สายอากาศ (antenna) เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญเป็นอย่างมากในระบบสื่อสารถ้าปราศจากสายอากาศแล้วเราก็คงขาดอุปกรณ์ที่ใช้แปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้เดินทางไปได้ มีสายอากาศมากมายหลายชนิดให้นักวิทยุสมัครเล่นได้เลือกใช้ แต่หนึ่งชนิดที่เราคุ้นเคยและเป็นที่นิยมในประเทศไทยสำหรับย่านความถี่สูงมากหรือ VHF ก็คือสายอากาศแบบ “โฟลเด็ดไดโพล” นั่นเอง
ที่จริงการที่ชื่อของบทความเรื่องนี้มีคำว่า “แบบที่เราใช้กัน” ก็เพราะสายอากาศแบบนี้ที่มีการผลิตจำหน่ายกันในประเทศไทย มักเป็นแบบที่ถูกดัดแปลงโดยมีการลัดวงจรห่วงไปครึ่งหนึ่ง (ดูภาพที่ 6) และในการนี้ก็มีความเข้าใจผิดปนอยู่ด้วย ซึ่งจะได้อธิบายต่อไป
โดยพื้นฐานแล้วสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลคือสายอากาศที่ทำจากโลหะความยาวรวมประมาณหนึ่งความยาวคลื่น จากนั้นก็ถูกบีบให้เป็นวงรีมากๆ ทำให้มีความยาวรวมของวงรีเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น และมีระยะระหว่างตัวนำสองด้านน้อยกว่า ความยาวคลื่นมาก สายอากาศชนิดนี้จะมีความถี่เรโซแนนซ์อยู่ค่าหนึ่ง ซึ่งก็คือความถี่ที่ทำให้ความยาวรวมของสายอากาศเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของความถี่นั้น เรียกว่า ½λ folded dipole (half wave folded dipole) ดูภาพที่ 1
ภาพที่ 1สายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล (a)
และสายอากาศไดโพล (b)
หมายเหตุ
สายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล ต่างจากสายอากาศแบบไดโพลธรรมดาเพราะอย่างหลังจะไม่มีการพับเป็นรูปวงรีแบนๆ แบบนี้โดยมีเพียงโลหะชี้ขึ้นด้านบนและด้านล่างอย่างละหนึ่งชิ้นเท่านั้นเรียกว่าสายอากาศแบบไดโพล ดังนั้นเพื่อนเพื่อนที่กำลังใช้สายอากาศที่มีลักษณะเป็นห่วงควรจะเรียกให้ถูกต้องว่าโฟลเด็ดไดโพล ไม่ใช่ไดโพลเฉยๆ
อิมพิแดนซ์และการนำมาต่อร่วมกัน
โดยปกติแล้วอิมพีแดนซ์ของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลแบบครึ่งคลื่น มีค่าประมาณสี่เท่าของสายอากาศแบบไดโพล นั่นคือประมาณ 300 Ω (สายอากาศแบบไดโพลมีอิมพิแดนซ์ประมาณ 75 Ω - ที่จริงคือ 73.2 Ω) เมื่อเราต้องการให้ระบบสายอากาศมีอัตราขยายสูงขึ้นคือสามารถส่งหรือรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปในทิศทางหรือที่มาจากทิศทางใดทิศทางหนึ่งได้ดีเป็นพิเศษเราก็สามารถนำสายอากาศไดโพล มาต่อร่วมกันเรียกว่าการอาเรย์ (array) ยกตัวอย่างเช่นถ้าเรานำสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่แต่ละห่วงมีอิมพิแดนซ์ประมาณ 300 Ω มาต่อขนานกัน 4 ห่วง โดยป้อนสัญญาณที่มีเฟสตรงกัน ก็จะทำให้อิมพิแดนซ์ลดลงเหลือ 75 Ω (VSWR ประมาณ 1.5:1 ซึ่งสำหรับกำลังส่งในระดับวิทยุสมัครเล่นแล้ว สามารถต่อเข้ากับสายนำสัญญาณชนิด 50 Ω และต่อเข้าเครื่องส่งวิทยุได้เลยทันที) ดูภาพที่ 2
