Revealing the Real Role of Base Radials in Vertical Antennas
โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU)
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)
เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นอาจจะเคยเห็นสายอากาศยอดนิยมอย่าง Diamond F23, Diamond X510 หรือแม้แต่สายอากาศ Ringo Ranger II ที่ฐานของมันมี “แท่งโลหะยื่นออกมาเป็นกางเขน” สี่แท่ง หรือสามแท่งอยู่รอบ ๆ สายอากาศพวกนั้นเกือบทุกคน รวมทั้งคนขายและนักวิทยุสมัครเล่นหลายคนก็เรียกมันว่า “กราวด์เพลน” (Ground Plane) อย่างมั่นใจ แต่… ความจริงแล้วแท่งโลหะเหล่านั้น ไม่ใช่กราวด์เพลน สักหน่อย
ใช่ครับ อ่านไม่ผิดครับ แท่งที่คุณคิดว่าทำหน้าที่ “สร้างพื้นดินจำลองให้สายอากาศ” แท้จริงแล้วเป็นอุปกรณ์ป้องกันกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current Choke) ที่มีหน้าที่คนละอย่างโดยสิ้นเชิง
กราวด์เพลน (Ground Plane) ตัวจริงคืออะไร
ในระบบสายอากาศ กราวด์เพลนคือ “พื้นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า” ที่ทำหน้าที่เป็น ทางไหลกลับของกระแส (return path) สำหรับสายอากาศที่ทำงานแบบไม่สมมาตร เช่น สายอากาศแบบครึ่งคลื่น (¼λ monopole) บนตัวรถ หรือสายอากาศแบบ ground-plane antenna ที่อาจจะมีก้านโลหะเฉียงลงบ้างก็ได้
กราวด์เพลนจึงต้องมีลักษณะเป็น “พื้นโลหะขนาดใหญ่” หรืออย่างน้อยมีรัศมีประมาณ ¼ ของความยาวคลื่น เพื่อให้สนามไฟฟ้ามีสภาวะสมดุลและรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นเป็นไปตามที่ออกแบบไว้
ตัวอย่างที่เข้าใจง่ายที่สุดคือสายอากาศรถยนต์แบบ ¼λ ที่ติดตั้งบนหลังคาโลหะของรถ ตัวถังรถคือกราวด์เพลนจริงๆ พื้นอ้างอิงของศักย์ไฟฟ้า และยังทำหน้าที่เป็น “อีกครึ่งหนึ่ง” ของสายอากาศโดยสมบูรณ์ (จะเรียกว่า return path ก็ได้ เพราะทำหน้าที่ทำให้กระแสไฟฟ้า RF ไหลครบวงจร (ผ่านอากาศใกล้ๆ สายอากาศนั้น) ดูรูปที่ 1
รูปที่ 1 สายอากาศแบบ quarter wave
หรือ ¼λ กราวด์เพลนที่เห็นเป็นกราวด์
เพลนจริงที่จำเป็นต่อการทำงาน เพื่อให้
กระแสความถี่ RF ไหลครบวงจรได้
ถ้าขาดกราวด์เพลน สายอากาศแบบ ¼λ จะไม่สามารถให้อิมพีแดนซ์ที่จุดป้อนได้ถูกต้อง (คือประมาณ 50Ω) กระแสจะไม่สมดุล เกิด common mode current หรือกระแสโหมดร่วมขนาดใหญ่ การแพร่กระจายคลื่นผิดเพี้ยน และ SWR ในสายนำสัญญาณที่เอามาต่อป้อนสายอากาศนั้นมีค่าสูง
แล้วแท่งโลหะที่ฐานสายอากาศบางแบบคืออะไร
แท่งโลหะที่เห็นยื่นออกมารอบฐานของสายอากาศอย่าง Diamond F23, X510, Ringo Ranger II, หรือกระโปรงของ AEA Isopole ไม่ได้ทำหน้าที่เป็น “ground” สำหรับการแพร่กระจายคลื่นหลักเลย
