อีกมุมมองของ 1:1 Coaxial Voltage Balun

A Transmission-Line Interpretation of 1:1 Coaxial Balun

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

---

อุปกรณ์หนึ่งที่เป็นส่วนสำคัญในระบบสายอากาศก็คือบาลัน (balun - อุปกรณ์ที่ต่อเชื่อมระบบ balanced และ unbalanced เข้าด้วยกัน) เราเคยพูดถึงเรื่องของบาลันอย่างละเอียดมาแล้ว ทำให้เพื่อนๆ รู้ว่ามันแบ่งเป็น voltage และ current balun ซึ่งสองอย่างนี้มีวัตถุประสงค์ต่างกันและใช้แทนกันไม่ได้

โดยพื้นฐานแล้ว voltage balun มีหน้าที่ทำให้ศักย์ไฟฟ้าที่ป้อนให้กับขั้วของสายอากาศสลับไปมาตรงกันข้ามกันจึงมีลักษณะเป็น differential mode อย่างแท้จริง  ในขณะที่ current balun มีหน้าที่ป้องกันกระแสโหมดร่วม (common mode current, Icm) ที่จะไหลที่ผิวด้านนอกของสายนำสัญญาณ  

ในบทความนี้เราจะพูดเฉพาะเจาะจงถึง voltage balun และเฉพาะที่ทำจากสายนำสัญญาณแบบ coaxial ที่เราเรียกว่า 1:1 coaxial voltage balun กันเพราะเป็นที่แพร่หลายและใช้กันมาก แต่เชื่อว่าผู้ใช้จำนวนมากไม่เคยวิเคราะห์และเห็นคุณสมบัติของมันจริงๆ เราจึงพามาดูว่าเราเข้าใจมันจริงๆ หรือไม่อย่างไร 

การทำงานของ 1:1 Coaxial Voltage Balun

ก่อนอื่นมาทบทวนหลักการทำงานของบาลันแบบนี้กันก่อน  จากวงจรของมันเมื่อเราป้อนสัญญาณแบบ unbalanced จากขั้วเครื่องวิทยุที่ต่อกับสาย coaxial  สายนำสัญญาณที่ยาวต่างกัน ½λ จะทำให้เฟสของโวลเตจที่ปรากฏที่ขั้วทั้งสองของสายอากาศเร็วช้ากว่ากันอยู่ 180° หรือก็คือ “กลับขั้วกันและกัน” กันอยู่ตลอดเวลา

การ “กลับขั้ว” นี้เทียบกับจุดอ้างอิงเสมือน virtual ground ทำให้เราสามารถเขียนวงจรของบาลันนี้ได้เป็นตามรูปที่ 1

รูปที่ 1 วงจรแสดงการทำงานของ

1:1 Coaxial Voltage Balun  เรามอง
โหลด Z_L แยกออกเป็น Z_L/2 กับ Z_L/2
ต่ออนุกรมกันอยู่ที่ Virtual Ground

จากนั้นแต่ละ Z_L/2 ถูกแปลงอิมพิแดนซ์
ด้วยสายนำสัญญาณที่ยาว ¼λ และ ¾λ 

จากภาพจะเห็นว่าแต่ละเส้นของสายนำสัญญาณทำหน้าที่เป็น quarter-wavelength transformer ไปด้วย และทำการแปลงอิมพิแดนซ์  Z_L/2 และ Z_L/2 ที่ปลายของสายนำสัญญาณแต่ละเส้นของ balun ไปเป็นค่าอื่น

จากสมการการแปลงอิมพิแดนซ์ของสายนำสัญญาณที่ยาวลง ¼λ   อิมพิแดนซ์ Z_L/2 และ Z_L/2 จะถูกแปลงดังนี้: 

