สายอากาศเกนต่ำพิเศษสำหรับ D-STAR Hotspot: ลดผลกระทบต่อภาครับของวิทยุเครื่องอื่น

 

Mitigating Receiver Desensitization Using an Intentionally Lossy Antenna

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

---

สายอากาศเป็นอุปกรณ์ในการแปลงพลังงานระหว่างพลังงานไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปกติแล้วเรามักต้องการให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของอุปกรณ์ต่างๆ (ไม่จำกัดเฉพาะสายอากาศ อาจจะเป็นหลอดไฟ มอเตอร์ไฟฟ้า หม้อแปลงไฟฟ้า ลำโพง หรืออื่นๆ) สูงที่สุดหรือใกล้เคียง 100% นั่นคือมีพลังงานสูญเสียไปเป็นรูปอื่นน้อยที่สุด  ในระบของสายอากาศเองเราจะเห็นความพยายามนี้ได้จากวงจรแมทชิ่งอิมพิแดนซ์ว่าใช้อุปกรณ์ประเภทตัวเก็บประจุ (capacitor, C) และตัวเหนี่ยวนำ (inductor, L) เท่านั้นโดยไม่มีตัวความต้านทาน (resistor, R) มาเกี่ยวข้อง  ที่เป็นเช่นนั้นเพราะทั้งตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เมื่อรับพลังงานเข้าไปแล้วจะต้องคายกลับออกมา นั่นคือไม่มีการสูญเสียพลังงาน ต่างจากตัวความต้านทานไฟฟ้าซึ่งเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจะเกิดความร้อน (P = I²⨯R) และนั่นคือการสูญเสียที่เกิดขึ้นนั่นเอง

บทความนี้เป็นผลพลอยได้จากการแก้ปัญหากวนใจที่เกิดกับตัวเอง ตอนดึกของคืนหนึ่ง เรียกว่ามานั่งทำสายอากาศแปลกๆ นี่สักอันเอาไว้ใช้ในวันรุ่งขึ้น เรียกว่าถ้าไม่ได้ทำอาจจะนอนไม่หลับ หน้าตาเลยออกมาแบบ "ง่ายที่สุดเท่าที่คนง่วงจะทำได้" ก็ว่าได้ล่ะครับ 

ปัญหากวนใจ

ในบางครั้งเราต้องการใช้วิทยุหลายเครื่องในเวลาเดียวกัน (ซึ่งปกติจะเป็นการรับ และทุกเครื่องก็ควรรับที่ความถี่ที่ถูกตั้งเอาไว้ได้ดีในเวลาเดียวกัน)  โดยเป็นเครื่องแบบมือถือพกพามีสายอากาศในตัว (เช่น ใช้สายอากาศยาง สายอากาศ telescopic) ตั้งอยู่ในห้องทำงาน แต่ถ้ามีเครื่องส่งอยู่ใกล้ๆ ด้วยในห้องนั้นจะทำให้ความสามารถในการรับของวิทยุเครื่องอื่นด้อยลงไป (เรียกว่า desensitivity)   ปัญหาที่กวนใจคือในห้องมีเครื่องส่งของตัว hot spot ของระบบดิจิตอลเช่น DSTAR อยู่ด้วย เมื่อเจ้าเครื่องส่งนี้ทำงานจะทำให้วิทยุที่มีสายอากาศอยู่ใกล้ๆ ในห้องเดียวกันรับอย่างอื่นไม่ได้  ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 แสดงต้นตอของปัญหาคือ ขณะที่
hotspot(1) กำลังส่งสัญญาณติดต่อกับ
วิทยุ DSTAR(2) อยู่นั้น  เครื่องวิทยุมือถือ
สายอากาศติดเครื่อง(3) ที่อยู่ในห้อง
เดียวกันจะไม่สามารถรับสัญญาณอื่นได้

การแก้ไข 

ดูเหมือนผมต้องหาวิธีลดกำลังส่งจากเครื่อง hot spot ลง วิธีแรกที่คิดได้ (และเคยทำ) คือการเอาเอาโหลดเทียม 50Ω  ใส่เข้าไปซึ่งผลคือมันก็ไม่กวนจริงๆ แต่ระยะติดต่อสั้นมากจนใช้งานไม่ได้ในทางปฏิบัติเลยตัดทางเลือกนี้ไป อีกทางเลือกคือออกแบบสายอากาศที่ประสิทธิภาพต่ำมาใช้กับมันดีกว่า กำลังของคลื่นจะได้ไม่รุนแรงจนไปกวนวิทยุเครื่องอื่น 

