เกนของสายอากาศเจโพลและสลิมจิม

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

เรื่องนี้อาจจะบอกว่าเป็นเรื่องการเข้าใจผิดเกี่ยวกับสายอากาศ ไดโพล โฟลเด็ดไดโพล เจโพล และ สลิมจิม  เป็นเรื่องที่ไม่ค่อยมีการพูดถึงนัก 

เราเคยสงสัยไหมเกี่ยวกับความแรงของสัญญาณจาก j-pole มัน  กับ slimjim ไหม   ถ้าเราค้นใน internet บางทีจะเห็นคำอธิบายที่นำไปข้อสรุปว่าสายอากาศ  slimjim มีเกนดีกว่า j-pole ราว 3 dB (ประมาณ 2 เท่า)   ซึ่งไม่จริง (ด้วย common sense และการ simulation  ซึ่งเราจะค่อยๆ คุยกันต่อไป) 

คราวนี้ก็มาถึงคำถามเกี่ยวกับ common sense ว่าความรู้สึกแบบไหนถีงอธิบายว่าทำไม slimjim ไม่แรงกว่า 2 เท่าของ j-pole ทั้งที่ โลหะมันพับกลับมาได้ ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 สายอากาศ J-pole และ Slimjim

หรือ ทำไมสายอากาศไดโพล ถึงออกอากาศได้กำลังเท่าๆ กับโฟลเด็ดไดโพลทั้งๆ ที่โฟลเด็ดไดโพล มันมีโลหะพับกลับมาอีกทบหนึ่ง ดูรูปที่ 2

รูปที่ 2 สายอากาศไดโพลและโฟลเด็ดไดโพล

คำอธิบายง่ายๆ เริ่มที่เราต้องเข้าใจก่อนว่ามันเป็นสายอากาศและไม่ใช่ไฟฟ้ากระแส หรือวงจนแม่เหล็กแบบในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ขนาดของ magnetomotive force (MMF)
ซึ่งเป็นแหล่งจ่ายของวงจรแม่เหล็ก มีขนาด
ตามกระแสและจำนวนรอบที่พันบนแกนแม่เหล็ก

ในรูปที่ 3 ถ้าเราพันลวดลงไปบนแกนทอรอยด์  กระแส (I) จะไหลเท่ากันหมดทั้งเส้น  การพัน 1 รอบ กับ 5 รอบ ให้ magnetomotive force (MMF) ต่างกัน  (magnetomotive force เปรียบเหมือน voltage source ในวงจรไฟฟ้าแต่อันนี้คือวงจรแม่เหล็ก) แต่วงจรของสายอากาศไม่ใช่แบบนั้น

รูปที่ 4 สายอากาศ 3 แบบ เมื่อป้อนสัญญาณ
เข้าไป จะเกิดกระแส (ขนาดตามความยาว
ของลูกศร) และเฟส (ตามทิศทางของลูกศร)
ตามรูปบน

ถ้าเราต่อวิทยุที่มีกำลังส่ง 1 วัตต์ ไปที่สายอากาศ a , b , c ในรูปที่ 4   สายอากาศทั้งสามแบบก็ควรออกอากาศไป ประมาณๆ 1 วัตต์ เท่าๆ กัน  

ถ้าการยืดให้ยาวขึ้นแบบในรูป (b) (ซึ่งจะเห็นว่ากระแสจะกลับเฟส/ทิศทางเมื่อความยาวโลหะเกิน ½λ) หรือพับแบบในรูป (c)  แล้วมันออกอากาศไปสองเท่า  คงผิดธรรมชาติและความเป็นไปได้ 

สิ่งที่เกิดคือ เวลาตัวนำยาวขึ้น กระแสมันไม่ได้เท่าเดิมแต่ลดลง  ทำให้กำลังงานรวมที่ส่งออกไปเท่าๆ เดิมนั่นเอง

รูปที่ 5 ขนาดของกระแสบนตัวนำของ
สายอากาศ Slimjim (b) ไม่ได้เท่ากับ
กระแสบนตัวนำของสายอากาศ j-pole (a)

สิ่งที่เกิดคือ: 

1. กระแส ที่ไหลในตัวนำสองด้านของสลิมจิม จะเป็นราวๆ ครึ่งเดียวของเจโพล
2. ระยะ d ของสลิมจิม  มันไกล้กันมากเกินกว่าจะมีผลของ spacing ให้เกิดเกนต่างกันอย่างมีนัยสำคัญได้

ใน Folded Dipole ก็ทำนองเดียวกันคือกระแสที่ไหลแต่ละชิ้นของโลหะน้อยกว่าที่ไหลใน ไดโพลครึ่งหนึ่งแต่โดยรวมคือเท่าๆ กัน และระยะ d คือความห่างของห่วงก็ไม่ได้มากพอจะสร้างเกนจาก spacing ได้ ดูรูปที่ 6  ทำให้สุดท้าย จะได้แพทเทิร์นเดียวกัน เกนพอๆ กันนั่นเอง 

รูปที่ 6 กระแสในตัวนำสองตัวนำของสายอากาศ
โฟลเด็ดไดโพลรวมกันจะมีขนาดพอๆ กับกระแส
ในตัวนำของสายอากาศไดโพล

สมมติว่าเราลองให้โปรแกรมวิเคราะห์สายอากาศลองวาดแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศเจโพลและสลิมจิม จะเห็นว่าใกล้เคียงกันมาก ตามในรูปที่ 7 และ 8 

รูปที่ 7 แพทเทิร์นของสายอากาศเจโพล

รูปที่ 8 แพทเทิร์นของสายอากาศสลิมจิม

ภาพแพทเทิร์นเหล่านี้แสดงแบบอ้อมๆ ได้ว่าเกนของมันจะพอๆ กัน ไม่ต่างกันมากนักนั่นเอง

สรุป

1. การพับลวดโลหะในการทำตัวแพร่กระจายคลื่นไปมา ถ้าทับในบริเวณเดียวกันกระแสจะลดลง ไม่เช่นนั้นพลังงานที่แพร่กระจายออกไปจะเป็นสองเท่า จึงเป็นไปไม่ได้ 
2. ในสายอากาศ ถ้าจะมีเกนเกิดขึ้น (พลังงานถูกส่งไปได้ดีในบางทิศทาง ทิศทางอื่นจะต้องมีพลังงานน้อยลง ถ้าแพทเทิร์นเหมือนๆ กัน เกนจะเท่าๆ กัน

อย่างไรก็ตาม สายอากาศทั้งสองแบบนั้นน่าใช้ทั้งคู่และเป็นสายอากาศที่ดี ถ้าดูแลจุดต่อได้ดีก็จะเป็นสายอากาศที่ใช้งานได้ดีไม่ค่อยมีปัญหากวนใจ   หวังว่าเพื่อนๆ จะได้ความรู้จากบทความนี้ไม่มากก็น้อย แล้วพบกันใหม่ในบทความดีๆ ต่อไปนะครับ 

73 HS0DJU (จิตรยุทธ จ. / Jason)