VSWR สูงแล้วเครื่องวิทยุจะเสียหายจริงหรือ



โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

สำหรับบุคคลทั่วไปที่ไม่ใช่นักวิทยุสมัครเล่นแล้วก็มักจะได้ใช้เครื่องวิทยุโทรทัศน์เหมือนกันแต่เขาเหล่านั้นจะใช้เครื่องในลักษณะของการได้รับสัญญาณเพียงอย่างเดียว จะเห็นได้ว่าสำหรับบุคคลทั่วไปนั้นไม่เคยต้องรู้เรื่องคำว่าอิมพิแดนซ์ (คือ Z ซึ่งเป็นความต้านทางเชิงซ้อน ประกอบไปด้วยความต้านทานทางกระแสตรง R และรีแอคแตนซ์ที่ขึ้นกับความถี่ X รวมเป็น Z = R ± jX นั่นเอง) ของสายอากาศหรือคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณหรืออื่นๆ เลย แต่ก็ใช้บรรดาวิทยุหรือเครื่องรับโทรทัศน์ต่างๆ ได้อย่างมีความสุข เหตุผลก็เพราะว่าในการรับสัญญาณนั้นคลื่นที่อยู่ในสายนำสัญญาณมักมีกำลัง (คลื่น / ไฟฟ้า) ต่ำมาก ความไม่เข้ากันระหว่างอิมพิแดนซ์ของสายอากาศและสายนำสัญญาณจึงไม่ได้สร้างปัญหาให้มากนัก นอกจากนั้นยังไม่มีความเสี่ยงที่วงจรภาครับจะเสียหายอันเนื่องมาจากความไม่เข้ากันต่างๆเหล่านี้ด้วย

แต่เมื่อเรากลายเป็นนักวิทยุสมัครเล่นเราจึงมีโอกาสได้ใช้เครื่องวิทยุที่มีความสามารถในการส่งสัญญาณวิทยุได้ เมื่อนั้นเองเรามักถูกสอนต่อๆ กันมาว่าต้องพยายามทำสายอากาศหรือต่อเชื่อมด้วยวิธีการใดก็ตามเพื่อทำให้ค่า VSWR ต่ำที่สุด (ใกล้เคียง 1.0:1 ที่สุด) ไม่เช่นนั้นแล้วเครื่องส่งอาจจะเสียหายได้

แล้วจริงหรือไม่

กับคำสอนคำบอกเล่าต่อๆ กันมาว่าเราต้องทำระบบที่มีค่า VSWR ต่ำที่สุดไม่เช่นนั้นแล้วเครื่องส่งวิทยุอาจจะเสียหายได้ คำสอนนี้เป็นความจริงแต่ก็เพียงครึ่งเดียวเนื่องจากมีองค์ประกอบอื่นๆ อีก ดังเราจะเห็นว่าหลายครั้งที่เราลืมต่อสายอากาศแล้วกดคีย์ออกอากาศออกไป ก็ไม่เห็นเครื่องส่งจะเสียหายเลย (ซึ่งที่จริงแล้ว การลัดวงจรที่ขั้วของเครื่องมีโอกาสเสียหายมากกว่า) ทำให้เราอาจจะเริ่มงงว่าเมื่อไรจะเสียหายหรือไม่กันแน่

อิมพิแดนซ์ที่เปลี่ยนไปเนื่องจากสายนำสัญญาณ

ถ้าสายอากาศของเรามีอิมพิแดนซ์ที่ขั้วต่อเป็น 50 Ω การต่อสายนำสัญญาณที่มีความต้านทานจำเพาะ 50 Ω กรณีแบบนี้เรียกว่าเกิดการแมทช์ ดังนั้นไม่ว่าสายนำสัญญาณจะยาวเท่าใด อิมพิแดนซ์ที่ขั้วอีกด้านหนึ่งจะเป็น 50 Ω เสมอ  ค่าอัตราส่วนโวลเตจที่สูงสุดและต่ำสุดของคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ (Voltage Standing Wave Ratio หรือ VSWR) เป็น 1:1 และเครื่องส่งของเราก็จะปลอดภัย (ดูรูปที่ 1)

