ใช้คำผิดชีวิตสับสน - Antenna Gain

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)

ถ้าจัดลำดับบรรดาความสับสนหรือเข้าใจผิดของนักวิทยุสมัครเล่นแล้วเรื่องที่นึกออกเป็นลำดับต้นต้นคงไม่พ้นเรื่องของ antenna gain สาเหตุสำคัญหนึ่งที่อาจจะง่ายจนเรานึกไม่ถึงก็คือคำแปลเป็นภาษาไทยของมันว่า อัตราขยายของสายอากาศ เมื่อนักวิทยุสมัครเล่นได้ยินคำนี้ก็คงคิดอย่างอื่นไปไม่ได้นอกเสียจากว่าสายอากาศนั้นสามารถขยายสัญญาณได้ และความหมายตรงๆ ที่ใครๆ ก็ต้องเข้าใจกันก็คือถ้าเราป้อนพลังงานเข้าไป 1 วัตต์จะมีพลังงานออกจากสายอากาศเกิน 1 วัตต์นั่นเอง  แหม... ก็จะไม่ใช่แบบนี้ได้อย่างไรในเมื่อชื่อมันก็บอกอยู่ว่า "ขยาย"  แต่น่าเสียดายที่มันผิดไปจากความเป็นจริง

สายอากาศเป็นอุปกรณ์ Passive

สายอากาศเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า Passive คือไม่มีไฟเลี้ยงป้อนให้มัน เปรียบไปก็เหมือนกับลำโพงในระบบเครื่องเสียงที่แปลงพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องขยายเสียงไปเป็นพลังงานเสียง  ลำโพงก็ไม่มีไฟเลี้ยงดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่พลังงานขาออก (ในรูปของเสียง) ของมันจะมากไปกว่าพลังงานขาเข้า (พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องขยายเสียง)  สายอากาศก็ตกอยู่ในสภาพเดียวกันไม่มีผิด  นั่นคือพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดที่ออกจากสายอากาศจะไม่มากไปกว่าพลังงานที่เราป้อนให้มัน ดังนั้นทั้งลำโพงและสายอากาศจึงขยายพลังงาน (energy) หรือกำลัง (power = energy/เวลา) อะไรไม่ได้

ปัญหาเรื่องภาษาและคำศัพท์

ที่จริงแล้วภาษาอังกฤษ คำว่า gain มีความหมายอื่นได้อีกมาก ไม่ได้หมายถึง ขยาย ได้เพียงอย่างเดียว ความหมายอื่นก็เช่น ได้ผลดีขึ้น / เพิ่มขึ้น / ได้เปรียบ / ได้กำไร   และโชคร้ายที่คำว่า "Gain" ที่ฝังอยู่ในคำว่า "Antenna Gain" นั้นไม่ได้แปลว่า "ขยาย" ตามที่มันถูกแปลมาเสียด้วยสิ - นั่นคือไม่ตรงตามคำนิยามทางวิศวกรรม  แล้วความหมายมันคืออะไร เรามาดูกัน

ความหมายในทางวิศวกรรม

Antenna Gain เป็นคำศัพท์เฉพาะในทางวิศวกรรมไฟฟ้าสื่อสารที่มีนิยามว่า “สัดส่วนความเข้มของสัญญาณที่สายอากาศนั้นสามารถส่งหรือรับได้ดีที่สุด (ในทิศทางใดก็ได้ในสามมิติ) เทียบกับสายอากาศมาตรฐาน (โดยพื้นฐานคือเทียบ/อ้างอิงกับสายอากาศที่มีการกระจายสัญญาณอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางหรือ isotropic antenna* เพราะง่ายต่อการเข้าใจและการคำนวณ)”  ซึ่งตีลังกาอ่านอย่างไรก็ไม่ได้หมายถึงการขยายอะไรสักหน่อย

