เรื่องเล่าเกี่ยวกับความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณ

สายนำสัญญาณเป็นส่วนประกอบหนึ่งที่สำคัญของระบบวิทยุสื่อสาร หน้าที่มันก็คือนำพา "คลื่น" จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง ที่สำคัญก็คือระหว่างเครื่องรับ-ส่งวิทยุสื่อสารไปยังสายอากาศนั่นเอง ถ้าเพื่อนๆ ใช้สายนำสัญญาณกันตามปกติกับระบบที่ออกแบบมาดีอยู่แล้ว คือสายอากาศมีอิมพิแดนซ์ (ความต้านทานเชิงซ้อน) ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ ก็อาจจะไม่ต้องกังวลเรื่องสายนำสัญญาณมากนัก อาจจะเรียกว่ารู้จักมันบ้างไม่รู้จักบ้างก็คงไม่เกิดปัญหานัก เพียงแต่ดูแลให้อยู่ในสภาพที่ดี ไม่แตกหัก รั่วซึม (น้ำเข้าก็มีปัญหาได้มากนะครับ) และจุดต่อเชื่อมต่างๆ แน่นหนา เท่านั้นก็เพียงพอ แต่ถ้าพัฒนาไปถึงขั้นที่เอาสายนำสัญญาณมาเป็นส่วนของสายอากาศ มาสร้างสายอากาศ เช่น เชื่อมต่อระหว่างสายอากาศเล็กๆ (element) เข้าด้วยกัน รวมทั้งมีการแปลงอิมพิแดนซ์ด้วยสายนำสัญญาณด้วยแล้วล่ะก็ คงต้องรู้จักสายนำสัญญาณให้มากขึ้นไปอีกขั้นหนึ่ง

เรื่องเล่าจากกิจกรรม

ปกติแล้ว ชมรม The DXer จะมีการประชุมและ/หรือทำกิจกรรมกันเป็นประจำ ครั้งหนึ่งในการทำกิจกรรมเราก็สร้างสายอากาศแบบโฟลเด็ดไดโพลแบบ 2 ห่วง  (นั่นคือ 2 element) ซึ่งจะต้องมีการต่อเชื่อมสายอากาศแต่ละห่วงเข้าด้วยกัน ในการออกแบบนั้นเราออกแบบให้อิมพิแดนซ์ของแต่ละห่วง (เมื่อวางใกล้กับ mast ด้านหลัง) เป็น 100 Ω และต่อด้วยสายนำสัญญาณ RG-58 ที่ยาวลง 1/2 λ (λ = หนึ่งความยาวคลื่น) เพื่อให้ปลายสายมีอิมพิแดนซ์คงที่ 100 Ω และเมื่อทำเช่นนี้กับทั้งสอง element นำมาต่อขนานกันก็จะได้อิมพิแดนซ์เป็น 50 Ω สามารถนำไปใช้งานได้ทันที ดูภาพที่ 1

ภาพที่ 1 โครงสร้างการออกแบบ

อิมพิแดนซ์ของสายอากาศโฟลเด็ด

ไดโพลแบบสองห่วงที่สร้างขึ้น

ในวันนั้นเราทำสายอากาศแบบนี้กันสองชุด ชุดแรกผ่านไปได้ดีไม่มีปัญหาใดๆ แต่พอชุดที่สอง ปัญหาก็เกิดขึ้น คือวัดค่า VSWR ได้สูงผิดปกติ ขยับ ปรับ เลื่อน เคลื่อน อย่างไรแล้วก็ยังไม่สำเร็จ หลังจากนั่งพักเหงื่อแตกจนเหงื่อแห้ง เราก็เริ่มพิจารณาว่าสายอากาศชุดที่สองนี้มีอะไรที่แตกต่างกันจากชุดแรกบ้าง ก็เหมือนกันแทบจะทั้งหมด ทั้งตัวห่วง วัสดุ ความหล่อของเพื่อนๆ ที่ช่วยกันทำและช่วยกันวัดต่างๆ ปรากฏว่ามีอย่างเดียวที่ต่างไปคือ สายนำสัญญาณที่นำมาใช้ต่อเชื่อมห่วงเข้าด้วยกันนั่นเอง เพราะ หลังจากที่ทำชุดแรกไปแล้ว "สายหมด!" ก็เลยจัดการเปิดห่อเอาสายนำสัญญาณม้วนใหม่ (คนละยี่ห้อ) มาใช้งาน

ชักแปลกๆ เลยลองวัดดู

หลังจากที่พิจารณาหน่วยก้านของสายนำสัญญาณ ก็เห็นว่าภายนอกดูปกติดี แข็งแรง ชีลด์แน่นหนา แถมมีฟอล์ยหุ้มอยู่อีกชั้นหนึ่งด้วย ดูแล้วไม่น่าจะมีปัญหาเรื่องความเสียหายเฉพาะตัว เราเลยลองวัดดูว่า ความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณนี้เป็นเท่าไร ปรากฏว่ามันไม่ใช่ 0.66 เหมือนกับสาย RG-58 ทั่วไป ดูวิดิโอ 1 ประกอบ

วิดีโอที่ 1 แสดงการวัดและคำนวณ

ความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณ

ด้วยเครื่องวิเคราะห์สายอากาศ



วิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้น

เราลองมาดูกันดีกว่าว่า เกิดอะไรขึ้นเมื่อเราคิดว่า สายนำสัญญาณที่ใช้มีความเร็วคลื่น (แม่เหล็กไฟฟ้า) เป็น 66% ของความเร็วคลื่นในอากาศ/สูญญากาศ ค่อยๆ ดูทีละขั้นตอนนะครับ

