ไขความลับสายอากาศ Folded Dipole (แบบที่เราใช้กัน)



สายอากาศ (antenna) เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญเป็นอย่างมากในระบบสื่อสารถ้าปราศจากสายอากาศแล้วเราก็คงขาดอุปกรณ์ที่ใช้แปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้เดินทางไปได้ มีสายอากาศมากมายหลายชนิดให้นักวิทยุสมัครเล่นได้เลือกใช้ แต่หนึ่งชนิดที่เราคุ้นเคยและเป็นที่นิยมในประเทศไทยสำหรับย่านความถี่สูงมากหรือ VHF ก็คือสายอากาศแบบ “โฟลเด็ดไดโพล” นั่นเอง

 

ที่จริงการที่ชื่อของบทความเรื่องนี้มีคำว่า “แบบที่เราใช้กัน” ก็เพราะสายอากาศแบบนี้ที่มีการผลิตจำหน่ายกันในประเทศไทย มักเป็นแบบที่ถูกดัดแปลงโดยมีการลัดวงจรห่วงไปครึ่งหนึ่ง (ดูรูปที่ 6) และในการนี้ก็มีความเข้าใจผิดปนอยู่ด้วย ซึ่งจะได้อธิบายต่อไป

 

โดยพื้นฐานแล้วสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลคือสายอากาศที่ทำจากโลหะความยาวรวมประมาณหนึ่งความยาวคลื่น จากนั้นก็ถูกบีบให้เป็นวงรีมากๆ ทำให้มีความยาวรวมของวงรีเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น และมีระยะระหว่างตัวนำสองด้านน้อยกว่า ความยาวคลื่นมาก สายอากาศชนิดนี้จะมีความถี่เรโซแนนซ์อยู่ค่าหนึ่ง ซึ่งก็คือความถี่ที่ทำให้ความยาวรวมของสายอากาศเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของความถี่นั้น เรียกว่า ½λ folded dipole (half wave folded dipole) ดูรูปที่ 1

 

รูปที่ 1สายอากาศแบบไดโพล (a)

และสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล (b)

 

หมายเหตุ

สายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพล ต่างจากสายอากาศแบบไดโพลธรรมดาเพราะอย่างหลังจะไม่มีการพับเป็นรูปวงรีแบนๆ แบบนี้โดยมีเพียงโลหะชี้ขึ้นด้านบนและด้านล่างอย่างละหนึ่งชิ้นเท่านั้นเรียกว่าสายอากาศแบบไดโพล  ดังนั้นเพื่อนเพื่อนที่กำลังใช้สายอากาศที่มีลักษณะเป็นห่วงควรจะเรียกให้ถูกต้องว่าโฟลเด็ดไดโพล ไม่ใช่ไดโพลเฉยๆ

 

อิมพิแดนซ์และการนำมาต่อร่วมกัน

 

โดยปกติแล้วอิมพีแดนซ์ของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลแบบครึ่งคลื่น มีค่าประมาณสี่เท่าของสายอากาศแบบไดโพล นั่นคือประมาณ 300Ω (สายอากาศแบบไดโพลมีอิมพิแดนซ์ประมาณ 75 Ω - ค่าที่ใกล้เคียงกว่าคือ 73Ω) เมื่อเราต้องการให้ระบบสายอากาศมีเกนสูงขึ้นคือสามารถส่งหรือรับส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปในทิศทางหรือที่มาจากทิศทางใดทิศทางหนึ่งได้ดีเป็นพิเศษ เราก็สามารถนำสายอากาศไดโพลมาต่อร่วมกันเรียกว่าการอาเรย์ (array)   ยกตัวอย่างเช่นถ้าเรานำสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่แต่ละห่วง (คำที่ถูกต้องกว่าคือ element) มีอิมพิแดนซ์ประมาณ 300Ω มาต่อขนานกัน 4 ห่วง โดยป้อนสัญญาณที่มีเฟสตรงกัน ก็จะทำให้อิมพิแดนซ์ลดลงเหลือ 75Ω (และอัตราส่วนคลื่นนิ่งหรือ SWR ที่เกิดในสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว 50Ω ที่จะนำมาต่อป้อนจะมีค่าประมาณ 1.5:1 ซึ่งสำหรับกำลังส่งในระดับวิทยุสมัครเล่นแล้ว สามารถต่อเข้ากับสายนำสัญญาณชนิด 50Ω และต่อเข้าเครื่องส่งวิทยุได้เลยทันที) ดูรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 การนำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล

มาต่อขนานกันจำนวน 4 element หรือ 4 ห่วง

แล้วจัดเฟสให้ตรงกัน (สายนำสัญญาณ

ต้องลงเฟสเดียวกัน) จะได้

ระบบสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ 75Ω

 

อยากได้ VSWR ต่ำกว่านี้ต้องทำอย่างไร

 

ในกรณีที่ยังไม่พอใจค่า SWR 1.5:1 ก็มีหลายวิธีที่จะทำให้อิมพิแดนซ์รวมของระบบสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลใกล้เคียงกับ 50Ω ขึ้น อาจจะ 

