กระจายคลื่นแบบมีทิศทาง

Directional Antenna

เป็นสายอากาศที่กระจายออกไปแบบมีทิศทาง กำหนดทิศทางได้ กำหนดการกระจายได้ขึ้นอยู่กับการออกแบบ

Radiation-pattern-for-generic-directiona

สายอากาศชนิดนี้ส่วนมากเกือบทั้งหมดต้องอาศัยการแมชชิ่ง บริเวณจุดป้อนสัญญาณ Feeder เสมอเพาระอิมพีแดนซ์จะไม่เท่ากับสายที่มี

ตัวอย่างสายอากาศที่นิยมใช้กันมาก

สายอากาศแบบ ยากิ GAGI UDA Antenna

เป็นสายอากาศที่กำหนดทิสทางได้ดี นิยมใช้มากที่สุด มีองค์ประกอบไม่มาก

มีส่วนประกอบหลักคือ

1. ตัวขับ Driven ซึ่งเป็นตัวรับสัญญาณจากสายส่ง

2. รีเฟคเตอร์ Reflector เป็นตัวสะท้อนคลื่นกลับ

3.ตัวชี้นำสัญญาณ Director

4..บูม Boom เป็นตัวยึดอีลีเมน (ชิ้นส่วนทั้งหมด)

41566_2010_Article_BFnphoton201034_Fig1_

การจัดระยะห่งระหว่ง อีลิเมน Element อาจแตกต่างกันออกไป การแตกต่างอาจจะเกี่ยวกับการกระจายบ้างแต่ยังคงรูปแบบทิศทางอยู่เช่นเดิม

บทความ

สายอากาศยากิ-อูดะ

สายอากาศแบบหนึ่งที่เราคุ้นเคยกันดี แต่ในชื่อเสียงว่ามีอัตราขยาย (gain) สูง ก็คือสายอากาศยากิ-อูดะ (เพราะคนออกแบบมีสองคนคือ ฮิเดซากุ ยากิ และ ชินทาโร อูดะ ดังนั้นเมื่อเราเรียกชื่อที่ถูกต้อง ก็ควรเป็น ยากิ-อูดะ เพื่อเป็นการให้เกียรติทั้งสองท่าน) โดยอัตราขยายนี้ก็คือความแรงของคลื่นในทิศที่แรงที่สุดเมื่อเทียบกับความแรงของคลื่นที่ออกมาจากสายอากาศสมมติไอโซทรอปิค (Isotropic) ซึ่งกระจายคลื่นออกรอบๆ ตัวเท่ากันทุกทิศทางในสามมิติ (เป็นทรงกลม) เมื่อป้อนกำลังไฟฟ้าเท่ากัน นั่นคืออัตราขยายที่ว่านี้ไม่ได้แปลว่าจะทำให้กำลังส่งจากเครื่องส่ง 10 วัตต์ไปออกอากาศรวมแล้วมากกว่า 10 วัตต์ไปได้ (เป็นไปไม่ได้ในทฤษฎีการสงวนพลังงาน - Conservation of Energy Theory) แด่หมายความว่ามันมีความแรงในการส่งไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าปกติ และมากกว่าของสายอากาศแบบ Isotropic เท่าไร (กี่เท่า) แค่นั้นเอง

ลักษณะของสายอากาศยากิ-อูดะจะเป็นเหมือนก้างปลาที่เราคุ้นเคยกัน และที่เราทราบกันคร่าวๆ ก็คือยิ่งมีก้างเยอะ (จำนวน element มาก) ก็จะมีอัตราขยายสูงขึ้น (ใกล้เคียง แต่ไม่ถูกต้องทั้งหมด เอ๊ะ ทำไมล่ะ อ่านต่อไปก่อนครับ) แต่ก่อนจะไปถึงรายละเอียด เรามาดูกันก่อนว่าสายอากาศ ยากิ-อูดะ ทำงานอย่างไรกันก่อนครับ

