โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)
วันนี้นึกขึ้นได้ว่ายังมีเรื่องน่าสนใจอะไรมาชวนเพื่อนๆ คุยกันบ้างปรากฏว่ายังมีอยู่หลายเรื่อง แต่หนึ่งในนั้นที่นึกออกคือการติดตั้งสายอากาศที่มีพื้นดินมาเกี่ยวข้องด้วย ว่าจะเกิดอะไรขึ้น และทำอย่างไรให้พื้นดินกับ RF ground ทำงานอยู่ร่วมกันได้โดยไม่เกิดผลเสีย
จริงๆ แล้วเรื่องนี้เป็นเรื่องค่อนข้างซับซ้อน แม้กระทั่งการตั้งชื่อบทความก็ยังต้องระวัง ทีแรกจะตั้งว่า ทำอย่างไรให้พื้นดินเป็น RF ground ที่ดีแต่คิดดูแล้วสิ่งที่เกิดขึ้นมันก็ไม่เชิงที่จะเป็นอย่างนั้น เราค่อยๆ ติดตามอ่านต่อไปนะครับ แล้วจะทราบในภายหลังว่าทำไมนะครับ
ย้อนอดีตสักหน่อย
ตอนเป็นนักวิทยุสมัครเล่นแรกๆ คือขั้นต้น เราใช้ความถี่ย่าน VHF เป็นหลัก ลองนึกดูว่าเราเคยได้ยินหรือต้องกังวลบ้างไหมกับพื้นดิน ว่าถ้าเราทำระบบกราวด์บนพื้นดินบริเวณสายอากาศไม่ดีแล้วอาจจะเกิดปัญหาได้ เช่น มีการสูญเสียพลังงานมาก (loss) ซึ่งทำให้อัตราขยาย (gain ของสายอากาศ) ต่ำลงไปด้วย, เกิดกระแสโหมดร่วม (common mode current) สูง, หรือ ทิศทางการแพร่กระจายคลื่นผิดปกติไป เป็นต้น คำตอบน่าจะเป็นว่า ไม่เคยได้ยินหรอก ไม่เห็นต้องสนใจเรื่องดินที่เกี่ยวกับสายอากาศเลย เอาเป็นว่าปักเสาติดสายอากาศได้ไม่ล้มก็พอใจแล้ว (ฮา..) ซึ่งก็ไม่ผิดอะไรนะครับ จริงตามนั้นแหละ
กราวด์มีกี่แบบ
เมื่อพูดถึงเรื่องกราวด์ในระบบหรือสถานีวิทยุสมัครเล่น มักเป็นเรื่องที่ต้องคุยกันยาว เริ่มตั้งแต่ กราวด์ มีกี่ชนิด กันเลยทีเดียว
1. กราวด์ของระบบไฟฟ้า/ความปลอดภัย
บ้านเรือนธรรมดาก็มี เป็นการลงเพื่อสร้างจุดอ้างอิงศักย์ไฟฟ้า 0 โวลท์ของระบบ รวมทั้งเป็นช่องทางการไหลของกระแสไฟฟ้าที่อาจจะรั่วไหลมาจากเครื่องใช้ไฟฟ้า ถ้าเราลงกราวด์เหล่านี้ไม่ครบ ไม่ถูกต้อง การไฟฟ้าฯ คงไม่จ่ายไฟให้บ้านเราแน่
2. ระบบสายดินป้องกัน/ลดความเสียหายจากฟ้าผ่า
ถือเป็นเรื่องของความปลอดภัยเช่นกัน คือเมื่อเกิดฟ้าผ่า การผ่านั้นต้องลงในจุดที่เตรียมไว้ (ปลายยอดของโลหะแหลมที่ทำสายล่อฟ้า) กระแสไฟฟ้าต้องสามารถไหลลงพื้นดินได้ง่าย รวมทั้งไม่เกิด flashing (การโดดของกระแสไฟฟ้าจากตัวนำไปยังคนที่อยู่ใกล้และไหลผ่านคนลงดินไป) ไม่เกิด step voltage สูงจนเป็นอันตรายกับคนที่กำลังเดินอยู่บริเวณใกล้เคียงจุดที่ฟ้าผ่า เป็นต้น (อ่านเพิ่มได้ใน การป้องกันฟ้าผ่าสำหรับสถานีวิทยุสมัครเล่น)
3. RF Ground
อันนี้แหละเกี่ยวข้องกับเรื่องที่เรากำลังคุยกันอยู่และผมก็เชื่อว่า นักวิทยุสมัครเล่น (ไม่ใช่อาชีพ ที่ต้องรู้) จำนวนมากยังไม่เข้าใจมันดีนัก เป็นส่วนที่ทำงานกับกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (ย่าน RF หรือ Radio Frequency คือ ความถี่วิทยุ) นั่นเอง