(1) โดยการแมทช์จาก 75 Ω ลงมาเป็น 50 Ω ด้วยวงจรจูน หรือ 

(2) โดยการออกแบบใหม่ เพื่อให้อิมพิแดนซ์ของแต่ละอิลิเมนท์ของโฟลเด็ดไดโพลให้เหมาะสมก่อนนำมาต่อกัน 

รูปที่ 3 เป็นตัวอย่างของวิธีที่ 2 ก็คือ นำสายอากาศยึดเข้ากับแกนหรือแขนจับ (บูม, boom) และยึดบูมเข้ากับเสา (มาสท์, mast) อีกทีหนึ่ง เพราะอย่างไรเสียก็ต้องยึดอยู่แล้ว  การนำเอาเสาหรือมาสท์มาไว้ใกล้อิลิเมนท์ของโฟลเด็ดไดโพลจะทำให้อิมพิแดนซ์ของสายอากาศลดลง เราสามารถปรับระยะให้ใกล้จนทำให้อิมพิแดนซ์ลด (จาก 300Ω) เหลือ 100 Ωได้

 

รูปที่ 3 เมื่อเรานำโลหะ (เสาหรือ mast)

วางไว้ใกล้กับห่วงของสายอากาศ จะทำให้

อิมพีแดนซ์จุดป้อนต่ำลง เราอาจจะปรับ

ระยะจนอิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนเป็น 100Ω

ได้เลย  โดยที่แขนจับหรือ boom ไม่มีผล

 

และเมื่ออิมพีแดนซ์ของสายอากาศหนึ่งอิลิเมนท์ลดลงเหลือ 100Ω จากนั้นเราก็เพียงนำสายอากาศสองตัวมาต่อขนานกันได้ตรงๆ ก็เหลือ 50Ω พอดีคราวนี้เราก็ได้ SWR เป็น 1.0:1 สมใจ ดูรูปที่ 4

 

รูปที่ 4 เราอาจนำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล

ที่ลดอิมพีแดนซ์เหลืออิลิเมนท์ละ 100 Ω มา

ต่อขนานกันก็จะได้อิมพีแดนซ์รวมเป็น 50Ω

 

ถ้าเราต้องการสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบ 4อิลิเมนท์ เราก็เพียงทำสายอากาศแบบสองอิลิเมนท์ที่แต่ละชุดมีอิมพิแดนซ์ 50Ω ขึ้นมาสองชุด  และต่อแต่ละชุดด้วยสายนำสัญญาณแบบ 75Ω ตัดให้ยาวเป็นจำนวนคี่ของ ¼λ (คิดตัวคูณความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณนั้นด้วย) ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงแบบ 1/4 ความยาวคลื่น (quarter-wavelength transformer) หม้อแปลงแบบ 1/4 ความยาวคลื่นจะทำหน้าที่แปลงอิมพิแดนซ์จาก 50 Ω ไปเป็น 100 Ω เมื่อทำแบบนี้สองชุดแล้วนำมาต่อขนานกันก็จะได้ระบบสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่มีอิมพิแดนซ์ 50 Ω ให้เราได้ใช้งาน ดูรูปที่ 5

 

รูปที่ 5 ระบบสายอากาศ

โฟลเด็ดไดโพลแบบ 4-element

หรือที่เรียกกันว่า 4 ห่วง

หมายเหตุ

รูปที่ 5 เป็นเพียงรูปแบบหนึ่งในการออกแบบอิมพิแดนซ์ การจัดเรียง และต่อร่วมสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลหลายอิลิเมนท์เข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้อิมพิแดนซ์รวมเท่ากับ 50 Ω เท่านั้น ในความเป็นจริงเราสามารถออกแบบต่างไปจากนี้ได้อีกมากมายหลายวิธี

 

เรื่องไม่จบแค่นั้น - สายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบที่เราใช้กัน

 

ถ้าเราดูโครงสร้างของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลที่ถูกทำขึ้นมาจำหน่ายกันในไทยจากหลายๆ แหล่งผลิต อาจจะเห็นว่ามีการลัดวงจรด้านล่างไปเสียครึ่งห่วง (ดูรูปที่ 6)

 

รูปที่ 6 แสดงห่วงของโฟลเด็ดไดโพล

ที่ถูกลัดวงจรไปครึ่งหนึ่ง

 

ความเข้าใจผิดที่เกิดขึ้น

 

ตรงนี้นั่นเองที่เกิด คำเล่าขานบ้าง ความลับบ้าง ส่วนใหญ่แล้วสรุปได้ว่า “ห่วงโฟลเด็ดไดโพลหนึ่งห่วงมีอิมพิแดนซ์ 300 Ω เมื่อลัดวงจรครึ่งหนึ่งก็จะเหลืออิมพิแดนซ์ 150 Ω ซึ่ง ไม่เป็นความจริง (ข้อพิสูจน์อยู่ในรูปที่ 7 และ 8)

 

เหตุผลที่ออกแบบให้ลัดวงจรเพราะ

 

