เสาอากาศแบบลูปคืออะไร?
เสาอากาศแบบวงแหวนเกิดจากการจัดเรียงองค์ประกอบนำไฟฟ้าหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งชิ้นให้เป็นเส้นทางปิด และป้อนสัญญาณ RF เข้าไปในโครงสร้างนั้น วงแหวนอาจมีรูปวงกลม สี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า สามเหลี่ยม วงรี หรือออกแบบเป็นรูปทรงอื่น ๆ เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดทางกลและทางไฟฟ้าเฉพาะ
แตกต่างจากเสาอากาศไดโพลแบบดั้งเดิมซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบกระแสไฟฟ้า เสาอากาศแบบวงแหวนขนาดเล็กทางไฟฟ้าจะทำงานคล้ายกับไดโพลแม่เหล็ก การทำงานของมันเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับองค์ประกอบสนามแม่เหล็กของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้เสาอากาศแบบวงแหวนมีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบรับสัญญาณ การระบุทิศทาง การตรวจจับระยะใกล้ RFID และระบบวัดทางแม่เหล็กไฟฟ้า
เสาอากาศแบบวงแหวนไม่ได้จำกัดอยู่แค่ช่วงความถี่เดียว ความถี่ในการทำงานขึ้นอยู่กับเส้นรอบวงของวงแหวนเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น จำนวนรอบ ขนาดของตัวนำ ส่วนประกอบที่ใช้ในการโหลด โครงสร้างการป้อนสัญญาณ และสภาพแวดล้อมโดยรอบในการติดตั้ง ดังนั้นจึงสามารถพบการออกแบบเสาอากาศแบบวงแหวนได้ตั้งแต่ระบบรับสัญญาณความถี่ต่ำไปจนถึงการใช้งาน UHF และไมโครเวฟ
โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงาน
เมื่อกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (RF) ไหลผ่านขดลวดนำไฟฟ้า จะเกิดสนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกับระนาบของขดลวดโดยประมาณ ในระหว่างการรับสัญญาณ สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงซึ่งผ่านขดลวดจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของขดลวด
ความแรงของสัญญาณที่ได้รับขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย:
พื้นที่วงรอบ
จำนวนรอบ
ความถี่ในการทำงาน
การวางแนวสัมพันธ์กับสนามขาเข้า
ความต้านทานของตัวนำ
เครือข่ายการปรับแต่งและจับคู่
การป้องกันและโครงสร้างโลหะที่อยู่ใกล้เคียง
สำหรับวงจรขนาดเล็กทางไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าและเฟสสามารถถือได้ว่ามีค่าสม่ำเสมอโดยประมาณรอบตัวนำ อย่างไรก็ตาม การประมาณค่านี้จะมีความแม่นยำน้อยลงเมื่อเส้นรอบวงเพิ่มขึ้น ในวงจรขนาดใหญ่ที่เกิดการสั่นพ้อง การกระจายตัวของกระแสไฟฟ้าจะแตกต่างกันอย่างมากรอบโครงสร้าง และสร้างลักษณะการแผ่รังสีที่แตกต่างจากวงจรแม่เหล็กขนาดเล็ก
เสาอากาศแบบวงแหวนขนาดเล็ก
เสาอากาศแบบวงแหวนขนาดเล็กจะมีเส้นรอบวงเล็กกว่าความยาวคลื่นที่ใช้งานมาก การประมาณค่าทางวิศวกรรมที่นิยมใช้กันทั่วไปคือ:
C≤0.1λ
โดยที่ C คือเส้นรอบวงของวง และ λ คือความยาวคลื่น
