สายอากาศแบบ Doublet

 

เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นทุกท่านคงทราบดีแล้วว่าสายอากาศเป็นส่วนหนึ่งที่มีความสำคัญมากในการที่จะให้สถานีวิทยุของเราสามารถแพร่กระจายคลื่นส่งข้อมูลข่าวสารผ่านคลื่นวิทยุไปถึงคู่สถานีของเราได้  นอกไปจากสายอากาศแล้วก็ยังมี ตัวเครื่องวิทยุ สายนำสัญญาณ ระบบจ่ายไฟที่เป็นส่วนสำคัญในสถานีวิทยุอีกด้วย  สิ่งต่างๆที่กล่าวถึงมานี้ก็ดูเหมือนจะเป็นการเพียงพอสำหรับสถานีวิทยุที่ออกอากาศหรือรับฟังที่ความถี่เพียงย่านเดียว  อย่างไรก็ตามถ้าสถานีวิทยุหนึ่งต้องการออกอากาศในหลายช่วงความถี่แล้วล่ะก็ อุปกรณ์เพียงที่กล่าวมาข้างต้นก็ดูเหมือนจะไม่เพียงพอเสียแล้ว เพราะสถานีวิทยุนั้นคงต้องการสายอากาศจำนวนมากคือเสวท่ากับจำนวนช่วงความถี่ที่ตัวเองต้องการออกอากาศ รวมทั้งอาจจะต้องการอุปกรณ์ในการปรับอิมพีแดนซ์ของสายอากาศด้วย (ATU - Automatic Antenna Tuner)

สำหรับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นต้นหลายท่านที่ได้รับอนุญาตให้ใช้งานความถี่ VHF ในย่าน 2 เมตรเท่านั้นคงไม่มีความจำเป็นที่จะต้องมีสายอากาศหลายต้นเพื่อให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้ (แต่อาจจะมีสายอากาศหลายต้นด้วยเหตุผลที่ต้องการรูปแบบการกระจายคลื่นในทิศทางที่แตกต่างกัน)  ในทางตรงกันข้ามกับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นกลางหรือขั้นสูงที่สามารถใช้ความถี่ได้หลายย่านกว่ามากเช่น 1.8, 3.5, 7, 14, 21, 28 MHz (แค่เห็นก็ตาลายแล้วใช่ไหมครับ) ทำให้โดยพื้นฐานแล้วมีความจำเป็นที่จะต้องใช้สายอากาศหลายต้นเป็นจำนวนเท่ากับช่วงความถี่ที่ต้องการใช้นั่นแหละ เมื่อรวมกับความโชคร้ายที่ขนาดของสายอากาศแต่ละต้นนั้นใหญ่โตไปตามความถี่ที่ต่ำลง จึงทำให้การติดตั้งสายอากาศหลายหลายต้นเพื่อใช้งานในหลายช่วงความถี่ของนักวิทยุสมัครเล่นกลุ่มนี้เป็นไปได้ยากในทางปฏิบัติ  จึงมีการคิดค้นสายอากาศที่สามารถใช้งานได้หลายช่วงความถี่ (หรือที่เรียกว่า Multi band antenna) ซึ่งสายอากาศบางแบบก็สามารถใช้งานได้ (หลายความถี่) เลยโดยไม่ต้องปรับอิมพีแดนซ์อีก แต่สายอากาศอีกหลายแบบโดยเฉพาะแบบที่สามารถใช้งานได้หลายช่วงความถี่มากอาจจะจำเป็นต้องใช้ ATU มาช่วยปรับอิมพีแดนซ์อีกครั้งหนึ่ง (เพื่อให้เครื่องส่งวิทยุทำงานได้ตามที่ถูกออกแบบไว้)

ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ไม่ได้หมายความว่าเมื่อเรามี ATU แล้ว เราจะนำสายอากาศอะไรก็ได้มาต่อแล้วให้เครื่อง ATU ปรับอิมพีแดนซ์ให้เรา เพราะในหลายครั้งก็เกินความสามารถของเครื่องที่จะปรับอิมพีแดนซ์ให้เราได้ หรือในหลายทีเครื่อง ATU สามารถปรับอิมพีแดนซ์ให้เราได้ก็จริงแต่ก็เกิดการสูญเสียกำลังในส่วนอื่นของระบบของสายอากาศได้  หรือเราอาจจะสรุปโดยสั้นๆ ได้ว่าในการพยายามออกแบบสายอากาศที่ใช้งานได้หลายช่วงความถี่นั้นเราต้องออกแบบมันให้ดีตามสมควรก่อนที่จะใช้ ATU มาช่วยปรับอิมพีแดนซ์ของสายอากาศนั้นก่อนต่อเข้าสู่เครื่องส่งวิทยุนั่นเอง