(1) ต้องการ เปลี่ยนลักษณะทางไฟฟ้าไปในทางที่จะทำให้เกิดกระแสไหลในผิวนอกของส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณ (ตั้งแต่สายนำสัญญาณที่ต่อเชื่อมพ่วงอิลิเมนท์ต่างๆ เข้าด้วยกันเลย) ที่เรียกว่า common mode current อันเกิดจากการต่อสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลซึ่งเป็นสายอากาศแบบบาลานซ์ (balanced) เข้ากับสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial transmission line) ซึ่งเป็นสายนำสัญญาณแบบอันบาลานซ์ (unbalanced) โดยไม่มีอุปกรณ์ที่เรียกว่าบาลัน (balun) เป็นตัวต่อคั่นเอาไว้ ดูหัวข้อ สายอากาศและสายนำสัญญาณแบบบาลานซ์และอันบาลานซ์ ด้านล่าง

 

(2) ทำให้ผลิตง่าย มีโครงสร้างแข็งแรง เนื่องจากสามารถยึดบูม (แขนจับอิลิเมนท์หรือห่วง) ที่ทำด้วยโลหะเข้ากับสองด้านของห่วง (ด้านที่ลัดวงจร) ได้อย่างแข็งแรง โดยบูมนี้ทำหน้าที่ลัดวงจรครึ่งหนึ่งของห่วง และเป็นกราวด์ไปด้วยในตัว

 

การลัดวงจรที่เกิดขึ้น ไม่ได้ทำให้อิมพิแดนซ์ของแต่ละอิลิเมนท์เปลี่ยนแปลงไปอย่างมีนัยสำคัญ (อาจจะเปลี่ยนบ้างเพราะ ขนาด โครงสร้าง ทางกายภาพเปลี่ยนไป แต่ด้วยหลักการทางไฟฟ้าแล้วจะไม่เปลี่ยน เนื่องจากในขณะที่โฟลเด็ดไดโพลทำงาน ศักย์ไฟฟ้าด้านตรงข้ามกับจุดต่อเป็นกราวด์ (ค่าตรงกลาง, 0V และเป็นจุดที่กระแสสูงสุด) อยู่แล้ว   ผู้เขียนได้ทำการทดลองโดยสร้างอิลิเมนท์โฟลเด็ดไดโพลขึ้นมาและวัดอิมพิแดนซ์ของอิลิเมนท์ของโฟลเด็ดไดโพลแบบลัดและไม่ลัดวงจรห่วงครึ่งหนึ่ง ได้ผลว่าอิมพิแดนซ์ของมันเป็นประมาณ 300 Ω เท่าๆ กัน และมี SWR ประมาณ 6 (300 Ω / 50 Ω = 6) ดูรูปที่ 7 และ 8

 

รูปที่ 7 อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ

โฟลเด็ดไดโพลแบบมาตรฐาน

(ไม่มีการลัดวงจรครึ่งห่วงด้านล่าง)

 

รูปที่ 8 อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ

โฟลเด็ดไดโพลที่มีการลัดวงจรครึ่งหนึ่ง ที่ยัง

คงมีค่าประมาณ 300Ω และ VSWR

ยังคงเป็นประมาณ 6:1 ไม่ได้เหลือ 150Ω

(ซึ่งต้องมี VSWR เหลือ 3:1) แต่อย่างใด

 

สายอากาศรูปตัว J

 

ยิ่งไปกว่านั้นถ้าเราพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นทางไฟฟ้าของสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลที่มีการลัดวงจรครึ่งหนึ่งแล้ว จะเห็นว่าครึ่งด้านที่มีการลัดวงจรนั้นมีค่าเพียงโลหะความยาว ¼λ เท่านั้น เราจึงสามารถ “หด” มันลงเหลือสายอากาศแบบตัว J (ไม่ใช่สายอากาศที่เรียกว่า J-pole นะครับ เพราะสายอากาศแบบ J-pole มีหลักการต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง) ดูรูปที่ 9

 

รูปที่ 9 สายอากาศแบบตัว J

 

ที่สำคัญคือ เมื่อเราวัดอิมพิแดนซ์ของสายอากาศแบบตัว J นี้ เราเห็นว่ามีค่าเหมือนกับของสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลและโฟลเด็ดไดโพลแบบที่ลัดวงจรครึ่งหนึ่งด้วย (ผลจากการวัดเหมือนด้านขวามือของรูปที่ 7 และ 8) คือประมาณ 300 Ω ทำให้บางครั้งเราจะเห็นการใช้ตัวขับ (driven element) แบบตัว J นี้แทนอิลิเมนท์ของโฟลเด็ดไดโพล  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 ห่วงหรือชื่อที่ถูกต้องคือ 1 อิลิเมนท์มีอิมพิแดนซ์ประมาณ 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 ให้เล่าขานกันโดยไม่มีที่มาที่ไปอีกต่อไป ขอขอบคุณ HS1DNG (อาตุ้ม พลายณรงค์ แก้วสถิตย์) ที่ร่วมช่วยเหลือในการทดสอบทดลองครับ

อ้างอิง:
Patent Specification 1 322 300
Application No. 19727/72
Filed 27 April 1972
Inventor: Martin Thomas O'Dwyer