักอย่างของสายอากาศ ก็จะกระทบอย่างอื่นไปด้วยนั่นเอง

รูปที่ 4 การปรับระยะมีผลต่อ front-to-back ratio

และแพทเทิร์น บางครั้งเราต้องการแพทเทิร์น

ที่ราบเรียบสวยงาม ไม่มี side lobe ก็ยอมจัด

ระยะต่างๆ โดยอัตราส่วน front-to-back ratio 

ไม่ดีมากนักก็ได้ เช่นยอมได้

 F/B ratio = 10 log (P­_front/P_back) 

หน่วยเป็น dB ; P=Power

 

รูปที่ 5 ในบางกรณีเราต้องการ front-to-back ratio

สูง โดยยอมให้แพทเทิร์นรวมไม่สวยนัก

คือมี side lobe เกิดขึ้นบ้าง

 



Near/Induction Field คืออะไร

คือบริเวณที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำได้ ลักษณะเช่น เราเอาหลอดฟลูออเรสเซนส์ไปไว้บริเวณใกล้ๆ สายส่งไฟฟ้าแรงสูง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายส่งไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้ประจุในหลอดแตกตัวและทำให้หลอดไฟสว่างได้ (ลองเอาวิทยุมือถือ ใส่สายอากาศยาง แล้วกดใกล้ๆ หลอดไฟแบบฟลูออเรสเซนส์ก็ได้ ก็จะสว่างเหมือนกัน) แต่ ถ้าเราเอาหลอดไฟออกห่างจากสายส่งไฟฟ้าแรงสูงมาก หรือ ห่างจากวิทยุมือถือ-สายอากาศยางมาก จะไม่เกิดการสว่างนี้ ระยะที่เกิดการสว่างได้คือ Near Field หรือ Induction Field

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการเหนี่ยวนำจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบไม่สัมผัส เช่น แปรงสีฟันไฟฟ้า ก็จะใช้งานสิ่งที่เรียกว่า induction field เช่นกัน

รูปที่ 6 แสดงการเหนี่ยวนำที่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่อยู่ในบริเวณใกล้กัน



ความเข้าใจในเรื่องของ near หรือ induction field นี้สำคัญมาก เพราะจะทำให้เรานึกภาพออกได้ว่า เมื่อเราวาง reflector และ/หรือ director เอาไว้ใกล้ๆ (อยู่ในระยะ near / induction field) driven element แล้ว ทั้งๆ ที่ไม่ได้มีสายนำสัญญาณป้อนให้กับ reflector และ/หรือ director เหล่านั้นโดยตรง การเหนี่ยวนำจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลใน reflector และ/หรือ director ได้ และเมื่อมีกระแสไหล ก็จะมีการแพร่กระจายคลื่นซ้ำ หรือที่เรียกว่า re-radiate ได้ และเกิดการรวม หรือ หักล้าง กันทางขนาดและเฟสของคลื่นที่มาจาก element ต่างๆ เกิดเป็นลักษณะการแพร่กระจายคลื่น (pattern) ที่เราต้องการนั่นเอง