ข่าว - ทฤษฎีเสาอากาศ – พารามิเตอร์พื้นฐาน

บทนี้จะแนะนำพารามิเตอร์พื้นฐานของการสื่อสารไร้สาย โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อให้เข้าใจบทบาทของเสาอากาศในระบบสื่อสารได้ดียิ่งขึ้น การสื่อสารไร้สายดำเนินการในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นการทำความเข้าใจลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ในบทนี้ เราจะกล่าวถึงพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

•ความถี่
•ความยาวคลื่น
•การจับคู่ค่าความต้านทาน
• VSWR และกำลังสะท้อน
•แบนด์วิดท์
• แบนด์วิดท์เป็นเปอร์เซ็นต์
•ความเข้มของรังสี

ต่อไปนี้เรามาดูรายละเอียดกันเลยดีกว่า

ความถี่:

ตามนิยามมาตรฐาน ความถี่คือจำนวนครั้งที่คลื่นเกิดขึ้นซ้ำต่อหน่วยเวลา กล่าวอย่างง่ายๆ ความถี่อธิบายว่าเหตุการณ์หนึ่งเกิดขึ้นบ่อยแค่ไหน คลื่นคาบจะเกิดขึ้นซ้ำทุกๆ T วินาที (หนึ่งคาบ) และความถี่ของมันคือส่วนกลับของคาบเวลา T

ในทางคณิตศาสตร์ สามารถแสดงได้ดังนี้:

$$f = \frac{1}{T}$$

• F แทนความถี่ของคลื่นคาบ ขณะที่

• T คือเวลาที่ใช้ในการดำเนินการครบวงจรหนึ่งรอบ

ความถี่มีหน่วยวัดเป็นเฮิรตซ์ ซึ่งย่อว่า Hz

ภาพด้านบนแสดงคลื่นไซน์ โดยพล็อตค่าแรงดันไฟฟ้า (หน่วยเป็น mV) เป็นฟังก์ชันของเวลา (หน่วยเป็น ms) รูปคลื่นนี้จะซ้ำกันทุกๆ 2t มิลลิวินาที ดังนั้น คาบเวลา T = 2t ms และความถี่ f = 1/(2t) kHz

ความยาวคลื่น:

ตามนิยามมาตรฐาน ระยะห่างระหว่างยอดคลื่นสองยอดที่อยู่ติดกัน หรือระหว่างท้องคลื่นสองท้องที่อยู่ติดกัน เรียกว่า ความยาวคลื่น

กล่าวโดยง่าย ความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างยอดคลื่นบวกที่อยู่ติดกันสองยอด หรือยอดคลื่นลบที่อยู่ติดกันสองยอด รูปด้านล่างแสดงรูปคลื่นแบบเป็นคาบ โดยมีความยาวคลื่น (λ) และแอมพลิจูดกำกับไว้ ยิ่งความถี่สูง ความยาวคลื่นก็จะยิ่งสั้น และในทางกลับกัน

สูตรสำหรับความยาวคลื่นคือ:

$$\lambda = \frac{c}{f}$$

•λ แทนความยาวคลื่น

• C คือความเร็วแสง (3 × 10^8 เมตรต่อวินาที)

•F คือความถี่

ความยาวคลื่น λ แสดงในหน่วยความยาว เช่น เมตร ฟุต หรือนิ้ว หน่วยที่ใช้กันทั่วไปคือเมตร

การจับคู่ความต้านทาน:

ตามนิยามมาตรฐาน การจับคู่ความต้านทานเกิดขึ้นเมื่อความต้านทานของตัวส่งมีค่าใกล้เคียงกับความต้านทานของตัวรับสัญญาณ

จำเป็นต้องมีการจับคู่ค่าความต้านทานระหว่างเสาอากาศและวงจร ค่าความต้านทานของเสาอากาศ สายส่ง และวงจรควรตรงกันเพื่อให้สามารถส่งผ่านพลังงานได้สูงสุดระหว่างเสาอากาศและเครื่องรับหรือเครื่องส่งสัญญาณ

ความจำเป็นในการจับคู่
อุปกรณ์เรโซแนนซ์สามารถให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดภายในช่วงความถี่แคบๆ บางช่วง เช่นเดียวกับเสาอากาศที่เป็นอุปกรณ์เรโซแนนซ์ ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้นเมื่อค่าอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศได้รับการจับคู่ให้เหมาะสม

•เมื่อค่าความต้านทานของเสาอากาศตรงกับค่าความต้านทานของพื้นที่ว่าง พลังงานที่แผ่กระจายออกมาจากเสาอากาศจะถูกส่งผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ

•สำหรับเสาอากาศรับสัญญาณ อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเสาอากาศควรตรงกับอิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรขยายสัญญาณรับสัญญาณ

•สำหรับเสาอากาศส่งสัญญาณ อิมพีแดนซ์อินพุตของเสาอากาศควรตรงกับอิมพีแดนซ์เอาต์พุตของเครื่องขยายสัญญาณส่งสัญญาณ รวมถึงอิมพีแดนซ์เฉพาะของสายส่งสัญญาณด้วย