รูปที่ 1 ถ้าเราต่อสายนำสัญญาณที่มีความต้านทาน

เฉพาะตัวเท่ากับโหลด ที่ปลายนำสัญญาณอีก

ด้านหนึ่งจะเห็นอิมพิแดนซ์เท่ากับโหลดเสมอ

(และเท่ากับความต้านทานเฉพาะตัวของ

สายนำสัญญาณนั้นด้วย) ไม่ว่าสาย

นำสัญญาณนั้นจะยาว (ℓ) เท่าไร   และไม่มี

คลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ VSWR เป็น 1.0:1

แต่ ถ้าสายอากาศของเราไม่ได้มีอิมพิแดนซ์ที่ขั้วต่อเป็น 50 Ω (คือมีค่าต่างจากความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณที่ต่อจากขั้วสายอากาศออกมา) คราวนี้ล่ะที่สายนำสัญญาณจะทำตัวเป็นตัวแปลงอิมพิแดนซ์ จากอิมพิแดนซ์ของสายอากาศที่ไม่ใช่ 50 Ω นั้นไปเป็นค่าอื่น ซึ่งจะเป็นค่าเท่าไรจะขึ้นกับ

• อิมพิแดนซ์ของสายอากาศ
• ความยาวของสายนำสัญญาณ
• ความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณ (กรณีของเรามักจะเป็น 50 Ω แต่ถ้าเราเอาสายนำสัญญาณ 75 Ω มาต่อ ก็มีผลต่างออกไป)
• ดูรูปที่ 2

รูปที่ 2 ถ้าเราต่อสายอากาศหรือโหลด (Z_ant)

ที่อิมพิแดนซ์ต่างจากความต้านทานเฉพาะตัว

ของสายนำสัญญาณ (Z₀) เข้าด้วยกัน เช่น โหลด

 ≠ 50Ω เข้ากับสายนำสัญญาณ 50Ω  จะทำให้

มีการแปลงอิมพิแดนซ์ไปเป็นค่าอื่น (Z_in) ที่

ปลายอีกด้านหนึ่งของสายนำสัญญาณ

เราสามารถคำนวณอิมพิแดนซ์ Z_in ในรูปที่ 2 ได้จากสมการในรูปที่ 3  (อ่านเรื่อง ความต้านทานที่เปลี่ยนไปตามสายนำสัญญาณ ประกอบ) ซึ่งดูยุ่งยากสำหรับทุกคนรวมทั้งวิศวกรด้านการสื่อสารด้วย จึงมีผู้คิดแผนผังที่ทำให้การคำนวนอิมพิแดนซ์ที่เปลี่ยนไปจากผลของสายนำสัญญาณที่ความยาวต่างกันที่ง่ายขึ้น อ่านเรื่อง การใช้งานสมิทชาร์ท ประกอบ)

รูปที่ 3 จากทฤษฎีสายนำสัญญาณ เราสามารถ

คำนวณอิมพิแดนซ์ที่ปลายสายนำสัญญาณอีก

ข้างหนึ่ง (Z_in) ได้ เมื่อ

Z₀ คือความต้านทานเฉพาะตัวของสายนำสัญญาณ

Z_L คืออิมพิแดนซ์ของสายอากาศหรือโหลด

ℓ เป็นความยาวทางไฟฟ้าของสายนำสัญญาณ

  Z_in คืออิมพิแดนซ์ที่ปลายสายอีกข้างหนึ่ง

โดยสรุปก็คือเมื่อเราต่อสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ที่ขั้วต่อไม่เท่ากับความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณที่นำมาต่อด้วย สายนำสัญญาณก็จะแปลงค่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศไปเป็นค่าอื่นๆ ที่บางครั้งก็เป็นค่าความต้านทานล้วนๆ ต่างๆ กันไป ทั้งมากกว่าและน้อยกว่า 50Ω บางทีก็เป็นค่าความต้านทานอื่นๆ ผสมรวมกับค่ารีแอคแตนซ์ (± j) ทั้งที่เป็นรีแอคแตนของความเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าและความจุไฟฟ้า ในขณะเดียวกันก็จะมีคลื่นนิ่งเกิดขึ้นในสายนำสัญญาณซึ่งทำให้ค่า VSWR สูงกว่า 1:1  ด้วย