เนื่องจากขนาดทางไฟฟ้าที่เล็ก วงจรขนาดเล็กจึงมักมีความต้านทานการแผ่รังสีต่ำ ดังนั้น การสูญเสียในตัวนำอาจคิดเป็นส่วนสำคัญของความต้านทานขาเข้าทั้งหมด ซึ่งลดประสิทธิภาพการแผ่รังสีเมื่อใช้เสาอากาศในการส่งสัญญาณ
วงจรขนาดเล็กมีค่าความเหนี่ยวนำสูงมาก และมักต้องใช้ตัวเก็บประจุปรับจูนหรือวงจรจับคู่ เมื่อปรับจูนให้เกิดการสั่นพ้องแล้ว จะให้ความไวในการรับสัญญาณที่ดี แต่ค่าคุณภาพสูงอาจส่งผลให้แบนด์วิดท์การทำงานค่อนข้างแคบ
ลักษณะเหล่านี้ไม่ได้ทำให้ลูปขนาดเล็กเป็นเสาอากาศที่ไม่ดี ตรงกันข้าม มันกลับทำให้มันเหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่ขนาดกะทัดรัด การตอบสนองต่อสนามแม่เหล็ก จุดหักล้างทิศทาง หรือการเลือกย่านความถี่แคบมีความสำคัญมากกว่าประสิทธิภาพการแผ่รังสีสูง
เสาอากาศแบบวงแหวนขนาดใหญ่
วงจรขนาดใหญ่ ซึ่งบางครั้งเรียกว่าวงจรเรโซแนนซ์ มีเส้นรอบวงที่ไม่เล็กทางไฟฟ้าอีกต่อไป การออกแบบทั่วไปมักใช้เส้นรอบวงที่ใกล้เคียงกับความยาวคลื่นหนึ่ง:
C≈λ
ในกรณีนี้ กระแสไฟฟ้าไม่ได้สม่ำเสมอทั่วทั้งวงจร แอมพลิจูดและเฟสของกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปตามตัวนำ ทำให้เกิดการกระจายสนามที่ซับซ้อนมากขึ้น
เมื่อเปรียบเทียบกับลูปที่มีขนาดเล็กทางไฟฟ้า ลูปแบบเรโซแนนซ์โดยทั่วไปจะมีค่าความต้านทานการแผ่รังสีสูงกว่าและประสิทธิภาพการส่งสัญญาณที่ดีขึ้น สามารถใช้เป็นเสาอากาศส่งหรือรับสัญญาณได้จริง แม้ว่าค่าอิมพีแดนซ์ โพลาไรเซชัน และรูปแบบการแผ่รังสีจะขึ้นอยู่กับเส้นรอบวง รูปร่าง ตำแหน่งการป้อนสัญญาณ และสภาพแวดล้อมในการติดตั้งอย่างมากก็ตาม
ลูปคลื่นเต็มวงแบบวงกลมและแบบสี่เหลี่ยมเป็นรูปแบบที่พบได้ทั่วไป ลูปสี่เหลี่ยมอาจผลิตและติดตั้งได้ง่ายกว่า ในขณะที่ลูปวงกลมให้รูปทรงที่เรียบและสมมาตร เมื่อทั้งสองมีเส้นรอบวงทางไฟฟ้าที่ใกล้เคียงกัน ประสิทธิภาพโดยรวมอาจเทียบเคียงกันได้ แม้ว่าค่าอิมพีแดนซ์และลักษณะรูปแบบการกระจายคลื่นที่แน่นอนจะแตกต่างกันก็ตาม
รูปที่ 1 ตัวอย่างการกำหนดค่าเสาอากาศแบบวงแหวนวงกลมและแบบสี่เหลี่ยม
รูปแบบการแผ่รังสี
รูปแบบการแผ่รังสีของวงจรขนาดเล็กทางไฟฟ้าคล้ายคลึงกับไดโพลแม่เหล็กในอุดมคติ การแผ่รังสีจะมีน้อยที่สุดตามแนวแกนที่ตั้งฉากกับระนาบของวงจร และจะแรงที่สุดในทิศทางที่อยู่ภายในระนาบของวงจรโดยประมาณ
ในสามมิติ รูปแบบในอุดมคติจะคล้ายกับทรงโดนัทที่ล้อมรอบแกนของวงจร เมื่อติดตั้งวงจรขนาดเล็กในแนวตั้ง การตอบสนองในระนาบแนวนอนโดยทั่วไปจะมีรูปร่างคล้ายเลขแปด โดยมีจุดศูนย์สองจุดลึกที่ตั้งฉากกับระนาบของวงจร
บริเวณที่สัญญาณอ่อนที่สุดเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการหาทิศทางและการลดสัญญาณรบกวน โดยการหมุนเสาอากาศจนกระทั่งสัญญาณที่ได้รับอ่อนที่สุด ผู้ใช้งานสามารถกำหนดทิศทางไปยังหรือออกจากแหล่งกำเนิดสัญญาณได้