สายอากาศยากิ-อูดะทำงานอย่างไร

ทฤษฎีการทำงานของสายอากาศชนิดนี้ สามารถอธิบายได้หลายแนวทาง บางแนวทางนั้นเป็นแบบคณิตศาสตร์ซึ่งซับซ้อนและเข้าใจได้ยาก แต่ถ้าเราอธิบายโดยใช้หลักการแบบพื้นฐานโดยมุ่งให้เห็นภาพการทำงาน จะเข้าใจได้ง่ายกว่าและไม่ได้ผิดหลักการทำงานที่เกิดขึ้นจริงด้วย

หลักการของสายอากาศ ยากิ-อูดะ คือเราสร้างตัวแพร่กระจายคลื่นหลักโดยสายนำสัญญาณให้กับตัวแพร่กระจายคลื่นนี้ เรียกว่า driven element (ตัวขับ) ซึ่งจะแพร่กระจายคลื่นออกไปรอบๆ ตัวมัน จากนั้นเราก็นำเอาตัวนำอื่น (เรียกว่า parasitic element) มาวางไว้ใกล้ๆ ตัวขับดังกล่าว ซึ่งจะวางไว้ใกล้ในอาณาบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า near field ของตัวขับ (อ่านเรื่อง near field / induction field ด้านล่าง) เมื่อตัวนำอื่น ได้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากตัวขับ ก็จะเกิดกระแสไหลในตัวมัน และเมื่อมีกระแสไหลในตัวมัน ก็จะแพร่กระจายคลื่นออกมาอีกครั้งหนึ่ง (เรียกว่า re-radiate) แต่เนื่องจาก

มีระยะระหว่าง driven element กับ parasitic element
ความยาวของ parasitic element จะยาวหรือสั้นกว่าความยาวปกติ (ซึ่งคือความยาว resonance ทางไฟฟ้า) จึงทำให้เฟสของกระแสที่ไหลใน parasitic element ช้า หรือ เร็ว กว่าปกติ
ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติ เฟสจะช้าลงไป ในทางตรงกันข้ามถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติ เฟสจะเร็วขึ้น

สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ คลื่นจาก driven element กับคลื่นจาก parasitic element ต่างๆ จะเกิดการรวมกันทางขนาดและเฟส ทำให้เกิดการเสริมกันในบางทิศทางและหักล้างกันในบางทิศทาง แต่เนื่องจากบรรดา parasitic element ต่างๆ ไม่ได้ถูกขับหรือป้อนสัญญาณจากสายนำสัญญาณตรงๆ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถควบคุมขนาดและเฟสของกระแสในตัวมันได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะขึ้นกับระยะทางระหว่าง driven element กับ parasitic element และความสั้นยาวกว่าปกติของ parasitic element นั่นเอง หรือพูดอีกทีก็คือเราคงไม่สามารถควบคุมให้เกิดการเสริมหรือหักล้างกันทางเฟสได้อย่างสมบูรณ์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง อย่างไรก็ตามผลที่เกิดขึ้นก็ใช้ได้ดีพอสมควร และทำให้เกิดอัตราขยายด้านหน้าสูงและด้านหลังต่ำ ทำให้ได้อัตราส่วนระหว่างอัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) สูงและใช้งานได้ดี

ความยาวหรือสั้นของ parasitic element มีผลอย่างไร

ความยาวของตัวนำกาฝาก หรือ parasitic element มีผลต่อเฟสของกระแสที่ไหลในตัวมันคือ

ถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติมันจะมีความเป็นตัวเก็บประจุ (capacitive) กระแสจะนำโวลเตจในตัวนำ parasitic นั้น และกระแสที่ถูกเหนี่ยวนำขึ้นนี้จะมีเฟสที่ทำให้สายอากาศรวมมีคลื่นจำนวนมากกว่าออกมาทางด้าน parasitic element จึงเรียกว่าตัวชี้ทิศหรือ director การทำให้เป็นความจุทางไฟฟ้าอาจจะทำโดยการจูนให้มีความถี่สูงกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของ driven element อาจจะโดยเพิ่มตัวเก็บประจุก็ได้ แต่ปกติมักจะทำให้สั้นกว่า driven element ประมาณ 5%
ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติมันจะมีความเป็นความเหนี่ยวนำ (inductive) กระแสจะตามโวลเตจในตัวนำ parasitic นั้น และจะสะท้อนคลื่นออกไปจาก parasitic element ทำให้สายอากาศรวมมีคลื่นจำนวนมากกว่าออกไปด้านตรงกันข้ามกับ parasitic element จึงเรียกว่าตัวสะท้อนหรือ reflector การทำให้เป็นความเหนี่ยวนำอาจจะทำโดยการจูนให้มีความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ของ driven element อาจจะโดยเพิ่มตัวเหนี่ยวนำก็ได้ แต่ปกติมักจะทำให้ยาวกว่า driven element ประมาณ 5%

