ข่าวสาร - การแนะนำและการจำแนกประเภทเสาอากาศทั่วไปบางชนิด

1. บทนำเกี่ยวกับเสาอากาศ
เสาอากาศคือโครงสร้างที่ทำหน้าที่เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างพื้นที่ว่างและสายส่ง ดังแสดงในรูปที่ 1 สายส่งอาจอยู่ในรูปของสายโคแอกเซียลหรือท่อกลวง (ท่อนำคลื่น) ซึ่งใช้ในการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังเสาอากาศ หรือจากเสาอากาศไปยังเครื่องรับ โดยเสาอากาศเป็นเสาอากาศส่งสัญญาณ และเสาอากาศเป็นเสาอากาศรับสัญญาณ

รูปที่ 1 เส้นทางการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (แหล่งกำเนิด-สายส่ง-พื้นที่ว่างเสาอากาศ)

การส่งสัญญาณของระบบเสาอากาศในโหมดการส่งสัญญาณในรูปที่ 1 แสดงด้วยค่าเทียบเท่าเทเวนินดังแสดงในรูปที่ 2 โดยแหล่งกำเนิดสัญญาณแสดงด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณในอุดมคติ สายส่งแสดงด้วยเส้นที่มีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ Zc และเสาอากาศแสดงด้วยโหลด ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] ความต้านทานโหลด RL แสดงถึงการสูญเสียการนำไฟฟ้าและการสูญเสียไดอิเล็กทริกที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างเสาอากาศ ในขณะที่ Rr แสดงถึงความต้านทานการแผ่รังสีของเสาอากาศ และค่ารีแอกแตนซ์ XA ถูกใช้เพื่อแสดงส่วนจินตภาพของอิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีของเสาอากาศ ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม พลังงานทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิดสัญญาณควรถูกถ่ายโอนไปยังความต้านทานการแผ่รังสี Rr ซึ่งใช้เพื่อแสดงความสามารถในการแผ่รังสีของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง มีการสูญเสียระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริกอันเนื่องมาจากคุณสมบัติของสายส่งและเสาอากาศ รวมถึงการสูญเสียที่เกิดจากการสะท้อน (ความไม่ตรงกัน) ระหว่างสายส่งและเสาอากาศ เมื่อพิจารณาถึงค่าอิมพีแดนซ์ภายในของแหล่งกำเนิดและละเลยการสูญเสียของสายส่งและแสงสะท้อน (ไม่ตรงกัน) พลังงานสูงสุดจะถูกจ่ายให้กับเสาอากาศภายใต้การจับคู่แบบคอนจูเกต

รูปที่ 2

เนื่องจากความไม่ตรงกันระหว่างสายส่งและเสาอากาศ คลื่นสะท้อนจากอินเทอร์เฟซจึงซ้อนทับกับคลื่นตกกระทบจากแหล่งกำเนิดไปยังเสาอากาศ ก่อให้เกิดคลื่นนิ่ง ซึ่งแสดงถึงความเข้มข้นและการเก็บกักพลังงาน และเป็นอุปกรณ์เรโซแนนซ์ทั่วไป รูปแบบคลื่นนิ่งทั่วไปแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 2 หากระบบเสาอากาศไม่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสม สายส่งสามารถทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบการเก็บกักพลังงานได้เป็นส่วนใหญ่ แทนที่จะเป็นท่อนำคลื่นและอุปกรณ์ส่งพลังงาน
ความสูญเสียที่เกิดจากสายส่ง เสาอากาศ และคลื่นนิ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ การสูญเสียในสายส่งสามารถลดให้เหลือน้อยที่สุดได้โดยการเลือกสายส่งที่มีการสูญเสียต่ำ ในขณะที่การสูญเสียในเสาอากาศสามารถลดได้โดยการลดความต้านทานการสูญเสียที่แสดงด้วย RL ในรูปที่ 2 สามารถลดคลื่นนิ่งและลดการกักเก็บพลังงานในสายส่งได้โดยการจับคู่อิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ (โหลด) กับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายส่ง
ในระบบไร้สาย นอกเหนือจากการรับหรือส่งพลังงานแล้ว เสาอากาศยังจำเป็นสำหรับการเพิ่มพลังงานที่แผ่ออกไปในทิศทางที่กำหนดและลดพลังงานที่แผ่ออกไปในทิศทางอื่นๆ ดังนั้น นอกจากอุปกรณ์ตรวจจับแล้ว เสาอากาศยังต้องถูกใช้เป็นอุปกรณ์กำหนดทิศทางด้วย เสาอากาศสามารถมีได้หลายรูปแบบเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ เช่น สายไฟ ช่องรับแสง แพตช์ ชุดประกอบ (อาร์เรย์) ตัวสะท้อนแสง เลนส์ ฯลฯ

ในระบบสื่อสารไร้สาย เสาอากาศเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด การออกแบบเสาอากาศที่ดีสามารถลดความต้องการของระบบและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้ ตัวอย่างคลาสสิกคือโทรทัศน์ ซึ่งสามารถปรับปรุงการรับสัญญาณออกอากาศได้ด้วยการใช้เสาอากาศประสิทธิภาพสูง เสาอากาศมีความสำคัญต่อระบบสื่อสารเช่นเดียวกับดวงตาของมนุษย์

