จะทำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล 1 ห่วงได้ไหมและอย่างไร

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU / Jason)

เรื่องนี้เป็นแนวความคิดของเพื่อนที่สนใจในการสื่อสารด้วยคลื่นวิทยุท่านหนึ่งในเฟซบุ๊ก ถึงจะเป็นข้อสงสัยที่แปลก แต่ก็น่าสนใจไม่น้อยเพราะมันนำไปสู่คำอธิบายให้เกิดความเข้าใจในธรรมชาติต่างๆ ของ "โฟลเด็ดไดโพล" ซึ่งจริงๆ เป็นเพียงอีลีเม้นท์ตัวขับ (driven element) แบบหนึ่งเท่านั้นเอง 

โดยข้อสงสัยคือ ถ้าเราสร้าง (หรือแม้แต่มีเศษเหลืออยู่) ของสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลอยู่ 1 อัน/ห่วง แล้วจะเอามาใช้งานได้ไหม โดยไม่ ทำตามแบบ (หรือที่เราเรียกๆ กันว่าสูตร ซึ่งการทำสายอากาศไม่มีสูตรอะไรหรอก เราคำนวณทุกอย่างได้เองทั้งนั้น)  ถือว่าเป็นคำถามที่น่าสนใจทีเดียว

ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจสักนิดว่า “ไดโพล” ไม่มีลักษณะเป็นห่วง คือเป็นแท่งๆ (ดูรูปที่ 1 a) ส่วน ”โฟลเด็ดไดโพล“ ถึงจะมีลักษณะงอพับกลับมา เป็นห่วง (ดูรูปที่ 1  b) 

รูปที่ 1  สายอากาศไดโพลและโฟลเด็ดไดโพล

ทั้งสองอย่างมี “อิมพิแดนซ์ตัวเปล่า” ต่างกัน คือ 50 และ 300 Ω ตามลำดับ (หลังการ “หด” ความยาวลงมาเล็กน้อยจาก ½λ จริงๆ) 

สิ่งที่เราสนใจคือทำอย่างไรถึงจะต่อ “โฟลเด็ดไดโพล” 1 ห่วงไปใช้งานในระบบ 50 Ω ได้  ซึ่ง... สายพวกนี้บางครั้งถูกเรียกรวมๆ ว่า “สายเฟส” ซึ่งไม่ถูก  การใช้สายนำสัญญาณต่อจากตัวมันเพื่อแปลงอิมพิแดนซ์ให้ใกล้เคียง 50 Ω “ไม่เรียกว่า phasing line/harness (สายเฟส)" เพราะเราไม่ได้กำลังจัดเฟสในการป้อนสัญญาณให้สายอากาศหลายอีลีเม้นท์ (พูดง่ายๆ ในการจัดเฟส ต้องมี 2 ห่วง/แท่ง/ต้น ขึ้นไป)  แต่เรียกว่า “การแมทช์” เฉยๆ

โดยการจะแมทช์ไปเป็น 50 Ω นั้น ขึ้นกับตัวตั้งต้น ว่าแมทช์จากอะไร?   

ถ้าเอาโฟลเด็ดไดโพลแขวนลอยๆ ในอากาศ หรือยึดเสาไม้ไผ่ (ไม่ใช่โลหะ) ก็แมทช์แบบหนึ่ง (เพราะ อิมพิแดนซ์ตัวเปล่ามันประมาณ 300 Ω - จริงๆ ไม่ถึงดีหรอกครับ ราวๆ 280 Ω ได้) 

แต่โดยปกติ เรามักเอาโฟลเด็ดไดโพล 1 ห่วง ยึดเข้าใกล้ mast (เสาหลัง) โลหะ  ยิ่งเข้าใกล้เสาหลัง อิมพิแดนซ์จะยิ่งลดลงเรื่อยๆ  จาก 300 Ω อาจจะเหลือ 200, 150, 100 Ω (มี reactance ด้วย)  ถ้าจะแมทช์จริงๆ ต้องพยายามกำจัด reactance ก่อนแล้วแมทช์ (หรือกลับกัน)  (ดูรูปที่ 2 c)

รูปที่ 2 (a) อิมพิแดนซ์ของสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลขึ้นกับระยะระหว่างตัวมัน
กับเสาหลัง (b) ถ้าเราขยับระยะจนได้
อิมพิแดนซ์ประมาณ 100 Ω เราสามารถ
แปลงเป็น 50 Ω ได้ด้วยสายนำสัญญาณ 75 Ω
ที่ทำหน้าที่เป็น quarterwave transformer 

โดยทั่วไป เราก็ขยับปรับระยะจาก mast ให้ได้อิมพิแดนซ์ราว 100 Ω + j? Ω อีกนิดหน่อยก็อย่าไปกังวลมาก  แล้วต่อด้วยสายนำสัญญาณ 75Ω ยาว ¼λ เพื่อเป็น quarter wave transformer เพื่อแปลงอิมพิแดนซ์ลงมาให้ใกล้เคียง 50 Ω  จากนั้นถึงจะต่อด้วยสายนำสัญญาณแบบ 50 Ω ต่อไปเครื่องวิทยุได้ ดูรูป (ดูรูปที่ 2 d)

สำหรับเพื่อนที่เข้าใจการใช้ สมิทชาร์ท ช่วยคำนวณ impedance transformation จากสายนำสัญญาณ  ภาพนี้อาจจะมีประโยชน์ คือ พยายามปรับระยะสายอากาศ-mast ให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนอยู่บนเส้นสีน้ำเงิน  แล้วต่อด้วยสายนำสัญญาณ 75 Ω  ความยาวเท่าเส้นสีม่วง (อาจจะไม่เท่ากับ ¼λ)   เพื่อแมทช์ไปที่จุดสีแดง  จะได้ 50 Ω พอดี  ดูรูปที่ 3 