ทิศทางของการตอบสนองสูงสุด ความลึกของจุดศูนย์ และการโพลาไรเซชันขึ้นอยู่กับทิศทางของวงจร การจัดเรียงจุดป้อนสัญญาณ ความสูงในการติดตั้ง รูปทรงเรขาคณิตของตัวนำ และโครงสร้างใกล้เคียง ดังนั้น การโพลาไรเซชันจึงไม่ควรพิจารณาจากตำแหน่งของจุดป้อนสัญญาณเพียงอย่างเดียว
รูปที่ 2 แสดงรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศแบบวงแหวนที่มุมเงยต่างๆ
การป้อนสัญญาณ การปรับจูน และการจับคู่ความต้านทาน
อิมพีแดนซ์ขาเข้าของเสาอากาศแบบวงแหวนขึ้นอยู่กับขนาดทางไฟฟ้าของมันเป็นอย่างมาก
วงจรขนาดเล็กโดยทั่วไปจะมีค่ารีแอกแทนซ์แบบเหนี่ยวนำและค่าความต้านทานการแผ่รังสีต่ำ อาจต่อตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้หรือแบบคงที่เพื่อสร้างวงจรเรโซแนนซ์ที่ความถี่ที่ต้องการ นอกจากนี้ยังสามารถใช้การต่อแบบหม้อแปลง การจับคู่แกมมา การต่อแบบคาปาซิทีฟ หรือวงจรขยายสัญญาณแบบแอคทีฟเพื่อเชื่อมต่อเสาอากาศกับเครื่องรับหรือระบบ RF 50 โอห์มได้อีกด้วย
สำหรับการใช้งานด้านการส่งสัญญาณ การสูญเสียในตัวนำ การสูญเสียในตัวเก็บประจุ และความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้า จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ กระแสหมุนเวียนสูงอาจเกิดขึ้นในวงจรปรับจูนได้ แม้ว่ากำลังไฟฟ้าขาเข้าจะอยู่ในระดับปานกลางก็ตาม
วงจรเรโซแนนซ์ขนาดใหญ่มีความต้านทานการแผ่รังสีสูงกว่า แต่ยังคงต้องการการจัดวางสายป้อนสัญญาณและการแปลงอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสม อาจจำเป็นต้องใช้การป้อนสัญญาณแบบสมดุลหรือบาลันเพื่อป้องกันไม่ให้สายป้อนสัญญาณกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบแผ่รังสี
รูปทรงของห่วงและจำนวนรอบ
เสาอากาศแบบวงแหวนไม่จำเป็นต้องเป็นวงกลมที่สมบูรณ์แบบ วงแหวนทรงกลม สี่เหลี่ยมจัตุรัส และสี่เหลี่ยมผืนผ้าเป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากคำนวณและผลิตได้ค่อนข้างง่าย
การเพิ่มจำนวนรอบของขดลวดจะทำให้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำและค่าเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม มันยังเพิ่มการสูญเสียในตัวนำ ความจุแบบกระจาย และผลกระทบจากการสั่นพ้องในตัวเองด้วย จำนวนรอบที่มากขึ้นไม่ได้หมายความว่าจะทำให้ประสิทธิภาพในย่านความถี่กว้างดีขึ้นเสมอไป
แท่งเฟอร์ไรต์หรือแกนแม่เหล็กมักถูกใช้ในเสาอากาศรับสัญญาณ MF และ AM ขนาดกะทัดรัด วัสดุแม่เหล็กจะรวมสนามแม่เหล็กผ่านขดลวด ทำให้โครงสร้างขนาดเล็กสามารถให้ความไวในการรับสัญญาณที่มีประสิทธิภาพได้
ที่ความถี่สูงขึ้น สามารถผลิตลูปพิมพ์ ลูปไมโครสตริป และโครงสร้างลูปแบบรวมบนแผงวงจรได้โดยตรง สำหรับอุปกรณ์ RFID การตรวจจับแบบไร้สาย เทอร์มินัลการสื่อสาร และอุปกรณ์วัดคลื่นความถี่วิทยุ
ข้อดีของเสาอากาศแบบวงแหวน
เสาอากาศแบบวงแหวนมีข้อดีในทางปฏิบัติหลายประการ:
- โครงสร้างเชิงกลขนาดกะทัดรัด