ภาพที่ 2 การนำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
มาต่อขนาน จัดเฟสให้ตรงกันจำนวน 4 ห่วง
ได้ระบบสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ 75 Ω
อยากได้ VSWR ต่ำๆ ทำอย่างไร
หลายๆ ท่านเมื่อเห็นค่า VSWR 1.5 อาจจะตกใจหรือไม่พอใจ ที่จริงแล้วตัวเลขขนาดนี้ถือว่าดีสามารถใช้งานได้อย่างปกติโดยไม่เกิดปัญหาใดๆ แต่ก็มีหลายวิธีที่จะทำให้อิมพิแดนซ์รวมของระบบสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลใกล้เคียงกับ 50 Ω อาจจะ (1) โดยการแมทช์จาก 75 Ω ลงมาเป็น 50 Ω ด้วยวงจรจูนก็ได้ หรือ (2) โดยการออกแบบใหม่เลยให้อิมพิแดนซ์ของแต่ละห่วงของโฟลเด็ดไดโพลให้เหมาะสมก่อนนำมาต่อกัน ตัวอย่างในวิธีที่ 2 ก็คือ นำสายอากาศยึดเข้ากับแกนหรือแขนจับ (บูม, boom) และยึดบูมเข้ากับเสา (มาสท์, mast) อีกทีหนึ่ง (ซึ่ง อย่างไรเสียก็ต้องยึดอยู่แล้ว จริงไหมล่ะครับ) การนำเอาเสาหรือมาสท์มาไว้ใกล้ห่วงของโฟลเด็ดไดโพลจะทำให้อิมพิแดนซ์ของสายอากาศลดลง เราสามารถปรับระยะให้ใกล้จนทำให้อิมพิแดนซ์ลด (จาก 300 Ω) เหลือ 100 Ω ได้ (ดูภาพที่ 3)
ภาพที่ 3 เมื่อเรานำโลหะ (เสาหรือมาสท์)
มาวางไว้ใกล้กับห่วงของสายอากาศ จะทำให้
อิมพีแดนซ์ต่ำลง เราอาจจะปรับระยะจน
อิมพีแดนซ์เป็น 100 Ω ได้ (บูม ไม่มีผล)
และเมื่ออิมพีแดนซ์ของสายอากาศหนึ่งห่วงลดลงเหลือ 100 Ω จากนั้นเราก็เพียงนำสายอากาศสองตัวมาต่อขนานกันได้ตรงๆ ก็เหลือ 50 Ω พอดีคราวนี้เราก็ได้ VSWR เป็น 1:1 สมใจ ดูภาพที่ 4
ภาพที่ 4 เราอาจนำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
ที่ลดอิมพีแดนซ์เหลือห่วงละ 100 Ω มาต่อ
ขนานกันก็จะได้อิมพีแดนซ์รวมเป็น 50 Ω
ถ้าเราต้องการสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบ 4 ห่วง เราก็เพียงทำสายอากาศแบบสองห่วงที่แต่ละชุดมีอิมพิแดนซ์ 50 Ω ขึ้นมาสองชุด และต่อแต่ละชุดด้วยสายนำสัญญาณแบบ 75 Ω ตัดให้ยาวเป็นจำนวนคี่ของ ¼λ (คิดตัวคูณความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณนั้นด้วย) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงแบบ 1/4 ความยาวคลื่น (quarter-wavelength transformer) หม้อแปลงแบบ 1/4 ความยาวคลื่นจะทำหน้าที่แปลงอิมพิแดนซ์จาก 50 Ω ไปเป็น 100 Ω เมื่อทำแบบนี้สองชุดแล้วนำมาต่อขนานกันก็จะได้ระบบสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่มีอิมพิแดนซ์ 50 Ω ให้เราได้ใช้งาน ดูภาพที่ 5
