ทำบาลันไว้ใช้กันดีกว่า

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

อุปกรณ์สำคัญสองชนิดสำหรับนักวิทยุสมัครเล่นที่ตั้งสถานีวิทยุก็คือสายนำสัญญาณและสายอากาศ ทางไฟฟ้าแล้วสายอากาศเองถูกแบ่งออกง่ายๆ เป็นสองชนิดคือแบบสมดุล (balance) และแบบไม่สมดุล (unbalance) ในขณะที่สายนำสัญญาณเองก็มีสองชนิดคือแบบสมดุล (balance) และแบบไม่สมดุล (unbalance) เช่นกัน

บางครั้ง (เน้นว่า บางครั้ง นะครับ ไม่ใช่ทุกครั้ง) ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อเรานำสายอากาศและสายนำสัญญาณต่างชนิดกันต่อเข้าด้วยกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) ซึ่งเป็นแบบไม่สมดุล (unbalance) ต่อเข้ากับสายอากาศแบบสมดุล (balance) เช่นสายอากาศไดโพล หรือ โฟลเด็ดไดโพล (ดูภาพที่ 1 และ 2) ในขณะที่สายอากาศ "โฟลเด็ดไดโพลแบบลัดครึ่ง" ไม่ถือว่าเป็นแบบสมดุลอีกต่อไป (ดูภาพที่ 3)

ดูภาพที่ 1 สายอากาศไดโพลเป็น
สายอากาศแบบสมดุล มีอิมพิแดนซ์
ที่จุดป้อนตามทฤษฎี 73 โอห์ม (โดย
ทั่วไปเราประมาณว่าเป็น 75 โอห์ม)

ภาพที่ 2 สายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
เป็นสายอากาศแบบ "สมดุล" มี
อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนตามทฤษฎี 292 โอห์ม
(โดยทั่วไปเราประมาณว่า 300 โอห์ม)

ภาพที่ 3 สายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบ
ลัดครึ่ง เป็นสายอากาศแบบ"ไม่สมดุล"
มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเท่ากับสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลแบบไม่ลัดครึ่งทัวไป
เราจะคุ้นตากับภาพขวามากกว่า ที่มักถูก
นำไปใช้สร้างสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
ในบ้านเราโดยทั่วไป

ปัญหาที่อาจจะเกิดขึ้น

เมื่อเราใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable) ซึ่งเป็นแบบไม่สมดุล (unbalance) ต่อเข้ากับสายอากาศไดโพลที่เป็นแบบสมดุล (balance) ตัวนำทางไฟฟ้าของสายนำสัญญาณแบบ coaxial จะกลายเป็น 3 ส่วนคือ แกนกลาง, ผิวด้านในของเปลือก (ชีลด์), และ ผิวด้านนอกของเปลือก (ชีลด์) ไม่ใช่สองส่วนอีกต่อไป ปกติแล้วควรมีเพียงกระแส I₁ และ I₂ ซึ่งมีขนาดเท่ากันไหลอยู่เท่านั้น แต่ในบางกรณีจะมีกระแสส่วนเกิน I₃ (เราไม่ต้องการมัน!) ไหลที่ด้านนอกของเปลือกชีลด์ด้วย กระแสนี้เองเรียกว่ากระแสโหมดร่วม (common mode) ซึ่งรบกวนทั้งอิมพิแดนซ์ของสายอากาศและรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศด้วย (ดูภาพที่ 4 และภาพหน้าปกของบทความนี้ ซึ่งจะเห็นว่ากระแส I₃ ทำให้ขนาดกระแสที่ปีกทั้งสองของสายอากาศไดโพลไม่เท่ากัน ทำให้แพทเทิร์นผิดปกติไปได้) 

ภาพที่ 4 กระแสโหมดร่วม I₃ ที่ไหลที่
เปลือกด้านนอกของชีลด์ของสาย
นำสัญญาณแบบ coaxial เกิดจากการ
ต่อสายนำสัญญาณแบบไม่สมดุล
เข้ากับสายอากาศแบบสมดุล

อีกประเด็นหนึ่งที่เรามักไม่พูดถึงกันก็คือ ศักย์ไฟฟ้าบนสายนำสัญญาณแบบสมดุลและไม่สมดุลที่จะป้อนให้กับสายอากาศนั้นไม่เหมือนกัน ศักย์ไฟฟ้าบนสายนำสัญญาณแบบไม่สมดุล (unbalance - สายแบบ coaxial) จะมีศักย์เป็น 0 โวล์ทตลอดที่ชีลด์ ในขณะที่ศักย์ที่ตัวนำแกนกลางจะเป็นทั้งศักย์บวกและลบเมื่อเทียบกับชีลด์ ดูภาพที่ 5