สายอากาศ Doublet

เป็นสายอากาศแบบ half wave dipole ที่ทำงานหลายความถี่ (Multiband) ได้ แต่จะต้องใช้งานร่วมกับเครื่องปรับอิมพิแดนซ์ของสายอากาศ (ATU) โดยพื้นฐานแล้วสายอากาศแบบ Doublet คือสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น (half wave dipole) ที่มีความยาวเหมาะสม (คือเป็นครึ่งความยาวคลื่น) ของความถี่ต่ำสุดค่าหนึ่ง และสามารถใช้งานได้ที่ความถี่สูงกว่าความถี่ต่ำสุดนั้น เช่น ถ้าเราตัดยาว 468/7=66.85 ฟุต (ความยาวครึ่งคลื่นของความถี่ 7MHz) สายอากาศ Doublet นี้ก็จะใช้ได้ที่ความถี่ 7MHz และสูงกว่า เป็นต้น

ภาพที่ 1 ความต้านทานจำเพาะ (Z₀) ของ

สายนำสัญญาณแบบ ladder line ขึ้นกับ

สัดส่วนระหว่างขนาดตัวนำกับระยะห่างของมัน



แทนที่จะใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial Cable) ที่เราคุ้นเคยในการต่อจากจุดป้อนตรงกลางของสายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่นออกมา เราจะต่อจุด feeder ตรงกลางของไดโพลนี้ด้วยสายนำสัญญาณแบบ ladder line ซึ่งมี characteristic impedance (Z₀) ขึ้นอยู่กับสัดส่วนระหว่างความห่างของตัวนำที่ขนานกันอยู่ทั้งสองและขนาดของเส้นลวดตัวนำนั้น (ดูภาพที่ 1) โดยทั่วไปจะมี Z₀ ค่อนข้างสูงเช่น 300 หรือ 450 Ω สายนำสัญญาณนี้จะยาวเท่าไรก็ได้ เพียงแต่ต้องระวังไม่ให้ตัวมันทำตัวเป็นหม้อแปลง (คือเป็น transmission line transformer) และแปลงอิมพิแดนซ์ให้สูงหรือต่ำมากผิดปกติไปกว่าที่ ATU จะทำงานได้

ทำไมต้องใช้ ladder line

ประเด็นนี้น่าสนใจมาก เพราะในเมื่อเรามีสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมอยู่เยอะแยะ ทำไมต้องพยายามหาของแปลกมาใช้งานกันด้วย (ไม่สนุกเท่าไร เพราะหาไม่ง่ายนักด้วย) ดังนั้นมันย่อมมีเหตุผลที่ดีซ่อนอยู่ คือ

1. ladder line มี loss ต่ำมาก (ดูภาพที่ 2) เนื่องจากตัวนำทั้งสองอยู่ห่างกัน ฉนวนระหว่างตัวนำสองด้านเป็นอากาศ ทำให้มีการสูญเสียต่ำจากความต้านทานของฉนวนระหว่างตัวนำทั้งสอง ซึ่งต่างจากสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมที่ตัวนำทั้งสองถูกคั่นด้วยฉนวนประเภทพลาสติก (Polyethylene) บ้างหรือโฟมบ้าง (บางแบบเท่านั้นที่มีฉนวนเป็นอากาศแต่ก็แพงมาก)
2. การใช้งานสายอากาศไดโพลที่ถูกตัดไว้สำหรับความถี่ต่ำสุด (ในตัวอย่าง ที่ยาว 66.85 ฟุตคือสำหรับ 7MHz) กับความถี่อื่นที่สูงขึ้น จะทำให้อิมพิแดนซ์ของจุดป้อนเปลี่ยนไปได้มาก จากประมาณ 73 Ω ที่ 7MHz ไปเป็นหลายพันโอห์มที่ความถี่สูงขึ้น
3. การต่อ ladder line เข้ากับตรงกลางของไดโพลทำให้ค่า VSWR ในสาย ladder line มีค่าสูงแต่มักไม่เกิน 6:1 (โดยประมาณ) ที่ทุกๆ ความถี่ที่เราต้องการใช้'งานสายอากาศนั้น เพราะความต้านทานจำเพาะ (Z₀) ของสายนำสัญญาณแบบ ladder line ที่นำไปหารคือ 450 Ω ถ้าเราทำแบบเดียวกันนี้โดยใช้สายนำสัญญาณแบบ Coaxial 50 Ω ต่อออกจากจุดป้อนตรงกลางของไดโพล จะทำให้ VSWR เปลี่ยนแปลงไปตามความถี่อย่างมาก (Z₀ ของสายนำสัญญาณแบบ coaxial เป็น 50 Ω เมื่อหารกับอิมพิแดนซ์หลายพันโอห์มที่บางความถี่แล้วจะเป็น VSWR ที่สูงมากเช่น 30:1 หรืออาจจะสูงกว่า)