ภาพที่ 5 ระบบสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลแบบ 4 ห่วง
หมายเหตุ
ภาพที่ 5 เป็นเพียงรูปแบบหนึ่งในการออกแบบอิมพิแดนซ์ การจัดเรียง และต่อร่วมสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลหลายห่วงเข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้อิมพิแดนซ์รวมเท่ากับ 50 Ω เท่านั้น ในความเป็นจริงเราสามารถออกแบบต่างไปจากนี้ได้อีกมากมายหลายวิธี
เรื่องไม่จบแค่นั้น - สายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบที่เราใช้กัน
ถ้าเราดูโครงสร้างของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่ถูกทำขึ้นมาจำหน่ายกันในไทยจากหลายๆ แหล่งผลิต อาจจะเห็นว่ามีการลัดวงจรห่วงด้านล่างไปเสียครึ่งหนึ่ง (ดูภาพที่ 6)
ภาพที่ 6 แสดงห่วงของโฟลเด็ดไดโพล
ที่ถูกลัดวงจรไปครึ่งหนึ่ง
ความเข้าใจผิดที่เกิดขึ้น
ตรงนี้นั่นเองที่เกิด คำเล่าขานบ้าง ความลับบ้าง ส่วนใหญ่แล้วสรุปได้ว่า “ห่วงโฟลเด็ดไดโพลหนึ่งห่วงมีอิมพิแดนซ์ 300 Ω เมื่อลัดวงจรครึ่งหนึ่งก็จะเหลืออิมพิแดนซ์ 150 Ω ซึ่ง ไม่เป็นความจริง (ข้อพิสูจน์อยู่ในภาพที่ 7 และ 8)
เหตุผลที่ออกแบบให้ลัดวงจรเพราะ
(1) ต้องการ เปลี่ยนลักษณะทางไฟฟ้าไปในทางที่จะทำให้เกิดกระแสไหลในผิวนอกของส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณ (ตั้งแต่สายนำสัญญาณที่ต่อเชื่อมพ่วงห่วงต่างๆ เข้าด้วยกันเลย) ที่เรียกว่า common mode current อันเกิดจากการต่อห่วงสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลซึ่งเป็นสายอากาศแบบบาลานซ์ (balanced) เข้ากับสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial transmission line) ซึ่งเป็นสายนำสัญญาณแบบอันบาลานซ์ (unbalanced) โดยไม่มีอุปกรณ์ที่เรียกว่าบาลัน (balun) เป็นตัวต่อคั่นเอาไว้ ดูหัวข้อ สายอากาศและสายนำสัญญาณแบบบาลานซ์และอันบาลานซ์ ด้านล่าง
(2) ทำให้ผลิตง่าย มีโครงสร้างแข็งแรง เนื่องจากสามารถยึดบูม (แขนจับห่วง) ที่ทำด้วยโลหะเข้ากับสองด้านของห่วง (ด้านที่ลัดวงจร) ได้อย่างแข็งแรง โดยบูมนี้ทำหน้าที่ลัดวงจรครึ่งหนึ่งของห่วง และเป็นกราวด์ไปด้วยในตัว
