เสาอากาศแบบเกลียว: หลักการทำงาน โหมดการแผ่รังสี โพลาไรเซชัน และการใช้งาน

การโพลาไรซ์แบบวงกลมมือขวาและมือซ้าย

ข้อดีสำคัญประการหนึ่งของเสาอากาศแบบเกลียวในโหมดแกนคือความสามารถโดยธรรมชาติในการสร้างโพลาไรเซชันแบบวงกลม

ขึ้นอยู่กับทิศทางการพันและทิศทางการแผ่รังสี โครงสร้างเกลียวสามารถออกแบบให้เกิดผลลัพธ์ได้สองอย่างคือ:

• RHCP — การโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวา
• LHCP — การโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย

การโพลาไรซ์แบบวงกลมมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อทิศทางสัมพัทธ์ระหว่างเสาอากาศส่งและรับไม่สามารถคงที่ได้

ตัวอย่างเช่น ดาวเทียม ยานอวกาศ แพลตฟอร์มบนอากาศ ระบบหมุน และอุปกรณ์สื่อสารเคลื่อนที่ อาจมีการเปลี่ยนแปลงทิศทางอย่างต่อเนื่อง เสาอากาศแบบโพลาไรซ์วงกลมสามารถลดความไวของลิงค์การสื่อสารต่อการเปลี่ยนแปลงเชิงมุมนี้ได้

การจับคู่โพลาไรเซชันยังคงมีความสำคัญ เสาอากาศ RHCP ควรสื่อสารกับเสาอากาศ RHCP ในอุดมคติ ในขณะที่เสาอากาศ LHCP ควรจับคู่กับเสาอากาศ LHCP โดยทั่วไป โพลาไรเซชันแบบวงกลมที่ตรงข้ามกันอาจส่งผลให้เกิดการสูญเสียโพลาไรเซชันอย่างมาก

สำหรับการประเมินทางวิศวกรรมอัตราส่วนแกนอัตราส่วนแกน (axial ratio) มักใช้เพื่ออธิบายคุณภาพของการโพลาไรซ์แบบวงกลม คลื่นโพลาไรซ์แบบวงกลมในอุดมคติจะมีอัตราส่วนแกนเท่ากับ 0 dB ในขณะที่เสาอากาศโพลาไรซ์แบบวงกลมที่ใช้งานจริงมักได้รับการประเมินเทียบกับข้อกำหนดอัตราส่วนแกนที่ระบุไว้ในช่วงความถี่และช่วงมุมที่ต้องการ

ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของเสาอากาศแบบเกลียว

พฤติกรรมของเสาอากาศแบบเกลียวมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับรูปทรงเรขาคณิตของมัน

พารามิเตอร์การออกแบบที่สำคัญ ได้แก่:

เส้นรอบวงเกลียว

ความสัมพันธ์ระหว่างเส้นรอบวงและความยาวคลื่นมีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าเสาอากาศจะทำงานในโหมดปกติหรือโหมดแกน

ระยะห่างในการเลี้ยว

ระยะห่างระหว่างขดลวดส่งผลต่อความสัมพันธ์ของเฟสระหว่างกระแสไฟฟ้าในขดลวดที่อยู่ติดกัน และด้วยเหตุนี้จึงมีอิทธิพลต่อทิศทางของลำแสง อิมพีแดนซ์ และโพลาไรเซชัน

มุมเอียง

มุมพิทช์อธิบายถึงความเร็วในการเคลื่อนที่ของเกลียวไปตามแกน ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการรักษาเสถียรภาพของพฤติกรรมโหมดแกน

จำนวนรอบ

โดยทั่วไปแล้ว จำนวนรอบที่มากขึ้นจะเพิ่มขนาดของช่องรับสัญญาณไฟฟ้าและสามารถให้ทิศทางการรับส่งสัญญาณที่สูงขึ้นได้ แต่ก็ทำให้ความยาวของเสาอากาศและความซับซ้อนทางกลเพิ่มขึ้นด้วย

ระนาบพื้นดิน

ขนาดและรูปทรงของแผ่นสะท้อนแสงมีผลต่อรูปแบบการแผ่รังสีไปข้างหน้า ความต้านทาน และการแผ่รังสีไปด้านหลัง

การป้อนสัญญาณและการจับคู่ความต้านทาน

แม้จะมีขนาดเกลียวที่ถูกต้องแล้ว การจับคู่ความต้านทานที่ไม่ดีอาจทำให้กำลังสะท้อนเพิ่มขึ้นและลดประสิทธิภาพของเสาอากาศที่ใช้งานได้จริง ดังนั้นการออกแบบในทางปฏิบัติจึงจำเป็นต้องประเมินการสูญเสียการสะท้อนกลับหรือ VSWR ควบคู่ไปกับลักษณะการแผ่รังสี

รูปแบบการแผ่รังสีและอัตราขยาย

ในโหมดแกนหมุน เสาอากาศแบบเกลียวจะสร้างลำแสงหลักที่อยู่กึ่งกลางโดยประมาณตามแนวแกนเกลียว

โดยทั่วไปแล้ว เมื่อความยาวทางไฟฟ้าและจำนวนรอบเพิ่มขึ้น ลำแสงหลักจะแคบลง และทิศทางของเสาอากาศจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ อาจมีคลื่นรบกวนด้านข้างปรากฏขึ้น โดยเฉพาะในโครงสร้างที่ยาวเกินไปหรือไม่ได้ปรับให้เหมาะสม