ภาพที่ 2 เปรียบเทียบการสูญเสียในสายนำสัญญาณ

แบบต่างๆ จะเห็นว่า ladder line (หรือ open

wire line) มีการสูญเสียต่ำมาก

จากข้อ 2 และ 3 ถ้าเราใช้สายนำสัญญาณแบบ coaxial ต่อเข้ากับไดโพล นอกจากตัวมันเองจะมีการสูญเสีย (loss) มากกว่าสายนำสัญญาณแบบ ladder line แล้ว การมี VSWR ที่สูงมาก (กว่าการใช้สายนำสัญญาณแบบ ladder line ไปต่อ) จะทำให้เกิด "การสูญเสียเพิ่มเติมเนื่องจากการมี standing wave สูงในสายนำสัญญาณ" เพิ่มขึ้นมากมายกว่าการใช้ ladder line ดูภาพที่ 3



ภาพที่ 3 แสดงการสูญเสียเพิ่มขึ้นจากการไม่แมทช์
ในสายนำสัญญาณที่เราใช้ นอกจากมีการสูญเสีย
ด้วยตัวเองแล้ว เมื่อเกิดการไม่แมทช์จะมีการสูญเสีย
เพิ่มเป็นพิเศษเข้ามาอีก

การสูญเสียเพิ่มเติมจาก high VSWR สามารถคำนวณได้ หรือดูจากแผนภาพในภาพที่ 3 หรือจะใช้บริการเว็บไซต์ช่วยคำนวณได้ <คลิก>
ทำให้สุดท้ายแล้วเราได้ลักษณะของสายอากาศแบบ doublet เป็นตามภาพที่ 4



ภาพที่ 4 โครงสร้างและการใช้งาน

ของสายอากาศแบบ Doublet

โดยสรุปคือ

1. ข้อดีของสายอากาศ doublet เป็นสายอากาศที่สามารถทำงานได้หลายย่านความถี่ (multiband) และมีพื้นฐานเป็นสายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่น คำนวณโดยใช้ความถี่ต่ำสุดที่ต้องการให้สายอากาศใช้งานได้ โดยความยาวรวม  L (เมตร) = 300/ความถี่ (MHz) หรือ L (ฟุต) = 468/ความถี่ (MHz) อย่างไรก็ตาม ความยาวนี้ไม่ต้องแม่นยำมากนักก็ได้
2. เหตุที่เราใช้ความถี่ต่ำกว่าความถี่ต่ำสุดที่ตัดไดโพลครึ่งคลื่นไว้ไม่ได้ ก็เพราะเมื่อเราใช้สายอากาศไดโพลที่ความถี่ต่ำเกินไป ไดโพลจะสั้นมากที่ความถี่ต่ำนั้น สายอากาศไดโพลที่สั้นมากเกินไปจะมีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนต่ำมาก เมื่อนำ ladder line มาต่อออกไป ladder line ที่มี Z₀ สูงจะทำตัวเป็นหม้อแปลง แปลงอิมพิแดนซ์ให้สูงมากเกินกว่าที่ ATU จะจูนลงได้
3. เราใช้ ladder line ต่อจากจุดป้อนตรงกลาง เพราะนอกจากมี matched loss ต่ำแล้ว การที่มันมีความต้านทานจำเพาะ (Z₀) สูง ทำให้ VSWR บนตัวสายนำสัญญาณแบบ ladder line ตลอดทุกย่านการทำงานมีค่ายอมรับได้ (ไม่เกิน 6:1)
4. เมื่อ VSWR บนตัวมันตลอดทุกย่านการทำงาน มีค่าเพียงไม่เกิน 6:1 ทำให้มีการสูญเสียเพิ่มเติมเนื่องจากการมี standing wave สูงในสายนำสัญญาณน้อยไปด้วย

ไม่ใช่ว่าสายอากาศนี้จะมีข้อดีเพียงอย่างเดียว แต่ก็มีข้อเสียด้วย เช่น

1. ต้องใช้ บาลัน (balanced 4:1 unbalanced) เพื่อแปลงอิมพิแดนซ์สูงๆ ที่อีกปลายด้านหนึ่งของสายนำสัญญาณ ladder line ก่อนต่อเข้าจูนเนอร์
2. ต้องใช้จูนเนอร์หรือ ATU ปรับอิมพิแดนซ์ให้ใกล้เคียง 50 Ω ด้วย
3. การเดินสาย ladder line ต้องระวัง ให้ห่างบรรดาโลหะทั้งหลาย
4. ในการใช้งานจริง การปรับ ATU ไม่ใช่เรื่องสะดวกมากนัก ยกเว้นการใช้ Automatic Antenna Tuner ที่สามารถปรับให้เราได้เอง จะสะดวกมากขึ้น 

QRU 73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)