การลัดวงจรที่เกิดขึ้น ไม่ได้ทำให้อิมพิแดนซ์ของแต่ละห่วงเปลี่ยนแปลงไปนัก (อาจจะเปลี่ยนบ้างเพราะ ขนาด โครงสร้าง ทางกายภาพเปลี่ยนไป แต่ด้วยหลักการทางไฟฟ้าแล้วจะไม่เปลี่ยน เนื่องจากในขณะที่ห่วงโฟลเด็ดไดโพลทำงาน ศักย์ไฟฟ้าด้านตรงข้ามกับจุดต่อเป็นกราวด์ (ค่าตรงกลาง, 0V และเป็นจุดที่กระแสสูงสุด) อยู่แล้ว เราได้ทำการทดลองโดยสร้างห่วงโฟลเด็ดไดโพลขึ้นมา และวัดอิมพิแดนซ์ของห่วงโฟลเด็ดไดโพลแบบลัดและไม่ลัดวงจรครึ่งหนึ่ง และได้ผลว่าอิมพิแดนซ์ของมันเป็นประมาณ 300 Ω เท่าๆ กัน และมี VSWR ประมาณ 6 (300 Ω / 50 Ω = 6) ดูภาพที่ 7 และ 8
ภาพที่ 7 อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลแบบมาตรฐาน
(ไม่มีการลัดวงจรครึ่งห่วงด้านล่าง)
ภาพที่ 8 อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลที่มีการลัดวงจรครึ่งหนึ่ง ที่ยัง
คงมีค่าประมาณ 300Ω และ VSWR
ยังคงเป็นประมาณ 6:1 ไม่ได้เหลือ 150Ω
(ซึ่งต้องมี VSWR เหลือ 3:1) แต่อย่างใด
ห่วงรูปตัว J
ยิ่งไปกว่านั้นถ้าเราพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นทางไฟฟ้าของห่วงสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลที่มีการลัดวงจรครึ่งหนึ่งแล้ว จะเห็นว่าครึ่งด้านที่มีการลัดวงจรนั้นมีค่าเพียงโลหะความยาว ¼λ เท่านั้น เราจึงสามารถ “หด” มันลงเหลือสายอากาศแบบตัว J (ไม่ใช่สายอากาศที่เรียกว่า J-pole นะครับ เพราะสายอากาศแบบ J-pole มีหลักการต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง) ดูภาพที่ 9
ภาพที่ 9 สายอากาศแบบตัว J
ที่สำคัญคือ เมื่อเราวัดอิมพิแดนซ์ของสายอากาศแบบตัว J นี้ เราเห็นว่ามีค่าเหมือนกับของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลและโฟลเด็ดไดโพลแบบที่ลัดวงจรครึ่งหนึ่งด้วย (ผลจากการวัดเหมือนด้านขวามือของภาพที่ 7 และ 8) คือประมาณ 300 Ω ทำให้บางครั้งเราจะเห็นการใช้ตัวขับ (driven element) แบบตัว J นี้แทนห่วงโฟลเด็ดไดโพล และเราก็สามารถปรับอิมพิแดนซ์ด้วยการเลื่อนเข้าใกล้มาสท์ได้เหมือนกัน โดยที่ระยะระหว่างตัวขับแบบ J กับมาสท์ที่จะทำให้ได้อิมพิแดนซ์ลดเหลือ 50 Ω อาจจะแตกต่างไปจากของโฟลเด็ดไดโพลบ้าง
สายอากาศและสายนำสัญญาณแบบบาลานซ์และอันบาลานซ์
- สายอากาศและระบบป้อนสัญญาณแบ่งออกเป็นสองแบบใหญ่ๆ คือ แบบสมดุล (บาลานซ์, balanced) และแบบไม่สมดุล (อันบาลานซ์, unbalanced)
- สายอากาศ dipole และ folded dipole เป็นสายอากาศแบบ balanced มันควรถูกป้อนด้วยสายนำสัญญาณแบบ balanced
