เราพัน Ugly Balun แล้วทำงานดีในย่านความถี่ 2 เมตร (144 MHz) จริงหรือ

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (รายละเอียดด้านล่าง)

ในโลกวิทยุสมัครเล่น โดยเฉพาะผู้ที่สนุกกับย่าน VHF หรือย่าน 2 เมตร (144-146 MHz) คำว่า "Ugly Balun" เป็นที่คุ้นเคยกันดี มันคือ Common-Mode Choke (CMC) หรืออุปกรณ์สำหรับกำจัดกระแสไฟฟ้าโหมดร่วมที่ไหลบนผิวสายนำสัญญาณด้านนอก (และบังคับให้กระแสไฟฟ้าความถี่สูงไหลในปีกทั้งสองด้านของสายอากาศเท่ากัน) ซึ่งสร้างง่ายแสนง่าย เพียงแค่นำสายโคแอกเชียลมาขดเป็นวงกลม 3-5 รอบเท่านั้น 

แต่ในย่านความถี่สูงอย่าง 2 เมตร (145 MHz)  คำถามที่นักวิทยุสมัครเล่นทุกคนควรตั้งคือ: "Ugly Balun แบบขดสายเปล่าๆ นี้ ให้ผลดีอย่างที่คาดหวังจริงหรือ? และภายใต้เงื่อนไขอะไร" บทความนี้จะเจาะลึกถึงข้อจำกัดทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า Self-Resonance (ความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง) ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้ Ugly Balun ที่เราทำขึ้นมานั้นอาจจะกำลังเป็นปัญหามากกว่าการแก้ไข

Note:
ก่อนจะอ่านอย่างอืนต่อ เรามาทำความเข้าใจตรงนี้ก่อนครับ:

• กระแสไฟฟ้าโหมดร่วม = Common Mode Current ย่อว่า CMC
• Choke = ทำให้การไหลติดขัด, ขัดขวาง, ขวางทาง (เหมือนคนสำลักอาหาร หายใจไม่ได้ ก็ใช้คำนี้)
• คุณสมบัติหนึ่งของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial Transmission Line) คือ ณ. จุดใดๆ ตามความยาวของสาย กระแสที่ไหลในแกนกลางจะเท่ากับกระแสที่ไหลที่ผิวด้านในของชีลด์เสมอ
• เนื่องจากกระแสไฟฟ้าความถี่สูงจะไหลที่ผิวของสายนำสัญญาณเท่านั้น ดังนั้นผิวด้านนอกของชีลด์ถือเป็นคนละตัวนำกับผิวด้านในของชีลด์ นั่นคือเราต้องมองสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมว่ามี 3 ตัวนำคือ แกนกลาง, ผิวด้านในของชีลด์, และผิวด้านนอกของชีลด์ 

กระแสโหมดร่วมเกิดได้อย่างไร

ก่อนจะคุยเรื่อง Ugly Balun (ซึ่งความคาดหวังในการออกแบบจัดอยู่ในประเภท Current Balun ที่ใช้ลดกระแสโหมดร่วมหรือ CMC) เรามาดูกันก่อนว่ากระแสโหมดร่วมเกิดขึ้นได้อย่างไร 

รูปที่ 1 กระแสโหมดร่วม I_c เกิดเมื่อ

กระแสที่ปีกสองด้านของโลหะที่
ใช้ทำสายอากาศมีขนาดไม่เท่ากัน

(  I_a ≠ I­_b  ) ซึ่งจะทำให้  I_c ≠ 0  

รูปที่ 1 เป็นการแสดงการต่อสายนำสัญญาณแบบ Coaxial เข้ากับสายอากาศ (ถือว่าเป็นโหลด) แบบ Balance คือสองด้านของมันเท่ากันทุกประการ ในกรณีปกติที่สายอากาศถูกขึงในอวกาศ (ปกติยังไงเนี่ย) คือสองด้านรอบข้างของปีกสายอากาศมีสภาพแวดล้อมเหมือนกันทุกประการ I_a จะมีขนาดเท่ากับ I­_b ซึ่งจะทำให้  I₁ = I₂ ในสายนำสัญญาณและทำให้ I_c = 0 ( I_c คือกระแสแปลกปลอมส่วนขาดส่วนเกินที่เรียกว่ากระแสโหมดร่วมนี่แหละ)  ถ้าเป็นอย่างนี้ชีวิตสบายไม่ต้องมีบาลันอะไรมาต่อเพื่อลดกระแสโหมดร่วม CMC เพราะมันไม่มี 

