ข่าวสาร - การแนะนำและการจำแนกประเภทเสาอากาศทั่วไปบางชนิด

1. บทนำเกี่ยวกับเสาอากาศ
เสาอากาศเป็นโครงสร้างการเปลี่ยนผ่านระหว่างพื้นที่ว่างและสายส่ง ดังที่แสดงในรูปที่ 1 สายส่งอาจเป็นแบบสายโคแอกเซียลหรือท่อกลวง (ท่อนำคลื่น) ซึ่งใช้ในการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งไปยังเสาอากาศ หรือจากเสาอากาศไปยังเครื่องรับ เสาอากาศเป็นเสาอากาศส่งสัญญาณ และเสาอากาศเป็นเสาอากาศรับสัญญาณ

รูปที่ 1 เส้นทางการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (แหล่งกำเนิด-เส้นส่ง-ช่องว่างไม่มีเสาอากาศ)

การส่งสัญญาณของระบบเสาอากาศในโหมดการส่งสัญญาณของรูปที่ 1 แสดงโดยค่าเทียบเท่า Thevenin ตามที่แสดงในรูปที่ 2 โดยที่แหล่งที่มาแสดงโดยเครื่องกำเนิดสัญญาณในอุดมคติ เส้นส่งสัญญาณแสดงโดยเส้นที่มีลักษณะอิมพีแดนซ์ Zc และเสาอากาศแสดงโดยโหลด ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] ความต้านทานโหลด RL แสดงถึงการสูญเสียการนำและไดอิเล็กตริกที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างเสาอากาศ ในขณะที่ Rr แสดงถึงความต้านทานการแผ่รังสีของเสาอากาศ และรีแอคแตนซ์ XA ใช้เพื่อแสดงส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีเสาอากาศ ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม พลังงานทั้งหมดที่สร้างโดยแหล่งที่มาของสัญญาณควรถ่ายโอนไปยังความต้านทานการแผ่รังสี Rr ซึ่งใช้เพื่อแสดงความสามารถในการแผ่รังสีของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง มีการสูญเสียตัวนำ-ไดอิเล็กตริกเนื่องจากลักษณะของเส้นส่งสัญญาณและเสาอากาศ รวมถึงการสูญเสียที่เกิดจากการสะท้อน (ไม่ตรงกัน) ระหว่างเส้นส่งสัญญาณและเสาอากาศ เมื่อพิจารณาถึงค่าอิมพีแดนซ์ภายในของแหล่งกำเนิดและละเลยการสูญเสียของสายส่งและแสงสะท้อน (ไม่ตรงกัน) พลังงานสูงสุดจะถูกจ่ายให้กับเสาอากาศภายใต้การจับคู่แบบคอนจูเกต

รูปที่ 2

เนื่องจากความไม่ตรงกันระหว่างสายส่งและเสาอากาศ คลื่นสะท้อนจากอินเทอร์เฟซจึงซ้อนทับกับคลื่นตกกระทบจากแหล่งกำเนิดไปยังเสาอากาศเพื่อสร้างคลื่นนิ่ง ซึ่งแสดงถึงการรวมตัวและการเก็บพลังงาน และเป็นอุปกรณ์เรโซแนนซ์ทั่วไป รูปแบบคลื่นนิ่งทั่วไปแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 2 หากระบบเสาอากาศไม่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม สายส่งอาจทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบการเก็บพลังงานได้ในระดับมาก แทนที่จะเป็นท่อนำคลื่นและอุปกรณ์ส่งพลังงาน
การสูญเสียที่เกิดจากสายส่ง เสาอากาศ และคลื่นนิ่งนั้นเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ การสูญเสียของสายส่งสามารถลดน้อยลงได้โดยการเลือกสายส่งที่มีการสูญเสียต่ำ ในขณะที่การสูญเสียของเสาอากาศสามารถลดน้อยลงได้โดยการลดความต้านทานการสูญเสียที่แสดงด้วย RL ในรูปที่ 2 สามารถลดคลื่นนิ่งและลดการเก็บพลังงานในสายส่งได้โดยการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ (โหลด) กับค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่ง
ในระบบไร้สาย นอกเหนือจากการรับหรือส่งพลังงานแล้ว เสาอากาศยังจำเป็นสำหรับการเพิ่มพลังงานที่แผ่ออกไปในทิศทางที่แน่นอนและระงับพลังงานที่แผ่ออกไปในทิศทางอื่นๆ ดังนั้น นอกเหนือจากอุปกรณ์ตรวจจับแล้ว เสาอากาศยังต้องใช้เป็นอุปกรณ์กำหนดทิศทางด้วย เสาอากาศสามารถมีรูปแบบต่างๆ เพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ อาจเป็นสาย รูรับ แพทช์ ชุดองค์ประกอบ (อาร์เรย์) ตัวสะท้อนแสง เลนส์ ฯลฯ

ในระบบสื่อสารไร้สาย เสาอากาศถือเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่ง การออกแบบเสาอากาศที่ดีสามารถลดความต้องการของระบบและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้ ตัวอย่างคลาสสิกคือโทรทัศน์ ซึ่งสามารถปรับปรุงการรับสัญญาณออกอากาศได้ด้วยการใช้เสาอากาศประสิทธิภาพสูง เสาอากาศมีความสำคัญต่อระบบสื่อสารเช่นเดียวกับดวงตาของมนุษย์

