ข่าว - บทนำและการจำแนกประเภทของเสาอากาศทั่วไปบางชนิด

1. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเสาอากาศ
เสาอากาศเป็นโครงสร้างเชื่อมต่อระหว่างพื้นที่ว่างและสายส่งสัญญาณ ดังแสดงในรูปที่ 1 สายส่งสัญญาณอาจอยู่ในรูปของสายโคแอกเซียลหรือท่อกลวง (ท่อนำคลื่น) ซึ่งใช้ในการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังเสาอากาศ หรือจากเสาอากาศไปยังตัวรับสัญญาณ โดยแบบแรกเรียกว่าเสาอากาศส่งสัญญาณ และแบบหลังเรียกว่าเสาอากาศรับสัญญาณ

รูปที่ 1 เส้นทางการส่งผ่านพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (แหล่งกำเนิด-สายส่ง-เสาอากาศ-พื้นที่ว่าง)

การส่งสัญญาณของระบบเสาอากาศในโหมดการส่งสัญญาณดังแสดงในรูปที่ 1 แสดงโดยสมมูลเทเวนินดังแสดงในรูปที่ 2 โดยที่แหล่งกำเนิดสัญญาณแทนด้วยเครื่องกำเนิดสัญญาณในอุดมคติ สายส่งแทนด้วยสายที่มีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ Zc และเสาอากาศแทนด้วยโหลด ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA] ความต้านทานโหลด RL แสดงถึงการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและไดอิเล็กตริกที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างเสาอากาศ ในขณะที่ Rr แสดงถึงความต้านทานการแผ่รังสีของเสาอากาศ และรีแอกแทนซ์ XA ใช้เพื่อแสดงส่วนจินตนาการของอิมพีแดนซ์ที่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีของเสาอากาศ ภายใต้เงื่อนไขในอุดมคติ พลังงานทั้งหมดที่สร้างขึ้นโดยแหล่งกำเนิดสัญญาณควรถูกถ่ายโอนไปยังความต้านทานการแผ่รังสี Rr ซึ่งใช้เพื่อแสดงความสามารถในการแผ่รังสีของเสาอากาศ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง จะมีการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าและไดอิเล็กตริกเนื่องจากลักษณะเฉพาะของสายส่งและเสาอากาศ รวมถึงการสูญเสียที่เกิดจากการสะท้อน (ความไม่ตรงกัน) ระหว่างสายส่งและเสาอากาศ เมื่อพิจารณาอิมพีแดนซ์ภายในของแหล่งกำเนิดและไม่คำนึงถึงการสูญเสียในสายส่งและการสะท้อน (ความไม่ตรงกัน) พลังงานสูงสุดจะถูกส่งไปยังเสาอากาศภายใต้การจับคู่แบบคอนจูเกต

รูปที่ 2

เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันระหว่างสายส่งและเสาอากาศ คลื่นสะท้อนจากส่วนต่อประสานจะซ้อนทับกับคลื่นตกกระทบจากแหล่งกำเนิดไปยังเสาอากาศ ทำให้เกิดคลื่นนิ่ง ซึ่งแสดงถึงการรวมตัวและการกักเก็บพลังงาน และเป็นอุปกรณ์เรโซแนนซ์ทั่วไป รูปแบบคลื่นนิ่งทั่วไปแสดงด้วยเส้นประในรูปที่ 2 หากระบบเสาอากาศไม่ได้ออกแบบอย่างเหมาะสม สายส่งอาจทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบกักเก็บพลังงานได้ในระดับมาก แทนที่จะเป็นตัวนำคลื่นและอุปกรณ์ส่งผ่านพลังงาน
การสูญเสียที่เกิดจากสายส่ง เสาอากาศ และคลื่นนิ่งนั้นเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ การสูญเสียในสายส่งสามารถลดลงได้โดยการเลือกใช้สายส่งที่มีการสูญเสียต่ำ ในขณะที่การสูญเสียของเสาอากาศสามารถลดลงได้โดยการลดความต้านทานการสูญเสียที่แสดงด้วย RL ในรูปที่ 2 คลื่นนิ่งและการสะสมพลังงานในสายส่งสามารถลดลงได้โดยการจับคู่ค่าอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ (โหลด) กับค่าอิมพีแดนซ์เฉพาะของสายส่ง
ในระบบไร้สาย นอกจากการรับหรือส่งพลังงานแล้ว เสาอากาศมักจำเป็นต้องใช้เพื่อเพิ่มพลังงานที่แผ่กระจายไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง และลดทอนพลังงานที่แผ่กระจายไปในทิศทางอื่น ดังนั้น นอกเหนือจากอุปกรณ์ตรวจจับแล้ว เสาอากาศยังต้องใช้เป็นอุปกรณ์กำหนดทิศทางด้วย เสาอากาศสามารถมีได้หลายรูปแบบเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ อาจเป็นลวด ช่องเปิด แผ่นโลหะ ชุดประกอบ (อาร์เรย์) ตัวสะท้อนแสง เลนส์ เป็นต้น

ในระบบสื่อสารไร้สาย เสาอากาศเป็นหนึ่งในส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด การออกแบบเสาอากาศที่ดีสามารถลดความต้องการของระบบและปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบได้ ตัวอย่างคลาสสิกคือโทรทัศน์ ซึ่งการรับสัญญาณออกอากาศสามารถปรับปรุงได้โดยใช้เสาอากาศประสิทธิภาพสูง เสาอากาศเปรียบเสมือนดวงตาของมนุษย์ในระบบสื่อสาร

