ค่า SWR สำคัญไฉนในระบบส่งความถี่ย่าน RF
มาศึกษาหาความจริงกับค่า SWR ว่ามันมีความสำคัญมากแค่ไหน อย่างไร ? ในระบบส่งสัญญาณออกอากาศและมันคือตัวกำหนดประสิทธิภาพจริงหรือ?
ในหมู่นักวิทยุสมัครเล่นและผู้สนใจในด้านการสื่อสาร ส่วนใหญ่มักจะมีความเข้าใจคลาดเคลื่อนในเรื่อง SWR ของสายอากาศ ซึ่งมักจะเข้าใจว่าลักษณะของสายอากาศที่ดีนั้นควรมีอัตราส่วนคลื่นนิ่ง หรือค่า SWR ประมาณ 1:1 แต่จริงๆแล้วในทางปฏิบัติจะเป็นเช่นนั้นได้หรือไม่อัตราส่วนดังกล่าวเป็นอัตราส่วนในทางอุดมคติที่เกิดขึ้นได้ในกรณีที่โหลดเป็นตัวต้านทานดัมมี่โหลด (resistive dummy load) เท่านั้น ซึ่งในทางปฏิบัติทำได้ค่อนข้างยาก
เพื่อทำความเข้าใจในเรื่อง SWR คงต้องย้อนกลับไปศึกษาทฤษฎีพื้นฐานของสายอากาศกันบ้าง ซึ่งในที่นี้จะไม่ขอกล่าวถึงการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยากซับซ้อน แต่จะอาศัยหลักความจริงเป็นพื้นฐาน
ประการแรก โหลดสำหรับสายส่ง (Transmission line) ซึ่งอาจเป็นสายที่เปิดปลายสายไว้หรือสายโคแอกเชียล หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่สามารถแพร่กระจายพลังงานความถี่วิทยุ (RF) ได้ โหลดเหล่านี้เป็นปัจจัยสำคัญในการคำนวณหาอัตราส่วนคลื่นนิ่งหรือ SWR ที่ปรากฎในสาย เช่นในกรณีที่สายมีอิมพีแดนซ์ประจำตัวของสาย (characteristic impedance) 50 โอห์ม และโหลดมีความต้านทาน 50 โอห์มเท่ากัน ในกรณีนี้จะไม่ทำให้เกิดคลื่นนิ่งแต่ถ้าในกรณีที่โหลดมีค่าความต้านทานไม่เท่ากับอิมพีแดนซ์ประจำตัวของสาย ก็จำทำให้เกิดคลื่นนิ่งขึ้นมา
ประการที่สอง เราไม่สามารถเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนคลื่นนิ่งที่เกิดขึ้นในส่วนต่างๆ ของสายส่งได้ ไม่ว่าจะเพิ่มหรือลดความยาวของสายส่งหรือกระทำใดๆ ที่ภาคเครื่องส่งก็ตาม
หลังจากทราบหลักพื้นฐานความเป็นจริงไปแล้ว มาทำความรู้จักกับคลื่นนิ่งให้กระจ่างแจ้งกันอีกสักนิด
คลื่นนิ่ง
โดยพื้นฐานแล้วคลื่นนิ่ง (Standing wave) คือการกระจายของแรงดันและกระแสของสายส่งซึ่งเป็นผลลัพธ์ของคลื่นเดินหน้าหรือคลื่นที่ส่งออกไป และคลื่นสะท้อนกลับระหว่างแหล่งจ่ายกำลังกับโหลด คลื่นเดินหน้ากับคลื่นสะท้อนนั้นจะเสริมกันหรือหักล้างกันแล้วแต่ความแตกต่างเฟสของคลื่นทั้งสอง ผลลัพธ์ทั้งสองจะปรากฎเป็นคลื่นนิ่ง
ปกติแล้วเมื่อกล่าวถึงคลื่นนิ่งมักจะอ้างถึง VSWR (voltage standing wave radio) เพราะว่าการทดสอบสนามไฟฟ้าในสายส่งนั้นทำได้ง่ายกว่าการทดสอบสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในสายส่ง ซึ่งต้องใช้การทดสอบแบบชีลด์ลูป (shielded loop) รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นแรงดันและกระแสจะมีรูปร่างที่เหมือนกัน แต่การเปลี่ยนแปลงของคลื่นนิ่งทั้งแรงดันและกระแสจะมีความแตกต่างกัน โดยอยู่ห่างกันประมาณ 1 /4 ของความยาวคลื่น อย่างไรก็ตามการเคลื่อนที่ของคลื่นนิ่งทั้งสองจะมีความสัมพันธ์กันดังแสดงในรูปที่ 1
ดังนั้นถ้าทำให้ค่า VSWR มีค่าต่ำที่สุดที่สามารถทำได้ นั่นหมายถึงโหลดที่ต่อกับสายส่งจะมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับตัวต้านทานบริสุทธิ์ (purely resistor) และย่อมหมายความว่าโหลดเกิดเรโซแนนซ์ที่ความถี่ใช้งาน