ค่าความต้านทานเชิงอิมพีแดนซ์มีหน่วยเป็นโอห์ม โดยใช้สัญลักษณ์ Z แทน

VSWR และกำลังสะท้อน:

ตามนิยามมาตรฐาน อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดต่อแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดในคลื่นนิ่งเรียกว่า อัตราส่วนแรงดันไฟฟ้าของคลื่นนิ่ง (VSWR)

เมื่อค่าความต้านทานของเสาอากาศ สายส่ง และวงจรไม่ตรงกัน พลังงานจะไม่สามารถแผ่กระจายได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่พลังงานส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับมา

ลักษณะสำคัญมีดังนี้ —

• พารามิเตอร์ที่บ่งชี้ระดับความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์เรียกว่า อัตราส่วนคลื่นนิ่งแรงดันไฟฟ้า (VSWR)

• VSWR ย่อมาจาก Voltage Standing Wave Ratio และมักเรียกกันว่า SWR

•ยิ่งค่าอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันมากเท่าไร ค่า VSWR ก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

• เพื่อให้ได้ผลการแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพ ค่า VSWR ที่เหมาะสมควรเป็น 1:1

• กำลังสะท้อน หมายถึง ส่วนหนึ่งของกำลังส่งที่สูญเปล่า กำลังสะท้อนและ VSWR อธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพเดียวกันจากมุมมองที่แตกต่างกัน

แบนด์วิดท์:

ตามคำจำกัดความมาตรฐาน แถบความถี่ภายในช่วงความยาวคลื่นที่กำหนดไว้สำหรับการสื่อสารเฉพาะอย่างหนึ่ง เรียกว่า แบนด์วิดท์

เมื่อมีการส่งหรือรับสัญญาณ สัญญาณจะทำงานภายในช่วงความถี่ที่กำหนดไว้ ช่วงความถี่เฉพาะนี้จะถูกกำหนดให้กับสัญญาณนั้นๆ เพื่อป้องกันการรบกวนจากสัญญาณอื่นๆ ในระหว่างการส่ง

•แบนด์วิดท์ หมายถึงช่วงความถี่ระหว่างขีดจำกัดความถี่สูงและขีดจำกัดความถี่ต่ำของการส่งสัญญาณ

•เมื่อมีการจัดสรรแบนด์วิดท์แล้ว จะไม่สามารถให้ผู้อื่นใช้งานได้อีก

•คลื่นความถี่ทั้งหมดถูกแบ่งออกเป็นช่วงแบนด์วิดท์ โดยแต่ละช่วงจะถูกกำหนดให้กับเครื่องส่งสัญญาณที่แตกต่างกัน

แบนด์วิดท์ที่เราเพิ่งกล่าวถึงไปนั้น อาจเรียกได้ว่าเป็นแบนด์วิดท์สัมบูรณ์ก็ได้

เปอร์เซ็นต์แบนด์วิดท์:

ตามนิยามมาตรฐาน อัตราส่วนของแบนด์วิดท์สัมบูรณ์ต่อความถี่ศูนย์กลางเรียกว่า แบนด์วิดท์เปอร์เซ็นต์

ความถี่ภายในย่านความถี่ที่ความแรงของสัญญาณถึงค่าสูงสุด เรียกว่า ความถี่เรโซแนนซ์ หรือที่รู้จักกันในชื่อความถี่ศูนย์กลางของย่านความถี่ ซึ่งใช้สัญลักษณ์ fC

•ความถี่สูงและต่ำของแถบคลื่นจะถูกกำหนดโดย fH และ fL ตามลำดับ

•แบนด์วิดท์สัมบูรณ์กำหนดโดย fH − fL

• ในการประเมินความกว้างของแถบความถี่ จำเป็นต้องคำนวณแบนด์วิดท์แบบเศษส่วนหรือแบนด์วิดท์แบบเปอร์เซ็นต์

การคำนวณแบนด์วิดท์เป็นเปอร์เซ็นต์นั้นเพื่อทำความเข้าใจช่วงความแปรผันของความถี่ที่ส่วนประกอบหรือระบบสามารถรองรับได้

•fH หมายถึงความถี่ที่สูงกว่า

• fL หมายถึงความถี่ต่ำ

•fc หมายถึงความถี่ศูนย์กลาง

ยิ่งค่าเปอร์เซ็นต์แบนด์วิดท์สูงเท่าไร แบนด์วิดท์ของช่องสัญญาณก็จะยิ่งกว้างขึ้นเท่านั้น

ความเข้มของรังสี:

ความเข้มของการแผ่รังสีถูกกำหนดให้เป็นกำลังที่แผ่รังสีต่อหน่วยมุมตัน

เสาอากาศจะแผ่รังสีอย่างเข้มข้นในบางทิศทาง ซึ่งสอดคล้องกับความเข้มของการแผ่รังสีสูงสุด ระยะการแผ่รังสีสูงสุดที่เป็นไปได้จะถูกกำหนดโดยความเข้มของการแผ่รังสี

นิพจน์คณิตศาสตร์
ความเข้มของการแผ่รังสีได้มาจากการคูณความหนาแน่นของกำลังการแผ่รังสีด้วยกำลังสองของระยะทางรัศมี: