การสร้างสายอากาศแบบต่างๆ
สายอากาศ
สายอากาศ (อังกฤษ: antenna) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน[1] ปกติสายอากาศจะถูกใช้กับเครื่องส่งและเครื่องรับวิทยุ. ในการส่ง เครื่องส่งวิทยุจะป้อนคลื่นกระแสไฟฟ้าที่ความถี่วิทยุ (หรือไฟฟ้ากระแสสลับ(AC)ความถี่สูง) ไปยังขั้วไฟฟ้าทั้งสองของสายอากาศ จากนั้นสายอากาศจะแผ่รังสีพลังงานจากกระแสในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ). ในการรับ สายอากาศจะดักจับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อที่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขั้วไฟฟ้าของมัน แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกส่งต่อไปให้เครื่องรับเพื่อทำการขยายสัญญาณต่อไป
สายอากาศเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญของอุปกรณ์ทุกชนิดที่ใช้วืทยุ ได้แก่สถานีวิทยุกระจายเสียง สถานีโทรทัศน์ วิทยุสองทาง เครื่องรับสื่อสาร เรดาร์ โทรศัพท์เคลื่อนที่ และการสื่อสารดาวเทียม นอกจากนี้ มันยังใช้กับอุปกรณ์เช่นประตูโรงรถอัตโนมัติ ไมโครโฟนไร้สาย บลูทูธ แลนไร้สาย เครื่องเฝ้าดูทารก ฉลาก RFID และของเล่นวิทยุบังคับต่าง ๆ
โดยทั่วไปสายอากาศจะประกอบด้วยโครงสร้างของตัวนำโลหะที่เรียกว่าอีลิเมนท์ขับ (อังกฤษ: driven element) ที่ต่อทางไฟฟ้า(มักจะผ่านทางสายส่ง)เข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับ เครื่องส่งจะบังคับให้กระแสไฟฟ้าที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอนไหลผ่านสายอากาศ กระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามไฟฟ้าที่เป็นคลื่นไปตามอีลิเมนท์นั้น สนามพลังที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเหล่านี้จะถูกแผ่กระจายออกไปจากสายอากาศเข้าสู่อากาศในรูปของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ตามขวาง ทางด้านรับ คลื่นเหล่านี้เข้ามารวมกันที่สายอากาศ สนามแม่เหล็กและไฟฟ้าที่เป็นคลื่นจะสร้างแรงขึ้นบนอิเล็กตรอนในอีลิเมนท์ของสายอากาศ ทำให้พวกอิเล็กตรอนต้องเคลื่อนที่กลับไปกลับมา เป็นการสร้างกระแสที่เป็นคลื่นในสายอากาศ
สายอากาศสามารถออกแบบให้ส่งหรือรับคลื่นวิทยุได้ในทุกทิศทางแนวราบเท่าๆกันที่เรียกว่าสายอากาศทุกทิศทาง (อังกฤษ: Omnidirectional antenna), หรือชอบที่จะให้รับและส่งได้ในทิศทางเฉพาะที่เรียกว่าสายอากาศเฉพาะทิศทาง (อังกฤษ: Directional antenna) หรือสายอากาศเกนสูง (อังกฤษ: High gain antenna) สำหรับสายอากาศเกนสูง มันอาจต้องมีอีลิเมนท์หรือตัวประกอบอื่นเพิ่มเติมที่ไม่มีการต่อถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับแต่อย่างใด อุปกรณ์ดังกล่าวได่แก่ อีลิเมนท์กาฝาก (อังกฤษ: parasitic elements), แผงสะท้อนคลื่นแบบโค้ง (อังกฤษ: parabolic reflectors) หรือ สายอากาศปากแตร (อังกฤษ: Horn antenna), ซึ่งมีหน้าที่นำทางคลื่นวิทยุให้อยู่ในรูปลำแสงหรือรูปแบบการแผ่กระจายคลื่นที่ต้องการอื่นๆ
สายอากาศตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1888 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน นายไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ ระหว่างการทดลองแบบบุกเบิกเพื่อพิสูจน์ความมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้มีการคาดคะเนไว้ก่อนแล้วตามทฤษฎีของนายเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นายเฮิร์ตซ์ได้วางสายอากาศแบบไดโพลหลายตัวไว้ที่จุดโฟกัสของกลุ่มแผงสะท้อนคลื่นแบบโค้งเพื่อให้มีการทำงานทั้งรับและส่ง เขาได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาใน Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889).