RF ground คืออะไร
เหมือนกับกราวด์ของระบบไฟฟ้า/ความปลอดภัย และ ระบบกราวด์ป้องกัน/ลดความเสียหายจากฟ้าผ่า กราวด์ของกระแสไฟฟ้าย่านความถี่วิทยุก็มีหน้าที่ทำให้กระแส RF ไหลครบวงจรนั่นเอง แล้ว RF ground นี่มันอยู่ที่ไหนล่ะ คำตอบโดยทั่วไปก็คืออยู่ที่สายอากาศนั่นเอง
RF ground ที่สายอากาศ
เมื่อเราป้อนพลังงานไฟฟ้าให้กับสายอากาศโดยผ่านสายนำสัญญาณพลังงานไฟฟ้านั้นย่อมอยู่ในรูปของโวลเตจ (V) และกระแส (I) และการจะส่งพลังงานไปได้สำเร็จก็ต้องมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านครบวงจรในโหลด (สายอากาศ) นั่นเอง ในสายอากาศหลายแบบการครบวงจรที่ว่านี้เกิดขึ้นได้เอง แต่ในสายอากาศบางแบบก็ต้องเกิดขึ้นผ่าน RF ground
สายอากาศที่มีและไม่มี RF ground
ไม่ใข่สายอากาศทุกชนิดจะต้องมี RF ground กระแส RF สามารถไหลครบวงจรได้ในสายอากาศหลายแบบ เช่น
ภาพ a, b, และ c แสดงสายอากาศ
ที่ไม่ต้องการ RF ground แยกออกมา
เพราะกระแส RF สามารถครบวงจร
ได้ภายในตัวเองเลย
- โฟลเด็ดไดโพล (a)
- ไดโพล (b)
- สลิมจิม (c)
ภาพ d, e, และ f เป็นสายอากาศ
ที่ไม่ต้องการ RF ground เช่นกัน
- สายอากาศประเภท loop ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น quad (d), delta loop (e)
- รวมทั้ง Magnetic loop (f) ก็ไม่ต้องการ RF ground ต่างหากแยกออกมา
จะเห็นว่ากระแสที่จุดป้อนไหลครบวงจรได้เอง รวมทั้งในสายอากาศแบบไดโพลที่ไหลผ่านความจุไฟฟ้าแฝง (parasitic capacitance) ระหว่างโลหะที่ทำ element ทั้งสอง
ส่วนสายอากาศที่ต้องการ RF ground ก็เช่น
- สายอากาศ ¼λ หรือควอเตอร์เวฟ ต้องการ RF ground มาก (g)
- สายอากาศ โมโนโพล ต้องการ RF ground มาก (h)
- สายอากาศแบบป้อนตรงปลาย (End-fed ทั้งหลาย) ต้องการ RF ground มากหรือน้อยขึ้นกับความยาวของ whip (i)
ควอเตอร์เวฟ, ควอเตอร์เวฟโมโนโพล,
และแบบป้อนปลาย (End-fed) ซึ่งทั้ง
ต้องการ RF ground เป็นพิเศษต่างหาก
สายอากาศเหล่านี้ ถ้าไม่มีโลหะเป็นก้าน ตาข่าย เป็น RF กราวด์ให้มัน มันจะอาศัยผิวนอกของสาย Coax เป็นกราวด์แทน (และเกิดปัญหา common mode current ตามมา)
ระดับความต้องการ RF ground
สายอากาศมีหลากหลายแบบมากจนบรรยายไม่ครบ และการจะบอกว่าสาอากาศมีเฉพาะประเภทที่ต้องการและไม่ต้องการ RF ground เท่านั้น คงไม่สมบูรณ์นัก เพราะสายอากาศมี "ระดับ" ความต้องการ RF ground ไม่เท่ากัน แล้วทำไมไม่เท่ากันก็ต้องมาดูเหตุผลกันต่อ
ภาพ j และ k แสดงการกระจายของ
กระแส (ความถี่ RF) และโวลเตจบน
สายอากาศแบบไดโพลและควอเตอร์เวฟ
ตามลำดับ จะเห็นว่ากระแสมีค่ามากที่