2. การจำแนกประเภทเสาอากาศ
1. เสาอากาศแบบมีสาย
เสาอากาศแบบลวดเป็นเสาอากาศที่พบได้ทั่วไปที่สุดชนิดหนึ่ง เพราะพบได้แทบทุกที่ ไม่ว่าจะเป็นรถยนต์ อาคาร เรือ เครื่องบิน ยานอวกาศ ฯลฯ เสาอากาศแบบลวดมีหลากหลายรูปทรง เช่น เส้นตรง (ไดโพล) ห่วง เกลียว ดังแสดงในรูปที่ 3 เสาอากาศแบบห่วงไม่เพียงแต่ต้องเป็นทรงกลมเท่านั้น แต่ยังอาจเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า สี่เหลี่ยมจัตุรัส วงรี หรือรูปทรงอื่นๆ ได้อีกด้วย เสาอากาศแบบวงกลมเป็นเสาอากาศที่พบเห็นได้ทั่วไปที่สุดเนื่องจากมีโครงสร้างที่เรียบง่าย

รูปที่ 3

2. เสาอากาศช่องรับแสง
เสาอากาศแบบช่องรับแสงกำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเนื่องจากความต้องการเสาอากาศที่ซับซ้อนมากขึ้นและการใช้ประโยชน์จากความถี่ที่สูงขึ้น เสาอากาศแบบช่องรับแสงบางรูปแบบ (เสาอากาศแบบพีระมิด ทรงกรวย และทรงแตรสี่เหลี่ยม) แสดงในรูปที่ 4 เสาอากาศประเภทนี้มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการใช้งานบนเครื่องบินและยานอวกาศ เนื่องจากสามารถติดตั้งบนเปลือกนอกของเครื่องบินหรือยานอวกาศได้อย่างสะดวก นอกจากนี้ ยังสามารถหุ้มด้วยวัสดุไดอิเล็กทริกเพื่อป้องกันเสาอากาศจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

รูปที่ 4

3. เสาอากาศไมโครสตริป
เสาอากาศไมโครสตริปได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงทศวรรษ 1970 โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับดาวเทียม เสาอากาศประกอบด้วยแผ่นรองรับไดอิเล็กทริกและแผ่นโลหะ แผ่นโลหะสามารถมีรูปร่างได้หลากหลาย และเสาอากาศแบบแผ่นสี่เหลี่ยมดังแสดงในรูปที่ 5 เป็นเสาอากาศที่นิยมใช้มากที่สุด เสาอากาศไมโครสตริปมีรูปทรงต่ำ เหมาะสำหรับพื้นผิวเรียบและพื้นผิวไม่เรียบ ผลิตง่ายและราคาไม่แพง มีความทนทานสูงเมื่อติดตั้งบนพื้นผิวแข็ง และเข้ากันได้กับการออกแบบ MMIC สามารถติดตั้งบนพื้นผิวของเครื่องบิน ยานอวกาศ ดาวเทียม ขีปนาวุธ รถยนต์ และแม้แต่อุปกรณ์เคลื่อนที่ และสามารถออกแบบให้เป็นไปตามรูปทรงได้

รูปที่ 5

4. เสาอากาศแบบอาร์เรย์
คุณสมบัติการแผ่รังสีที่จำเป็นสำหรับการใช้งานหลายประเภทอาจไม่สามารถบรรลุได้ด้วยเสาอากาศเพียงตัวเดียว เสาอากาศแบบอาร์เรย์สามารถแผ่รังสีจากองค์ประกอบที่สังเคราะห์ขึ้นเพื่อสร้างการแผ่รังสีสูงสุดในทิศทางเฉพาะหนึ่งทิศทางหรือมากกว่า ตัวอย่างทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 6

รูปที่ 6

5. เสาอากาศแบบรีเฟลกเตอร์
ความสำเร็จของการสำรวจอวกาศยังนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของทฤษฎีเสาอากาศ เนื่องจากความจำเป็นในการสื่อสารระยะไกลพิเศษ จึงจำเป็นต้องใช้เสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงมากในการส่งและรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ ในการใช้งานนี้ เสาอากาศแบบพาราโบลาที่นิยมใช้กันคือเสาอากาศที่แสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศประเภทนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 305 เมตรหรือมากกว่า และจำเป็นต้องมีขนาดใหญ่เช่นนี้เพื่อให้ได้อัตราขยายสูงที่จำเป็นสำหรับการส่งหรือรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ อีกรูปแบบหนึ่งของตัวสะท้อนแสงคือตัวสะท้อนแสงแบบมุม ดังแสดงในรูปที่ 7 (c)

รูปที่ 7

6. เสาอากาศเลนส์
เลนส์ส่วนใหญ่ใช้เพื่อรวมพลังงานกระเจิงที่ตกกระทบเพื่อป้องกันไม่ให้พลังงานกระจายไปในทิศทางที่ไม่ต้องการ ด้วยการปรับเปลี่ยนรูปทรงของเลนส์อย่างเหมาะสมและการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสม เลนส์สามารถแปลงพลังงานกระจายรูปแบบต่างๆ ให้เป็นคลื่นระนาบได้ เลนส์สามารถใช้งานได้หลากหลาย เช่น เสาอากาศแบบสะท้อนแสงพาราโบลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง และขนาดและน้ำหนักของเลนส์จะใหญ่ขึ้นมากที่ความถี่ต่ำ เสาอากาศเลนส์ถูกจำแนกตามวัสดุที่ใช้สร้างหรือรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งบางส่วนแสดงในรูปที่ 8