ตามลักษณะการใช้งานและเทคโนโลยีที่มีอยู่, เสาอากาศโดยทั่วไปจะตกอยู่ในหนึ่งในสองประเภทต่อไปนี้:
สายอากาศรอบทิศทาง หรือสายอากาศที่สัญญาณอ่อนเฉพาะบางทิศทางเท่านั้น แต่จะรับหรือส่งมากหรือน้อยในทุกทิศทาง สายอากาศประเภทนี้จะถูกนำมาใช้เมื่อตำแหน่งสัมพันธ์กับสถานีอื่นไม่เป็นที่รู้จักหรือไม่ชัดเจน พวกมันยังถูกใช้ที่ความถี่ต่ำอีกด้วยในตำแหน่งที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางจะมีขนาดใหญ่เกินไป หรือเพียงเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการนำมาใช้งานในจุดที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางไม่มีความจำเป็นต้องใช้
สายอากาศเฉพาะทิศทาง หรือสายอากาศแบบ ลำคลื่น ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งหรือรับสัญญาณในทิศทางใดทิศทางหนึ่งหรือรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง (อังกฤษ: pattern) โดยเฉพาะ
ในการใช้งานทั่วไป, "รอบทิศทาง" โดยปกติหมายถึงทิศทางแนวนอนทั้งหมดซึ่งโดยปกติจะมีประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงในทิศทางท้องฟ้าหรือพื้นดิน (แม้แต่แผงกระจายคลื่นแบบเท่ากันทุกทิศทาง (อังกฤษ: isotropic radiator) ก็ทำไม่ได้อย่างแท้จริง) สายอากาศ "เฉพาะทิศทาง" มักจะมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มการจับคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางของสถานีอื่น ๆ หรือบางครั้งเพื่อให้ครอบคลุมเฉพาะภูมิภาคเช่นรูปแบบพัดแนวนอน 120° ในกรณีเช่นสายอากาศแบบแผงที่ติดตั้งแผงถ่ายทอดสัญญาณมือถือ (อังกฤษ: cell site)
สายอากาศแบบมีทิศทาง
สายอากาศยากิ (บางครั้งอาจจะเรียกว่า Yagi–Uda เป็นชื่อของผู้คนพบสายอากาศชนิดนี้) เป็นสายอากาศทิศทางเดียว (unidirectional) สามารถมีรูปแบบ polarized ทั้งแนวตั้งและแนวนอน ก่อนที่เราจะไปดูรายละเอียดอื่น ๆ ให้เรามาดูลักษะการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศยากิก่อน
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
สายอากาศยากิ 3 E (THREE-ELEMENT YAGI BEAM)
สายอากาศยากิ 3 E ประกอบด้วย 3 ส่วนครบสูตรยากิคือมี ตัวขับ (half wavelength driven element) reflector และ director ตัวอย่างสายอากาศยากิเราจะใช้ความยาวบูม 0.3 lambda จะได้อัตราการขยายประมาณ 7 - 8 dBd และอัตราส่วน front-to-back ประมาณ 15 ถึง 28 dB จุดป้อนสัญญาณ จะมี impedance ประมาณ 18-25 โอห์ม เราสามารถเปลี่ยน impedance ให้เป็น 50 โอห์มโดยการใช้ coaxial ก็ได้ (การ match ทำได้หลายแบบ)
คำนวณหา Director
คำนวณหา Driven element
คำนวณหา Reflector
คำนวณหาระยะห่าง Spacing
Director คือความยาวของไดเร็กเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
D.E. คือความยาวของ driven element มีหน่วยเป็นเมตร (m)
Reflector คือความยาวของ reflector มีหน่วยเป็นเมตร (m)
ระยะห่าง S1, S2 และ S3 มีหน่วยเป็นเมตร (m)
การ match สายอากาศ (IMPEDANCE MATCHING THE BEAM ANTENNA)
โดยปกติแล้ว impedance จุดป้อนสัญญาณ (feedpoint impedance) ของสายอากาศยากิ มักจะต่ำกว่า จุดป้อนสัญญาณของ half wavelength dipole (ประมาณ 72 โอห์ม) แม้ว่าจะเอาตัวขับมาจากสายอากาศ half wavelength dipole ก็ตาม ทั่วไปแล้วจะมีค่า impedance ประมาณ 18 -20 โอห์ม อย่างมากไม่เกิน 37 โอห์ม ที่ 32 โอห์ม ถ้าเรา ต่อสายเข้าไปตรง ๆ กับสายนำสัญญาณ Coaxial 50 โอห์ม เราจะได้ค่า SWR 1.41 : 1 แต่ถ้าที่ 25 โอห์ม SWR มากกว่า 2 : 1 ถ้าค่า SWR มากเกินไปก็จะเป็นอันตรายต่อเครื่องส่ง ดังนั้นเพื่อเป็นการแก้ปัญหาเราจึงทำการปรับเปลี่ยน impedance หรือการ matching ให้สายอากาศต้นนี้มีค่า 52 หรือ 75 โอห์ม
ในที่นี้เราขอแนะนำ gamma match สักษณะการต่อคือ สายส่วนที่เป็น shield จะต่อกับ ตรงกลางของ element (L) และส่วนที่เป็น ลวดตัวนำข้างใน ต่อกับอุปกรณ์ matching ตามรูป