แต่โลกไม่สวยงามแบบนั้น สายอากาศของเราก็ไม่ได้อยู่ในอวกาศ ปีกสองข้างของสายอากาศก็มีวัตถุอื่นๆ อยู่ใกล้ๆ มันไม่เหมือนกัน ในการทำงานปกติอาจจะมีความจุไฟฟ้าเชื่อมต่อ (Coupling) ปีกสองด้านไปยังพื้นดิน (ซึ่งชีลด์ของสายนำสัญญาณมักถูกต่อลงดินด้วยที่ด้านเครื่องวิทยุ) ทำให้  I_a ≠ I­_b ในขณะที่สำหรับสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมแล้ว  I₁ = I₂ เสมอ ดังนั้นกระแสส่วนขาดส่วนเกินมันจะไปไหนได้นอกจากไปไหลอยู่ที่ผิวนอกของชีลด์ทำให้ I_c ≠ 0   และ I_c นี่เองที่เรียกว่ากระแสโหมดร่วม (CMC) และ.. มันแพร่กระจายคลื่นด้วย  คือเหมือนกับผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณกลายเป็นสายอากาศไปด้วย คลื่นจากผิวด้านนอกของชีลด์จะไปผสมกับคลื่นจากตัวสายอากาศจริงๆ ทำให้แพทเทิร์นรวมของคลื่นผิดเพี้ยนไปจากที่เราต้องการ

Ugly Balun ทำงานอย่างไร 

Ugly Balun หรือ Air-Core Choke Balun (บาลันแบบขดลวดต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าความถี่สูงแบบแกนอากาศ - พอแปลไทยแล้วยาวมาก) ทำงานโดยการสร้าง ความเหนี่ยวนำ (Inductance, L) ขึ้นบนผิวตัวนำด้านนอกของสายโคแอกเชียล* (ดูรูปที่ 2) เมื่อมีกระแสไฟฟ้าโหมดร่วม (Common-Mode Current) พยายามไหลบนสายส่วนนี้ ขดลวดจะทำหน้าที่เหมือนขดลวดโช้ค (RF Choke) ที่มีความต้านทานสูง เพื่อ “ขัดขวาง” (Choke) เส้นทางกระแสโหมดร่วมนั้น ทำให้กระแสทั้งหมดไหลเข้าสู่จุดขับของสายอากาศอย่างสมมาตร

* กระแสไฟฟ้าความถี่สูงที่ไหลอยู่บริเวณแกนกลางและผิวด้านในของชีลด์ของสายนำสัญญาณจะมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม ทำให้ไม่เกิดผลทางสนามแม่เหล็กจากกระแสสองตัวนั้น  

รูปที่ 2 การทำงานของ Ugly Balun
คือทำตัวเป็นขดลดเหนี่ยวนำสำหรับ
กระแสโหมดร่วมที่ไหลอยู่ที่ผิวนอก
ของชีลด์ของสายนำสํญญาณ

หัวใจสำคัญ: 

• เพื่อให้เกิดผลการขัดขวางกระแส (Choke) ที่ดี Impedance ที่ Ugly Balun สร้างขึ้น ( Z_choke ) ควรจะสูงกว่า Impedance ของระบบ (50 Ω) อย่างน้อย 10 เท่า หรือก็คือ  Z_choke  ≥ 500 Ω  
• Ugly Balun เองเป็นคอยล์แบบหนึ่ง ซึ่งคอยล์ทุกชนิดมีความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง (Self Resonance Frequency หรือ SRF) เพราะประกอบไปด้วยตัวเหนี่ยวนำแฝง (parasitic inductance) ต่อขนานอยู่กับความจุไฟฟ้าแฝง (parasitic capacitance)  ที่ความถี่หนึ่งๆ reactance ของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุจะหักล้างกันหมดไป นั่นคือความถี่ที่เกิด resonance  
• Ugly Balun ทำงานดีที่สุด (ต้านทานการไหลของกระแสโหมดร่วม) ที่ความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง (SRF)  (เพราะวงจรขนาน LC จะมีอิมพิแดนซ์สูงมากที่ความถี่เรโซแนนซ์) แต่เราต้องรู้ว่าช่วงความถี่นี้เป็นเท่าไรแน่ 
• โดยปกติแล้วเราต้องการให้ Ugly Balun เป็น Common Mode Choke เราก็สามารถออกแบบให้มันทำงานที่ความถี่ SRF ได้เลย  โดยต้องหลีกเลี่ยงไม่ให้ทำงานที่ความถี่สูงกว่า SRF เพราะขดลวดจะกลายเป็นตัวเก็บประจุแทน ทำให้ความเป็น choke หมดไป  (กระแสโหมดร่วมจะไหลผ่านตัวเก็บประจุแทน) 
• การทำ Ugly Balun เพื่อใช้กับสายอากาศแบบหลายความถี่เช่น 3.5MHz, 7MHz, 10MHz, 14MHz.... , 28MHz  ถ้า SRF อยู่ที่ 7MHz อาจจะทำหน้าที่ป้องกันกระแสโหมดร่วมได้ดีมากที่ 7MHz แต่ที่ 28MHz กระแสโหมดร่วมจะผ่านไปได้เพราะ Balun ทำตัวเป็น capacitor แล้ว (ดูรูป 3b ที่ความถี่สูงขึ้น แม้ reactance ของ L จะสูงขึ้น แต่ reactance ของ C จะต่ำลง ทำให้กระแสไหลผ่าน Capacitor แทน 

