VHF Impedance Bridge

เพื่อนสมาชิกเคยแมตช์สายอากาศแล้ว SWR ไม่ยอมลงซักทีหรือไม่ ??? ไม่ว่าจะปรับ จะตัด จะต่อตรงไหน SWR ก็ยังไม่ยอมลงมาต่ำในระดับที่ต้องการ แต่ถ้ามีเครื่องมือปรับแต่งสายอากาศ Antenna Analyzer อยู่ใกล้มือคงจะช่วยได้เยอะ ....อย่าเพิ่งเข้าใจผิดว่าผมจะนำเสนอ Antenna Analyzer นะครับของแบบนั้นมันยากเกินไป แต่ผมจะขอนำเสนอ Impedance Bridge ที่สร้างง่าย ราคาถูก ใช้ประมาณค่า Impedance ของสายอากาศได้ดีในย่าน VHF ช่วยให้การแมตช์สายอากาศง่ายขึ้นเยอะ

อิมพิแดนซ์ (Z) ของสายอากาศประกอบด้วยค่า Resistance (R) และค่า Inductance (Capacitive or inductive :X) เขียนให้อยู่ในรูป complex ได้ว่า Z=R+jX ในสภาวะแมตช์ อิมพิแดนซ์ของสายอากาศจะมีค่าใกล้เคียงกับอิมพิแดนซ์ของเครื่องรับส่งวิทยุ นั่นคือ Z=50Ω ก็คืออิมพิแดนซ์เป็นค่า resistance 50Ω พอดี โดยไม่มีค่า inductance ทีนี้ในสภาวะไม่แมตช์ Z ก็จะไม่ใช่ 50Ω ซึ่งอาจะเป็น Z=65Ω หรือ Z=50+j20Ω หรือ Z=55-j15Ω นั่นคือค่า resistance ไม่เป็น 50Ω และ/หรือมีค่า inductance ที่ไม่เป็นศูนย์ร่วมด้วย ซึ่งถ้าเราใช้ SWR Meter มาอ่านค่าจะไม่สามารถบอกได้เลยว่าสายอากาศมีค่าอิมพิแดนซ์เป็นเท่าไหร่ เนื่องจาก SWR Meter อ่านค่าออกมาในรูปแบบของอัตราส่วนของแรงดันที่ส่งออกไปกับแรงดันสะท้อนกลับ มา แต่ไม่สามารถบอกได้ว่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศมีค่า resistance ที่ไม่เป็น 50Ω หรือเป็นเพราะมีค่า inductance ที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งถ้าเรารู้...อาจจะโดยประมาณไม่ต้องเที่ยงตรงมากก็ได้ว่าอิมพิมแดนซ์มัน เป็นเท่าไหร่เช่น รู้ว่ามีค่า inductance เป็น +20j ก็แสดงว่าต้องแมตช์ด้วย C เพื่อหักล้างค่า inductance ให้เป็นศูนย์ ...อะไรประมาณนี้ ก็จะแมตช์สายอากาศได้ง่ายขึ้น แต่เครื่องมือที่ใช้วัดค่าอิมพิแดนซ์แบบนี้ก็มีราคาค่อนข้างแพงทีเดียว

ผมจึงลองค้นหาวิธีการวัดอิมพิแดนซ์ของสายอากาศดูก็พบอยู่ในหลายเวปเหมือนกัน แต่ที่ดูง่ายและใ้ช้่งบประมาณไม่แพงมากก็จะเป็นของ VK2ZAY คุณ Alan Yate แต่ในตอนแรกคุณ Alan ไม่ได้ลง diagram หรือ schematic ของวงจรไว้จึงยากที่จะลองทำตามก็เลยลอง email ไปขอให้คุณ Alan ช่วยลงรายละเอียดวงจรให้ ด้วยความรู้ภาษาอังกฤษแบบงูๆ ปลาๆ ประกอบกับความกรุณาของคุณ Alan ก็ได้ email ตอบกลับมาในวันรุ่งขึ้น พร้อมกับการอัพเดตรูปวงจรลงเวปให้ในทันที


