ข้อควรระวังในการจับยึดสายอากาศ

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

เรื่องนี้เป็นสิ่งที่ผมตอบเพื่อนนักวิทยุท่านหนึ่งใน Facebook แต่ว่าเห็นว่ามีประโยชน์ก็เลยขอนำมาเขียนเพิ่มลงไว้ในบล็อกด้วย เป็นเรื่องเกี่ยวกับการทำสายอากาศขึ้นมาแล้วต้องการจะจับยึดมันเพื่อชูขึ้นบนอากาศ  เรามีสิ่งที่ต้องระวังว่าสายอากาศนั้นจะต้องไม่ถูกรบกวนโดยโลหะที่เราใส่เข้าไปโดยไม่ระวัง    จริงๆ แล้วลำพังของที่เราไม่ได้ใส่เข้าไปแต่มันมีอยู่ของมันอย่างนั้น เช่น โครงหลังคาบ้าน (ที่เป็นโลหะ)  หรือโลหะอื่นใกล้สายอากาศ (เช่น  รางน้ำ, รั้วโลหะ) ก็รบกวนพออยู่แล้ว อะไรที่เราจำเป็นต้องใส่เพิ่มเข้าไปแล้วไม่รบกวนมันได้ก็ควรทำจริงไหมล่ะครับ (55)

รูปที่ 1 สายอากาศตัวอย่างแบบยากิ-อูดะ
2-element ป้อนด้วยการแมทช์แบบ Gamma

ตัวอย่างเช่น สายอากาศในรูปที่ 1 เป็นสายอากาศแบบยากิ-อูดะ 2 element ที่แมตช์ด้วยแกมมาแมตช์  ในครั้งแรกนั้นเพื่อนใช้ท่อโลหะในตำแหน่งที่ (5) ในการจับยึด  โชคดีตรงที่ว่าใช้การแมตช์แบบแกมม่าทำให้แม้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศเปลี่ยนไป แต่ก็ยังพอจะสามารถปรับไปมาให้ได้ใกล้เคียง 50 Ω ได้   ดังนั้นถ้าดูเพียงอิมพิแดนซ์ (หรือที่เพื่อนๆ ชอบเรียกกันว่า SWR ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นสิ่งที่เกิดบนสายนำสัญญาณ และ ขึ้นกับความต้านทานจำเพาะของสายนำสัญญาณด้วย จึงเป็นการเรียกที่ไม่ตรงจริงๆ นักหรอก) ที่จุดป้อน เราจะไม่รู้เลยว่าการทำอย่างนี้ไม่ถูกต้อง  เพราะยังไงแล้วมันก็รบกวนแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นของสาอากาศโดยรวม ซึ่งค่าอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศไม่สามารถบอกได้  ต้องใช้ field strength meter วัดแล้ววาดผังการแพร่กระจายคลื่นออกมาดูจึงจะเห็นหรือไม่ก็ใช้โปรแกรมวิเคราะห์สายอากาศช่วยเท่านั้นถึงจะบอกได้

ในรูปที่ 1 นั้น (1) และ (2) เป็น driven element (ดริ-เฟ่น อีลีเม้นท์ หรือ ตัวขับ) และ รีเฟล็กเตอร์ ตามลำดับ ไม่ควรมีโลหะใดๆ ไปอยู่ในแนวขนานกับพวกมัน (ในขณะที่ "พวกมัน" ขนานกันเองได้ มันจึงมีผลต่อแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นเพราะเราตั้งใจให้เป็นแบบนั้น) 

(3) คือบูมของสายอากาศ  เห็นไหมครับว่ามันไม่ขนานกับ (1) และ (2) ซึ่งเป็นสิ่งที่ถูกต้อง และดีที่สุดในการไม่ขนานกันคือควรตั้งฉากซะเลยตามภาพ  เมื่อเป็นอย่างนี้แล้ว (3) จึงสามารถเป็นโลหะได้ 

ถ้าจะยึดเจ้าสายอากาศนี้ เราอาจใส่แขนจับ (4) ที่ตั้งฉากกับ (1) และ (2) ก็สามารถทำได้และทำให้ใช้ (4) เป็นโลหะได้ 

แต่ถ้าจะหาเสา (5) มาจับยึดแบบในภาพ จะเห็นว่า (5) อยู่ในแนวขนานกับ (1) และ (2) ซึ่งถ้า (5) เป็นโลหะมันจะรบกวนทิศทางแพร่กระจายคลื่นจึงไม่ควรทำ  แต่ถ้าจะทำลักษณะนั้นจริงๆ (5) จะต้องเป็นฉนวนคือไม่นำไฟฟ้า

(4) ในรูปที่ 1 สามารถเป็นวัสดุโลหะหรือฉนวนก็ได้ แต่ถ้า (5) เป็นโลหะ มันจะรบกวนการทำงานของอีลีเมนต์ (1) และ (2)

ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น

การที่มีโลหะอื่นใดอยู่ในแนวเดียวกัน (ขนานกัน) กับตัวขับหรืออีลีเม้นท์ของสายอากาศ ก็เหมือนกับการเพิ่มตัวสะท้อน (reflector) หรือตัวชี้ (director) ให้กับสายอากาศแบบที่สายอากาศยากิ-อูดะทำนั่นเอง เมื่อมีโลหะอื่นใดอยู่ในแนวขนานกับโลหะของสายอากาศ สนามแม่เหล็ก (near field) จากตัวขับและ/หรืออีลีเม้นท์กาฝาก (parasitic element) อื่นของสายอากาศของเรา จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระสไหลในโลหะอื่นใดนั้นได้ ดูรูปที่ 1 (ก)  และกระแสในโลหะแปลกปลอมจะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากลับออกมารบกวนสายอากาศของเรา

แต่ถ้ามีโลหะอื่นใดอยู่ในแนวตั้งฉากกับโลหะของสายอากาศของเรา สนามแม่เหล็ก (near field) จากตัวขับและ/หรืออีลีเม้นท์กาฝาก (parasitic element) อื่นของสายอากาศของเรา จะไม่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลในโลหะอื่นใดนั้น (จริงๆ ถ้ามองในสามมิติ ย่อมมีบางมุมที่ไม่ตั้งฉากกับบางส่วนของโลหะของสายอากาศของเราจริงๆ จึงเกิดการเหนี่ยวนำได้บ้าง แต่ก็เกิดในขนาดที่น้อย) ดูรูปที่ 2 (ข) 

รูปที่ 2 (ก) ถ้าโลหะอื่นใดอยู่ในแนวขนานกับ
โลหะที่ทำสายอากาศ เส้นแรงแม่เหล็กที่เปลี่ยน
ขนาดตามเวลาจะตัดผ่านในแนวตั้งฉากกับมัน
จะเกิดกระแสไหล (ลูกศรสีแดง) และกระแสนี้จะ
สร้างสนามแม่เหล็กออกมารบกวนสายอากาศ
ในขณะที่ (ข) ถ้าโลหะอื่นใดอยู่ในแนวตั้งฉาก
กับโลหะที่ทำสายอากาศ เส้นแรงแม่เหล็ก
จะไม่สามารถสร้างกระแสในโลหะแปลกปลอม

จำลองดูกันหน่อย

จะเห็นได้ชัดเจนเมื่อเราจำลองสายอากาศนี้ดูตามรูปที่ 3, 4 และ 5 

รูปที่ 3 คุณสมบัติของสายอากาศตัวอย่าง
2-element เมื่อไม่มีเสา (mast) โลหะ
มายุ่งเกี่ยวในแนวขนานกับ element 
ขอให้สังเกตว่า จริงๆ แล้วนั้น แม้แต่บูม
ของสายอากาศเองที่อยู่ในแนวตั้งฉาก
กับอีลีเม้นท์ทั้งสสองก็มีผลต่อการทำงาน
ของสายอากาศ แต่มีน้อยเท่านั้นเอง

รูปที่ 4 คุณสมบัติของสายอากาศ
เดียวกันกับรูปที่ 2 แต่มี เสาโลหะ
ติดตั้งในแนวขนานกับ element
ทั้งสอง (หมายเลข 4 ในรูป) กรณี
แบบนี้จะมีกระแสขนาดใหญ่ที่เรา
ไม่ต้องการไหลในเสาโลหะนั้น
(เส้นสีชมพูบนโลหะหมายเลข 4)

รูปที่ 5 คุณสมบัติของสายอากาศ
เดียวกันกับรูปที่ 2 แต่มี เสาโลหะ
ติดตั้งในแนวตั้งฉากกับ element
ทั้งสองออกมา (หมายเลข 4 ในรูป)

จะเห็นชัดเจนว่า เสาโลหะที่อยู่ในแนวขนานกับอีลีเมนท์ (1) และ (2) ตามรูปที่ 4 จะรบกวนการทำงาน ทั้งทำให้รูปแบบการแพร่กระจายคลื่น (propagation pattern) เปลี่ยนไป และทำให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเปลี่ยนไป (จะเห็นแนว impedance บนสมิทชาร์ทผิดไปจากเดิมมาก) ในขณะที่ก้านจับโลหะในแนวตั้งฉากกับอีลีเมนท์ (1) และ (2) ออกมาตามรูปที่ 5 จะมีผลต่อทั้งแพทเทิร์นและอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน่บ้างแต่น้อยมาก 

สรุป 

1. การจับยึดสายอากาศ ถ้าไม่มีโลหะเกี่ยวข้องเลยได้เป็นดีที่สุด 
2. ถ้าต้องมีโลหะเกี่ยวข้อง โลหะนั้นจะต้องตั้งฉากกับอีลีเม้นท์ของสายอากาศ
3. ถ้ามีโลหะที่ขนานกับอีลีเม้นท์ของสายอากาศในระยะใกล้ (เช่น น้อยกว่า 3-4 ความยาวคลื่น) โลหะนั้นจะมีผลต่อทั้งแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นและอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ

แล้วพบกันใหม่ในบทความดีๆ ในครั้งหน้านะครับ 
73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จ. / Jason)