2. การจำแนกประเภทเสาอากาศ
1. เสาอากาศแบบสาย
เสาอากาศแบบสายเป็นประเภทเสาอากาศที่พบได้ทั่วไปที่สุดชนิดหนึ่ง เนื่องจากพบได้แทบทุกที่ ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ อาคาร เรือ เครื่องบิน ยานอวกาศ เป็นต้น เสาอากาศแบบสายมีหลากหลายรูปทรง เช่น เส้นตรง (ไดโพล) ห่วง เกลียว ดังแสดงในรูปที่ 3 เสาอากาศแบบห่วงไม่จำเป็นต้องเป็นทรงกลมเท่านั้น แต่ยังอาจเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า สี่เหลี่ยมจัตุรัส วงรี หรือรูปทรงอื่นๆ ก็ได้ เสาอากาศแบบวงกลมเป็นประเภทที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุด เนื่องจากมีโครงสร้างที่เรียบง่าย

รูปที่ 3

2. เสาอากาศช่องรับแสง
เสาอากาศช่องรับส่งสัญญาณมีบทบาทมากขึ้นเนื่องจากความต้องการเสาอากาศรูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นและการใช้ความถี่ที่สูงขึ้น เสาอากาศช่องรับส่งสัญญาณบางรูปแบบ (เสาอากาศทรงพีระมิด ทรงกรวย และทรงสี่เหลี่ยม) แสดงอยู่ในรูปที่ 4 เสาอากาศประเภทนี้มีประโยชน์มากสำหรับการใช้งานบนเครื่องบินและยานอวกาศ เนื่องจากสามารถติดตั้งบนเปลือกนอกของเครื่องบินหรือยานอวกาศได้อย่างสะดวก นอกจากนี้ ยังสามารถหุ้มด้วยวัสดุฉนวนไฟฟ้าเพื่อป้องกันเสาอากาศจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

รูปที่ 4

3.เสาอากาศไมโครสตริป
เสาอากาศไมโครสตริปได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงทศวรรษ 1970 โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับดาวเทียม เสาอากาศประกอบด้วยซับสเตรตไดอิเล็กทริกและแผ่นโลหะ แผ่นโลหะอาจมีรูปร่างต่างๆ มากมาย และเสาอากาศแบบแผ่นสี่เหลี่ยมที่แสดงในรูปที่ 5 ถือเป็นรูปแบบที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุด เสาอากาศไมโครสตริปมีโปรไฟล์ต่ำ เหมาะสำหรับพื้นผิวเรียบและไม่เรียบ ผลิตได้ง่ายและราคาไม่แพง มีความทนทานสูงเมื่อติดตั้งบนพื้นผิวแข็ง และเข้ากันได้กับการออกแบบ MMIC สามารถติดตั้งบนพื้นผิวของเครื่องบิน ยานอวกาศ ดาวเทียม ขีปนาวุธ รถยนต์ และแม้แต่อุปกรณ์เคลื่อนที่ และสามารถออกแบบให้เป็นไปตามรูปร่างได้

รูปที่ 5

4. เสาอากาศแบบอาร์เรย์
ลักษณะการแผ่รังสีที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันจำนวนมากอาจไม่สามารถทำได้ด้วยองค์ประกอบเสาอากาศเพียงชิ้นเดียว อาร์เรย์เสาอากาศสามารถแผ่รังสีจากองค์ประกอบที่สังเคราะห์ขึ้นเพื่อผลิตรังสีสูงสุดในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงหนึ่งทิศทางขึ้นไป ตัวอย่างทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 6

รูปที่ 6

5. เสาอากาศรีเฟลกเตอร์
ความสำเร็จของการสำรวจอวกาศยังนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของทฤษฎีเสาอากาศ เนื่องจากความจำเป็นในการสื่อสารระยะไกลพิเศษ จึงจำเป็นต้องใช้เสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงมากในการส่งและรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ ในการใช้งานนี้ เสาอากาศแบบพาราโบลาที่นิยมใช้กันคือเสาอากาศประเภทนี้ ดังแสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศประเภทนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 305 เมตรหรือมากกว่า และจำเป็นต้องมีขนาดใหญ่ถึงจะได้อัตราขยายสูงที่จำเป็นในการส่งหรือรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ อีกรูปแบบหนึ่งของตัวสะท้อนแสงคือตัวสะท้อนแสงแบบมุม ดังแสดงในรูปที่ 7 (c)

รูปที่ 7

6. เสาอากาศเลนส์
เลนส์ถูกใช้เป็นหลักในการรวมพลังงานที่กระจัดกระจายที่ตกกระทบเพื่อป้องกันไม่ให้พลังงานกระจายไปในทิศทางที่ไม่ต้องการ โดยการเปลี่ยนรูปทรงของเลนส์อย่างเหมาะสมและเลือกวัสดุที่เหมาะสม เลนส์สามารถแปลงพลังงานที่แยกออกจากกันในรูปแบบต่างๆ ให้เป็นคลื่นระนาบได้ เลนส์สามารถใช้ในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ เช่น เสาอากาศแบบรีเฟลกเตอร์พาราโบลา โดยเฉพาะที่ความถี่สูง และขนาดและน้ำหนักของเลนส์จะใหญ่ขึ้นมากที่ความถี่ต่ำ เสาอากาศเลนส์จะถูกจำแนกตามวัสดุที่ใช้สร้างหรือรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งบางส่วนแสดงไว้ในรูปที่ 8