การแมตช์
จากทฤษฎีพื้นฐาน อิมพีแดนซ์ของสายอากาศไดโพลชนิดฮาล์ฟเวฟจะมีอิมพีแดนซ์ประมาณ 70 โอห์ม และสายอากาศแบบโฟลด์ไดโพลจะมีอิมพีแดนซ์มากกว่าเป็น 4 เท่าหรือประมาณ 280 โอห์ม จากความสัมพันธ์ดังกล่าวทำให้สามารถออกแบบและเลือกใช้ระบบสายส่งที่เหมาะสมกับอิมพีแดนซ์ประจำตัวของสายอากาศได้ทันที และไม่ยากเท่าใดนัก
ที่ความถี่ย่าน VHF และ UHF การแมตช์อาจทำได้ค่อนข้างยากมากขึ้นอีก ซึ่งทฤษฎีกล่าวไว้ว่าอิมพีแดนซ์ประจำตัวของควอเตอร์เวฟกราวน์เพลนมีค่าเป็น 20 โอห์ม ซึ่งจะแมตช์ได้ลำบากมากถ้าใช้สายส่งแบบโคแอกเชียลที่มีอิมพีแดนซ์ 50 โอห์ม ที่นักวิทยุสมัครเล่นส่วนใหญ่ใช้กัน อย่างไรก็ตามสายอากาศแบบควอเตอร์เวฟกราวน์เพลนมีอัตราการขยาย (gain) ที่ดี และสามารถใช้งานในการแพร่กระจายคลื่นมุมต่ำๆ ได้ค่อนข้างดี
ดังนั้นการใช้สายโคแอกเชียล 50 โอห์ม มาทำการแมตช์กับสายอากาศชนิดนี้อาจจะไม่ค่อยดีนักเพราะว่าคุณสมบัติของสายโคแอกเชียลเมื่อพิจารณาแล้วน่าจะเหมาะสมที่เป็นตัวแพร่กระจายคลื่นมากกว่า
จากทฤษฎีได้กล่าวไว้ว่า เพื่อกำจัดการเกิดคลื่นนิ่งต้องพยายามแมตช์อิมพีแดนซ์ของสายอากาศและสายส่งให้มีประสิทธิภาพมากที่สุด การแมตช์อาจทำได้โดยใช้ควอเตอร์เวฟทรานสฟอร์เมอร์หรือ อาจใช้วงจรแมตชิ่งที่ประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติและความจำเป็นของปัญหานี้สามารถมองข้ามไปได้ ถ้ามีความรู้เกี่ยวกับค่า SWR มากพอ เพื่อเลือกค่าที่ดีที่สุดแต่ไม่เทียบเท่าค่าในทางอุดมคติคือ SWR เท่ากับ 1:1
ในทางปฏิบัติแล้วภาคเอาต์พุตของเครื่องส่งส่วนใหญ่ จะถูกออกแบบให้อิมพีแดนซ์ของแหล่งกำเนิดสัญญาณมีค่าต่ำมากๆ และที่ต้องทำอย่างนี้ก็เพื่อต้องการลดการสูญเสียพลังงานในภาคเอาต์พุตเนื่องจากตัวมันเอง เมื่อเกิดการไม่แมตช์เกิดขึ้นระหว่างเครื่องส่งและสายส่ง เพราะว่าเมื่อเกิดการไม่แมตช์กัน แน่นอนจะต้องมีคลื่นส่วนหนึ่งสะท้อนกลับมายังเครื่องส่งและในกรณีนี้เครื่องส่งก็ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ดังนั้นการออกแบบจึงต้องมีการป้องกันไว้ก่อน
นักวิทยุสมัครเล่นบางท่านมักจะเข้าใจผิดว่า ในขณะที่ระบบสายอากาศและสายส่งไม่แมตช์กัน พลังงานจะสูญเสียไปเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นในสาย ความจริงแล้วพลังงานจะถูกสะท้อนกลับลงมาตามสายส่งและกลับไปยังเครื่องส่งอีกครั้ง หลังจากนั้นคลื่นก็จะถูกสะท้อนกลับอีกครั้งโดยภาคเอาต์พุตของเครื่องส่งกลับไปตามสายส่งเช่นเดิม และจะปรากฎที่สายอากาศซึ่งเป็นตัวแพร่กระจายคลื่นอีกครั้งและจะเป็นอย่างนี้เรื่อยไป
ในทางปฏิบัติตราบเท่าที่เครื่องส่งยังไม่เสียหายและผลเนื่องจากเครื่องส่งร้อนเกินไป เนื่องจากเกิดการไม่แมตช์ของระบบสายอากาศและสายส่ง ผลของ VSWR มีค่าสูงจะไม่มีผลต่อกำลังของการส่งแพร่กระจายคลื่นของระบบสายอากาศความจริงแล้วผลกระทบเพียงอย่างเดียวที่นำมาพิจารณาคือการหน่วงเวลาของการแพร่กระจายคลื่น ระหว่างคลื่นเดินหน้าหรือคลื่นที่แพร่กระจายออกไป และคลื่นสะท้อนกลับ