Z₁ = (Z₀)² / (Z_L/2)  ------①

Z₂ = (Z₀)² / (Z_L/2)  ------②

โดยที่

Z₀ = ความต้านทานเฉพาะตัวของสายนำสัญญาณที่ใช้ทำ balun นี้ 

ปกติแล้วในการสร้างและใช้งาน Coaxial balun แบบ 1:1 นี้ เรามักให้อิมพิแดนซของโหลด Z_L มีค่าเท่ากับอิมพิแดนซ์เฉพาะตัวของสายนำสัญญาณ Z₀  เช่นเป็น 50Ω ทั้งคู่ นั่นคือ 

Z₀ = Z_L  -----③

แทนสมการ ③ ลงใน ① และ ②  จะได้

Z₁ = 2 Z_L 

Z₂ = 2 Z_L   

ดังนั้นเมื่อเรานำปลายอีกข้างหนึ่งของสายนำสัญญาณขนานเข้าด้วยกัน 

Z_in =  Z₁//Z_2­ = Z_L 

นั่นคืออิมพิแดนซ์ที่มองเห็นที่ด้าน unbalanced จะเท่ากับ Z_L ที่เราต่อเข้าที่ด้าน balanced 
โดย // หมายถึงต่อขนานกัน 

เราเห็นอะไรบ้าง 

จะเห็นว่าการทำงานของ balun ชนิดนี้อยู่บนความพอดีของหลายองค์ประกอบ สิ่งแรกก็คือความยาวของสายนำสัญญาณทั้งสองเส้นที่ประกอบกันเป็น balun ที่จะต้องยาวต่างกัน ½λ  แล้วอีกข้อที่เห็นคือโหลด Z_L มีค่าเท่ากับความต้านทานเฉพาะตัว (Z₀) ของสายนำสัญญาณที่นำมาใช้สร้างมัน  แต่สิ่งเหล่านี้  “จำเป็น” กับการทำงานที่ถูกต้องของมันหรือไม่ เรามาลองดูกันในกรณีต่างๆ ตามด้านล่างนี้ 

เมื่อ 

Z₀ = 50Ω และ 

Z_L = 25Ω, 50Ω, 70Ω, 100Ω 

จะเห็นว่าที่ปลายอีกด้านหนึ่งจะเห็นอิมพิแดนซ์ 

Z_in = 100Ω, 50Ω, 35Ω, 25Ω ตามลำดับ  ดูรูปที่ 2-5

 

รูปที่ 2

รูปที่ 3

รูปที่ 4

รูปที่ 5

และเมื่อ

Z₀ = 75Ω และ 

Z_L = 50Ω, 75Ω, 100Ω 

จะเห็นว่าที่ปลายอีกด้านหนึ่งจะเห็นอิมพิแดนซ์

Z_in = 112.5Ω, 75Ω, 56.25Ω ตามลำดับ  ดูรูปที่ 6-8

รูปที่ 6

รูปที่ 7

รูปที่ 8

¼λ-Transmission Line Transformer

จะเห็นชัดเจนว่าบาลันชนิดนี้ทำตัวเหมือนสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว Z₀ เท่ากับสายนำสัญญาณที่ใช้สร้างบาลันนี้และยาว ¼λ   นั่นคือถ้าอิมพิแดนซ์ของโหลด Z_L มีค่าไม่เท่ากับ Z₀ จะเกิดการแปลงอิมพิแดนซ์ตามลักษณะของสายนำสัญญาณที่ยาว ¼λ หรือ: 

Z_in = (Z₀)² / Z_L  ------④  ตามรูปที่ 9

รูปที่ 9 ถ้าไม่นับความสามารถในการ
สร้างลักษณะสัญญาณแบบ balanced
จากสัญญาณแบบ unbalanced แล้ว
Voltage coaxial balun แบบ 1:1 นี้จะ
ประพฤติตัวเหมือนสายนำสัญญาณที่มี
อิมพิแดนซ์เฉพาะตัว Z₀ ยาว ¼λ ซึ่ง

มีคุณสมบัติในการแปลงอิมพิแดนซ์
ตามสมการ ④ ไปด้วยในเวลาเดียวกัน

ข้อควรระวัง

หากบาลันแบบนี้ถูกสร้างด้วยสายนำสัญญาณขนาด Z₀ ค่าหนึ่ง  ผู้ใช้ไม่สามารถต่อโหลดอิมพิแดนซ์  Z_L ใดๆ ก็ได้แล้วหวังให้ได้ Z_in = Z_L เสมอ    โดย Z_L ต้องมีค่าเท่ากับ Z₀ เท่านั้นจึงทำให้ Z_in = Z_L   นั่นคือผู้ใช้ต้องสร้างบาลันชนิดนี้ด้วยสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว  (Z₀) เท่ากับอิมพิแดนซ์ของโหลด (Z_L) ด้วยนั่นเอง

ชื่อเรียกของมันที่เราเห็นเป็นอย่างแรกคือ 1:1 นั้นจะทำให้เราคิดไปว่าถ้าทำ balun ชนิดนี้ด้วยสายนำสัญญาณที่มี (เช่น 50 Ω) แล้ว เราสามารถเอามันไปต่อกับโหลด Z_L ค่าเท่าไรก็ได้แล้วจะได้ Z_in = Z_L ตลอดซึ่งไม่ถูกต้อง  

ดังนั้นที่จริงแล้วเราควรเรียก balun แบบนี้ว่า Z₀:Z₀  coaxial voltage balun  ด้วยซ้ำไป (ถึงใครไม่เรียก เราเข้าใจของเราในใจแบบนี้ก็น่าจะเป็นประโยชน์กับตัวเราเองล่ะครับ เอาไว้เตือนตัวเองได้ว่าอิมพิแดนซ์ของสายนำสัญญาณแบบ coaxial ที่ใช้สร้างบาลันแบบนี้มีผลมากนะ) 

การนำไปใช้งาน 

ในเมื่อเรารู้คุณสมบัติของมันแล้ว แม้บางอย่างอาจจะผิดไปจากที่ใครบางคนคิด เราก็ย่อมหาทางใช้ประโยชน์มันได้ ลองดูตัวอย่างต่อไปนี้

1. เราอาจใช้บาลันนี้ที่ สร้างจากสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว 50Ω ต่อกับสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน 50Ω ด้วย  จะไม่เกิดการแปลงอิมพิแดนซ์ใดๆ

2. เราอาจใช้บาลันนี้ที่ สร้างจากสายนำสัญญาณที่มีอิมพิแดนซ์เฉพาะตัว 75Ω ต่อกับสายอากาศที่มีอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อน 100Ω ด้วย  จะเกิดการแปลงอิมพิแดนซ์ 

     Z_in = (Z₀)² / Z_L 

     Z_in = (75Ω)² / 100Ω 

     Z_in = 56.25Ω 

นั่นคือเราจะได้ Voltage Balun ที่อาจจะมีความสามารถในการแปลงอิมพิแดนซ์แบบ ¼λ-Transmission Line Transformer ด้วยในเวลาเดียวกัน 

สรุป

• 1:1 coaxial voltage balun ไม่ใช่อุปกรณ์ impedance transparent มันไม่ได้ถ่ายทอดอิมพิแดนซ์จากด้านหนึ่งไปที่อีกด้านหนึ่งได้เสมอไป 
• เราสามารถมองบาลันชนิดนี้ได้ว่า เป็นสายนำสัญญาณที่ยาว ¼λ  และมี characteristic impedance เท่ากับสายนำสัญญาณที่นำมาสร้างมัน 
  
• ในบางกรณี เราอาจจะใช้คุณสมบัตการเป็นสายนำสัญญาณยาว  ¼λ  และมี characteristic impedance เท่ากับสายนำสัญญาณที่นำมาสร้างมัน นี้ในการช่วย match impedance ไปพร้อมๆ กับการทำงานตามหน้าที่หลักของมันคือแปลงรูปแบบสัญญาณระหว่าง unbalanced กับ balanced ก็ได้

---

© 2025 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

ห้ามคัดลอก ดัดแปลง หรือใช้บทความนี้โดยไม่ได้รับอนุญาต