ผลที่เกิดจาก director และ reflector

Director

ไดเร็คเตอร์ คือโลหะที่มีลักษณะสั้นกว่า driven element และวางไว้ "ด้านหน้า" ของ driven element และมีหน้าที่ทำให้ทิศทางคลื่นไปในทางของมัน จำนวนเกนที่สูงขึ้นขึ้นอยู่กับความยาวของสายอากาศ (ความยาวของบูม) ไม่ใช่จำนวนของ director ที่ใช้ ระยะห่างระหว่าง director มีได้ตั้งแต่ 0.1 ถึง 0.5 λ หรืออาจจะมากกว่าตามการออกแบบ

ถ้าออกแบบได้ดี

director ชิ้นแรกจะเพิ่มเกนประมาณ 3dB จากเกนรวม
director ชิ้นที่สองจะเพิ่มได้อีกราว 2dB
director ชิ้นที่สามจะเพิ่มได้อีกราว 1.5dB

ยิ่งชิ้นห่างๆ ไปยิ่งมีผลน้อยลง ถ้าพูดถึงการได้เกน (gain - อัตราขยาย) ที่ดี ก็จะวางระยะระหว่างไว้ราวๆ 0.15-0.3 λ ถ้าเกินกว่านั้นไม่ช่วยให้เกนดีขึ้น

Reflector
รีเฟล็คเตอร์ คือโลหะที่มีลักษณะยาวกว่า driven element และวางไว้ "ด้านหลัง" ของ driven element และมีหน้าที่ทำให้ทิศทางคลื่นไปในทางตรงกันข้ามกับมัน รีเฟล็คเตอร์ จะมีความถี่เรโซแนนซ์ต่ำกว่า และยาวกว่า driven element ประมาณ 5% ความยาวก็อาจจะเปลี่ยนไปได้ตามระยะทางและความอ้วน/ผอมของรีเฟล็คเตอร์เอง (ไดเร็คเตอร์ก็เหมือนกัน) ระยะห่างของรีเฟล็คเตอร์จะอยู่ประมาณ 0.1 ถึง 0.25 λ ทำให้เกนสูงขึ้นประมาณ 2.5dB ถ้าระยะเกินจาก 0.3 λ ไปก็ไม่ช่วยทำให้เกนสูงขึ้นอีก) รีเฟล็คเตอร์มีความสำคัญในการควบคุมอัตราส่วนระหว่างอัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) ของสายอากาศ ระยะ/ตำแหน่งของมันจะมีผลต่ออัตราขยาย, front to back ratio, ลักษณะรูปร่างของ side lobe ปกติแล้วสายอากาศจะมี reflector เพียงอันเดียว เพราะการมีมากกว่านั้นจะมีผลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

การประนีประนอมในการออกแบบ (Trade-offs)

จะเห็นว่าโดยหลักการแล้ว สายอากาศ ยากิ-อูดะ นั้น ประกอบไปด้วยตัวขับ (driven element) หนึ่งตัว กับ ไดเร็คเตอร์ และ/หรือ รีเฟล็คเตอร์ อีกอย่างน้อยหนึ่งตัว นั่นคือจะมี driven element + reflector เท่านั้น หรือจะเป็น driven element + director เท่านั้น ก็เป็นสายอากาศ ยากิ-อูดะ แล้ว จากนั้นก็มีการเพิ่มไดเร็คเตอร์ และ/หรือ รีเฟล็คเตอร์ต่อไปได้อีก (แต่อย่างที่กล่าวไว้ด้านบน เรามักจะไม่มีรีเฟล็คเตอร์เกินหนึ่งตัว เพราะไม่ช่วยเรื่องอัตราขยายนัก) ทีนี้ในการวางตำแหน่งของบรรดา ไดเร็คเตอร์ และ รีเฟล็คเตอร์ (ที่รวมเรียกว่าเป็น parasitic element) เหล่านี้ ก็มีผลต่อสิ่งต่างๆ และต้องเลือกเอา คือได้อย่างก็จะเสียอีกอย่าง คือ

