ทำบาลันไว้ใช้กันดีกว่า

Understanding Simple 1:1 Coaxial Balun

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

---

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 (ดูรูปที่ 1 และ 2) ในขณะที่สายอากาศ "โฟลเด็ดไดโพลแบบลัดครึ่ง" ไม่ถือว่าเป็นแบบสมดุลอีกต่อไป (ดูรูปที่ 3)

รูปที่ 1 สายอากาศไดโพลเป็น
สายอากาศแบบสมดุล มีอิมพิแดนซ์
ที่จุดป้อนตามทฤษฎี 73Ω (โดย
ทั่วไปเราประมาณว่าเป็น 75Ω)

รูปที่ 2 สายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
เป็นสายอากาศแบบ "สมดุล" มี
อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนตามทฤษฎี 292Ω
(โดยทั่วไปเราประมาณว่า 300Ω)

รูปที่ 3 สายอากาศโฟลเด็ดไดโพลแบบ
ลัดครึ่ง เป็นสายอากาศแบบ"ไม่สมดุล"
มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเท่ากับสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลแบบไม่ลัดครึ่งทัวไป
เราจะคุ้นตากับรูปขวามากกว่า 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 (ดูรูปที่ 4 และภาพหน้าปกของบทความนี้ ซึ่งจะเห็นว่ากระแส I₃ ทำให้ขนาดกระแสที่ปีกทั้งสองของสายอากาศไดโพลไม่เท่ากัน ทำให้แพทเทิร์นผิดปกติไปได้) 

รูปที่ 4 กระแสโหมดร่วม I₃ ที่ไหลที่
เปลือกด้านนอกของชีลด์ของสาย
นำสัญญาณแบบ coaxial เกิดจากการ
ต่อสายนำสัญญาณแบบไม่สมดุล
เข้ากับสายอากาศแบบสมดุล

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

รูปที่ 5 ในสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม
ซึ่งไม่สมดุล ศักย์ที่ตัวนำแกนกลางจะเป็น
ทั้งบวกและลบเมื่อเทียบกับชีลด์

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

รูปที่ 6 ในสายนำสัญญาณแบบสมดุล
เช่นสายนำสัญญาณแบบตัวนำคู่ ศักย์ที่ตัวนำ
ทั้งสองจะเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามกัน

แล้วบาลันทำอะไร

พูดโดยรวมแล้ว บาลันคืออุปกรณ์ที่พยายามทำให้กระแสบนตัวนำทั้งสองข้างของสายอากาศ (เช่น ไดโพล) มีขนาดเท่ากัน (แต่อาจจะไหลตรงกันข้ามกันในเวลาเดียวกัน อันนั้นไม่เป็นไร) โดยการพยายามสร้างโวลเตจที่มีศักย์ตรงกันข้ามกันป้อนให้กับขั้วทั้งสองของสายอากาศ และ/หรือ พยายามไม่ให้มีกระแสไหลที่ "ส่วนนอกของชีลด์" (common mode current) ในกรณีที่ใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (coaxial cable - แบบไม่สมดุล) เป็นตัวป้อน

บาลันเองแบ่งเป็นสองแบบคือ voltage (พยายามสร้างโวลเตจที่มีศักย์ตรงกันข้ามกันป้อนให้กับขั้วทั้งสองของสายอากาศ ซึ่งถ้าสายอากาศถูกติดตั้งไว้แบบไม่สมมาตรกับสภาพแวดล้อม และมี common mode current เกิดขึ้น บาลันแบบ voltage นี้จะไม่สามารถลด common mode current ได้) และ current balun (ซึ่งเป็นแบบที่พยายามไม่ให้มีกระแสไหลที่ "ส่วนนอกของชีลด์" เป็นหลัก โดยไม่สนใจการกลับขั้วของโวลเตจที่ป้อนให้ขั้วสายอากาศ) นอกจากนั้นยังอาจจะมีคุณสมบัติแปลงอิมพิแดนซ์หรือไม่มีก็ได้

บาลันที่เราจะลองสร้าง

ในบทความนี้เราจะชวนกันมาสร้างบาลันแบบ voltage balun (คือแบบโวลเตจ) และเป็นแบบไม่มีการอัตราการแปลงอิมพิแดนซ์ (ถ้าพูดให้ครบคือ "ที่ 50Ω" ด้วย อ่านเรื่องอีกมุมมองของ 1:1 Coaxial Voltage Balunประกอบ) นั่นคือถ้าเราเอาอิมพิแดนซ์ 50Ω ต่อเข้าไปที่ด้านสมดุล (balance) ที่ด้านไม่สมดุล (unbalance) ก็จะเห็นเป็นค่า 50 โอห์มเช่นกัน (ตรงนี้ระวังนะครับ ไม่ใช่ว่าใส่อิมพิแดนซ์เท่าไรเข้าไปก็จะได้เท่านั้น เพราะถ้าใส่ 100 โอห์มเข้าไปที่ด้านสมดุล ด้านไม่สมดุลจะเหลือ 25Ω เลย) โดยสร้างจากสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม ดังนั้นชื่อเต็มๆ หรูหราคือ โวลเตจบาลันจากสายโคแอกเชียลแบบ 1:1 (1:1 coaxial voltage balun) นั่นเอง

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

รูปที่ 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 50Ω คือ 25Ω" (ในการคำนวณ โหลด หรือสายอากาศแบบสมดุลขนาด 50Ω จะถูกมองเป็นโหลดความต้านทาน 25Ω สองตัวอนุกรมกัน) ไปเป็นอิมพิแดนซ์อื่นซึ่งขึ้นกับความต้านทานจำเพาะ (characteristic impedance) ของสายนำสัญญาณส่วน A และ B ที่นำมาใช้ ในกรณีนี้เราใช้สายนำสัญญาณแบบ 50Ω ทำให้อิมพิแดนซ์อีกด้านหนึ่งเป็น 100Ω  จากนั้นเมื่อเรานำปลายสายของส่วน A และ B มาขนานกัน ก็จะได้เป็น 50Ω นั่นเอง ดูรูปที่ 8

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

มาลองสร้างบาลันกัน

เริ่มแรกเราก็เตรียมสายนำสัญญาณแบบ 50Ω ที่ความยาว ¼λ (รูปที่ 9) และ ¾λ (รูปที่ 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. จากนั้นต่อสายเข้าด้วยกันตามวงจรในรูปที่ 7 โดยพยายามทำให้จุดต่อเชื่อมบัดกรีต่างๆ สั้นที่สุด ดูรูปที่ 9

รูปที่ 9 เตรียมสายนำสัญญาณโคแอกเชียล
50 Ω ยาว ¼λ (ซ้าย) และ ¾λ (ขวา)
แล้วบัดกรีต่อเชื่อมกันตามรูปที่ 7

ลองวัดทดสอบดู

เมื่อทำบาลันของเราเสร็จแล้ว ก็ลองวัดทดสอบดู โดยใส่ความต้านทาน 50Ω เข้าที่ด้าน balance (รูปที่ 10) 

รูปที่ 10 ใส่ตัวต้านทานขนาด 50Ω
ไว้ที่ด้าน balance ผมหาได้ 47Ω
ก็ใส่ไปก่อนได้ถือว่าใกล้เคียง

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

รูปที่ 11 VSWR ของบาลันที่ทำขึ้น

สรุป 

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" ของสายอากาศทั้งสองมีค่าเท่ากันโดยการป้อนศักย์ไฟฟ้าเท่ากันแต่ขั้วตรงกันข้ามกันให้กับจุดป้อนของสายอากาศ  ในขณะที่แบบ Current balun จะพยายามทำให้กระแสเท่ากันด้วยการลด Common Mode Current 
6. บาลันแบบ 1:1 ที่สร้างจากสายนำสัญญาณตามตัวอย่างในบทความนี้ แม้ชื่อจะเป็น 1:1 แต่เป็นการออกแบบบนพื้นฐานของระบบ 50Ω คือใช้สายนำสัญญาณแปลงอิมพิแดนซ์อยู่ภายในการออกแบบด้วย นั่นคือถ้าโหลด (หรือสายอากาศแบบสมดุล) มีอิมพิแดนซ์ต่างจาก 50Ω ไปมาก 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 50Ω ที่สร้างจากสายนำสัญญาณโคแอกเชียล ไปพร้อมกันเลย 

---

©Jitrayut Chunnabhata, 2020.

This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is not permitted without prior permission. 

© 2020 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และไม่อนุญาตให้คัดลอกหรือเผยแพร่ซ้ำโดยตรงโดยไม่ได้รับอนุญาต