บริเวณจุดต่อป้อนสัญญาณ
ในภาพจะเห็นว่าสายอากาศ ทั้งแบบไดโพลและควอเตอร์เวฟ "มีกระแสที่จุดป้อน" สูง (สุด) ทั้งคู่ ถ้าไม่มี "ก้านไดโพลซีกล่าง" กระแสที่มันไม่สมดุลจะไปไหนได้? แต่สายอากาศแบบไดโพลมีอีเลเม้นท์ด้านล่างที่ทำหน้าที่เหมือน RF ground ในตัว (j) ในขณะที่สายอากาศแบบควอเตอร์เวฟก็ต้องการกราวด์และมีกราวด์เพลนด้านล่างทำหน้าที่เป็น RF ground ให้นั่นเอง (k)
ภาพ l กระแสที่จุดป้อนสัญญาณของ
สายอากาศแบบ End-fed ที่มีความยาว
whip ใกล้เคียง ½λ จะต่ำ ทำให้ไม่ต้องการ
RF ground มากนัก (แต่มีก็ได้)
คราวนี้ลองดูสายอากาศแบบครึ่งคลื่น (half wave, ½λ) ในรูป (l) บ้างที่whip มันยาวเกือบๆ half wave (เป็น ½λ ไม่ได้นะ เพราะ impedance จะสูงมากเกินไป แมทช์ยาก) จะเห็นว่าที่ด้านปลายของสายอากาศใกล้จุดป้อนจะมีกระแส RF ต่ำมาก จึงไม่ต้องการ RF ground ที่คอยสร้างสมดุล (counteract) ให้มากนัก แต่ในสายอากาศแบบนี้ เราต้องมีmatching circuit มาแปลงอิมพิแดนซ์ (อาจจะ 1-2 KΩ) ให้ลงมาเหลือ50 Ω จึงต่อกับสาย coaxial ที่มี characteristic impedance 50Ω เหมือนกันแล้วไม่เกิดการสะท้อนมากที่จุดเชื่อมต่อ ซึ่งจะมีผลต่อเนื่องทำให้ VSWR ในสายนำสัญญาณสูงกว่า 1.0:1 ไปมาก
(อ่านเรื่อง RF ground คืออะไร ประกอบ)
จนถึงเดี๋ยวนี้เรายังไม่พูดถึง RF ground ที่เกี่ยวข้องกับพื้นดินเลย อ่ะเดี๋ยวมาดูกันต่อครับ
สายอากาศในย่านความถี่ HF
ตอนที่เราเป็นนักวิทยุสมัครเล่นแรกๆ เราใช้ความถี่ VHF เป็นหลัก หรือUHF ในการรับ (ไทยเรา ยังส่งไม่ได้) สายอากาศบางแบบที่ต้องการ RF ground ก็อยู่บนตัวสายอากาศนั้นเองเสร็จสรรพ และด้วยความยาวคลื่น (λ) สั้น (2 เมตร) อะไรๆ เลยเล็ก สั้น
โดยที่ อะไรๆ เลย เล็ก สั้น ตรงนี้แหละสำคัญ เดี๋ยวมาเล่าให้ฟังต่อ
เวลาเราชูสายอากาศแบบ VHF ขึ้นบนอากาศ ในทางปฏิบัติ เรามักพยายามทำให้มันสูงจากพื้นดินมากอยู่แล้วและก็สำเร็จเสียด้วย นั่นคืออย่างใกล้ๆ ดินก็ต้องเป็น 2 เมตรหรือ 1λ ซึ่งถือว่า "ไกลพอ" ที่จะทำให้มีการคับปลิ้ง (capacitive coupling) กับพื้นดินน้อย/ต่ำ พื้นดินจึงไม่มีผลอะไรนักกับการใช้งานความถี่/สายอากาศย่าน VHF ขึ้นไป ดูรูป (m)
ภาพ m เมื่อสายอากาศทั้งหมดอยู่สูง
จากพื้นดิน (เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น λ)
การเชื่อมโยง (coupling) กับพื้นดินจะต่ำ
นั่นคือเหมือนไม่ค่อยเกี่ยวข้องก้น แยกจากกัน
ในย่าน VHF เรา เลยไม่เคยกังวลเกี่ยวกับพื้นดินกันเลย แต่ถ้าเราใช้ความถี่ย่าน HF ล่ะ ความยาวคลื่น 20 เมตร หรือ 40 เมตร อะไรๆ ก็จะใกล้สายอากาศเราไปหมด (ความใกล้ ไกล เทียบกับ ความยาวคลื่น) รวมทั้งพื้นดินด้วย คราวนี้ล่ะ ความใกล้นี้เองทำให้อยู่ในส่วนของnear-field ของสายอากาศไปหมด อะไรที่ไกล้กว่า λ/(2π) คือสนามระยะใกล้ (near field)