ในความเป็นจริง สายอากาศที่พูดถึงนั้นเป็นสายอากาศแบบที่มี whip ในแนวตั้งที่มันสมมาตร (หรือเกือบสมมาตร) ในตัว (คือมีส่วน return path ของมันเอง หรือไม่ก็ไม่ได้ต้องการ return path นัก) กระแสที่ขึ้นและลงในส่วนต่างๆ ของสายอากาศจะสมดุลกันเอง หรือเป็น whip ขนาดประมาณ ½λ ซึ่งไม่ค่อยต้องการกราวด์เพลนสำหรับการทำงานตามปกติของมัน
แล้วแท่งโลหะที่ฐานมีไว้ทำไม
คำตอบคือ: เพื่อบล็อกกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current หรือ CMC) ที่อาจไหลลงมาตามสายโคแอกเชียล (coaxial feed line) (อ่านเพิ่มเติมทำไมจึงเกิดกระแสโหมดร่วม)
ในสายอากาศแนวตั้ง ความไม่สมมาตรของการป้อนสัญญาณ (โดยเฉพาะเมื่อใช้สายนำสัญญาณแบบแกนร่วม หรือโครงสร้างที่เป็นแบบแกนร่วม) ทำให้บางส่วนของกระแสวิทยุอาจ “รั่ว” ออกมาบนผิวด้านนอกของสายถัก (shield) แล้วไหลลงมาตามสาย — กระแสนี้เรียกว่า Common-Mode Current
ถ้าไม่มีสิ่งมาป้องกัน มันจะทำให้เกิดผลกระทบหลายอย่าง เช่น:
- รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศเปลี่ยนไป
- สัญญาณรับ/ส่งผิดทิศ
- SWR ในสายป้อนแกว่งไปมา
- สายนำสัญญาณออกอากาศได้ จึงกลายเป็นส่วนของสายอากาศโดยไม่ตั้งใจ
- เกิดสัญญาณรบกวนหรือไฟฟ้ากลับเข้าวิทยุ
แท่งโลหะที่คุณเห็นรอบฐานจึงทำหน้าที่เป็น Common-Mode Choke หรือ Decoupling Radials มันจะเป็นทางเดินของกระแส CMC ให้วิ่งไปตามตัวมันแทนที่จะไหลตามผิวนอกของสาย coaxial ที่ป้อนสายอากาศ (ดูรูปที่ 2) ความยาวและมุมเอียงของก้านได้รับการคำนวณให้ทำงานที่ย่านความถี่เดียวกับสายอากาศเพื่อสร้างสภาพวะให้เกิดกระแสต้านทาน (anti-phase current) ต่อกระแสโหมดร่วมได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือพูดง่ายๆ คือสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าย้อนกลับที่ต้านกระแสโหมดร่วม และทำให้กระแสบนผิวด้านนอกของสายถัก (shield) ของสายนำสัญญาณลดลงมาก
รูปที่ 2 ก้านโลหะมีอิมพิแดนซ์สูงที่ปลาย
แต่ด้วยความยาวของมันจะทำให้อิมพิแดนซ์
อีกด้านหนึ่งต่ำมาก ทำให้กระแส CMC ไหล
ไปตามแท่งโลหะนี้แทนที่จะไหลไปตาม
ผิวด้านนอกของสาย coaxial cable
ถ้าไม่มีแท่งเหล่านี้ จะเกิดอะไรขึ้น
ถ้าสายอากาศเป็นแบบ ¼λ monopole แล้วกราวด์เพลนจริง (ที่จำเป็นต้องมี) หายไป:
- สายอากาศจะทำงานไม่ได้เลย
- อิมพีแดนซ์ไม่ถูกต้อง
- การแผ่คลื่นจะบิดเบี้ยว
- อิมพิแดนซ์จุดป้อนผิดไปมาก
- SWR ในสายป้อนสูงจนเครื่องส่งอาจลดกำลังหรือตัดการทำงาน