ภาพที่ 5 ในสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม
ซึ่งไม่สมดุล ศักย์ที่ตัวนำแกนกลางจะเป็น
ทั้งบวกและลบเมื่อเทียบกับชีลด์

ในสายนำสัญญาณแบบสมดุล (balance - สายนำสัญญาณแบบตัวนำคู่ เช่น twin lead หรือ ladder line) ที่ถูกป้อนจากวงจรเครื่องวิทยุที่ออกแบบอย่างถูกต้อง ศักย์ไฟฟ้าของตัวนำทั้งสองจะตรงกันข้ามกัน และผลัดกันเป็นทั้งบวกและลบ ดูภาพที่ 6

ภาพที่ 6 ในสายนำสัญญาณแบบสมดุล
เช่นสายนำสัญญาณแบบตัวนำคู่ ศักย์ที่ตัวนำ
ทั้งสองจะเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามกัน

แล้วบาลันทำอะไร

พูดโดยรวมแล้ว บาลันคืออุปกรณ์ที่พยายามทำให้กระแสบนตัวนำทั้งสองข้างของสายอากาศ (เช่น ไดโพล) มีขนาดเท่ากัน (แต่อาจจะไหลตรงกันข้ามกันในเวลาเดียวกัน อันนั้นไม่เป็นไร) และ พยายามไม่ให้มีกระแสไหลที่ "ส่วนนอกของชีลด์" ในกรณีที่ใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable - แบบไม่สมดุล) เป็นตัวป้อน

บาลันเองแบ่งเป็นสองแบบคือ voltage และ current balun (คือแบบพยายามทำให้กระแสสมดุลด้วยวิธีทางโวลเตจและวิธีทางกระแส ตามลำดับ) นอกจากนั้นยังมีแบบที่มีอัตราการแปลงอิมพิแดนซ์หรือไม่มีแยกย่อยออกไปอีก

บาลันที่เราจะลองสร้าง

ในบทความนี้เราจะชวนกันมาสร้างบาลันแบบ voltage balun (คือแบบโวลเตจ) และเป็นแบบไม่มีการอัตราการแปลงอิมพิแดนซ์ (ถ้าพูดให้ครบคือ "ที่ 50 โอห์ม" ด้วย) นั่นคือถ้าเราเอาอิมพิแดนซ์ 50 โอห์มต่อเข้าไปที่ด้านสมดุล (balance) ที่ด้านไม่สมดุล (unbalance) ก็จะเห็นเป็นค่า 50 โอห์มเช่นกัน (ตรงนี้ระวังนะครับ ไม่ใช่ว่าใส่อิมพิแดนซ์เท่าไรเข้าไปก็จะได้เท่านั้น เพราะถ้าใส่ 100 โอห์มเข้าไปที่ด้านสมดุล ด้านไม่สมดุลจะเหลือ 25 โอห์มเลย) โดยสร้างจากสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม ดังนั้นชื่อเต็มๆ หรูหราคือ โวลเตจบาลันจากสายโคแอกเชียลแบบ 1:1 (1:1 coaxial voltage balun) นั่นเอง

ที่เราเรียกว่าโวลเตจบาลัน เพราะมันจะพยายามทำให้โวลเตจที่จุดป้อนของสายกาศมีขนาดเท่ากันแต่มีศักย์ไฟฟ้าตรงกันข้ามกันในเวลาหนึ่งๆ (กลับเฟสกัน) ถ้าโหลดของทั้งสองด้านของปีกบาลันมีอิมพิแดนซ์เท่ากัน กระแสที่ไหลในปีกทั้งสองของบาลันจะมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม (เพราะศักย์มันกลับข้าง กลับเฟสกัน)  ลักษณะการต่อเชื่อมของบาลันของเราเป็นตามภาพที่ 7

ภาพที่ 7 1:1 coaxial voltage balun

จะเห็นว่าสายนำสัญญาณมีสองส่วน ส่วนแรกยาว ¼λ (ต่อไปจะเรียกว่าส่วน A) ในขณะที่อีกส่วนยาว ¾λ (จะเรียกว่าส่วน B) นั่นคือต่างกัน ½λ ทำให้เฟสของสัญญาณที่ปลายสายทั้งสองห่างกัน ½λ ด้วย คือกลับเฟสกัน และทำให้ศักย์ไฟฟ้าที่ปลายสายมีขั้วตรงกันข้ามกันนั่นเอง