ดังนั้น ไม่ควรประเมินเสาอากาศจากอัตราขยายเพียงอย่างเดียว วิศวกรโดยทั่วไปจะพิจารณาคุณลักษณะหลายอย่างร่วมกัน:

• ได้รับ
• กำไรที่เกิดขึ้นจริง
• ความกว้างลำแสงครึ่งกำลัง
• อัตราส่วนแกน
• VSWR หรือค่าการสูญเสียการสะท้อนกลับ
• อัตราส่วนหน้าต่อหลัง
• ระดับกลีบข้าง
• ความบริสุทธิ์ของการโพลาไรเซชัน
• ประสิทธิภาพการแผ่รังสี

การผสมผสานพารามิเตอร์เหล่านี้ทำให้ได้ภาพรวมของประสิทธิภาพเสาอากาศที่สมบูรณ์กว่าการใช้ค่าอัตราขยายเพียงค่าเดียว

ข้อดีของเสาอากาศแบบเกลียว

เสาอากาศแบบเกลียวมีข้อดีทางวิศวกรรมที่เป็นประโยชน์หลายประการ:

• โครงสร้างเชิงกลที่ค่อนข้างเรียบง่าย
• ความสามารถในการสร้างโพลาไรเซชันแบบวงกลมตามธรรมชาติในโหมดแกน
• แบนด์วิดท์การทำงานที่มีประโยชน์
• ประสิทธิภาพการกำหนดทิศทางที่ดี
• รูปทรงเรขาคณิตที่ปรับขนาดได้สำหรับช่วงความถี่ต่างๆ
• การนำ RHCP หรือ LHCP ไปใช้ได้อย่างยืดหยุ่น
• เหมาะสำหรับเสาอากาศเดี่ยวหรือเสาอากาศแบบอาร์เรย์

ข้อจำกัดด้านการออกแบบ

นอกจากนี้ยังมีปัจจัยอีกหลายประการที่ต้องพิจารณา:

• การออกแบบโหมดแกนอาจต้องใช้ความยาวทางกายภาพมากพอสมควร
• โดยทั่วไปแล้ว การขยายสัญญาณที่สูงขึ้นจะต้องการจำนวนรอบที่มากขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้เสาอากาศที่ยาวขึ้น
• ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับความแม่นยำทางเรขาคณิตเป็นอย่างมาก
• มิติของระนาบพื้นดินมีผลต่อลักษณะการแผ่รังสี
• การจับคู่ฟีดต้องได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม
• การรองรับทางกลจะมีความสำคัญมากขึ้นเมื่อจำนวนรอบการเลี้ยวสูงขึ้น
• ทิศทางการโพลาไรซ์แบบวงกลมที่ตรงข้ามกันสามารถทำให้เกิดการสูญเสียจากการไม่ตรงกันของโพลาไรซ์สูง

การใช้งานทั่วไป

เสาอากาศแบบเกลียวสามารถพบได้ในระบบ RF หลากหลายประเภท รวมถึง:

• การสื่อสารผ่านดาวเทียม
• ระบบส่งข้อมูลทางไกลและการติดตามยานอวกาศ
• การสื่อสารสถานีภาคพื้นดิน
• ดาราศาสตร์วิทยุ
• ระบบสื่อสารทางอากาศและอวกาศ
• ระบบส่งข้อมูลทางไกล RF
• การเชื่อมต่อแบบกำหนดทิศทาง VHF และ UHF
• การสำรวจระยะไกล
• การวัดและการวิจัยเสาอากาศ
• การทดลองโพลาไรเซชันแบบวงกลม
• การทดสอบระบบการสื่อสาร

เหตุใดเสาอากาศแบบเกลียวจึงมีความสำคัญในวิศวกรรมคลื่นวิทยุ

เสาอากาศแบบเกลียวเป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมที่แสดงให้เห็นว่ารูปทรงเรขาคณิตของเสาอากาศมีผลต่อพฤติกรรมทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างไร

ด้วยการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น เส้นรอบวง ระยะห่าง มุมเอียง และจำนวนรอบ วิศวกรสามารถเปลี่ยนจากเสาอากาศแบบแผ่คลื่นด้านข้างขนาดกะทัดรัดไปเป็นเสาอากาศแบบโพลาไรซ์วงกลมที่มีทิศทางได้

ความสัมพันธ์ระหว่างรูปทรงทางกายภาพและประสิทธิภาพทางไฟฟ้ามีความสำคัญเช่นกันเมื่อศึกษาเทคโนโลยีเสาอากาศขั้นสูง เช่น เสาอากาศแบบฮอร์นโพลาไรซ์แบบวงกลม เสาอากาศแบบอาร์เรย์ เสาอากาศดาวเทียม เสาอากาศวัดแบบบรอดแบนด์ และระบบสื่อสารไมโครเวฟ

RF MISO พัฒนาเสาอากาศและส่วนประกอบไมโครเวฟสำหรับการทดสอบ RF การสื่อสาร เรดาร์ การวัดเสาอากาศ และการบูรณาการระบบ การทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐานของเสาอากาศ เช่น เสาอากาศแบบเกลียว ช่วยให้วิศวกรสามารถประเมินพารามิเตอร์ที่สำคัญได้ดียิ่งขึ้น รวมถึงช่วงความถี่ อัตราขยาย โพลาไรเซชัน อัตราส่วนแกน ความกว้างของลำแสง VSWR และรูปแบบการแผ่รังสี