เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นคงทราบกันดีอยู่แล้วว่าการเข้ากันได้ระหว่างอิมพีแดนซ์ของสายอากาศและอิมพีแดนซ์ของสายนำสัญญาณหรือเรียกง่ายๆ ว่าอิมพีแดนซ์ของระบบเป็นสิ่งที่สำคัญ เมื่อไรก็ตามที่เกิดการไม่เท่ากันหรือที่เรียกว่ามิสแมทช์ (mismatch) ของอิมพีแดนซ์ จะทำให้เกิดการสะท้อนกลับของสัญญาณ/คลื่นบางส่วนย้อนกลับไปทางแหล่งที่มา เคลื่อนที่วิ่งย้อนกลับไปในทิศทางของแหล่งสัญญาณจะผสมกันเกิดสิ่งที่เรียกว่าคลื่นนิ่ง (standing wave) โดยอัตราส่วนระหว่างที่สูงที่สุดและต่ำที่สุดของคลื่นนิ่งที่อยู่ในสายนำสัญญาณนั้นถูกเรียกว่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งหรือ standing wave ratio (SWR) และโดยทั่วไปเรามักอ้างอิงกับโวลเตจ กลายเป็น voltage standing wave ratio (VSWR) นั่นเองเมื่ออิมพีแดนซ์ของสายอากาศกับสายนำสัญญาณค่าเท่ากัน ค่า SWR หรือ VSWR (ค่าเดียวกันนั่นแหละครับ) จะมีค่าเป็น 1:1 คือไม่มีคลื่นย้อนกลับเลย ก็จึงไม่มีคลื่นนิ่งเกิดขึ้น ในทางตรงกันข้าม ถ้าเกิดการไม่เข้ากันอย่างรุนแรง เช่น ไม่ต่อสายอากาศไว้กับปลายสายนำสัญญาณ หรือมีการลัดวงจรที่ปลายสายนำสัญญาณ จะทำให้ค่า SWR หรือ VSWR สูงมากจนเป็น ∞:1 เลยทีเดียว ดูรูปที่ 1-3
รูปที่ 1 เมื่อสายอากาศและสายนำสัญญาณ
มีอิมพิแดนซ์เท่ากัน (คือ 50Ω) จะไม่มี
คลื่นสะท้อนกลับ และ SWR เป็น 1:1
รูปที่ 2 เมื่อสายอากาศและสายนำสัญญาณ
มีอิมพิแดนซ์ต่างกัน จะเกิดคลื่นย้อนกลับ
และไปรวมกับคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้า
เกิดคลื่นนิ่ง ทำให้ SWR สูงกว่า 1:1
รูปที่ 3 เมื่อปลายสายนำสัญญาณเปิดหรือลัด
วงจร จะเกิดคลื่นสะท้อนกลับทั้งหมดทำให้
มีคลื่นนิ่งขนาดใหญ่และ SWR เป็น ∞:1
พูดง่ายๆ ก็คือ ค่าอัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ (SWR หรือ VSWR) เป็นตัวชี้วัดที่ดีว่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศกับสายนำสัญญาณนั้นเท่ากันหรือต่างกันมากน้อยแค่ไหนนั่นเอง
ที่จริงแล้วเราสามารถคำนวณค่าของอัตราส่วนคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ (SWR หรือ VSWR) ได้ถ้าเรารู้อิมพีแดนซ์ของสายอากาศ (หน่วยเป็น โอห์ม ซึ่งเป็นจำนวนเชิงซ้อน) และ อิมพีแดนซ์จำเพาะของสายนำสัญญาณ (อันนี้ไม่ยาก เพราะคือ 50 โอห์ม หรือ 50 + j0 โอห์ม คือเป็นจำนวนเชิงซ้อนเหมือนกันนั่นแหละ เพียงแต่ส่วนของจำนวนจินตภาพหรือ “รีแอคแตนซ์” มีค่าเป็นศูนย์) (อ่านเรื่อง ทฤษฎีสายนำสัญญาณ ประกอบ) อย่างไรก็ตามการจะรู้อิมพิแดนซ์ของสายอากาศนั้นจำเป็นต้องใช้เครื่องวิเคราะห์สายอากาศแบบเวคเตอร์ (สามารถบอกได้ทั้ง ความต้านทานและรีแอคแตนซ์) ซึ่งมีราคาสูง แถมเมื่อได้ค่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศแล้วยังต้องมาจิ้มเครื่องคิดเลขคำนวณต่ออีกจึงจะรู้ค่า SWR (หรือ VSWR ค่าเดียวกันนั่นแหละ) จึงมีการประดิษฐ์อุปกรณ์ที่ง่ายกว่า ราคาถูกกว่า เพื่อใช้วัดค่า SWR (หรือ VSWR) เรียกว่า VSWR มิเตอร์นั่นเอง