แต่ถ้าเป็นสายอากาศแบบ Diamond F23, X510 หรือ Ringo Ranger II แล้วแท่งโลหะที่ฐาน (ซึ่งเป็น Decoupling Radials ไม่ใช่กราวด์เพลนจริง) หายไป สิ่งที่จะเกิดขึ้นคือ:
- สายอากาศยังสามารถรับ–ส่งสัญญาณได้ตามปกติในระดับหนึ่ง
- แต่รูปแบบการแผ่รังสีจะเพี้ยนเล็กน้อย
- SWR ในสายนำสัญญาณอาจแกว่งเมื่อเปลี่ยนความยาวสายโคแอกซ์
- อาจมีสัญญาณรบกวนย้อนเข้าวิทยุหรือสายนำสัญญาณ
พูดง่าย ๆ คือ “ยังทำงานได้” แต่ไม่ “สะอาดและเสถียร” เท่าที่ออกแบบไว้
สรุป: กราวด์เพลน กับ Decoupling Rods
- กราวด์เพลน (Ground Plane)
ตัวอย่าง: สายอากาศ ¼ λ บนรถยนต์ (ที่ต้องมีตัวถังรถเป็นกราวด์เพลนจริง), สายอากาศแบบ Quarter wave ground plane (ไม่ว่าจะ 3 หรือ 4 ก้าน)
ถ้าขาดก้านโลหะกราวด์เพลนไป: สายอากาศจะทำงานแย่, อิมพิแดนซ์จุดป้อนผิดไปมาก, SWR ในสายนำสัญญาณสูง, แพร่กระจายคลื่นผิดเพี้ยน
- แท่งบล็อกกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Choke Rods, Decoupling Rods)
ตัวอย่าง: Diamond F23, X510, Ringo Ranger II
ถ้าขาดก้านโลหะนี้ไป: สายอากาศยังทำงานได้ แต่ SWR และรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นผิดเพี้ยน
มุมมองเพิ่มเติมสำหรับนักวิทยุ
ในสายอากาศแบบคอลลิเนียร์ (collinear) ที่ต่อซ้อนกันหลายชั้น เช่น Diamond X510 หรือ F23 การจัดการกระแสโหมดร่วมเป็นเรื่องสำคัญมาก เพราะกระแสที่ไม่สมดุลสามารถไหลผ่านจุดต่อระหว่างชั้น ทำให้ลักษณะการแผ่คลื่นเปลี่ยนไปจากที่คำนวณไว้โดยสิ้นเชิง
ผู้ผลิตจึงออกแบบแท่งโลหะสำหรับบล็อกกระแสโหมดร่วมเหล่านี้ให้มีความยาวและมุมที่เหมาะสม เพื่อสร้างสภาวะสนามแม่เหล็กที่ต้านทานกระแสบนผิวสายโคแอกซ์ เรียกได้ว่าเป็น “โช้คแบบโครงสร้าง” (Structural Choke) ที่ใช้แท่งโลหะแทนการพันสายบนเฟอร์ไรต์
สรุป
สิ่งที่เราเห็นอาจไม่ใช่สิ่งที่เราคิด
แท่งโลหะรอบฐานของสายอากาศหลายชนิดเมื่อดูเผินๆ จะเหมือน “กราวด์เพลน” จนเป็นความเข้าใจผิดและเรียกติดปากมาหลายสิบปี แต่เมื่อมองลึกเข้าไปในหลักการไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก จะเห็นว่ามันเป็นคนละหน้าที่กันโดยสิ้นเชิง
ครั้งหน้าที่คุณเห็นสายอากาศ Diamond หรือ Ringo อยู่บนหลังคา อย่าลืมกระซิบให้เพื่อนนักวิทยุใกล้ตัวฟังนะครับว่า “แท่งพวกนั้นไม่ใช่กราวด์เพลนนะครับ… มันคือโช้คกันกระแสโหมดร่วมจ้า”
© 2025 จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) สงวนลิขสิทธิ์
อนุญาตให้เผยแพร่เพื่อการศึกษาไม่แสวงหากำไร โดยต้องให้เครดิตผู้เขียน ห้ามคัดลอก ดัดแปลง หรือใช้ในเชิงพาณิชย์โดยไม่ได้รับอนุญาต