Self-Resonance (SRF) ของโช้คอาจเป็นปัญหาใหญ่ของย่าน 2 เมตรได้

ในย่านความถี่ต่ำ เช่น HF (7-30 MHz) เราสามารถเอาสายนำสัญญาณแบบแกนร่วมมาทำ Ugly Balun โดยพันหลายรอบและเส้นผ่านศูนย์กลางค่อนข้างใหญ่ได้ เพราะแม้ว่าลวดขดใหญ่แถมยังพันหลายรอบจะทำให้ค่า L และ ความจุไฟฟ้าแฝง C สูงทำให้ SRF ต่ำลง แต่ทำให้โช้คยังทำงานที่ความถี่ต่ำกว่า SRF และมีคุณสมบัติเป็น inductive choke ได้ดี  แต่สำหรับย่าน 2 เมตร (144 MHz) ซึ่งเป็นย่านความถี่สูง ถ้าเราพันโช้คใหญ่และหลายรอบมากจะทำให้ SRF ต่ำกว่า 144 MHz ไปมาก ซึ่งไม่เหมาะ

SRF (Self Resonance Frequency) คืออะไร

เมื่อเราขดสายโคแอกเชียลเป็นวงกลมๆ มันจะกลายเป็นขดลวด นอกจากจะสร้าง ความเหนี่ยวนำ (L) แล้ว ยังเกิด ความจุแฝง (Parasitic Capacitance, C) ขึ้นระหว่างขดลวดที่แนบอยู่ใกล้กันด้วย ดูรูปที่ 3

รูปที่ 3 การนำสายนำสัญญาณ (หรือสายไฟ
ตัวนำไฟฟ้าใดๆ) มาขดเป็นขดลวดเหนี่ยวนำ
นอกจากจะมีความเหนี่ยวนำแล้วยังมี
ความจุไฟฟ้าแฝงระหว่างลวดแต่ละขดด้วย

ซึง L และ C ในรูปที่ 3 (a) นั้นสามารถเขียนเป็นวงจรสมมูลได้ตามรูปที่ 3 (b) โดย R มีค่าต่ำมาก  L และ C จะทำตัวเป็นวงจรเรโซแนนซ์  ดังนั้นขดลวดโช้คหรือ Ugly Balun จึงไม่ใช่ตัวเหนี่ยวนำล้วนๆ แต่เป็นวงจร LC ขนาน ขนาดเล็ก เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นไปถึงจุดที่ L และ C หักล้างกันพอดี อิมพิแดนซ์รวมจะสูงมาก และเกิดที่ความถี่ SRF นั่นเอง โดยความถี่เรโซแนนซ์ของขดลวดคำนวณได้ตามสมการ: 

เมื่อ   
C_p  เป็นความจุไฟฟ้าแฝงบนตัวขดลวด (ตัวห้อย p คือ parasitic หรือหมายถึง "แฝง" นั่นเอง)
L  เป็นความเหนี่ยวนำของขดลวดหลัก

ที่ความถี่ SRF วงจรขนานนี้จะมีความต้านทาน (Impedance) สูงสุด ซึ่งดูเหมือนเป็นสิ่งที่เราอยากได้เพราะมันน่าจะหยุดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่การออกแบบให้โช้คทำงานที่จุดนี้ต้องสร้างแล้ววัดให้ดี

และจะเริ่มยุ่งเมื่อความถี่ที่เราใช้งานขดลวด Ugly Balun นี้ที่ความถี่สูงกว่า SRF   เพราะตัวขดลวดจะเปลี่ยนสภาพจาก ตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) กลายเป็น ตัวเก็บประจุ (Capacitor) นั่นคือรีแอคแตนซ์ของตัวเก็บประจุแฝงจะมีผลมากกว่า (dominate) รีแอคแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ ซึ่งจะทำให้ Impedance ลดลงอย่างรวดเร็วตามความถี่ที่สูงขึ้น และเป็น (Capacitive Reactance, -j X­_c Ω) ซึ่งจะไปเสริมกระแสโหมดร่วมแทนที่จะหยุดมัน

