High-frequency dipole ตอนที่ 1

High-frequency dipole

สายอากาศไดโพล เป็นสายอากาศ ที่นักวิทยุสมัครเล่นรู้จักกันโดยทั่วไป และได้ยินบ่อยมากในความถี่ แต่รู้มั้ยว่า สายอากาศไดโพล ยังมีอะไรที่น่าค้นหาอีกหลายอย่าง เอาเป็นว่าสายอากาศไดโพลบางครั้งเราจะเรียกว่า สายอากาศแบบ Hertz หรือ hertzian เพราะว่าสายอากาศแบบนี้ถูก ค้นพบโดย Heinrich Rudolph Hertz เมื่อประมาณปี 1886 สายอากาศแบบ half-wavelength dipole เป็นสายอากาศแบบ สมดุล (balanced) ประกอบด้วยส่วนที่แพร่กระจายคลื่น 2 ส่วนดังรูป
สมดุล (balanced) หมายถึง ปลายสายทั้งสองของมีกระแสไหลเท่ากัน

แต่ละส่วนจะมีความยาว 1/4 ของความยาวคลื่น (quarter-wavelength) เมื่อรวมทั้งสองข้างก็จะเท่ากับ 1/2 ความยาวคลื่น (half-wavelength)
ความยาวครึ่งคลื่นของสายอากาศ (ความยาว L ในรูป) สามารถหาได้จากสูตร (ความยาวคลรึ่งคลื่นในสูญญากาศ)

จงจำเอาไว้ว่าความยาวทางกายภาพ กับความยาวทางไฟฟ้าของสายอากาศ จะแตกต่างกัน (ประมาณ 5 เปอร์เซนต์) โดยความยาวทางกายภาพจะสั้นกว่า เนื่องจากเวลาคลื่นเดินทางผ่านบนโลหะ จะเดินทางได้ช้ากว่าในสูญญากาศ เราจะเรียกว่าค่า velocity factor ความยาวคลึ่งคลื่นของสายอากาศไดโพลที่ใกล้เคียงกับความจริง (ใช้ตัวกลางเป็นโลหะ) คิดได้จากสูตร

ตัวอย่างการคำนวณ
จงหาความยาวโดยประมาณของสายอากาศ half-wavelength dipole ที่ความถี่ 7.25 MHz

ความยาวโดยประมาณเท่ากับ 64 ฟุต 6.6 นิ้ว

The dipole feedpoint

สายอากาศไดโพลแบบ half-wavelength ป้อนกระแสให้ที่จุดกึ่งกลาง

จากรูปแสดงให้เห็นถึง ค่ากระแส และแรงดันบนสายอากาศ ไดโพลแบบ half-wavelength จุดที่เราป้อนจะมีแรงดันต่ำสุดและกระแสสูงสุด จุดที่เราป้อนกระแสจะมีค่า impedance ประมาณ 73 โอห์ม สายนำสัญญาณที่จะมาต่อเข้ากับจุดนี้ก็ต้องมีค่า impedance เท่ากัน เพื่อให้เกิดการส่งผ่านพลังงานได้ดีที่สุด (Maximum power transfer) ถ้าสายนำสัญญาณมีค่า impedance ที่แตกต่างกัน (mismatch) พลังงานที่ส่งไปจากเครื่องส่ง ส่วนหนึ่งจะย้อนกลับมาเข้าเครื่องส่ง ค่านี้เราเรียกกันว่า standing waves (หรืออาจจะเรียกกันว่า SWR,VSWR)
รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศ ไดโพล แบบ half-wavelength เมื่อวางสายอากาศในแนวนอน

จากรูปเราก็จะเป็นว่าสายอากาศ ไดโพล แบบ half-wavelength จะมีการแพร่กระจายคลื่นออกเป็นสองส่วนหลัก ๆิ หรือก็คือสายอากาศแบบ 2 ทิศทางนั่นเอง (bidirectional) คลื่นจะแพร่ออกทางด้านข้างของตัวนำ ส่วนหัวและท้าย จะไม่มีการพร่ออกมาหรือออกมาน้อยมาก แต่ถ้าเราจับสายอากาศมาวางในแนวดิ่ง การแพร่กระจายคลื่นก็จะออกมาในรูป คล้าย ๆ ขนมโดนัท (doughnut) รูปทั้งสองรูปเป็นการแพร่กระจายคลื่นในสูญญากาศ แต่่เมื่อใช้งานจริง การติดตั้งใกล้กับพื้นโลก (earth’s surface) ทำให้รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นผิดเพี้ยนไป

สายอากาศ ไดโพลแบบอื่น ๆ

Inverted-vee dipole

สายอากาศไดโพลแบบ Inverted-vee (ตัว V กลับหัว)
สายอากาศไดโพลแบบ inverted-vee ก็เป็นสายอากาศแบบ half-wavelength เช่นเดียวกับสายอากาศไดโพลที่ได้กล่าวมาในตอนแรก แต่จะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างการจัดวางให้เป็นรูปตัว V กลับหัว โดยที่จุดป้อนสัญญาณจะยกให้สูงจากพื้นดินมากที่สุด และ สายอากาศแบบนี้จะสั้นกว่าไดโพลธรรมดาประมาณ 3-5 เปอร์เซนต์

มุม a จะมีค่าระหว่าง 70 - 110 องศา ถ้าต่ำกว่า 70 องศา สายอากาศก็จะคล้าย ๆ สายนำสัญญาณสองเส้นขนานกัน จะมีการแพร่กระจายคลื่นได้น้อย แต่ถ้ามุมเกิน 110 องศาคุณสมบัติต่าง ๆ ก็จะคล้าย ๆ กับ ไดโพลธรรมดา (โดยทั่วไปเราจะใช้ 90 องศา เป็นค่าืี่เหมาะสมที่สุด)
สูตรในการคำนวณสายอากาศไดโพลแบบ Inverted-vee คือ
 
ผลของ การทำได้ลวดตัวนำของไดโพล เอียงลงมา (Sloping) ทำให้ความถี่ resonant ลดลง นั่นก็คือ ความยาวทางไฟฟ้า ของสายอากาศเพิ่มขึ้นนั่นเอง ถ้าเราจะให้ความถี่ resonant เท่าเดิม เราก็ต้องลดความยาวของสายอากาศลง ซึ่งก็เป็นผลดี ส่วน impedance และ bandwidth ก็จะลดลงตามไปด้วย
จากข้อมูลเบื้องต้นมีการพูดว่า สายอากาศ ไดโพลแบบ Inverted-vee จะดีกว่า half-wavelength dipole ธรรมดา

• ไดโพลแบบ Inverted-vee ใช้เสาหลักที่สูง แค่ 1 ต้น ส่วน half-wavelength dipole ต้องใช้ 2 ต้นเป็นอย่างน้อย และถ้าสายนำสัญญาณมีน้ำหนักมาก อาจจะต้องเพิ่งเสาตรงกลางอีก 1 ต้น แต่ ไดโพลแบบ Inverted-vee สามารถจับยึดสายลงมากับเสากลางได้เลย
• สายอากาศไดโพลแบบ Inverted-vee ใช้พื้นที่ในการติดตั้งน้อยกว่า
• ไดโพลแบบ Inverted-vee สามารถ match กับสายนำสัญญาณแบบ 50 โอห์ม ได้ดีกว่า

รูปแบบการแพร่กระจายคลื่น ระหว่าง inverted-Vee กับ ไดโพล ธรรมดา (ในย่านความถี่ 80 เมตร)