การที่เลือกให้สายนำสัญญาณส่วน A และ B ยาวลง ¼λ และ ¾λ ไม่ใช่ ½λ ทำให้ส่วน A และ B ทำงานเป็น Quarter-wavelength transformer โดยจะแปลง "ครึ่งหนึ่งของอิมพิแดนซ์ 50 โอห์มคือ 25 โอห์ม" (ในการคำนวณ โหลด หรือสายอากาศแบบสมดุลขนาด 50 โอห์ม จะถูกมองเป็นโหลดความต้านทาน 25 โอห์มสองตัวอนุกรมกัน) ไปเป็นอิมพิแดนซ์อื่นซึ่งขึ้นกับความต้านทานจำเพาะ (characteristic impedance) ของสายนำสัญญาณส่วน A และ B ที่นำมาใช้ ในกรณีนี้เราใช้สายนำสัญญาณแบบ 50 โอห์ม ทำให้อิมพิแดนซ์อีกด้านหนึ่งเป็น 100 โอห์ม จากนั้นเมื่อเรานำปลายสายของส่วน A และ B มาขนานกัน ก็จะได้เป็น 50 โอห์มนั่นเอง ดูภาพที่ 8

ภาพที่ 8 การแปลงอิมพิแดนซ์ของ
สายนำสัญญาณส่วน A และ B โดย Z_i 
ที่ปลายแต่ละด้านเป็น 100Ω ซึ่งเมื่อ
นำมาขนานกันก็จะเหลือเป็น 50Ω ก็จะ
ต่อด้วยสายนำสัญญาณ 50Ω ความยาว
เท่าไรก็ได้ตามต้องการไปใช้งานต่อไป

มาลองสร้างบาลันกัน

เริ่มแรกเราก็เตรียมสายนำสัญญาณแบบ 50 โอห์มที่ความยาว ¼λ (ภาพที่ 9) และ ¾λ (ภาพที่ 10) เสียก่อน โดยการคำนวณความยาวทางไฟฟ้าด้วย กรณีใช้สายนำสัญญาณที่ฉนวนเป็น PE เช่น RG58 หรือ RG8 (ตัวคูณความเร็วคลื่นในสายนำสัญญาณเป็น 0.66) และที่ความถี่ 145MHz จะคำนวณได้ดังนี้

สายขนาด ¼λ ยาว
= (300/145) x 0.66 x 1/4
= 34.1 ซม. โดยประมาณ

และส่วนของสายขนาด ¾λ
= (300/145) x 0.66 x 3/4
= 102 ซม. โดยประมาณ

สำหรับผู้ที่มีเครื่องวิเคราะห์สายอากาศที่วัดอิมพิแดนซ์ได้ ก็ลองวัดโดยเปิดวงจรด้านหนึ่ง (∞ Ω) ของสายนำสัญญาณแล้ววัดอิมพิแดนซ์อีกด้านหนึ่งที่ความถี่ที่ใช้งาน (ในตัวอย่างคือ 145MHz) ต้องได้เป็นลัดวงจร (0 Ω) เพราะนั่นคือคุณสมบัติการทำงานของสายนำสัญญาณที่ยาวลง 1/4 λ, 3 /4 λ, 5/4 λ, 7/4 λ,.... นั่นเอง

เวลาตัดสายนำสัญญาณ ตัดให้ยาวกว่าที่คำนวณ (หรือวัด) ได้นี้สัก 2 ซม. ไว้เผื่อปอกฉนวนออกด้านละ 1 ซม. จากนั้นต่อสายเข้าด้วยกันตามวงจรในภาพที่ 7 โดยพยายามทำให้จุดต่อเชื่อมบัดกรีต่างๆ สั้นที่สุด ดูภาพที่ 9

ภาพที่ 9 เตรียมสายนำสัญญาณโคแอกเชียล
50 Ω ยาว ¼λ (ซ้าย) และ ¾λ (ขวา)
แล้วบัดกรีต่อเชื่อมกันตามภาพที่ 7

ลองวัดทดสอบดู

เมื่อทำบาลันของเราเสร็จแล้ว ก็ลองวัดทดสอบดู โดยใส่ความต้านทาน 50 โอห์มเข้าที่ด้าน balance (ภาพที่ 10) 

ภาพที่ 10 ใส่ตัวต้านทานขนาด 50 โอห์ม
ไว้ที่ด้าน balance ผมหาได้ 47 โอห์ม
ก็ใส่ไปก่อนได้ถือว่าใกล้เคียง

และวัด VSWR ด้าน unbalance สำหรับตัวที่ผมทำขึ้นได้ผลการวัดตามภาพที่ 11 ถือว่าใช้ได้ ผมอาจจะตัดสายนำสัญญาณเผื่อมากเกินไปเล็กน้อย (ประมาณ 0.5-1 เซนติเมตร) จึงมี VSWR ดีที่สุดที่ความถี่ต่ำกว่าที่คำนวณไว้เล็กน้อย แต่ที่ความถี่ 145MHz ก็ยังมีค่าต่ำกว่า 1.2:1 ถือว่าใช้ได้