โดยปกติแล้วเราจะให้ความถี่ที่เราใช้งานอยู่ไม่เกิน 60-80% ของความถี่ SRF ของขดลวดที่ใช้ลดกระแสโหมดร่วมนั้น  เช่นถ้าเราจะใช้งานที่ความถี่ 8 MHz เราจะต้องทำให้ SRF ของขดลวดเป็น 10MHz หรือสูงกว่า เป็นต้น 

ทำไมจึงต้องระวังการออกแบบ Ugly Balun ในย่านความถี่ 2 เมตร

ถ้าเราออกแบบให้ Ugly Balun ของเราทำด้วยสายนำสัญญาณ RG-58 มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 นิ้ว หรือใหญ่กว่า (ซึ่งเป็นขนาดที่นิยมกัน) แล้วพันไป 7-8 รอบ ความเหนี่ยวนำ (L) จะมีค่าสูง และค่าความจุไฟฟ้าก็มีค่าสูงด้วย   ผลลัพธ์คือทำให้ความถี่ SRF ต่ำลงมาก เช่น 7-10MHz 

ถ้า SRF มีค่าต่ำกว่าความถี่ที่เราต้องใช้มากๆ  ที่ความถี่ใช้งานโช้คของเราจะกลายเป็นตัวเก็บประจุ (Capacitor) ที่มี Impedance ต่ำลงๆ ที่ความถี่สูงขึ้นๆ  ซึ่งจะไม่สามารถกัน/ลดกระแสโหมดร่วมได้อีกต่อไป และอาจทำให้อิมพิแดนซ์รวมผิดไปมาก หรือที่แย่กว่านั้นคือทำให้แพทเทิร์นการแผ่กระจายคลื่นของสายอากาศบิดเบือนได้

ดังนั้นในการพันโช้คจะต้องพันให้ถูกขนาดและจำนวนรอบ เช่น ใช้สายนำสัญญาณ RG-58 พันบนแกนพลาสติกขนาด 1 นิ้ว จำนวไม่เกิน 10 รอบ เป็นต้น  รูปที่ 4 (a) แสดงตัวอย่างของ Ugly Balun ที่เราทำจากสายนำสัญญาณ RG58 ขดเป็นวงเส้นผ่านศูนย๋กลางประมาณ 6 นิ้วจำนวน 7 รอบ จะได้โช้คที่มี Self Resonance Frequency ประมาณ 24.8 MHz ซึ่งแน่นอนว่าใช้กับความถี่ประมาณนั้นได้ดี (อัตราลดทอนกระแสโหมดร่วมสูง) แต่จากรูปที่ 4 (b) จะเห็นชัดเจนว่าที่ความถี่พียง 100MHz อัตราการลดทอนหายไปมาก (ยิ่ง 144MHz คงแทบไม่เกิดประโยชน์เลย) 

รูปที่ 4 แสดงความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง
ของโช้ค (Ugly Balun) ที่ทำจากสาย
นำสัญญาณ RG58 พันเป็นวงกลมขนาด
6 นิ้วจำนวน 7 รอบ จะเห็นว่าความถี่เรโซแนนซ์
อยู่ที่ 24.8MHz เท่านั้นเอง

แล้วใช้อะไรดีล่ะ

ถ้าเราต้องการหรือจำเป็นต้องลดกระแสโหมดร่วม (CMC) ที่ความถี่ย่าน 2 เมตร (145MHz) จริงๆ  Ugly (current) Balun อาจจะไม่ใช่ทางเลือกที่เหมาะสม แต่ไม่เป็นไรเพราะยังมีตัวเลือกอื่น 

1. ใช้ Ferrite Bead คือเอาสายนำสัญญาณลอดผ่านวงแหวนเฟอร์ไร้ท์ และให้อยู่ใกล้จุดป้อนของสายอากาศให้มากที่สุด ดูรูปที่ 5  โดย material ที่แนะนำคือ 61, 31, 43 ตามลำดับ

รูปที่ 5 เราสามารถใส่วงแหวน Ferrite
ครอบสายนำสัญญาณเพื่อสร้างความ
เหนี่ยวนำและลดกระแสโหมดร่วมได้
ในทางปฏิบัติเราอาจจะใส่หลายวงได้