1. เราตัดสายนำสัญญาณยาวลงเป็นจำนวนเท่าของ 1/2 λ เช่น 1 แลมด้า ถ้าคำนวณด้วยความเร็ว 0.66 จะได้ 1.365 เมตร (คำนวณจาก 300 x VF / Frequency = 300 x 0.66 / 145) โดย VF คือ Velocity Factor หรือสัมประสิทธิความเร็ว หรือตัวคูณความเร็ว
2. แต่ความเร็วจริง เป็น 0.77 เท่าของความเร็วคลื่นในอากาศ นั่นคืสายนำสัญญาณต้องยาว 1.593 เมตรจึงเป็นความยาว 1 λ การตัดสายนำสัญญาณยาวเพียง 1.365 เมตร นั้นจะกลายเป็นความยาวเพียง 0.857 λ
3. เมื่อเราใช้สมิทชาร์ท ช่วยคำนวณ จะเห็นว่าเมื่อเราต่อโหลด 100 Ω เข้ากับสายนำสัญญาณที่มีความต้านทานจำเพาะ 50 Ω ความยาว 0.857 λ จะได้อิมพิแดนซ์ที่ปลายอีกข้างหนึ่งเป็น z=0.65+j0.45 (ไม่มีหน่วย เป็นค่า normalized คือเทียบกับ 50 Ω) หรือ Z=32.5+j22.5 Ω (ได้จากการคูณกลับด้วย 50 Ω) ดูภาพที่ 2
4. และเมื่อนำ อิมพิแดนซ์ 32.5+j22.5 Ω ดังกล่าวมาต่อขนานกัน จะได้อิมพิแดนซ์รวมเป็น 16.25+j11.5 Ω ดูภาพที่ 3
5. เมื่อเรา normalize ค่าอิมพิแดนซ์จาก Z = 16.25+j11.5 Ω  (ด้วยการหารด้วย 50 Ω) ได้ z = 0.325+j0.225 แล้ววาดลงบน smith chart ทำให้เราสามารถหาค่า VSWR (ได้โดยไม่ต้องคำนวณ แต่ใช้วิธีทางกราฟ) เป็นประมาณ 3.5:1 ตามภาพที่ 4

ภาพที่ 2 การแปลงอิมพิแดนซ์จาก 100 Ω

เป็น 32.5 + j22.5 Ω จากสายนำ

สัญญาณที่ยาวไม่ครบ 1 λ (ค่าโดยประมาณ)

ภาพที่ 3 อิมพิแดนซ์รวมที่เกิดขึ้นเมื่อ

นำปลายสายมาต่อขนานกัน ได้เป็น

16 + j 11.25 Ω

แทนที่จะเป็น 50 Ω ดังในภาพที่ 1

ภาพที่ 4 การใช้สมิทชาร์ทหาค่า

VSWR โดยวิธีทางกราฟ

Z = 16.25+j11.5 Ω

ได้ VSWR ประมาณ 3.5:1

การแก้ไข

หลังจากที่เราได้วัดและคำนวณตัวคูณความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณ ซึ่งได้ค่าประมาณ 0.78 แล้ว เราก็จัดการคำนวณความยาวสายนำสัญญาณเสียใหม่ โดย λ = VF x (c/Frequency) = 0.78 x (300/145) = 1.61 ซม. โดยประมาณ ทำให้ความยาวครึ่งคลื่นเป็น ½λ = 1.61/2 = 80.5 ซม. โดยประมาณ จากนั้นก็ทำการสร้างสายต่อเชื่อม (phasing harness หรือที่เราชอบเรียกว่า "สายเฟส") ประกอบและทำการวัด สายอากาศที่ได้ก็มีค่า VSWR ต่ำสวยงาม ดูภาพที่ 5

ภาพที่ 5 VSWR จากการใช้สายป้อน

ที่คำนวณความยาวใหม่ตามตัวคูณ

ความเร็วที่วัดและคำนวณได้ มีค่า

ไม่เกิน 1.2:1 ในช่วงความถี่ที่ใช้งาน

สรุป

ความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณเป็นผลโดยตรงจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าคือ ԑ หรือ permittiviry และแม่เหล็ก µ หรือ permeability ของฉนวน (Dielectric) ที่หุ้มตัวนำแกนกลางของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม - ดูภาพประกอบแรกของบทความ แต่ µ มักมีค่าเท่าๆ กันในสุญญากาศ อากาศ หรือฉนวนต่างๆ ดังนั้นสิ่งที่ทำให้ความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณต่างจากในอากาศ-สูญญากาศจึงคือ permittiviry เป็นหลัก ในการใช้สายนำสัญญาณเพื่อต่อเชื่อมและอาจจะมีผลต่อการควบคุมอิมพิแดนซ์ เราต้องระวังเรื่องคุณสมบัติของสายนำสัญญาณให้ดี โดยเฉพาะเมื่อเราเปลี่ยนยี่ห้อ/รุ่น ของสายนำสัญญาณไปจากที่ใช้ตามปกติ เพราะถ้าความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณนั้นผิดไปจากที่เราคิดว่าเป็น เราก็จะตัดสายนำสัญญาณผิดความยาว และเมื่อนำมาใช้งานที่อาจจะเกี่ยวข้องกับการแปลงอิมพิแดนซ์ (ทั้งที่อยากให้แปลง และไม่อยากให้แปลง) ก็ไม่ได้ตามสิ่งที่เราคำนวณหรือออกแบบไว้ และสร้างปัญหาได้ครับ

เล่าเสร็จก็หมดแรงพอดี แล้วพบกันใหม่ในเรื่องหน้านะครับ
สำหรับวันนี้ ต้องขอ 73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต) ครับ