- รูปทรงและรูปแบบการติดตั้งที่เป็นไปได้หลากหลาย
- ความไวต่อสนามแม่เหล็กที่มีประโยชน์
- จุดศูนย์ทิศทางลึกในการออกแบบวงจรขนาดเล็ก
- เหมาะสำหรับการระบุทิศทางและการกำจัดสัญญาณรบกวน
- สามารถผสานรวมเข้ากับวงจรปรับจูนและวงจรแอคทีฟได้อย่างง่ายดาย
- ปรับขนาดได้สำหรับงานออกแบบ LF, HF, VHF, UHF และไมโครเวฟ
ข้อจำกัดด้านการออกแบบ
ข้อจำกัดที่สำคัญ ได้แก่:
- ความต้านทานต่อรังสีต่ำในงานออกแบบขนาดเล็กทางไฟฟ้า
- ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณลดลงเมื่อมีการสูญเสียในตัวนำสูง
- แบนด์วิดท์แคบในลูปปรับจูนค่า Q สูง
- ความไวต่อวัตถุโลหะที่อยู่ใกล้เคียง
- อาจมีกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าหมุนเวียนสูง
- จำเป็นต้องมีการจับคู่ความต้านทานอย่างระมัดระวัง
- การบิดเบือนรูปแบบที่เกิดจากสายเคเบิลป้อนสัญญาณและโครงสร้างการติดตั้ง
การใช้งานทั่วไป
เสาอากาศแบบวงแหวนมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ ดังนี้:
- เครื่องรับสัญญาณ AM, MF, HF และคลื่นสั้น
- อุปกรณ์ค้นหาทิศทางวิทยุ
- ระบบ RFID และระบบสื่อสารระยะใกล้
- การวัดสนามแม่เหล็ก EMI และ EMC
- การตรวจสอบสเปกตรัมและการทดสอบความแรงสนาม
- ระบบสื่อสารแบบเหนี่ยวนำและระบบจ่ายพลังงานไร้สาย
- แท่นรับสัญญาณแบบพกพาและแบบติดตั้งบนยานพาหนะ
- วงจร RF และไมโครเวฟแบบพิมพ์
- การวิจัย การสอบเทียบ และการวัดเสาอากาศ
สำหรับการตรวจวัด EMI และความแรงของสนามแม่เหล็ก เสาอากาศแบบวงแหวนที่ผ่านการสอบเทียบแล้วมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องประเมินส่วนประกอบของสนามแม่เหล็กในสภาพแวดล้อม RF ในระบบสื่อสารและระบบตรวจสอบ จุดหักล้างทิศทางของเสาอากาศเหล่านี้สามารถช่วยลดการรบกวนหรือระบุทิศทางของสัญญาณที่ไม่รู้จักได้
ความสำคัญทางวิศวกรรม
เสาอากาศแบบวงแหวนแสดงให้เห็นว่าขนาดทางไฟฟ้า การกระจายกระแสไฟฟ้า การเชื่อมต่อสนามแม่เหล็ก และการจับคู่ความต้านทาน มีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของเสาอากาศอย่างไร
ลูปที่มีรูปร่างทางกายภาพคล้ายกัน อาจทำหน้าที่เป็นเสาอากาศรับสัญญาณแม่เหล็กขนาดกะทัดรัด เซ็นเซอร์เรโซแนนซ์แบบแถบความถี่แคบ เสาอากาศส่งสัญญาณแบบเต็มคลื่น หรือองค์ประกอบการเชื่อมต่อแบบใกล้สนาม ขึ้นอยู่กับเส้นรอบวงและความถี่ในการทำงาน
RF MISO ให้บริการโซลูชันด้านเสาอากาศและส่วนประกอบไมโครเวฟสำหรับการทดสอบ RF การสื่อสาร เรดาร์ การวัดเสาอากาศ และการบูรณาการระบบ การทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐาน เช่น เสาอากาศแบบวงแหวน ช่วยให้วิศวกรสามารถประเมินช่วงความถี่ อัตราขยาย โพลาไรเซชัน อิมพีแดนซ์ แบนด์วิดท์ ประสิทธิภาพการแผ่รังสี และการตอบสนองเชิงทิศทาง เมื่อเลือกหรือพัฒนาระบบเสาอากาศ
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเสาอากาศ โปรดไปที่:
วันที่เผยแพร่: 31 กรกฎาคม 2569