อย่างที่เล่าให้ฟังตอนแรกแล้วว่า ปกติแล้วเราจะพยายามหลีกเลี่ยงตัวความต้านทานในวงจรสายอากาศเพื่อให้มีการสูญเสียน้อยที่สุด แต่กรณีนี้เป็นตรงกันข้ามคือสูญเสียมากเข้าไว้จะดีมาก แต่ก็ยังต้อง "ออกอากาศ รับ-ส่ง ได้อยู่"  ก็เลยนึกถึงสายอากาศที่สั้นมากๆ ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วจะต้องมีเกนน้อยกว่า (ด้วยรูปร่างการแพร่กระจายคลื่น) สายอากาศที่ยาวกว่า  แต่ในทางทฤษฎีแล้ว แม้สายอากาศจะสั้นแต่ถ้ามันรับพลังงานและส่งออกไปได้ทั้งหมด เกนก็ไม่ได้เลวร้ายขนาดรับส่งอะไรไม่ได้เลย (ก็แย่ลงแหละเพราะความต้านทานการแพร่กระจายคลื่นต่ำมาก) ก็คงอยู่ระหว่างสายอากาศไอโซทรอปิกกับไดโพล - ซึ่งยังไม่พอ! เราต้องการให้มันแย่ไปกว่านั้นอีก แต่เอาน่ะ โดยพื้นฐานแล้วเป็นตัวตั้งต้นที่ดี ทำง่ายด้วย เดี๋ยวค่อยดัดแปลงมันต่อ

คุณสมบัติของสายอากาศไดโพลสั้น

ตัวเลือกที่เข้ามาในหัวคือสายอากาศไดโพลแบบสั้นมากๆ คือสั้นกว่า ½λ มากๆ ถ้าในย่านความถี่ 2 เมตร ½λ  ก็จะยาวราวๆ 1 เมตร เราก็ทำให้สั้นมากเช่น 4-5 ซม.ซะแล้วค่อยๆ มาดูว่าเกิดอะไรขึ้น 

สายอากาศไดโพลที่สั้นกว่า ½λ มากๆ จะมีความต้านทานแบบรีแอคแตนซ์เป็นความจุไฟฟ้า (capacitive) ค่าสูงมากไฟฟ้าผ่านยาก (ลองคิดเชิงสัญชาติญาณเล่นๆ ว่าเพราะก้านไดโพลทั้งสองมันสั้นมาก มันย่อมจะสร้างความจุไฟฟ้าระหว่างกันได้น้อยมาก ดังนั้นรีแอคแตนซ์ที่ความถี่ทำงานต้องสูง) ในขณะเดียวกันก็มีความต้านทานการแพร่กระจายคลื่น (Radiation resistance, R_r) ต่ำมากด้วยเช่น 0.25-1Ω  (ความต้านทานการแพร่กระจายคลื่นนี้เป็นคนละอย่างกับความต้านทานที่จุดป้อนของสายอากาศที่ปกติแล้วเราจะพยายามแมทช์ให้เป็น 50Ω นะครับอย่าปนกัน)  ดังนั้นในทางทฤษฎีแล้ว "สายอากาศไดโพลสั้น" น่าจะมีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเป็น 

Z_a  =  R_r + R_ohmic - jX
โดย 
R_ohmic  เป็นความต้านทานของโลหะที่ใช้ทำสายอากาศ ค่ามักต่ำมากๆ อยู่แล้ว ตัดทิ้งได้
R_r  เป็นความต้านทานการแพร่กระจายคลื่น ประมาณว่า 1Ω   
X  เป็นรีแอคแตนซ์ซึ่งมีค่าติดลบ (negative) เนื่องจากเป็นความจุไฟฟ้า (capacitive) และมีขนาดสูงมากด้วยเช่น - j 1000Ω  

ดังนั้นในการทดลองสร้าง เราประมาณเบื้องต้นว่า 
Z_a  =  1 - j 1000 Ω   
(เป็นค่าโดยประมาณเท่านั้น เพื่อให้เราทำงานออกแบบต่อได้) 

พอเห็นตัวเลขแบบนี้หลายคนอาจจะตกใจว่า แย่แล้ว ส่วนของรีแอคแตนซ์มีค่าตั้ง - j 1000Ω แบบนี้จะแมทช์อย่างไร ใช่ครับ ในกรณีที่เราจำเป็นต้องทำสายอากาศปกติที่ไม่ต้องการให้มีการสูญเสียและต้องใช้เฉพาะตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำแมทช์อิมพิแดนซ์ 1 - j 1000 Ω นี้ให้เป็น 50Ω นั้นไม่ใช่เรื่องง่ายจริงๆ ด้วยนั่นแหละ แต่กรณีนี้ไม่ใช่เพราะเรายอม (และอยาก) ให้มีการสูญเสีย (มากๆ) ได้ ดังนั้นจึง ใช้ความต้านทานมาช่วยได้  