2. การจำแนกประเภทเสาอากาศ
1. เสาอากาศแบบสาย
เสาอากาศแบบลวดเป็นเสาอากาศประเภทหนึ่งที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากพบได้เกือบทุกที่ ทั้งในรถยนต์ อาคาร เรือ เครื่องบิน ยานอวกาศ ฯลฯ เสาอากาศแบบลวดมีรูปทรงต่างๆ เช่น แบบเส้นตรง (ไดโพล) แบบวงแหวน แบบเกลียว ดังแสดงในรูปที่ 3 เสาอากาศแบบวงแหวนไม่จำเป็นต้องเป็นวงกลมเสมอไป อาจเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า สี่เหลี่ยมจัตุรัส วงรี หรือรูปทรงอื่นๆ ก็ได้ เสาอากาศแบบวงกลมเป็นรูปทรงที่พบได้บ่อยที่สุดเนื่องจากโครงสร้างที่เรียบง่าย

รูปที่ 3

2. เสาอากาศแบบช่องเปิด
เสาอากาศแบบช่องรับสัญญาณกำลังมีบทบาทมากขึ้นเนื่องจากความต้องการเสาอากาศที่มีรูปทรงซับซ้อนมากขึ้นและการใช้งานความถี่สูงขึ้น เสาอากาศแบบช่องรับสัญญาณบางรูปแบบ (เช่น เสาอากาศแบบพีระมิด ทรงกรวย และทรงสี่เหลี่ยม) แสดงในรูปที่ 4 เสาอากาศประเภทนี้มีประโยชน์มากสำหรับการใช้งานในเครื่องบินและยานอวกาศ เนื่องจากสามารถติดตั้งบนเปลือกนอกของเครื่องบินหรือยานอวกาศได้อย่างสะดวก นอกจากนี้ยังสามารถหุ้มด้วยวัสดุฉนวนเพื่อป้องกันจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้อีกด้วย

รูปที่ 4

3. เสาอากาศไมโครสตริป
เสาอากาศไมโครสตริปได้รับความนิยมอย่างมากในช่วงทศวรรษ 1970 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานกับดาวเทียม เสาอากาศประกอบด้วยวัสดุฉนวนและแผ่นโลหะ แผ่นโลหะสามารถมีรูปร่างได้หลากหลาย และเสาอากาศแบบแผ่นสี่เหลี่ยมผืนผ้าดังแสดงในรูปที่ 5 เป็นแบบที่พบได้บ่อยที่สุด เสาอากาศไมโครสตริปมีขนาดเล็ก เหมาะสำหรับพื้นผิวเรียบและไม่เรียบ ผลิตได้ง่ายและราคาไม่แพง มีความทนทานสูงเมื่อติดตั้งบนพื้นผิวแข็ง และเข้ากันได้กับการออกแบบ MMIC สามารถติดตั้งบนพื้นผิวของเครื่องบิน ยานอวกาศ ดาวเทียม ขีปนาวุธ รถยนต์ และแม้แต่โทรศัพท์มือถือ และสามารถออกแบบให้เข้ากับรูปทรงของพื้นผิวได้

รูปที่ 5

4. เสาอากาศแบบอาร์เรย์
คุณลักษณะการแผ่รังสีที่จำเป็นสำหรับการใช้งานหลายอย่างอาจไม่สามารถทำได้ด้วยองค์ประกอบเสาอากาศเพียงตัวเดียว อาร์เรย์เสาอากาศสามารถทำให้การแผ่รังสีจากองค์ประกอบต่างๆ ผสานกันเพื่อสร้างการแผ่รังสีสูงสุดในทิศทางเฉพาะหนึ่งทิศทางหรือมากกว่านั้น ตัวอย่างทั่วไปแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6

5. เสาอากาศสะท้อนแสง
ความสำเร็จของการสำรวจอวกาศยังนำไปสู่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของทฤษฎีเสาอากาศ เนื่องจากความต้องการการสื่อสารระยะไกลมาก จึงต้องใช้เสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงมากเพื่อส่งและรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ ในการใช้งานนี้ เสาอากาศรูปแบบทั่วไปคือเสาอากาศพาราโบลา ดังแสดงในรูปที่ 7 เสาอากาศประเภทนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 305 เมตรขึ้นไป และขนาดที่ใหญ่เช่นนี้จำเป็นเพื่อให้ได้อัตราขยายสูงที่ต้องการในการส่งหรือรับสัญญาณที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านไมล์ อีกรูปแบบหนึ่งของตัวสะท้อนคือตัวสะท้อนมุม ดังแสดงในรูปที่ 7 (c)

รูปที่ 7

6. เสาอากาศเลนส์
เลนส์ส่วนใหญ่ใช้เพื่อรวมลำแสงพลังงานที่ตกกระทบและกระเจิง เพื่อป้องกันไม่ให้กระจายไปในทิศทางการแผ่รังสีที่ไม่ต้องการ โดยการเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของเลนส์และเลือกวัสดุที่เหมาะสม เลนส์สามารถแปลงพลังงานที่กระจายตัวในรูปแบบต่างๆ ให้เป็นคลื่นระนาบได้ เลนส์สามารถนำไปใช้ในงานส่วนใหญ่ เช่น เสาอากาศสะท้อนแสงแบบพาราโบลา โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูง และขนาดและน้ำหนักของเลนส์จะมากเมื่อความถี่ต่ำลง เสาอากาศเลนส์ถูกจำแนกตามวัสดุที่ใช้ในการสร้างหรือรูปทรงเรขาคณิต ซึ่งบางส่วนแสดงในรูปที่ 8