ภาพ n สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ระยะต่างๆ
จากสายอากาศจะมีคุณสมบัติต่างกัน
ที่ระยะใกล้สายอากาศสนามไฟฟ้า
จะเป็น Reactive field
สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กใน near-field เป็น reactive field คือสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าส่วนใหญ่จะมีเฟสไม่ตรงกัน และของที่อยู่ใกล้สายอากาศจะมีผลต่ออิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนด้วย ในความถี่ย่าน HF เราจึงต้องระวังว่าสายอากาศเราจะอยู่ใกล้พื้นดิน "โดยเฉพาะสายอากาศที่ต้องการ RF ground" เพราะพื้นดินเองก็จะอยู่ใกล้RF ground ของเราและรบกวนการทำงานของ RF ground ของเราด้วย
สมมติเราติดตั้งสายอากาศ ¼λ vertical ซึ่งต้องการ RF ground และเราก็มี RF ground ให้มันด้วย ออกมาหน้าตาแบบนี้
ภาพ o เมื่อสายอากาศอยู่ใกล้พื้นดิน
(เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น λ)
ดินจะมีผลต่อมันมาก
ซึ่งถ้าเป็นย่าน HF เจ้า RF ground มันจะ "ใกล้" พื้นดินอยู่แล้ว (ไม่งั้นต้องยกทั้งหมดขึ้นไปสัก 40 เมตร ถ้าทำได้ก็โอเคแหละ) ทำให้เกิดการcoupling แบบ capacitive กับดิน (สีส้ม)
เมื่อมี capacitive coupling และพื้นดินเองก็ไม่ได้มีความต้านทานเป็น∞ Ω ย่อมมีกระแสไหล (สีแดง) อยู่ในพื้นดิน แต่ในขณะเดียวกันความต้านทานของดิน Re (สีชมพู) ก็ไม่ใช่ 0Ω จึงมี loss เป็นความร้อน ( P = I²•r ) ในพื้นดินนั่นเอง
แล้วพลังงาน ที่ loss มาจากไหน ก็คงจะมาจากไหนไม่ได้นอกจากเครื่องส่งวิทยุของเรา นั่นคือเรากำลังปิ้ง เผา ย่าง พื้นดินแถวๆ สายอากาศของเราด้วยเครื่องวิทยุ นั่นเอง!!
ซึ่งเรื่องพวกนี้เป็น "ของใหม่" ที่นักวิทยุสมัครเล่นที่ใช้ความถี่ย่าน HF ต้องเรียนรู้ ว่าเมื่อเราติดตั้งสายอากาศ HF ชนิดที่ต้องการกราวด์ (ซึ่งมักใกล้ดินโดยธรรมชาติ) ต้องระวังเรื่องการ loss ในดินด้วย
ถ้าไม่อยากให้มีการสูญเสียจะทำอย่างไร
- ย้ายบ้าน หาที่ที่ดินมี Re ต่ำๆ ใกล้ๆ 0Ω เลย (จะหาได้ไหมอะ)
- เอาแผ่นโลหะตัวนำ ใหญ่ๆ สัก 40 x 40 เมตร ปูพื้นทำกราวด์เลย ( ถ้าขนาดนั้นได้ ยอมจริงๆ )
- วาง Ground Radials
ซึ่งนี่คือที่เขาทำกัน
ภาพ p แผ่นโลหะเป็นจุดต่อของสายไฟ
จำนวนมาก (Radials) เพื่อลดการสูญเสียในพื้นดิน
