แน่นอนว่านักวิทยุสมัครเล่นแทบทุกคนน่าจะรู้จักคำว่า กราวด์ (ground) ซึ่งแต่ละคนก็อาจจะรู้จักแตกต่างกันไปในรูปแบบที่ไม่เหมือนกัน บางคนก็บอกว่าต้องลงกราวด์เพื่อไฟจะได้ไม่ดูด บางคนบอกว่าเพื่อป้องกันฟ้าผ่า ซึ่งทุกคำตอบล้วนมีส่วนถูกต้องทั้งสิ้นนั่นล่ะครับ เพียงแต่อาจจะเน้นไปที่กราวด์ของระบบไฟฟ้าที่ไม่ใช่ RF ground ที่เรากำลังจะพูดถึงนี้ กราวด์ของระบบไฟฟ้า
ถึงแม้จะไม่เกี่ยวกับเรื่องในบทความนี้ แต่ในเมื่อเป็นทางผ่าน ก็ขอพูดถึงสักหน่อยเพราะเห็นได้ชัดเจนกว่า กราวด์อย่างแรกที่เราควรรู้จักก็คือกราวด์ระบบหรือ Utility Ground ซึ่งคือจุดที่เป็นศักดา 0 โวลท์ของระบบ โดยปกติแล้วในอาคารต่างๆ จุดกราวด์ระบบก็จะตอกแท่งทองแดงลึกประมาณ 2-3 เมตร จำนวน 1-3 แท่ง (บางกรณีที่ดินมีความต้านทานสูงอาจจะต้องใช้มากกว่านั้น) จุดกราวด์ระบบนี้มีไว้เพื่อความปลอดภัยในการป้องกันไฟฟ้าดูดผู้ใช้ไฟฟ้า และเพื่อให้เครื่องใช้ไฟฟ้าและระบบไฟฟ้า (รวมทั้งระบบป้องกันไฟฟ้าต่างๆ) ทำงานได้อย่างถูกต้อง อย่างไรก็ตามกราวด์ระบบนั้นเป็นคนละเรื่องเดียวกันกับ RF Ground ซึ่งเราจะพูดถึงกันต่อไปนี้ครับ (อ้าว)
RF Ground
สิ่งที่ใกล้ตัวที่สุด และที่เราคุ้นเคยเกี่ยวกับ RF Ground ก็คือ “กราวด์เพลน” ของสายอากาศที่เราใช้นั่นเอง ซึ่งโดยทั่วไปเราจะเห็น (และเป็นสิ่งถูกต้อง) ว่า ขนาดและตำแหน่งของกราวด์เพลนจะต้องถูกขนาดและอยู่ถูกที่ ต่างจากกราวด์ระบบที่จะเลี้ยวเลื้อยไปทางไหนก็คงไม่มีปัญหานักตราบใดที่ยังมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำและมีศักดาตกคร่อมต่ำเมื่อมีกระแสไหลผ่านอยู่ และที่สำคัญกว่านั้นคือ RF Ground นั้นไม่ได้เป็นจุดอ้างอิง 0 โวลท์ทางไฟฟ้าแบบที่กราวด์ระบบเป็นแต่อย่างใด หากแต่เป็น “ส่วนหนึ่งที่ทำให้การทำงานของสายอากาศครบวงจรได้” เอาล่ะสิ ถึงตรงนี้เชื่อว่าผู้อ่านหลายๆ ท่านคงงงกว่าเดิมเป็นแน่
การ “ครบวงจร” ของสายอากาศนั้นค่อนข้างซับซ้อน เพราะไม่ได้หมายถึงว่ากระแสจะต้องไหลถึงกันได้จึงถือว่าครบวงจร แถมยังมีสายอากาศบางแบบที่ไม่ต้องการกราวด์เพลนอีก ถ้าอย่างนั้นก็หมายถึงว่าไม่ครบวงจรล่ะสิ (ก็ไม่ใช่อีก)
การครบวงจรของสายอากาศ
ที่จริงเป็นเรื่องที่ซับซ้อน การอธิบายที่ดีที่สุดอาจจะเป็นด้วยยกตัวอย่าง ลองค่อยๆ ดูตามภาพต่อไปนี้นะครับ
รูปที่ 1 สายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
รูปที่ 1 แสดงสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล เป็นสายอากาศที่ครบวงจรในตัวเองจะเห็นว่ากระแสไหลครบวงจรได้ในตัวเอง มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนประมาณ 300 Ω
รูปที่ 2 สายอากาศเจโพล
รูปที่ 2 เป็นสายอากาศแบบเจโพล ที่จริงแล้วคือสายอากาศแบบครึ่งคลื่น (ซึ่งจุดป้อนมีอิมพิแดนซ์สูงมาก คือ 1,000 Ω ขึ้นไป) แล้วถูกปรับอิมพิแดนซ์ลงมาเหลือประมาณ 50 Ω ด้วยควอเตอร์เวฟสตับแมทชิ่ง (¼λ stub matching) เพื่อให้เหมาะกับการป้อนด้วยสายนำสัญญาณแบบ 50 Ω เนื่องจากที่ปลายของส่วนแพร่กระจายคลื่น (½λ) มีอิมพิแดนซ์สูงมาก กระแสที่จุดนั้นจึงต่ำมาก ไม่จำเป็นต้องพยายามหาการครบวงจรเท่าไรนัก เมื่อนำมาต่อกับควอเตอร์เวฟสตับแมทชิ่งและนำสายนำสัญญาณมาป้อนในวงจรสตับ จึงทำให้สายอากาศเจโพลเป็นสายอากาศที่ครบวงจรในตัวเอง และไม่ต้องการ RF Ground สายอากาศแบบ Magnetic Loop ก็อยู่ในจำพวกนี้เช่นกันที่ไม่ต้องการ RF ground เพิ่มเติมอีก