รูปวงจร VHF Impedance Bridge

จากวงจรข้างต้นก็ใช้หลักการของ bridge เมื่อต่อเครื่องส่งวิทยุเข้าที่ Generator In และจุด X คือจุดที่เราต่อสายอากาศที่เราต้องการจะวัดมีอิมพิแดนซ์เท่ากับจุด Reference หรือจุดอ้างอิงเช่น เป็นดัมมี่โหลด ก็จะเกิดสภาวะ Balance ทำให้ไม่มีกระแสไหลใน bridge โดยที่เราใช้มิเตอร์ต่อเพื่อวัดกระแสที่ไหลในขา bridge หากเกิดภาวะสมดุลเข็มมิเตอร์ก็จะไม่กระดิกนั่นเอง หลายคนอาจสงสัยแล้วว่าแล้วจะวัดอิมพิแดนซ์ได้อย่างไร??? คำตอบก็อยู่ที่หลักการพื้นฐานของบริดจ์นั่นเอง สมมติว่าแทนทีดัมมี่โหลดที่จุด reference ด้วยความต้านทาน 50Ω รวมกับค่า C ซักตัวหนึ่งอิมพิแดนซ์อาจจะเป็น Z=50-j20Ω แล้วพอเราเอาสายอากาศมาต่อที่จุด X แล้วดันเกิดภาวะสมดุลคือเข็มมิเตอร์ไม่กระดิก เราก็สามารถอนุมานได้ว่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศต้องมีค่าเท่ากับอมพิแดนซ์ที่ จุด Reference เมื่อเราต้องการแมตช์สายอากาศต้นนี้เราก็ใช้ค่า L จากขดลวดเพื่อมาหักล้างกับค่า capacitive inductance ที่เกิดขึ้น อันนี้คือตัวอย่างคร่าวๆ นะครับ คงจะพอมองภาพออกแล้ว




รูป VHF Impedance Bridge ของ VK2ZAY

VK2ZAY ได้ทดลองสร้าง Impedance Bridge นี้จากหนังสือ Experimental Methods in RF Design โดยกล่าวว่าสามารถใช้งานได้จนถึงย่าน UHF ในบ้านเราก็จะสามารถใช้งานที่ความถี่ 245MHz ได้อย่างสบาย ในการสร้างนี้สำคัญที่สุดคือการปรับแต่งให้ bridge สมดุลคือเข็มไม่กระดิกเมื่อต่อกับดัมมี่โหลด 50Ω เป็นค่าอ้างอิงพื้นฐาน เนื่องจากที่ความถี่สูงในระดับ VHF นี้ย่อมต้องมีค่าความจุแฝงเกิดขึ้นในขั้นตอนการสร้างไม่มากก็น้อย กำลังส่งที่ใช้ในวงจรนี้ควรใช้กำลังส่งที่ต่ำที่สุดโดยใช้เพียง 0.1W ก็เพียงพอแล้ว สำหรับใน Antenna Analyzer นั้นจะมีภาค VCO เป็นตัวกำเนิดความถี่กำลังส่งต่ำเสมือนเป็นเครื่องส่งที่ความถี่ที่ต้องการ นั่นเอง แต่เราอาจจะใช้เครื่องส่งวิทยุมือถือของเราต่อร่วมกับวงจรลดทอนกำลัง Attenuator มีวิธีการสร้างในหนังสือรวมโครงงานวิทยุสมัครเล่นเล่ม 1 เล่มสีแดง เชื่อว่าหลายคนคงจะมี

สิ่งสำคัญเมื่อเรารู้ค่าอิมพิแดนซ์โดยประมาณของสายอากาศแล้วก็คือ จะต้องรู้ว่าต้องปรับ ต้องเพิ่ม ต้องลด ส่วนไหนของสายอากาศอย่างไร เพื่อจะชดเชยอิมพิแดนซ์ที่ไม่แมตช์นั้นโดยที่เราไม่ต้องคาดเดาโดยดูแต่เพียง ค่า SWR เพียงอย่างเดียว หวังว่าคงจะช่วยให้การแมตช์สายอากาศของเพื่อนๆ ทำได้ง่ายขึ้นนะครับ