แล้วอะไรทำให้เครื่องวิทยุเสียหาย

เมื่อมีคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณที่เป็นผลรวมของคลื่นที่วิ่งไปข้างหน้าและที่สะท้อนกลับมาจากจุดที่อิมพิแดนซ์ต่างกันและทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้ากระเพื่อมขึ้นลง (Vmin, Vmax อ่านเรื่อง Vmax และ Vmin ของคลื่นนิ่งบนสายนำสัญญาณ ประกอบ) จุดที่เกิดการกระเพื่อมนี้จะมีตำแหน่งขึ้นกับอิมพิแดนซ์ของสายอากาศที่เราใช้งานอยู่ ถ้าจุดที่เกิด Imax (เป็นจุดที่เกิด Vmin) หรือที่เกิด Imin (เป็นจุดเดียวกับที่เกิด Vmax) ไปตรงกับขาออกของเครื่องส่งวิทยุ "ผิดที่ผิดเวลา" ก็จะทำให้เครื่องส่งเสียหายได้ (ดูรูปที่ 4) ในทางกลับกันแม้ค่า VSWR ในสายนำสัญญาณมีค่าสูงแต่ตำแหน่งที่เกิด Imax ไม่ได้อยู่ที่ภาคขาออกของเครื่องวิทยุพอดี ก็คงไม่ทำให้เครื่องวิทยุเสียหาย (แต่อย่าลองเลย)

รูปที่ 4 เมื่อเกิดการ mismatch จะมี

คลื่นนิ่ง (สีส้ม) เกิดในสายนำสัญญาณ

คลื่นนิ่งจะมีจุดสูงสุดและต่ำสุดของโวลเตจ

ที่จะเป็นจุดที่มีกระแสต่ำสุดและสูงสุด

ตามลำดับ ถ้า VSWR สูงมากจริงๆ

และตำแหน่งของโวลเตจและกระแส

เหล่านี้อยู่ผิดที่ (จึง)จะทำให้

ภาคขาออกของเครื่องส่งเสียหาย

โดยสรุป

• ค่า VSWR ที่สูงในสายนำสัญญาณไม่ได้ทำให้เครื่องส่งวิทยุเสียหายเสมอไป
• เครื่องส่งไม่ได้พังง่ายๆ แม้แต่การ Open Circuit (ลืมต่อสายอากาศจากท้ายเครื่อง) ของเครื่องแบบ Solid State (ทรานซิสเตอร์) เครื่องส่งก็มักไม่พังทั้งที่ SWR สูงมากในกรณีนั้น (เพราะไม่มีกระแสไหล)
• แต่ถ้า SWR สูง และจุดสูงสุดของกระแส (Imax) อยู่ตรงเครื่องส่งแบบ Solid State พอดี อาจจะทำให้เครื่องส่งพังได้ เพราะที่จุดนั้นมี Vmin บนสายนำสัญญาณ นั่นคือศักดาที่เหลือจำนวนมาก จะไปตกคร่อมบนอุปกรณ์ขาออกของเครื่องส่ง เมื่อประกอบกับกระแสจำนวนมาก ทำให้มีกำลังงานตกคร่อมอุปกรณ์ขาออกจำนวนมาก (P=Imax x Vmax|ตกคร่อมอุปกรณ์ขาออก) นั่นเอง
• และถ้า SWR สูง และจุดสูงสุดของโวลเตจ (Vmax) อยู่ตรงเครื่องส่งแบบหลอดสุญญากาศพอดี อาจจะทำให้เครื่องส่งพังได้

อ้างอิง