2. ใช้ Quarter-Wave sleeve balun ช่วย

ถ้าเราจำเป็นต้องพยายามลดกระแสโหมดร่วม (common mode current) ในย่านความถี่สูงอย่าง 2 เมตร การใช้ "Ugly Balun" แบบขดลวดหนาๆ เหมือนที่ใช้ในย่าน HF นั้นอันตรายเกินไป (คือ เสี่ยงที่มันจะมีพฤติกรรมที่เราไม่คาดหวัง) วิธีที่ถูกต้องและให้ผลลัพธ์ที่แน่นอนกว่าคือการสร้างโช้คโดยใช้หลักการ quarter wave sleeve balun  ดูรูปที่ 6 

รูปที่ 6 Current Balun ชนิด ¼λ -Sleeve
สามารถช่วยลด CMC ได้ 

การทำเช่นนี้ปลอกโลหะไม่ได้ทำงานด้วยหลักการเหนี่ยวนำ (L)  แต่เป็นการใช้หลักการคุณสมบัติของสายนำสัญญาณ (Transmission Line)  โดยสายนำสัญญาณที่ยาว λ/4 เกิดจากปลอกโลหะและผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณหลัก ซึ่งเราลัดวงจรที่ปลายด้านหนึ่งของมัน ทำให้ปลายอีกข้างหนึ่ง (ด้านที่ต่อกับขั้วของสายอากาศ) มองเห็นว่าเปิดวงจร ทำให้กระแสโหมดร่วมไหลยากและป้องกันกระแสที่เราไม่ต้องการนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เพียงต้องไม่ลืมว่ามันทำงานที่ช่วงความถี่แคบๆ ที่ระยะของปลอกโลหะเป็น ¼λ พอดี)  ไม่ต้องลุ้นกับความถี่เรโซแนนซ์ของคอยล์ที่เราพันขึ้น

สรุป

①
คำถาม: Ugly Balun ย่าน 2 เมตร ใช้ได้ดีจริงหรือ?
คำตอบ: Ugly Balun แบบขดลวดขนาดใหญ่ (เช่น 8 นิ้ว) แล้วพันมากรอบด้วย (เช่น 10 รอบ) นั้นไม่ดี เสี่ยงต่อการเกิด SRF ที่ความถี่ต่ำกว่า 144 MHz ไปมาก ทำให้ที่ความถี่ 144MHz ขดลวดนี้ก็กลายร่างเป็นตัวเก็บประจุและไม่สามารถขัดขวางกระแสโหมดร่วมได้  ถ้าอยากใช้งานที่ความถี่ 144MHz ให้พันด้วยสาย RG58 เส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้วสักไม่เกิน 10 รอบ  และอย่าลืมวัด SRF ด้วยก่อนใช้งาน

②
Ferrite Bead: ทำงานลดกระแสโหมดร่วมได้ดีในช่วงความถี่ที่กว้าง
Quarter-Wave Sleeve Balun: หรือ Bazooka Balun ใช้ได้ดีและมีประสิทธิภาพกว่า (แต่ใช้ได้ดีมากที่ความถี่เดียว คือ bandwidth มันแคบ)  ทำงานบนหลักการทฤษฎีสายนำสัญญาณ ทำให้สามารถควบคุม Impedance ได้แม่นยำ 

③
ดังนั้นถ้าเราจะหาวิธีหยุดกระแสโหมดร่วมที่ย่านความถี่ VHF ให้หลีกเลี่ยงการเอาสาย coaxial มาพันเป็นโช้คขนาดใหญ่เกินไป  และใช้ Ferrite Bead หรือ Quarter-Wave Sleeve Balun ซึ่งเหมาะกับย่านความถี่สูงโดยเฉพาะ หรือจะพันโช้คกก็ได้แต่ต้องให้ถูกขนาด 

④
การสร้างอุปกรณ์วิทยุต้องใช้ความแม่นยำทางฟิสิกส์ เข้าใจว่ามันทำงานอย่างไร ไม่ใช่แค่การ "ขดๆ ไปก็ใช้ได้" เพื่อให้การติดต่อของคุณมีประสิทธิภาพสูงสุดนั่นเอง

แล้ว... ยังมีอุปกรณ์หรือวงจรใดที่คุณสงสัยว่า "มันใช้ได้ดีจริงหรือ" อีกไหมหนอ?

แล้วพบกันใหม่นะครับ
73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จ.)

© 2025 จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU). สงวนลิขสิทธิ์
อนุญาตให้เผยแพร่เพื่อการศึกษาไม่แสวงหากำไร โดยต้องให้เครดิตผู้เขียน ห้ามคัดลอก ดัดแปลง หรือใช้ในเชิงพาณิชย์โดยไม่ได้รับอนุญาต