การแปลคำว่า Antenna Gain เป็น "อัตราขยายของสายอากาศ" จึงทำให้เกิดความเข้าใจผิด เพราะคำว่า "ขยาย" (ซึ่งตรงกับคำว่า amplification, magnification มากกว่า) มักจะทำให้คนเข้าใจว่ามันเกี่ยวข้องกับการทำให้พลังงานของสัญญาณมีขนาดหรือปริมาณมากขึ้นโดยตรง (ขาออกมากกว่าขาเข้า) ซึ่งจริง ๆ แล้วกรณีนี้ gain หมายถึงการทำให้ความเข้มของสัญญาณในทิศทางที่ต้องการมากขึ้นเท่านั้น (แต่ทิศอื่นต้องแย่ลงนะ) ไม่ได้แปลว่าทำให้มัน "ขยาย" ในแง่ของปริมาณสัญญาณโดยรวม

อธิบายให้ชัดเจนคือ gain คือการเพิ่มพลังในการส่งหรือรับสัญญาณในทิศทางที่ต้องการ เช่น ถ้าสายอากาศมี gain สูง หมายความว่า มันสามารถส่งสัญญาณหรือรับสัญญาณในทิศทางหนึ่งได้ดีขึ้น (ความเข้มของสัญญาณสูงขึ้นในทิศทางนั้น และทิศอื่นแย่ลง) ไม่ได้หมายถึงการเพิ่มปริมาณพลังงานของสัญญาณทั้งหมดในทุกทิศทุกทาง และความสามารถส่งหรือรับที่ดีขึ้นในบางทิศทางทีว่านั้นจะต้องเทียบกับอะไรสักอย่างหนึ่งซึ่งมักจะเริ่มต้นที่การเทียบกับสายอากาศแบบ isotropic และได้ค่าเป็น dBi   (ส่วนจะเป็น dBd เท่าไรก็เอา 2.15 ไปลบออกจากค่า dBi นั่นเอง)

บางทีการใช้คำว่า "อัตราบีบความเข้มของสัญญาณ" หรือ "อัตราเล็งของสายอากาศ" อาจจะทำให้เข้าใจง่ายกว่าและไม่ก่อให้เกิดความสับสนและอธิบายได้ชัดเจนกว่า ว่าไม่ใช่การขยายสัญญาณในเชิงปริมาณ แต่มันคือการปรับทิศทางและความเข้มของสัญญาณให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

* สายอากาศ isotropic 

ไหนๆ จะเล่าแล้ว แถมตรงนี้อีกนิดก็แล้วกัน เผื่อใครถนัดคำนวณนิดๆ หน่อยๆ จะเข้าใจและเห็นภาพได้ดีขึ้น มาดูสายอากาศในอุดมคติคือ isotropic กันว่ามีคุณสมบัติอะไรบ้าง
- เป็นสายอากาศที่แพร่กระจายคลื่นทุกทิศทางในสามมิติด้วยพลังงานเท่าๆ กัน
- แต่ก่อนอื่นเรามาเข้าใจเรื่อง "มุม" ที่ใช้กับสายอากาศเสียก่อน

รูปที่ 1 (a) มุม (angle) และ (b) มุมตัน (Solid angle)

- มุม (angle) ที่เราคุ้นเคยกันมักมีหน่วยเป็นองศา และ เรเดียน ในหน่วยเรเดียนนั้นคืออัตราส่วนระหว่างความยาวส่วนโค้งต่อรัศมี ดังนั้นมุมรอบวงกลมคือ เส้นรอบวง/รัศมี = (2𝝅r / r) = 2𝝅 เรเดียน (rad) ที่หลายคนคุ้นเคยนั่นเอง (ดูรูป 1 a) 

- แต่ในเรื่องของสายอากาศ เราทำงานกับของที่เป็นสามมิติ มุมของเราต้องเป็นสามมิติด้วย เราเรียกมุมในสามมิติว่า "มุมตัน" (solid angle, สัญญลักษณ์ Ω) เป็นการบอกขนาดของวัตถุที่ปรากฏต่อผู้สังเกตที่มองจากจุดนั้น มีหน่วยเป็น Steradian (อ่านว่า สเตอเรเดียน ย่อว่า sr)  อย่าเพิ่งงง อ่านต่อไปก่อนครับ