ทำงานอย่างไร
สิ่งที่ VSWR ทำก็คือ พยายามวัดกำลังงานของคลื่นที่วิ่งไปข้างหน้าและที่ย้อนกลับหลังให้ได้ จากนั้นก็เอาของสองอย่างนี้มาหาสัดส่วนกันก็จะได้ค่า VSWR
การทำจริงๆ มีความยากอยู่เพียงอย่างเดียวคือต้องแยกให้ได้ว่าคลื่นส่วนไหนวิ่งไปข้างหน้าและส่วนไหนย้อนกลับมาด้านหลังโดยที่คลื่นทั้งสองส่วนนั้นอยู่ใน “ท่อเดียวกัน” (ท่อ ที่ว่านี้ก็คือ สายนำสัญญาณที่ต่ออยู่นั่นเอง) ซึ่งจะว่าไปแล้วมีอยู่หลายวิธีด้วยความซับซ้อนและความแม่นยำต่างกันไป แต่ในที่นี้เราจะจำกัดเอาไว้กับวิธีที่ทำได้ง่ายและใช้กันในเครื่องวัด VSWR แบบเข็มที่นักวิทยุสมัครเล่นใช้กันทั่วไป ดูรูปที่ 4
รูปที่ 4 มิเตอร์วัด vswr แบบเข็ม
มีทั้งแบบเข็มเดียวและสองเข็ม
เครื่องแบบที่เราใช้กัน จะใช้วิธีสร้าง “สายนำสัญญาณ” พิเศษขึ้นมา จากนั้นใส่วงจรคับปลิ้ง (coupling) หรือวงจรเหนี่ยวนำเพื่อให้ได้ “ตัวแทน” ของคลื่นที่วิ่งอยู่ในสายนำสัญญาณนั้นออกมา แล้วเลือกกรองเอากระแสไฟฟ้าที่เป็นตัวแทนของคลื่นส่วนที่วิ่งไปข้างหน้าและข้างหลังออกมา (โดยไม่รบกวนกันเองด้วย) ดูรูปที่ 5
รูปที่ 5 วงจรซ้ายและขวามือสำหรับมิเตอร์
แบบสองเข็มและเข็มเดียวตามลำดับ
สีแดงคือเส้นลวดตัวนำวางไว้ใกล้กับตัวนำ
หลัก (เขียว) เพื่อเหนี่ยวนำกระแสออกมา
ทิศทางของไดโอดจะเลือกกระแสที่เกิดขึ้น
ว่าคลื่นเดินทางไปด้านหน้า (FWD) หรือ
สะท้อนกลับไปยังแหล่งกำเนิด (REF)
ในรูปที่ 5 เราสร้าง "สายนำสัญญาณ" พิเศษขึ้นมา (สีเขียว) และสร้างตัวนำสำหรับคับปลิ้งเพื่อเหนียวนำ (สีแดง) ไว้ใกล้ๆ กัน ทั้งหมดนั้นอาจจะเป็นลายทองแดงบนแผ่นวงจรพิมพ์ก็ได้ แล้วจัดเรียงกระแสที่เกิดขึ้นด้วยไดโอด (ที่ยอมให้กระแสไหลได้ทางเดียว) กระแสที่เกิดนี้จะมีค่าแปรผันไปตามกำลังของคลื่นที่วิ่งไปในทิศทางนั้นๆ เมื่อเราจัดเรียงไปในสองทิศทางก็จะรู้กำลังที่ไปด้านหน้า (FWD) และสะท้อนกลับมาทางด้านหลัง (REF) (ซึ่งเรามักหวังให้มีกำลังคลื่นสะท้อนกลับน้อยที่สุดหรือใกล้ 0) จากนั้นนำกระแสที่ไดัไปแสดงบนมิเตอร์แบบเข็ม ซึ่งหากเป็นมิเตอร์แบบสองเข็ม เราก็วาดค่าของ VSWR บนจุดตัดของเข็มทั้งสองได้ หากเป็นมิเตอร์แบบเข็มเดียว เราก็ใส่วงจรปรับเทียบ (calibrate) เพื่อลดทอนให้มิเตอร์แสดงค่าเต็มมาตรวัดเมื่อวัดส่วนของกำลังคลื่นที่วิ่งไปข้างหน้า จากนั้นก็ให้แสดงกำลังคลื่นที่วิ่งไปข้างหลังด้วยสัดส่วนลดทอนเท่ากัน จากนั้นก็ทำมาตร (scale) ที่ถูกต้องเป็นอันใช้การได้
อย่างไรก็ตาม ในเครื่องวัด VSWR จริงๆ นั้นอาจจะมีวงจรปรับแต่งหรือชดเชยสิ่งต่างๆ เพิ่มเติมที่กว่านี้ มีการเลือกตัวความต้านทานที่ต่อเพื่อเป็นโหลดเทียมให้กับส่วนของสายนำสัญญาณคับปลิ้งให้ถูกต้องเพื่อคงความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณที่สร้างขึ้นเองให้ถูกต้อง แต่ก็เป็นเรื่องรายละเอียดในการออกแบบและเกินวัตถุประสงค์ในการแนะนำวงจรแบบคร่าวๆ ของเครื่องวัด VSWR ในตอนนี้ไปครับ
แล้วพบกันใหม่นะครับ สำหรับตอนนี้ต้อง
QRU 73 จาก HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต)
