สายอากาศย่าน 40m แนวตั้งขนาดสั้นแบบคอล์ยโหลดกลาง (vertical short center coil loaded antenna)

วันนี้มีแบบสายอากาศย่าน 40m หรือความถี่ 7.000 – 7.200 MHz มาให้ทดลองสร้างกันครับ ซึ่งข้อมูลและวิธีการก็มีนักวิทยุสมัครเล่นต่างประเทศสร้างกันมากมาย ซึ่งข้อดีของสายอากาศชนิดนี้ก็คือเราสามารถสร้างให้มีขนาดสั้นกว่าสายอากาศความยาวแบบ vertical ทั่วๆ ไป ซึ่งหลักการและวิธีการก็ไม่ได้ซับซ้อนอะไรมากมาย และสามารถใช้วัสดุที่หาซื้อได้ใกล้บ้านครับ

 

ภาพที่ 1 center coil loaded แบบ ปรับค่า inductance ได้

ทฤษฎีและหลักการของสายอากาศแบบแนวตั้ง (vertical antenna)

สำหรับสายอากาศแนวตั้ง หรือ vertical antenna จะมีขนาดความยาวเท่ากับ 1/4 lambda หรือ 1 ใน 4 ของความยาวคลื่น ดังเช่นถ้าเราสร้างสายอากาศที่ความถี่ 7 MHz จะมาความยาวคลื่นอยู่ที่ (984/7)*0.3048 = 42.85 Meter และถ้ากลายเป็น vertical ก็นำมาหาร 4 ก็จะเป็น 42.85/4 = 10.71 เมตร  ดังนั้นถ้าเราจะสร้างสายอากาศ vertical ตามสเป็คแบบ Quarter Wavelength โดยไม่มีการลดขนาดความยาว ก็จะต้องสร้างสายอากาศที่มีความสูง 10 เมตรตามที่คำนวน

กราวด์เพลน (Ground plan)

เนื่องจากสายอากาศแบบ vertical หรือเรียกอีกแบบว่า mono pole ในทางทฤษฎีแล้วจำเป็นต้องสร้างกราวด์ทาง RF เพื่อประสิทธิภาพในการกระจายสัญญาณ เรียกว่า Ground plane โดยจะมีขนาดความยาวเป็น 1 ใน 4 ของความยาวคลื่นเช่นเดียวกัน ดังนั้นที่ 7 MHz เราก็จะต้องสร้างสายอากาศที่มี ground plane ขนาด 10 เมตร ด้วยตามภาพ

ภาพที่ 2 ลักษณะความยาวของสายอากาศแบบ mono pole และ Ground plane

เมื่อเทียบกับสายอากาศแบบ dipole ซึ่งจะมีขนาดความยาวเท่ากับ 1/2 lambda ดังนั้นเมื่อเราสร้างสายอากาศแบบ mono pole ที่มีความยาวแค่ 1/4 lambda และเมื่อรวมกับ ground plane อีก 1/4 lambda ก็จะมีค่าความยาวคลื่นเท่ากับสายอากาศแบบ dipole ที่มีความยาวคลื่นเท่ากับ 1/2 lambda พอดีครับ

เริ่มต้นสร้างสายอากาศแบบ coil loaded

เอาละครับเมื่อศึกษาทฤษฎีกันพอหอมปากหอมคอ ต่อไปเราก็มาเริ่มสร้างสายอากาศแบบ vertical center coil loaded กันได้ ซึ่งข้อดีของสายอากาศแบบ center coil loaded ก็มีดังต่อไปนี้คือ

1. สามารถสร้างสายอากาศที่มีขนาดสั้นกว่า 1/4 lambda mono pole ซึ่งทำให้สายอากาศมีขนาดสั้นลง
2. การสร้างแบบ coil load ตรงกลาง ช่วยให้ประสิทธิภาพการกระจายสัญญาณดีกว่า coil load ที่อยู่โคนของสายอากาศ

ขั้นตอนแรก ให้เราเริ่มออกแบบขนาดความยาวของสายอากาศที่เราต้องการกันก่อนครับ ในที่นี้ผมจะสร้างสายอากาศย่าน 40m ที่ความถี่ 7.1 MHz ที่มีขนาดความยาว 5 เมตร โดยใช้คันเบ็ดตะบองที่ผมมีอยู่คือ 5 เมตร

วัสดุอุปกรณ์

1. คันเบ็ดตะบอง ยาว 5 เมตร 1 ต้น – ร้านขายเบ็ดตกปลา
2. สายไฟอ่อนเบอร์ 22 AWG 1 ม้วน (ม้วนละ 30 เมตร) –  ร้านขายอะไหล่อิเล็กทรอนิกส์
3. ท่อ PVC สีขาว ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 3.5 ซม. – ร้านวัสดุก่อสร้าง
4. ขั้ว SO239 1 อัน – ร้านขายอุปกรณ์วิทยุสื่อสาร
5. อื่นๆ สกรู+น็อต M3 หัวแร้ง+ตะกั่ว หัวปากคีบ สำหรับยึดต่อสาย

ขั้นแรกเมื่อเราตัดสินใจว่าจะสร้างสายอากาศที่มีขนาดความยาว 5 เมตรแบบมี coil load ตรงกลางที่ความถี่ 7.1 MHz แล้ว  ก็เริ่มมาคำนวณค่าความเหนี่ยวนำ หรือ inductance โดยคำนวณจากเว็บด้านล่าง

http://www.66pacific.com/calculators/coil-shortened-vertical-antenna-calculator.aspx

ถาพที่ 3 แสดงการใส่ค่า parameters เพื่อคำนวณขนาดของ coil

สำหรับวิธีการแปลงค่า parameters เป็น ฟุต หรือนิ้ว และหาขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของสายไฟเบอร์ 22 จะไม่พูดถึงในที่นี้ แต่สามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ใน google นะครับ

เมื่อใส่ค่า parameters ต่างๆ ครบแล้ว กด คำนวณ ก็จะได้ค่า inductance ออกมาเท่ากับ 21.4 uH

ขั้นตอนต่อไป ให้เริ่มสร้าง coil ขนาด 21.4 uH โดยเริ่มคำนวณจาก

http://www.66pacific.com/calculators/coil-inductance-calculator.aspx

ภาพที่ 4 แสดงวิธีใส่ค่า parameters สำหรับคำนวณ coil ที่ค่าความเหนียวนำ 21.4 uH

เมื่อเริ่มใส่ค่าตาม parameters ด้านบน ก็จะได้ค่าความเหนี่ยมนำออกมาประมาณ 25.5 uH ซึ่งก็ถือว่าได้ค่าใกล้เคียง กับที่ต้องการ 21.4 uH เพราะเดี๋ยวขั้นตอนสุดท้ายเราก็จะมาเข้าสู่กระบวนการปรับแต่งอีกรอบครับ

สรุปจากการออกแบบ coil เราก็จะได้ลักษณะประมาณนี้ครับ

ภาพที่ 5 แสดงวิธีการพัน coil และขนาดที่ออกแบบ

เมื่อออกแบบ coil ได้แล้ว ต่อไป ก็มาทำขั้วสำหรับการปรับแต่ง coil โดยตัดสายและต่อใหม่ทุกๆ 5 รอบ แต่ละ 5 รอบ ก็ทำขั้วเยื้องๆ กันหน่อย เพื่อสะดวกในการคีบปาดคีบ และไม่ช็อตกัน

ภาพที่ 6 แสดงวิธีการต่อขั้วที่ coil เพื่อให้สามารถ จูนปรับแต่งค่าความเหนี่ยวนำได้

เมื่อทุกอย่างครบหมดแล้ว ก็เริ่มประกอบเข้ากับคันเบ็ดยาว 5 เมตร และติดตั้งได้เลยครับ

ภาพที่ 7 การติดตั้งสายอากาศ 7.1 MHz แบบ center coil load

ตรงโคนสายอากาศ เราต้องมีการต่อ Ground plane โดยตัดสายไฟ ยาวประมาณ 10 เมตร สักสามเส้น แล้วลากขนาน ไปกับพื้นดิน หรือเราต่อกับโครงระเบียง หรือโครงหลังคาก็ได้ครับ ตามภาพผมต่อกับโครงระเบียง ก็แมทช์ลงได้เช่นกัน

ภาพที่ 8 แสดงวิธีการต่อ Ground Plane

ช่วงต่อสายอากาศตรงกลางระหว่าง coil load ตรงนี้ เราก็ทำการต่อปากคีบไว้ เพื่อทำการจูนค่าความเหนี่ยวนำให้สายอากาศแมชท์ลงที่ความถี่ที่เราต้องการใช้งาน และให้ SWR ตำสุดตามภาพครับ

ภาพที่ 9 วิธีการจูนและวัดค่า SWR

สุดท้ายเรามาลองทดสอบประสิทธิภาพของสายอากาศชนิดนี้กัน ผมทดลองส่ง WSPR mode ที่ความถี่ 7.0386 MHz ทิ้งไว้คืนหนึ่ง ด้วยกำลังส่ง 2w และผลออกมาเป็นที่น่าพอใจประมาณนี้ครับ

ภาพที่ 10 ทดลองสายอากาศโดยปล่อย WSPR mode ที่ความถี่ 7.0386 MHz ทิ้งไว้ 1 คืน (2w)

และทั้งหมดนี้ก็เป็นวิธีสร้างสายอากาศ ย่าน 40m ความถี่ 7.1 MHz ขนาดสั้นแบบ center coil loaded ครับซึ่งเหมาะกับนักวิทยุสมัครเล่นขั้นกลางขึ้นไปที่ต้องการติดตั้งสายอากาศย่านความถี่ต่ำๆ แต่มีขนาดพื้นที่จำกัด แล้วพบกันใหม่กับบทความสนุกๆตอนหน้าครับ

73 de E29AHU