รูปที่ 3 สายอากาศไดโพล
(ก) ไดโพลปกติ (ข) เมื่อเราเอา
"ก้าน" ไดโพลออกเสียข้างหนึ่ง
จะเห็นว่ากระแสพยายามไหลให้
ครบวงจรโดยผ่านความจุดไฟฟ้า
แฝงที่มีอยู่ระหว่างตัวนำไฟฟ้า
จะเห็นว่ากระแสพยายามไหลให้
ครบวงจรโดยผ่านความจุดไฟฟ้า
แฝงที่มีอยู่ระหว่างตัวนำไฟฟ้า
รูปที่ 3 เป็นสายอากาศแบบไดโพล ที่เรารู้จักกันดี จะเห็นว่าตัวนำด้านในของสายนำสัญญาณถูกต่อเข้ากับตัวนำด้านหนึ่งของสายอากาศ และตัวนำด้านนอกของสายนำสัญญาณจะถูกต่อเข้ากับตัวนั้นอีกด้านหนึ่งของสายอากาศ (ดูรูป ก.) และเกิดการครบวงจรได้ ตัวนำชิ้นที่ต่อกับตัวนำด้านนอก (คือส่วนที่เป็นทองแดงถักหรือที่เรียกกันว่าส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณ) ก็ทำหน้าที่เป็น RF Ground ไปด้วยในกรณีนี้
คราวนี้ ถ้าตัวนำด้านนอกของสายนำสัญญาณไม่ถูกต่อที่ไหนเลย (ดูรูป ข.) จะเห็นว่าไม่เกิดการครบวงจรของสายอากาศ แต่ไฟฟ้าความถี่สูงก็จะพยายามครบวงจรของมัน โดยพยายามไปครบวงจรที่เปลือกด้านนอกของสายนำสัญญาณโดยผ่านสิ่งที่เรียกว่า Parasitic Capacitance (ความจุไฟฟ้าแฝง ระหว่างแท่งตัวนำที่ต่อกับแกนกลางของสายนำสัญญาณ กับ ส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณ) แทน
รูปที่ 4 สายอากาศควอเตอร์เวฟ
รูปที่ 4 เป็นสายอากาศแบบเศษหนึ่งส่วนสี่ความยาวคลื่นหรือที่เรียกว่าสายอากาศควอเตอร์เวฟ สายอากาศแบบนี้ก็ต้องมี RF Ground เช่นกันเนื่องจากมันไม่ครบวงจรในตัวของมันเอง และกระแสที่จุดป้อนมีค่าสูง กระแสนี้ก็จะต้องหาวิธีให้ครบวงจรในอากาศให้ได้ เราจึงใส่กราวด์เพลน (ground plane) ให้มันเพื่อให้ครบวงจร โดยที่ กราวด์เพลน ก็คือ RF Ground ของสายอากาศนั่นเอง
มุมมองของ RF Ground อีกแบบหนึ่ง
การที่สายอากาศใดต้องการ RF Ground หรือไม่นั้น นอกจากวิธีมองว่าแหล่งจ่าย (คือ ปลายสายสัญญาณที่ต่อที่จุดป้อนของสายอากาศนั้น) จะสามารถครบวงจรได้ไหม อีกวิธีหนึ่งที่เราอาจจะมอง RF Ground ได้ก็คือ มันเป็น “จุดอ้างอิงที่คลื่นจะถีบตัวเอง” ออกไปจากสายอากาศได้ไหม เหมือนเรากระโดดน้ำจาากขอบสระน้ำ เราก็ต้อง “ถีบตัว” จากขอบสระ ในกรณีนี้ ขอบสระจะเป็นจุดอ้างอิงหรือ ground ของเราในการถีบตัว
รูปที่ 5 มุมมองของการมี RF Ground
อีกแบบหนึ่ง คือเป็นจุดอ้างอิงในการ
ถีบตัวของคลื่น
ถีบตัวของคลื่น
สายอากาศ “บางแบบ” ที่ไม่ได้ครบวงจรทางไฟฟ้าด้วยตัวมันเองก็เช่นกัน การจะครบวงจรส่งคลื่นออกไปได้ก็ต้องมีจุดอ้างอิงให้มันครบวงจรบนอากาศ ก็คือ RF Ground หรือบางทีที่เรียกว่า counterpoise นั่นเอง ในบางกรณีที่เราใช้ของที่ไม่ใช่โลหะมาทำเป็น RF ground (เช่น ผืนดิน พื้นที่ที่เราปักสายอากาศเอาไว้) เราก็ต้องพยายามทำให้ความต้านทานของมันต่ำที่สุดเท่าที่จะทำได้ เช่น วางสายไฟหลายๆ เส้น หรือพยายามหา (ทำ) พื้นที่ (ให้) เปียกชื้น นำไฟฟ้าดี เป็นต้น แล้วพบกันใหม่ในเรื่องหน้านะครับ
QRU 73
de HS0DJU / KG5BEJ