ภาพบนเป็นอุปกรณ์ของ DX Engineering โดยทำเพลทสำหรับยึดสายไฟออกมาหลายสิบเส้นออกมารอบตัว เป็นการพยายามไม่ให้เกิดการคัปปลิ้งของ กระแส RF ไปถึงดินนั่นเอง คือ ไปเจอสายไฟที่เราวางไว้เป็นผืนนั่นเสียก่อน (พูดง่ายๆ คือพยายามให้ driven element และ RF ground คับปลิ้งกันเองเท่านั้น และมีกระแส RF ไหลในดินน้อยที่สุด (อย่างที่บอกก่อนหน้าว่าดินไม่ได้มีความต้านทานเป็น 0Ω เมื่อใดก็ตามที่มีกระแสไฟฟ้าไหลในดินย่อมมี loss เป็นความร้อน แทนที่พลังงานจากเครื่องส่งวิทยุจะถูกแปลงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแล้วออกอากาศไปทั้งหมดกลับต้องเสียส่วนหนึ่งเป็นความร้อน) แต่ไหลผ่านลวดradials ที่มีความต้านทานใกล้ 0Ω นั่นเอง
ดังนั้นจึงแนะนำให้วางลวด radials เยอะๆ และไม่ต้อง (ไม่ควร) ฝังให้ลึกลงดินมากนัก มิฉะนั้น RF current ก็ต้องไหลผ่านดินก่อนจะไปถึงลวดตัวนำ ซึ่งเราไม่ต้องการให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านดิน (ผ่านเมื่อไรก็ loss เมื่อนั้นแหละ)
สรุป
- สายอากาศหลายแบบไม่ได้ต้องการ RF ground
- สายอากาศที่ต้องการ RF ground ก็ไม่ได้ต้องการในความรุนแรง (degree) ที่เท่ากัน
- สายอากาศที่ต้องการ RF ground หนักๆ เลยคือ quarter wave (¼λ) antenna
- สายอากาศใดที่ต้องการ RF ground แต่ เราไม่เตรียมไว้ให้มัน มันจะหากราวด์ของมันเอง ง่ายสุดก็คือผิวด้านนอกของชีลด์ของสายCoaxial
- ปัญหาหลักๆ เกิดกับ Vertical quarter wave (¼λ) antenna ในย่านHF เพราะมันใกล้ดิน ถ้า RF ground wires (เติม s เป็นพหูพจน์ คือมีหลายเส้น) ไม่พอ ไม่มากพอ ไม่สามารถกันการ coupling ไม่ให้มีกระแสไฟฟ้า RF ไหลในดินได้ ก็จะ loss
- ใน Vertical quarter wave (¼λ) antenna ย่าน HF เราจึงต้องวาง redials ให้มากพอ
- สำหรับ radials ที่วางบนดิน เส้นสั้นๆ มากเส้นดีกว่าเส้นยาวๆ น้อยเส้น และการใช้น้อยเส้นสามารถใช้เส้นสั้นลงได้ (ซึ่งขัดความรู้สึกหน่อย แต่เป็นแบบนั้นแหละ)
- Radials แบบวางบนดิน (ติดกับดิน ไม่ยกขึ้นมาก) กับฝังลงไป ให้ผลพอกัน
- RF ground พื้นดินที่ดีต้องมี impedance ต่ำ (มักเกิดจาก capacitance ที่สูง ที่ความถี่สูงจะยิ่งมี reactance ต่ำ) ไม่อย่างนั้นแล้วกระแสก็จะหาทางวิ่งไปเป็น common mode ซะเยอะ
- บางกรณี เราวาง Radials ไม่ได้ เราอาจจะใช้สายไฟทำ Counterpoise (จริงๆ แล้วศัพท์คำนี้เป็นคำใหม่ ถ้าย้อนไปหลายสิบปีก่อนในตำราสายอากาศทั้งหมดรวมทั้งของ ARRL จะไม่มีคำนี้อยู่) ยกให้สูงจากดินให้มาก (เพื่อความปลอดภัยกับคน ไม่เดินชน ควรเกิน 2 เมตร) ก็ช่วยได้
- สายกราวด์ที่ยกขึ้นจากดินที่เรียกว่า counterpoise (เอาจริงๆ คำนี้ถูกใช้สับสนปนเปมาก) นี้ เพียง 2-4 เส้นทำงานดีกว่าแบบติด/ฝังดินเยอะเส้น โดยแต่ละเส้นควรยาว 1/4λ และสูงขึ้นมา 0.05 λ แต่เกิน 2 เมตรด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย
