ทำไมปรับค่า SWR ของสายอากาศจนได้ค่าเท่ากับ 1.0:1 แต่เวลานำไปใช้งานจึงส่งกำลังไม่ออก

หากเราย้อนกลับไปที่สูตรคำนวณของ SWR ซึ่งเท่ากับ SWR=1+abs(gamma)/1-abs(gamma) โดยที่ abs(gamma)คือ ค่าสัมบูรณ์ของสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับของคลื่นที่กลับคืนเข้าสู่เครื่องส่งโดยผ่านทางสายส่ง ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตร gamma=(ZA-Z0)/(ZA+Z0)โดยที่ ZA คือ ค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศและ Z0 คือ ค่าอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของสายส่ง ซึ่งจะเห็นว่าหาก ZA = Z0 ก็จะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนกลับ gamma=0 หรือไม่มีการสะท้อนกลับของคลื่นนั่นเอง ซึ่งส่งผลทำให้ SWR = 1.0 ซึ่งหากมองในแง่อุดมคติอย่างผิวเผินแล้ว จะเห็นว่าน่าจะเป็นค่าที่ดีที่สุดเพราะไม่มีการสะท้อนกลับของคลื่นจากสายอากาศย้อนกลับเข้าไปสู่เครื่องส่งเลย และน่าจะทำให้เกิดการส่งกำลังออกไปยังสายอากาศมีค่าสูงที่สุดอีกด้วย แต่พอนำไปใช้งานจริงกลับปรากฏว่ากำลังของคลื่นวิทยุไม่สามารถส่งผ่านตัวสายอากาศดังกล่าวออกไปได้หรือออกไปได้บ้างอย่างไม่มีประสิทธิภาพ เพราะเหตุใดหรือ??

ผมมักได้รับคำถามลักษณะนี้เสมอเมื่อเดินทางไปบรรยายให้กับผู้ประกอบการสถานีวิทยุชุมชนในต่างจังหวัดหลายๆ แห่ง (โครงการของ กสทช.) ซึ่งผมจะให้คำตอบที่มีทฤษฎีมารองรับเสมอ นั่นคือ ในการวัดทดสอบค่า SWR ของสายอากาศนั้น วิธีปฏิบัติโดยทั่วไปและมักกระทำกันเสมอก็คือ จะนำเครื่องมือวัดค่า SWR (บางท่านอาจใช้เครื่องมือวัดกำลัง (Power Meter) มาทดแทน แล้วนำค่ากำลังที่ส่งออกไปยังสายอากาศกับกำลังที่สะท้อนกลับมาคำนวณหา SWR อีกครั้งหนึ่งด้วยสูตร SWR=1+Rho/1-Rho โดยที่ Rho=Sqr(Power Reflected/Power Forward) และ sqr แทนความหมายของรากที่สอง มาต่ออนุกรมระหว่างสายอากาศกับเครื่องส่ง โดยขณะที่ทำการวัดค่า SWR ก็จะส่งคลื่นพาห์ (Carrier Wave) ที่ความถี่ใช้งานส่งผ่านเครื่องมือวัดออกไปยังสายอากาศ จากนั้นจะทำการปรับแต่งสายอากาศจนกระทั่งได้ค่าที่ต้องการ บางครั้งปรับแต่งจนกระทั่งเกิดฟลุคทำให้ SWR ไปอยู่ที่ 1.0 แล้วก็ดีใจจนออกหน้าออกตา แต่พอนำมาใช้งานจริงแล้วไม่ได้ดั่งใจ มันเกิดอะไรขึ้น??

สิ่งที่เกิดขึ้นจากกรณีค่า SWR =1.0:1 ก็คือ gamma=0 และสิ่งที่ตามมาก็คือ ค่าการสูญเสียเนื่องมาจากการย้อนกลับ (Return Loss) จะมีค่าเข้าสู่ค่าลบอนันต์ (Return Loss=-20 log abs(Gamma)) ทำให้ความกว้างแถบ (Bandwidth) ของคลื่นที่สายอากาศยินยอมให้ผ่านออกไปได้นั้นมีขนาดที่แคบมากๆ (เนื่องมาจากสายอากาศของเราในขณะนี้กำลังมีการเรโซแนนซ์กับความถี่ของคลื่นพาห์สูงที่สุด ทำให้ค่า Q-Factor สูงขึ้นมาก ในขณะเดียวกันจะทำให้ Bandwidth แคบลงมากๆๆ ตามไปด้วย)

ดังนั้นเมื่อนำสายอากาศในสภาวะที่ค่า SWR =1.0:1 มาใช้งานกับการส่งสัญญาณในระบบ FM โดยมีการผสมสัญญาณข้อมูลข่าวสารเข้าไปกับสัญญาณคลื่นพาห์ ซึ่งทำให้เกิดการเบี่ยงเบนทางความถี่ (Frequency Deviation) ไม่เกิน +/- 75 kHz ทำให้เกิดความกว้างแถบไม่เกิน 150 kHz (เมื่อเทียบกับความถี่กลางซึ่งเป็นของคลื่นพาห์) ซึ่งอาจจะกว้างกว่าความกว้างแถบของสายอากาศในขณะที่มีการเรโซแนนซ์สูงที่สุดได้ จึงไม่สามารถส่งกำลังในขณะที่มีการผสมสัญญาณหรือการมอดูเลชั่นแล้วออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในบางโอกาสที่หลายท่านอาจจะเคยรับฟังมาว่า การปรับแต่งค่า SWR ของสายอากาศจนกระทั่งมีค่าเท่ากับ 1.0:1 แล้วทำให้ส่งกำลังไม่ออกนั้น เพราะเกิดจากการที่เราปรับสายอากาศจนเปลี่ยนสภาพกลายเป็นโหลดเทียม (Dummy Load) ไปแล้วนั้น น่าจะเกิดจากการเข้าใจผิดพลาดในส่วนที่เป็นค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศที่ตามทฤษฎีบอกไว้ว่าค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศต้องเท่ากับ ZA=RA+jXA และเข้าใจว่าการทำให้สายอากาศเกิดสภาวะเรโซแนนท์ที่สุดนั้นต้องกำจัดค่า +jXA  ออกไปให้หมดสิ้นเพื่อทำให้ค่า ZA=RA+0 โอห์ม แต่ในทางทฤษฎีนั้นการที่ทำให้ค่า jXA =0 ได้นั้น เกิดจากการนำค่าของ jXA ที่เป็นค่าตรงกันข้ามใส่เพิ่มเข้าไปให้กับตัวสายอากาศ เช่น หากค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศของเราก่อนที่จะทำการแมตชิ่งหรือเพื่อปรับค่า SWR มีค่าเท่ากับ ZA=RA+jXA  ดังนั้นหากเราต้องการทำให้ค่าอิมพีแดนซ์กลายเป็น ZA=RA+0 ก็จะกระทำได้โดยการเพิ่มค่า -jXA  เข้าไป ค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศก็จะกลายเป็น ZA=RA+jXA-jXA = RA+0 โอห์มตามต้องการ ซึ่งไม่ได้หมายความว่าเราตัดค่า +jXA ทิ้งออกไปจากตัวสายอากาศเลย แต่เป็นการนำคุณสมบัติที่ตรงกันข้ามและมีค่าเท่ากันเติมเข้าไปให้กับสายอากาศ (โดยที่ +jXA  จะแสดงคุณสมบัติเป็นค่าเหนี่ยวนำหรือ Inductance (XL)ส่วน -jXA จะแสดงคุณสมบัติเป็น Capacitance (XC)) โดยเรียกวิธีนี้ว่า Conjugate Matching ซึ่งในทางปฏิบัติมีวิธีการหลายรูปแบบในการสร้างคุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นมาให้กับสายอากาศ และหากค่าอิมพีแดนซ์ของสายอากาศกลายเป็น ZA=RA= 50 โอห์มแล้ว ก็ยิ่งทำให้หลายท่านเข้าใจว่ามันกลายเป็นโหลดเทียมไปแล้วมากยิ่งขึ้น เพราะเข้าใจมาโดยตลอดว่าการใส่โหลดเทียมเข้าไปแทนที่สายอากาศ จะทำให้ไม่เกิดการแผ่คลื่นออกมาจากโหลดเทียม ดังนั้นเมื่อนำสายอากาศที่มีการปรับค่า SWR เท่ากับ 1.0:1 เข้าไปแล้วไม่เกิดการแผ่คลื่นออกไปเช่นเดียวกันกับโหลดเทียม ก็เลยฟันธงไปเต็มๆ ว่าสายอากาศในสภาวะนี้ได้แปลงร่างกลายเป็นโหลดเทียมไปแล้วแน่นอน ซึ่งผมจะไม่ฟันธงต่อไปว่าใครผิดหรือถูก แต่ลองมาทำความเข้าใจทฤษฎีต่อไปนี้กันดีกว่านะครับ
          1. สภาวะของการเป็นโหลดเทียมนั้น ค่าอิมพีแดนซ์ของมันจะต้องมีสถานะเป็นค่าความต้านทานเพียงอย่างเดียว (Pure Resistance) ซึ่งปกติจะถูกผลิตออกมาให้มีค่า 50 โอห์มเท่ากับค่าอิมพีแดนซ์คุณลักษณะของสายส่งที่ใช้งาน และจะต้องปราศจากค่ารีแอกแตนซ์ (XLหรือ XC) ใดๆ เกิดขึ้นหรือเป็นส่วนประกอบในตัวโหลดเทียมนี้ เพราะอาจส่งผลต่อการเรโซแนนท์และทำให้เกิดการแผ่คลื่นผ่านโหลดเทียมนี้ออกไป และที่สำคัญหากนำโหลดเทียมไปวัดค่าการสูญเสียเนื่องจากการย้อนกลับ (Return Loss) หรือวัดค่า SWR จะพบว่าโหลดเทียมสามารถตอบสนองได้ดีตลอดย่านความถี่ที่ทดสอบโดยไม่มีเรื่องของข้อจำกัดด้านความกว้างแถบเกิดขึ้นเลย (SWR =1.0:1 ตลอดย่านความถี่ที่ทดสอบ) ในขณะที่สายอากาศที่มีการปรับ SWR =1.0:1 จะมีความกว้างแถบที่แคบมากๆๆๆ)
          2. สภาวะของการเป็นสายอากาศนั้น โอกาสที่จะแปลงร่างกลายเป็นโหลดเทียม ก็คือ 1) ขนาดและลักษณะของโครงสร้างไม่มีลักษณะที่เป็นสายอากาศในทางทฤษฎีเลย ทำให้ไม่มีโอกาสสร้างค่า  (XLหรือ XC ใดๆ ออกมาเพื่อการเรโซแนนท์กับความถี่ที่ป้อนเข้าไปและ 2) ฟลุคมากที่ปรับจนกระทั่งเกิดค่าความต้านทาน RA= 50 โอห์ม
          3. ค่าความต้านทานที่แท้จริงที่เกิดขึ้นบนสายอากาศนั้นจะประกอบด้วยความต้านทาน 2 ชนิด ได้แก่ ความต้านทานที่เกิดจากวัสดุตัวนำและไดอิเล็กตริกที่ใช้ทำสายอากาศซึ่งกระแสที่ป้อนให้แก่สายอากาศจะสูญเสียในรูปของพลังงานความร้อน (ไม่ได้ถูกเปลี่ยนให้เป็นกำลังในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) เราเรียกความต้านทานส่วนนี้ว่า ความต้านทานการสูญเสียกำลัง (Loss Resistance: RL) ส่วนความต้านทานอีกชนิดหนึ่งเราเรียกว่า ความต้านทานการแผ่กระจายกำลัง (Radiation Resistance: Rr) ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีการป้อนกำลังในรูปของกระแสไฟฟ้าเข้าไปในโครงสร้างของสายอากาศที่มีองค์ประกอบของค่า XL หรือ XC อยู่ภายใน ซึ่งไม่ใช่ค่า Pure Resistance ที่เกิดขึ้นจากวัตถุ (ดังนั้นค่าความต้านทานรวมของสายอากาศจึงเท่ากับ RA=RL+Rr) และความต้านทานชนิดนี้แหละครับที่เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าให้เป็นกำลังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราใช้งานสภาวะปกติ ที่สำคัญเราพยายามที่จะทำให้ค่าของ RL มีค่าน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพราะไม่ต้องการให้กำลังที่ส่งผ่านเข้าไปในสายอากาศกลายเป็นกำลังความร้อนมากนัก

 หมายเหตุ ขออภัยในเรื่องของสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์ที่ยังไม่เป็นไปตามหลักการเขียนสมการแบบสากล เพราะในต้นฉบับผมใช้ MathType ในการเขียนสมการ แต่พอนำมา paste ลงบน Note นี้แล้ว มันไม่ยอมรับรูปแบบ (มันตัดทิ้งโดยไม่มีเยื่อใยเลย) ใครพอมีวิธีช่วยแนะนำผมด้วยนะครับ....

รศ.ดร.รังสรรค์ วงศ์สรรค์
สาชาวิชาวิศวกรรมโทรคมนาคม สำนักวิชาวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จ.นครราชสีมา