- ถ้ามองให้ง่ายขึ้นคือมองทรงกลมในรูปที่ 1 (b) มุมตัน คืออัตราส่วนของพื้นที่ผิวที่มุมตันนั้นทำบนผิวรอบทรงกลมต่อรัศมีของทรงกลมยกกำลังสอง  เรารู้ว่าพื้นที่ผิวของทรงกลมคือ 4𝝅 r² ดังนั้นมุมตันรอบๆ ทรงกลมคือ  (4𝝅r² / r²)  =  4 𝝅  sr (สเตอเรเดียน) นั่นเอง   

- ดังนั้นถ้าสายอากาศ  isotropic ต้นหนึ่งถูกป้อนด้วยกำลังไฟฟ้า 4𝝅 W (และมีประสิทธิภาพ 100% คือแปลงพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทั้งหมด) แล้วแพร่กระจายคลื่นด้วยกำลังรอบตัวรวมเป็น 12.566 W (คือ 4𝝅 W นั่นเองเพราะ 𝝅 ≈ 3.14) ความเข้มของกำลังต่อมุมตันจะเป็น 4𝝅 W หารด้วย 4𝝅  sr  = 1 W/sr  ในทุกทิศทาง

- ถ้าสมมติว่ามีสายอากาศอีกต้นหนึ่ง (เรียกว่า สายอากาศ A)  ที่เมื่อถูกป้อนด้วยกำลัง 4𝝅 W เท่ากัน และในทิศทางที่ดีที่สุดของมันมีกำลังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายออกมาด้วยความเข้ม 2 W/sr  สายอากาศต้นนั้นจะมี gain = (2 W/sr) / (1W/sr) = 2  เท่า เมื่อเทียบกับสายอากาศ isotropic

- ถ้าเราเปลี่ยน 2 เท่า เป็น dB จะได้ 10 log 2 ≈ 3.01 dB และเพราะเราเทียบกับสายอากาศแบบ isotropic  ดังนั้นตัวเลข 3.01 จะเป็น dBi นั่นคือ gain ของสายอากาศ A คือ 3.01 dBi
- และถ้าอยากรู้ว่าสายอากาศ A มี gain เป็นกี่ dBd ก็เอา 2.15 ไปหักออกจาก 3.01 จะได้ 0.86 dBd นั่นเอง
- จะเห็นว่าการคำนวณความเข้มพลังงานต่อหน่วยมุมตันจากสายอากาศแบบ isotropic เพื่อเป็น สิ่งอ้างอิง นั้น "ง่าย" เพราะความเข้มของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเท่าๆ กันในทุกทิศทาง ทำให้เราต้องสมมติสายอากาศนี้ขึ้นมา เพื่อให้การคำนวณสิ่งต่างๆ ที่ตามมาทำได้ง่ายนั่นเอง

สรุป

จะเป็นการดีมากถ้าเราเรียกคุณสมบัติการบีบพลังงานของสายอากาศไปในบางทิศทาง ทับศัพท์ ว่า
 “เกนของสายอากาศ” หรือ
 (Antenna Gain)
โดยไม่มีคำว่า
 “ขยาย” รวมอยู่ด้วย 

ซึ่งสุ่มเสี่ยงทำให้คนทั่วไปที่ไม่รู้นิยามทางวิศวกรรมจริงๆ เข้าใจผิด  ที่แน่ๆ คือทำให้นักวิทยุสมัครเล่นจำนวนมากเข้าใจผิดเป็นเวลานาน แต่หลังจากอ่านบทความนี้แล้วเพื่อนๆ คงเข้าใจดีขึ้น และทราบชัดเจนว่าสายอากาศขยายอะไรไม่ได้ เพียงแต่บีบรูปคลื่นให้รับหรือส่่งได้ดีเป็นพิเศษในบางทิศทางได้นั่นเอง

แล้วพบกับเรื่องดีๆ ในคราวหน้านะครับ 
73 DE HS0DJU (Jason/อ๊อด)