- ในสายนำสัญญาณแบบ balanced ศักย์ไฟฟ้าที่ตัวนำทั้งสอง (เมื่อเทียบกับ ground ซึ่งมีศักย์ 0V) มีค่าเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามตลอดเวลา และสวิงเปลี่ยนแปลงไปมา
- "ระบบ"/สายนำสัญญาณแบบ unbalanced เช่น coaxial จะต่างจากแบบ balanced คือ มีด้านหนึ่งเป็นกราวด์ (คือด้านชีลด์ หรือเปลือกนอก) คือศักย์ 0V ตลอดเวลา และศักย์ของตัวนำแกนกลางเป็น +/- เมื่อเทียบกับส่วนเปลือก
- การป้อนสายอากาศ dipole หรือ folded dipole ด้วยสายนำสัญญาณแบบ coaxial ซึ่งเป็น "ระบบ" unbalanced สายชีลด์/กราวด์ ของสายนำสัญญาณ coaxial จะเป็นทางผ่านของกระแสและต่อกับกราวด์ด้วย (ไม่เหมือนกับระบบ balance ที่ตัวนำทั้งสองไม่ได้เกี่ยวข้องกับกราวด์)
- ถ้าศักย์ของกราวด์ผิดไป มีการลงกราวด์บางจุด อาจจะทำให้เกิดกระแสไหลด้านนอกของส่วนชีลด์ได้ (สาย coaxial ทำตัวเป็นตัวนำ 3 เส้น แทนที่จะเป็น 2 เส้น)
- เราจึงมัก (มัก หมายความว่า ชอบที่จะใช้ คือหลายกรณีไม่ได้จำเป็น) ใช้บาลันมาต่อคั่นระหว่างสายนำสัญญาณแบบ coaxial ไปยัง dipole เพื่อแปลงระบบ unbalanced ไปเป็น balanced
- สายอากาศโฟลเด็ดไดโพลที่มีการลัดข้างหนึ่ง เป็นเพราะเราพยายามลดความ/ผลของความเป็นสายอากาศแบบ balanced เพื่อหวังลดกระแสที่ไหลด้านนอกของส่วนชีลด์ (ถ้ามี) ลง
สรุป
(1) สายอากาศที่มีลักษณะเป็นห่วงเรียกว่า “โฟลเด็ดไดโพล” ไม่ใช่ “ไดโพล” เฉยๆ เพราะสายอากาศแบบไดโพลนั้นเป็นคนละแบบกัน ไม่มีลักษณะเป็นห่วงโลหะ จึงควรเรียกให้ถูกต้อง
(2) โฟลเด็ดไดโพล 1 ห่วง มีอิมพิแดนซ์ประมาณ 300 Ω
(3) การลัดวงจรครึ่งหนึ่ง ไม่ได้ทำให้อิมพิแดนซ์เปลี่ยนไป (คือเป็น 300 Ω เท่าเดิม)
(4) เราลัดวงจรเพื่อลดผลของการต่อเชื่อมสายอากาศแบบบาลานซ์ (โฟลเด็ดไดโพล) เข้ากับสายนำสัญญาณแบบอันบาลานซ์ (สายโคแอกเชียล) และให้แข็งแรงขึ้น สร้างง่ายขึ้น
(5) ส่วนล่างที่ถูกลัดวงจรมีค่าเท่ากับตัวนำยาว ¼λ ซึ่งคือสายอากาศรูปตัว J นั่นเอง
(6) เราสามารถปรับอิมพิแดนซ์ของตัวขับ 1 ตัวให้ลดลงได้โดยเลื่อนเข้าใกล้มาสท์ (mast) ด้านหลัง (แต่ก็ทำให้รูปร่างการแพร่กระจายคลื่นเปลี่ยนไปด้วย)
จากนี้ไป เพื่อนนักวิทยุคงมีความเข้าใจเกี่ยวกับสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลได้ดีขึ้น และไม่มีความลับแปลกๆ ให้เล่าขานกันโดยไม่มีที่มาที่ไปอีกต่อไปนะครับ สำหรับวันนี้ต้องขอกล่าวคำว่า
QRU 73 de HS0DJU / KG5BEJ (จิตรยุทธ จุณณะภาต) และ HS1DNG (อาตุ้ม พลายณรงค์ แก้วสถิตย์)
อ้างอิง:
Patent Specification 1 322 300
Application No. 19727/72
Filed 27 April 1972
Inventor: Martin Thomas O'Dwyer