สายอากาศที่ได้ 

ในเมื่อใช้ความต้านทานมาช่วยได้ชีวิตก็จะง่ายขึ้นมาก แล้วจะต่อเข้าไปอย่างไร

• ต่ออนุกรมกับจุดป้อน: นั่นคืออนุกรมกับ  Z_a  =  1 - j 1000 Ω  ผลที่ได้จากการต่ออนุกรมคือนำอิมพิแดนซ์ (Z) มาบวกกัน  แบบนั้นไม่ไหวแน่เพราะมีแต่จะทำให้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนมีค่าสูงขึ้น เช่นกลายเป็น  51 - j 1000 Ω  แบบนี้เอาไปต่อใช้งานไม่ได้ ดูรูปที่ 2

รูปที่ 2 ทางเลือกแรกคือการต่อ
ตัวความต้านทานค่าประมาณ 50Ω 

อนุกรมเข้าไปตรงๆ แต่วิธีนี้ใช้ไม่ได้
เพราะอิมพิแดนซ์รวมยังมีผลจาก
รีแอคแตนซ์ค่ากว่า -j 1000Ω อยู่ด้วย

• ต่อขนานกับจุดป้อน: เรารู้ว่าผลที่ได้จากการต่อขนานคือการเอาแอดมิตแตนซ์ (admittance, Y) มาบวกกัน  เรารู้ว่าเราเริ่มต้นที่  Z_a  =  1 - j 1000 Ω   เปลี่ยนเป็นแอตมิตแตนซ์คือ   1/Z_a =  Y_a = (ค่าต่ำมากใกล้ศูนย์ + j ค่าต่ำมากใกล้ศูนย์) ℧   ดังนั้นถ้าเราเอาความต้านทาน 50Ω หรือ 0.02℧ ขนานเข้าไป   แอตมิตแตนซ์รวม Y_a ก็จะมีค่าประมาณ 0.02℧ นั่นแหละซึ่งก็คือ  R_a ≈ 50Ω  นั่นเอง ดูรูปที่ 3
  

รูปที่ 3 การแปลงวงจรเสมือนทาง
ไฟฟ้าของสายอากาศในรูป
impedance (Z) ให้อยู่ในรูป
admittance (Y) ก่อน เพื่อความ
เข้าใจที่ดีขึ้นในการแมทช์

ดังนั้นสายอากาศเราจะมีลักษณะทางไฟฟ้าแสดงใน รูปที่ 4

รูปที่ 4 วงจรเสมือนทางไฟฟ้า
ในรูป impedance (Z)
ของสายอากาศที่จะสร้าง

และเมื่อสร้างเป็นของจริงแสดงในรูปที่ 5  เพื่อนๆ สามารถนำไปสร้างใช้งานได้นะครับ จะหุ้มท่อหดหรือใส่ปลอกที่เป็นฉนวนและไม่มีผลต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ตามใจชอบเลยครับ

รูปที่ 5 สายอากาศ Lossy Antenna
โดยพื้นฐานเป็นสายอากาศไดโพล
สั้น (มาก) ที่สามารถ และโหลดด้วย
ความต้านทาน 50Ω ½W เพื่อให้ได้

อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนเหมาะสม
กับการใช้งาน และใช้ขาของตัว
ความต้านทานเป็นสายอากาศเลย

สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อขนานความต้านทาน 50Ω  ที่จุดป้อนของไดโพลสั้น

โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของสายอากาศขึ้นกับสัดส่วนของความต้านทานการแพร่กระจายคลื่น (R_r ซึ่งเสมือนความต้านทานที่เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านแล้วจะเปลี่ยนรูปพลังงานเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ใช่ความร้อน) กับความต้านทานจากโลหะหรืออื่นๆ (R_ohmic หรือ R_o ซึ่งเป็นความต้านทานของโลหะที่ใช้ทำสายอากาศ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านพลังงานจะเปลี่ยนเป็นความร้อน) ที่อนุกรมกันอยู่  ส่วน X_a เป็นรีแอคแตนซ์ซึ่งไม่มีการสูญเสียเป็นความร้อน ดูรูปที่ 6

รูปที่ 6 ประสิทธิภาพของสายอากาศ
ขึ้นกับสัดส่วนของความต้านทานการ
แพร่กระจายคลื่น (R_r) กับความต้านทาน
ของโลหะที่ใช้สร้างสายอากาศนั้น (R_o)
ซึ่งโดยปกติแล้ว R_o มีค่าต่ำมาก

อย่างไรก็ตาม ในกรณีของเราเราไม่ได้ทำอะไรกับ R_r, R_o และ X_a  สิ่งที่เราทำจริงๆ คือนำตัวความต้านทาน ภายนอกขนาด 50Ω  ต่อขนานเข้าไปกับ "สายอากาศไดโพลสั้น" ของเรา ทำให้เกิดการแบ่งกำลังไฟฟ้า RF (Radio Frequency) ที่เข้า-ออกส่วนของสายอากาศโดยไม่ได้เปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของส่วนที่เป็นสายอากาศเองจริงๆ แต่สามารถทำให้ประสิทธิภาพรวมของ สายอากาศไดโพลสั้นที่มีความต้านทาน 50Ω  ขนานอยู่ที่จุดป้อน ต่ำลงเพราะกระแสไฟฟ้า RF ส่วนหนึ่ง (I₁) มีโอกาสไหลผ่านตัวความต้านทานนี้ได้ แทนที่จะต้องไปไหลผ่านส่วนที่เป็น "สายอากาศไดโพลสั้น" (I₂) ทั้งหมด ดูรูปที่ 7 

รูปที่ 7 เมื่อเราขนานจุดป้อนของสายอากาศ
ด้วยความต้านทาน 50Ω จะเกิดการแบ่งกระแส

ให้ผ่านความต้านทาน 50Ω  กับส่วนของ
สายอากาศ (ซึ่งกระแส I₂ จะไหลผ่านน้อย

กว่า I₁ มากจากรีแอคแตนซ์ X_a ที่สูงมาก)

การทดสอบ 

• วัดอิมพิแดนซ์จุดป้อนของสายอากาศในรูปที่ 5 ด้วย VNA 
  เพื่อให้แน่ใจอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศไม่ผิดไปจาก 50Ω  นัก (แม้จะคำนวณมาแล้ว) ถึงแม้กำลังส่งจากภาคส่งของ hot spot จะน้อยนิดแต่ก็ยังเป็นห่วงอยู่นะ (ฮา...) 

รูปที่ 8 วัดอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของ
สายอากาศด้วย NanoVNA ใกล้เคียง
50Ω ถือว่าสามารถต่อเข้ากับสายป้อน
50Ω ได้เลยโดยอัตราส่วนคลื่นนิ่งต่ำ

• วัดความแรงของสัญญาณเทียบกับสายอากาศยาง ใช้สายอากาศยางติดเครื่อง Icom ID-51 เป็นสายอากาศทดสอบเพื่อเปรียบเทียบกับสายอากาศ Lossy (สายอากาศที่เราทดลองสร้างขึ้น ที่ตั้งใจให้มีการสูญเสียสูง): ความแรงลดลง 18dB หรือประมาณ 63 เท่าเมื่อเทียบกับสายอากาศยาง

หมายเหตุ 
- การทดสอบทำในเชิงเปรียบเทียบกับสายอากาศยางซึ่งไม่ได้สอบเทียบเกน ไม่ได้วัดผลเป็นกำลังสัมบูรณ์ หน่วยการวัดจึงเป็นเพียง dB เท่านั้นไม่ใช่ dBm หรือ dBμv 
- ความแรงสัญญาณที่ลดลง 18dB เป็นผลจากการแบ่งกระแสตามในรูปที่ 7 ซึ่ง X_a มีค่าสูง (แม้อาจจะไม่ตรงกับ -j 1000Ω  อย่างที่คาดการณ์ไว้) ทำให้กระแส I₂ ที่จะไหลผ่าน R_r และเปลี่ยนเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกอากาศไปมีขนาดต่ำลงมาก

• ผลการทดลองใช้: ในขณะที่ hot spot ส่งสัญญาณออกมาไม่ว่าจะเป็นข้อมูลหรือเสียงจากระบบเองหรือข้อความที่เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นกำลังสนทนาอยู่  เครื่องวิทยุอื่นที่อยู่ใกล้ในห้องเดียวกันและใช้สายอากาศติดเครื่อง ยังสามารถรับสัญญาณที่ความถี่อื่นได้ตามปกติ 

สรุป

ด้วยความรู้ด้านสายอากาศ บางครั้งเราก็สามารถพลิกแพลงทำสิ่งที่ไม่ปกติให้เป็นประโยชน์กับเราได้ ในกรณี้นี้คือทำให้สายอากาศมีเกนต่ำลง แต่ยังสามารถออกอากาศและรับสัญญาณได้ โดยการใช้ตัวความต้านทานที่แบ่งพลังงานออกไปจากตัวสายอากาศจริงๆ เข้าช่วย ทำให้เราสามารถใช้งานระบบวิทยุได้ตามต้องการนั่นเอง

---

© 2025 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ
อนุญาตให้เผยแพร่เพื่อการศึกษาไม่แสวงหากำไร โดยต้องให้เครดิตผู้เขียน ห้ามคัดลอก ดัดแปลง หรือใช้บทความนี้ในเชิงพาณิชย์โดยไม่ได้รับอนุญาต