ภาพที่ 11 VSWR ของบาลันที่ทำขึ้น

ก่อนจบบทความ มาดูสรุปกันสักนิด

1. สายอากาศและสายนำสัญญาณมีทั้งแบบสมดุลและไม่สมดุล
2. สายนำสัญญาณแบบแกนร่วมหรือ Coaxial ที่เราใช้ทั่วไปเป็นแบบไม่สมดุล เพราะศักย์ไฟฟ้าที่แกนกลางและที่ชีลด์มีขนาดไม่เท่ากัน (ที่ชีลด์ เป็น 0V เสมอ)
3. ตัวอย่างของสายนำสัญญาณแบบสมดุลคือสายคู่ (twin lead) ที่ศักย์ไฟฟ้าอันเกิดจากคลื่นบนตัวนำทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามกัน
4. บาลัน (Balun) มาจาก Balance to Unbalance Device มีไว้เพื่อต่อเชื่อมระบบที่เป็นแบบสมดุลกับไม่สมดุลเข้าด้วยกัน 
5. บาลันมีสองแบบคือ Voltage และ Current   โดยที่ Voltage balun จะพยายามทำให้กระแสใน "กิ่ง" ของสายอากาศทั้งสองมีค่าเท่ากันด้วยการทำให้ศักย์ไฟฟ้าที่ขั้วของสายอากาศเท่ากัน ในขณะที่แบบ Current balun จะพยายามทำให้กระแสเท่ากันด้วยเทคนิคอื่น (เช่นใช้หม้อแปลงสร้าง Common Mode Current Choke ขึ้นต้านทานกระแส common mode ให้ไหลได้น้อยลง)
6. บาลันแบบ 1:1 ที่สร้างจากสายนำสัญญาณนี้ แม้ชื่อจะเป็น 1:1 แต่เป็นการออกแบบบนพื้นฐานของระบบ 50 โอห์ม คือใช้สายนำสัญญาณแปลงอิมพิแดนซ์อยู่ภายในการออกแบบด้วย นั่นคือถ้าโหลด (หรือสายอากาศแบบสมดุล) มีอิมพิแดนซ์ต่างจาก 50 โอห์มไปมาก อิมพิแดนซ์ที่ปลายอีกด้านหนึ่งของสายอากาศก็จะไม่ได้เป็นค่านั้นๆ หรอกนะ  ถ้าจะใช้กับระบบอิมพิแดนซ์อื่นก็ต้องเปลี่ยนการออกแบบใหม่ด้วย 
7. กลไกการทำงานภายในของบาลันที่ให้ทำในบทความนี้ มีเทคนิคสำคัญสองอย่างคือ (ก) ใช้สายนำสัญญาณแปลงอิมพิแดนซ์ (เทคนิค quarter-wave transformer) และ (ข) มีการใช้สายนำสัญญาณที่ยาวต่างกัน ½λ  ซึ่งทำให้เฟสของสัญญาณที่ปลายสายนำสัญญาณส่วน A และ B ต่างกันครึ่งคลื่นหรือกลับเฟส (กลับขั้ว) กัน 
8. จากข้อ (7) ถ้าความถี่เปลี่ยน สายนำสัญญาณที่ตัดที่ความยาวหนึ่งเอาไว้ก็จะไม่ได้ยาวลง quarter wave  และก็ไม่ได้ยาวต่างกัน ½λ ความยาวคลื่นอีกต่อไป ทกอย่างจะเริ่มเพี้ยนไปหมด ทำให้บาลันแบบนี้ทำงานได้ดีในความถี่เดียวที่ออกแบบเท่านั้น (แต่ก็ไม่ได้หมายความว่า มันทำงานที่ความถี่ต่างไปไม่ได้ ถ้าสัก 1-3% ก็ไม่มีปัญหาครับ ใช้ได้อยู่) 

เป็นไงครับ ในบทความนี้ นอกจากได้ทำบาลันเล่นจริงๆ แล้ว ยังได้ความรู้หลักการทำงานของบาลันแบบโวลเตจ อัตราส่วน 1:1 (ไม่แปลงอิมพิแดนซ์) สำหรับระบบ 50 โอห์มที่สร้างจากสายนำสัญญาณโคแอกเชียล ไปพร้อมกันเลย  แล้วพบกับเรื่องดีๆ อีกในบทความต่อๆ ไปนะครับ

73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)