พารามิเตอร์ที่มีประโยชน์ในการคำนวณกำลังรับของเสาอากาศคือพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพหรือรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพสมมติว่าคลื่นระนาบที่มีโพลาไรเซชันเดียวกันกับเสาอากาศรับสัญญาณตกกระทบเสาอากาศ และสมมติว่าคลื่นกำลังเคลื่อนที่เข้าหาเสาอากาศในทิศทางที่เสาอากาศแผ่รังสีออกมาสูงสุด (ทิศทางที่รับพลังงานได้มากที่สุด)
จากนั้นก็รูรับแสงที่มีประสิทธิภาพพารามิเตอร์อธิบายว่ามีพลังงานเท่าใดที่ถูกจับได้จากคลื่นระนาบที่กำหนด ให้pเป็นความหนาแน่นกำลังของคลื่นระนาบ (หน่วยเป็น W/m^2) ถ้าพีทีแสดงถึงกำลังไฟ (เป็นวัตต์) ที่ขั้วเสาอากาศที่ใช้ได้กับตัวรับของเสาอากาศ จากนั้น:
ดังนั้น พื้นที่ที่มีประสิทธิภาพจึงเป็นเพียงตัวแทนของปริมาณพลังงานที่รับมาจากคลื่นระนาบและส่งผ่านเสาอากาศ พื้นที่นี้คำนวณจากการสูญเสียพลังงานภายในเสาอากาศ (การสูญเสียพลังงานแบบโอห์มมิก การสูญเสียพลังงานแบบไดอิเล็กทริก ฯลฯ)
ความสัมพันธ์โดยทั่วไปสำหรับรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพในแง่ของค่าเกนเสาอากาศสูงสุด (G) ของเสาอากาศใดๆ จะได้รับจาก:
รูรับแสงที่มีประสิทธิภาพหรือพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพสามารถวัดได้บนเสาอากาศจริงโดยการเปรียบเทียบกับเสาอากาศที่ทราบที่มีรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพที่กำหนดไว้ หรือโดยการคำนวณโดยใช้ค่าเกนที่วัดได้และสมการข้างต้น
รูรับแสงจริงจะเป็นแนวคิดที่มีประโยชน์สำหรับการคำนวณกำลังรับจากคลื่นระนาบ หากต้องการดูการทำงานจริง โปรดไปที่หัวข้อถัดไปเกี่ยวกับสูตรการส่งสัญญาณ Friis
สมการการส่งผ่าน Friis
ในหน้านี้ เราจะแนะนำสมการพื้นฐานที่สุดสมการหนึ่งในทฤษฎีเสาอากาศสมการการส่งสัญญาณ Friisสมการการส่งสัญญาณ Friis ใช้ในการคำนวณพลังงานที่ได้รับจากเสาอากาศหนึ่งอัน (พร้อมค่าขยายG1) เมื่อส่งจากเสาอากาศอื่น (มีเกนG2) คั่นด้วยระยะห่างRและทำงานที่ความถี่fหรือความยาวคลื่นแลมบ์ดา ควรอ่านหน้านี้ซ้ำสองรอบเพื่อทำความเข้าใจให้ครบถ้วน
ที่มาของสูตรการส่ง Friis
ในการเริ่มต้นการหาสมการ Friis ให้พิจารณาเสาอากาศสองเสาในพื้นที่ว่าง (ไม่มีสิ่งกีดขวางใกล้เคียง) ที่แยกจากกันด้วยระยะห่างR:
สมมติว่า ( ) กำลังไฟฟ้ารวม (W) ถูกส่งไปยังเสาอากาศส่งสัญญาณ ในขณะนี้ สมมติว่าเสาอากาศส่งสัญญาณเป็นแบบรอบทิศทาง ไม่มีการสูญเสีย และเสาอากาศรับสัญญาณอยู่ในสนามไกลของเสาอากาศส่งสัญญาณ จากนั้นความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าp(เป็นวัตต์ต่อตารางเมตร) ของคลื่นระนาบที่ตกกระทบเสาอากาศรับสัญญาณในระยะทางRจากเสาอากาศส่งสัญญาณจะได้จาก:
รูปที่ 1 เสาอากาศส่ง (Tx) และรับ (Rx) คั่นด้วยR.
หากเสาอากาศส่งสัญญาณมีค่าเกนของเสาอากาศในทิศทางของเสาอากาศรับสัญญาณที่กำหนดโดย ( ) สมการความหนาแน่นของพลังงานด้านบนจะกลายเป็น:
เทอมเกนมีผลต่อทิศทางและการสูญเสียของเสาอากาศจริง สมมติว่าเสาอากาศรับสัญญาณมีรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพตามที่กำหนดโดย-. จากนั้นกำลังที่ได้รับจากเสาอากาศนี้ ( ) จะได้รับจาก:
เนื่องจากรูรับแสงที่มีประสิทธิภาพสำหรับเสาอากาศใดๆ ก็สามารถแสดงได้ดังนี้:
กำลังที่ได้รับผลลัพธ์สามารถเขียนได้ดังนี้:
สมการที่ 1
สูตรนี้เรียกว่าสูตรการส่งสัญญาณ Friis ซึ่งเชื่อมโยงการสูญเสียเส้นทางในอวกาศว่าง อัตราขยายของเสาอากาศ และความยาวคลื่นกับกำลังรับและส่ง นี่เป็นหนึ่งในสมการพื้นฐานในทฤษฎีเสาอากาศ และควรจดจำไว้ (เช่นเดียวกับที่มาข้างต้น)
สมการการส่งผ่านฟริสอีกรูปแบบหนึ่งที่มีประโยชน์แสดงอยู่ในสมการ [2] เนื่องจากความยาวคลื่นและความถี่ f มีความสัมพันธ์กันตามความเร็วแสง c (ดูหน้าบทนำเกี่ยวกับความถี่) เราจึงได้สูตรการส่งผ่านฟริสในรูปของความถี่:
สมการที่ 2
สมการ [2] แสดงให้เห็นว่ามีการสูญเสียพลังงานมากขึ้นที่ความถี่สูงขึ้น นี่เป็นผลลัพธ์พื้นฐานของสมการการส่งสัญญาณ Friis ซึ่งหมายความว่าสำหรับเสาอากาศที่มีค่าเกนที่กำหนด การถ่ายโอนพลังงานจะสูงที่สุดที่ความถี่ต่ำ ความแตกต่างระหว่างพลังงานที่ได้รับและพลังงานที่ส่งออกเรียกว่าการสูญเสียเส้นทาง สมการการส่งสัญญาณ Friis กล่าวในอีกนัยหนึ่งว่าการสูญเสียเส้นทางจะสูงขึ้นที่ความถี่สูงขึ้น ความสำคัญของผลลัพธ์นี้จากสูตรการส่งสัญญาณ Friis นั้นไม่สามารถกล่าวเกินจริงได้ นี่คือเหตุผลที่โทรศัพท์มือถือโดยทั่วไปทำงานที่ความถี่ต่ำกว่า 2 GHz อาจมีสเปกตรัมความถี่มากขึ้นที่ความถี่สูงขึ้น แต่การสูญเสียเส้นทางที่เกี่ยวข้องจะไม่ทำให้การรับสัญญาณมีคุณภาพ ผลเพิ่มเติมจากสมการการส่งสัญญาณ Friis สมมติว่าคุณถูกถามเกี่ยวกับเสาอากาศ 60 GHz เมื่อทราบว่าความถี่นี้สูงมาก คุณอาจระบุว่าการสูญเสียเส้นทางจะสูงเกินไปสำหรับการสื่อสารระยะไกล ซึ่งคุณถูกต้องอย่างแน่นอน ที่ความถี่สูงมาก (บางครั้ง 60 GHz เรียกว่าช่วงมิลลิเมตร (คลื่นมิลลิเมตร)) การสูญเสียเส้นทางจะสูงมาก ดังนั้นจึงสามารถสื่อสารแบบจุดต่อจุดได้เท่านั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อเครื่องรับและเครื่องส่งอยู่ในห้องเดียวกันและหันหน้าเข้าหากัน เพิ่มเติมจากสูตรการส่งสัญญาณ Friis คุณคิดว่าผู้ให้บริการโทรศัพท์มือถือพอใจกับย่านความถี่ LTE (4G) ใหม่ที่ทำงานที่ 700MHz หรือไม่ คำตอบคือใช่: นี่คือความถี่ที่ต่ำกว่าเสาอากาศที่ใช้งานโดยทั่วไป แต่จากสมการ [2] เราพบว่าการสูญเสียเส้นทางจะต่ำกว่าเช่นกัน ดังนั้น พวกเขาจึงสามารถ "ครอบคลุมพื้นที่ได้มากขึ้น" ด้วยสเปกตรัมความถี่นี้ และผู้บริหารของ Verizon Wireless เพิ่งเรียกสเปกตรัมนี้ว่า "สเปกตรัมคุณภาพสูง" ด้วยเหตุผลนี้โดยเฉพาะ หมายเหตุ: ในทางกลับกัน ผู้ผลิตโทรศัพท์มือถือจะต้องติดตั้งเสาอากาศที่มีความยาวคลื่นมากกว่าในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัด (ความถี่ต่ำกว่า = ความยาวคลื่นที่มากกว่า) ดังนั้นงานของผู้ออกแบบเสาอากาศจึงซับซ้อนขึ้นเล็กน้อย!
สุดท้าย หากเสาอากาศไม่ตรงกันเรื่องโพลาไรเซชัน กำลังไฟฟ้าที่รับได้ข้างต้นสามารถคูณด้วยค่า Polarization Loss Factor (PLF) เพื่ออธิบายความไม่ตรงกันนี้ได้อย่างเหมาะสม สมการ [2] ข้างต้นสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อสร้างสูตรการส่งสัญญาณ Friis ทั่วไป ซึ่งรวมถึงความไม่ตรงกันเรื่องโพลาไรเซชันด้วย:
สมการที่ 3
เวลาโพสต์: 8 ม.ค. 2567