ถ้าวางไดเร็คเตอร์ที่มีขนาดเท่ากัน ไว้ในตำแหน่งห่างเท่าๆ กัน จะทำให้ได้เกนที่สูงที่ความถี่หนึ่ง แต่แบนด์วิดธ์ก็จะแคบและมี side lobe ใหญ่
ตำแหน่งที่ห่างขึ้น จะทำให้แบนด์วิดธ์กว้างขึ้น แต่ side lobe ใหญ่
ดังนั้นการปรับความยาวและตำแหน่งของไดเร็คเตอร์ จะทำให้ควบคุมแพทเทิร์นและแบนด์วิดธ์ได้ดีขึ้น
จำนวนไดเร็คเตอร์ที่มากขึ้น แต่อยู่ในความยาวบูมเดิม จะไม่ทำให้อัตราขยาย (gain) สูงขึ้นสักเท่าไร แต่จะทำให้ควบคุมแพทเทิร์นได้ในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น
ถ้าเราลดความยาวของไดเร็คเตอร์ไปเรื่อยๆ (ไดเร็คเตอร์ตัวที่ไกลจาก driven element ออกไปๆ จะสั้นลงๆ) ด้วยสัดส่วนหนึ่ง และ เพิ่มระยะของตำแหน่งของไดเร็คเตอร์ไปด้วยอีกสัดส่วนหนึ่ง ก็จะได้แพทเทิร์นสวยงาม (side lobe น้อย) และมีแบนด์วิดธ์กว้าง แต่ เกนด้านหน้าจะต่ำลง (10-15%)

นั่นคือ เมื่อเราเปลี่ยนแปลงอะไรสักอย่างของสายอากาศ ก็จะกระทบอย่างอื่นไปด้วยนั่นเอง

Near/Induction Field คืออะไร

คือบริเวณที่สนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีลักษณะที่ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำได้ ลักษณะเช่น เราเอาหลอดฟลูออเรสเซนส์ไปไว้บริเวณใกล้ๆ สายส่งไฟฟ้าแรงสูง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายส่งไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้ประจุในหลอดแตกตัวและทำให้หลอดไฟสว่างได้ (ลองเอาวิทยุมือถือ ใส่สายอากาศยาง แล้วกดใกล้ๆ หลอดไฟแบบฟลูออเรสเซนส์ก็ได้ ก็จะสว่างเหมือนกัน) แต่ ถ้าเราเอาหลอดไฟออกห่างจากสายส่งไฟฟ้าแรงสูงมาก หรือ ห่างจากวิทยุมือถือ-สายอากาศยางมาก จะไม่เกิดการสว่างนี้ ระยะที่เกิดการสว่างได้คือ Near Field หรือ Induction Field

Main Lobe เป็นลำคลื่นหลักของสายอากาศยากิ ส่วนนี้เป็นส่วนที่เราต้องการ มีความสำคัญที่สุด
Side Lobe ลำคลื่นจำนวนเล็กน้อยที่พุ่งออกไปทางด้านข้าง ส่วนนี้เราไม่อยากให้มี
Back Lobe ลำคลื่นจำนวนเล็กน้อยที่พุ่งไปด้านหลัง ส่วนนี้เราก็ไม่ต้องการเช่นกัน
จุด P คือตำเหน่งของสายอากาศยากิ (ที่ตั้ง)
มุม a คือ beamwidth ของสายอากาศยากิ สายอากาศที่ Gain สูง ๆ มุมนี้จะแคบ มุมนี้จะวัดที่ระดับสัญญาณตกลงไปจากจุด C -3 dB
จุด C หรือ center point เป็นจุดที่มีสัญญาณแรงที่สุด