รูปที่ 3 เมื่อเราใช้สายนำสัญญาณอิมพิแดนซ์จำเพาะ
 75 Ω ยาวประมาณ  ¼λ  ต่อเข้ากับโหลดอิมพิแดนซ์
ประมาณ 100 Ω  จะได้อิมพิแดนซ์ที่ปรากฏอีกด้านหนึ่ง
มีค่าราว 50 Ω

ในกรณีนี้ “ความยาวของสายนำสัญญาณที่ช่วยแปลงอิมพิแดนซ์” (กรณีนี้เราไม่เรียกว่าเป็นสายเฟสซิ่ง เพราะมี อีลีเม้นท์เดียว ไม่ต้องจัดเฟสให้ นำ/ตาม/ตรง/ตรงกันข้าม กับอีลีเม้นท์อื่นใด) คือสายที่มีความต้านทานจำเพาะ 75 Ω ยาว ราวๆ ¼λ นั้น

สมมติต้องการคำนวณสำหรับความถี่ 150MHz จะเป็นไปตามรูปประกอบ โดย VF เป็น Velocity Factor (ตัวประกอบความเร็ว) บอกเราว่าคลื่นจะวิ่งในสายนำสัญญาณที่ใช้นัันเป็นสัดส่วนเท่าไรของความเร็วในอากาศ/สูญญากาศ (ซึ่งเร็วที่สุด)  ค่า 0-1 คือ 0% --> 100% 

สาย RG59 VF=0.66 คือความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวมัน เร็วเป็น 66% ของความเร็วของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในอากาศ/สูญญากาศ (คือ 3x0.66x10^8 m/s หรือ 1.98x10^8 m/s นั่นเอง  ช้าลงตั้ง 34% แน่ะ)  ดูรูปที่ 4 

รูปที่ 4 แสดงการคำนวณสายนำสัญญาณ
อิมพิแดนซ์จำเพาะ 75 Ω ตัวคูณความเร็ว 0.66
ขนาด ¼λ  ที่ความถี่ 150 MHz ที่เรียกว่า
Quarter-wavelength transformer

ใช้โปรแกรมวิเคราะห์สายอากาศมาช่วย

เราอาจจะลองใช้โปรแกรมจำลองสายอากาศ EZNEC คำนวณดูว่า โดยวางห่วงโฟลเด็ดไดโพลไว้หน้าเสาโลหะ (mast) ห่างราวๆ 5-10 ซม. จะได้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเปลี่ยนจากประมาณ 280 Ω เป็นราว 130 Ω และถ้าใช้สายนำสัญญาณอิมพิแดนซ์จำเพาะ 75 Ω ความยาวทางไฟฟ้า ¼λ  แปลงอิมพิแดนซ์ จะได้ประมาณ 43.3 Ω และ SWR ประมาณ 1.15:1 ซึ่งถือว่าใช้งานได้ดี โดยยังมีการแพร่กระจายคลื่นค่อนข้างเป็นแบบรอบตัวอยู่ ดูรูปที่ 5

Z₀² = Z_in ∙ Z_out  ­

Z_out = Z₀² / Z_in = 75² / 130 ≈ 43.3 Ω

SWR ≈ 1.15:1 

รูปที่ 5 ทดลองใช้โปรแกรม EZNEC ช่วยคำนวณ
อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศโฟลเด็ดไดโพล
ที่วางไว้หน้าเสาหลัง (mast) ระยะประมาณ 10 ซม.
และค่า SWR ที่โปรแกรมคำนวณได้เป็น 2.6:1 ในภาพ
มุมล่างซ้าย เป็นค่าก่อนการผ่าน quater-wavelength
transformer ที่สร้างจากสายนำสัญญาณ 75 Ω  ¼λ

นั่นคือเราสามารถนำสายอากาศโฟลเด็ดไดโพลห่วงเดียวมาทำสายอากาศและออกอากาศได้  โดยการวางให้ถูกระยะหน้าเสาหลัง (ลดอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนลงมา) แล้วแปลงอิมพิแดนซ์ลงอีกครั้งหนึ่งด้วยการใช้สายนำสัญญาณมาทำ quarter-wavelength transformer ก็จะใช้งานได้ 

สรุป

ในบทความเรื่องนี้ เพื่อนๆ คงได้ความรู้เล็กๆ น้อยๆ ไปผสมกันนะครับ เช่น 

• โฟลเด็ดไดโพลมีอิมพิแดนซ์ตัวเปล่าเท่าไร (ราว 280 Ω)
• เมื่อวางไว้ใกล้เสาหลัง อิมพิแดนซ์จะเพิ่มหรือลดลงอย่างไร (ลดลง ยิ่งใกล้ยิ่งลดลง  ปกติแล้วเราจะลดลงมาเหลือเพียง 120 Ω เพื่อไม่ให้ห่วงอยู่ชิดเสาหลังมากเกินไปนัก)
• และเราสามารถใช้สายนำสัญญาณแบบ 75 Ω ตัดให้ยาวทางไฟฟ้า ¼λ  ทำหน้าที่เป็นหม้อแปลง (เรียกว่า quarter-wavelength transformer) เพื่อแปลงอิมพิแดนซ์จาก 120 Ω ให้ลงมาใกล้เคียง 50 Ω และต่อกับสายนำสัญญาณแบบ 50 Ω โดยไม่มีคลื่นนิ่ง (SWR) ในสายนำสัญญาณมากนัก ได้

ไว้พบกันในเรื่องดีๆ น่าสนใจ ที่จะนำมาคุยกันต่อในคราวหน้านะครับ 

73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จ./Jason)