สายอากาศ

สายอากาศ (อังกฤษ: antenna) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน ปกติสายอากาศจะถูกใช้กับเครื่องส่งและเครื่องรับวิทยุ ในการส่ง เครื่องส่งวิทยุจะป้อนคลื่นกระแสไฟฟ้าที่ความถี่วิทยุ (หรือไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง) ไปยังขั้วไฟฟ้าทั้งสองของสายอากาศ จากนั้นสายอากาศจะแผ่รังสีพลังงานจากกระแสในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ). ในการรับ สายอากาศจะดักจับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อที่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขั้วไฟฟ้าของมัน แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกส่งต่อไปให้เครื่องรับเพื่อทำการขยายสัญญาณต่อไป

สายอากาศเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญของอุปกรณ์ทุกชนิดที่ใช้วิทยุ ได้แก่สถานีวิทยุกระจายเสียง สถานีโทรทัศน์ วิทยุสองทาง เครื่องรับสื่อสาร เรดาร์ โทรศัพท์เคลื่อนที่ และการสื่อสารดาวเทียม นอกจากนี้ มันยังใช้กับอุปกรณ์เช่นประตูโรงรถอัตโนมัติ ไมโครโฟนไร้สาย บลูทูธ แลนไร้สาย เครื่องเฝ้าดูทารก ฉลาก RFID และของเล่นวิทยุบังคับต่าง ๆ

โดยทั่วไปสายอากาศจะประกอบด้วยโครงสร้างของตัวนำโลหะที่เรียกว่าอีลิเมนท์ขับ (อังกฤษ: driven element) ที่ต่อทางไฟฟ้า(มักจะผ่านทางสายส่ง)เข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับ เครื่องส่งจะบังคับให้กระแสไฟฟ้าที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอนไหลผ่านสายอากาศ กระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามไฟฟ้าที่เป็นคลื่นไปตามอีลิเมนท์นั้น สนามพลังที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเหล่านี้จะถูกแผ่กระจายออกไปจากสายอากาศเข้าสู่อากาศในรูปของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ตามขวาง ทางด้านรับ คลื่นเหล่านี้เข้ามารวมกันที่สายอากาศ สนามแม่เหล็กและไฟฟ้าที่เป็นคลื่นจะสร้างแรงขึ้นบนอิเล็กตรอนในอีลิเมนท์ของสายอากาศ ทำให้พวกอิเล็กตรอนต้องเคลื่อนที่กลับไปกลับมา เป็นการสร้างกระแสที่เป็นคลื่นในสายอากาศ

สายอากาศสามารถออกแบบให้ส่งหรือรับคลื่นวิทยุได้ในทุกทิศทางแนวราบเท่าๆกันที่เรียกว่าสายอากาศทุกทิศทาง (อังกฤษ: Omnidirectional antenna), หรือชอบที่จะให้รับและส่งได้ในทิศทางเฉพาะที่เรียกว่าสายอากาศเฉพาะทิศทาง (อังกฤษ: Directional antenna) หรือสายอากาศเกนสูง (อังกฤษ: High gain antenna) สำหรับสายอากาศเกนสูง มันอาจต้องมีอีลิเมนท์หรือตัวประกอบอื่นเพิ่มเติมที่ไม่มีการต่อถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับแต่อย่างใด อุปกรณ์ดังกล่าวได่แก่ อีลิเมนท์กาฝาก (อังกฤษ: parasitic elements), แผงสะท้อนคลื่นแบบโค้ง (อังกฤษ: parabolic reflectors) หรือ สายอากาศปากแตร (อังกฤษ: Horn antenna), ซึ่งมีหน้าที่นำทางคลื่นวิทยุให้อยู่ในรูปลำแสงหรือรูปแบบการแผ่กระจายคลื่นที่ต้องการอื่นๆ

สายอากาศตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1888 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน นายไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ ระหว่างการทดลองแบบบุกเบิกเพื่อพิสูจน์ความมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้มีการคาดคะเนไว้ก่อนแล้วตามทฤษฎีของนายเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นายเฮิร์ตซ์ได้วางสายอากาศแบบไดโพลหลายตัวไว้ที่จุดโฟกัสของกลุ่มแผงสะท้อนคลื่นแบบโค้งเพื่อให้มีการทำงานทั้งรับและส่ง เขาได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาใน Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889).

ภาพเคลื่อนไหวแสดงการส่งคลื่นวิทยุจากสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น มันแสดงเส้นสนามไฟฟ้า สายอากาศตรงกลางเป็นแท่งโลหะแนวตั้งสองชิ้นที่มีกระแสสลับจ่ายให้กับจุดกลางของมันจากเครื่องส่งวิทยุ (ไม่ได้แสดง) แรงดันไฟฟ้าสร้างประจุบวก (+) และประจุลบ (−) สลับไปมาที่สองด้านของสายอากาศ วงแหวนของสนามไฟฟ้า (เส้นสีดำ) หลุดออกจากสายอากาศและเดินทางออกไปด้วยความเร็วแสง เส้นเหล่านี้คือคลื่นวิทยุ

ภาพเคลื่อนไหวแสดงพลังงานจากคลื่นวิทยุที่ได้รับบนสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น สายอากาศประกอบด้วยแท่งโลหะสองแท่งต่อเข้ากับเครื่องรับ R. สนามไฟฟ้า (E, ลูกศรเขียว) ของคลื่นที่เข้ามาจะผลัก อิเล็กตรอนในแท่งทั้งสองไปมา สร้างประจุบวก (+) และประจุลบ (−) ที่ปลายแท่งโลหะสลับไปมา เนื่องจากความยาวของสายอากาศเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของคลื่นที่รับเข้ามานั้น สนามไฟฟ้าที่สลับไปมาจะเหนี่ยวนำให้เกิดคลื่นอยู่กับที่ (อังกฤษ: standing wave) ของแรงดัน (V, แสดงด้วยแถบสีแดง) และกระแสในแท่งโลหะ กระแสรูปคลื่น (ลูกศรสีดำ) จะไหลลงไปตามสายส่งแล้วผ่านไปที่ตัวรับ(แสดงด้วยตัวต้านทาน R)

ศัพท์บัญญัติ

 

สัญลักษณ์แบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับเสาอากาศ

คำว่า สายอากาศ เป็นศัพท์เฉพาะด้านไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ บัญญัติขึ้นจากคำศัพท์ในภาษาอังกฤษ "antenna" ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์อาจเขียนอักษรย่อ Ant. คำว่า เสาอากาศ หมายถึงโครงสร้างทั้งหมดที่ประกอบกันขึ้นเป็นสายอากาศ รวมทั้งเสาและอุปกรณ์ส่วนควบ สำหรับบทความนี้ คำว่าเสาอากาศและสายอากาศอาจหมายความถึงสิ่งเดียวกัน

คำว่า "aerial" ก็แปลว่าสายอากาศ แต่ในสาขาการสื่อสาร/ข่ายสายตอนนอก คำนี้หมายถึงสายส่งสัญญาณที่แขวนในอากาศ ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งสายทองแดงหรือสายใยแก้วนำแสง

ที่มาของคำว่า สายอากาศ ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไร้สาย ต้องให้เกียรติกับผู้บุกเบิกวิทยุชาวอิตาเลียน นาย กูลเยลโม มาร์โกนี ในฤดูร้อนปี 1895, มาร์โคนีเริ่มทดสอบระบบไร้สายของเขานอกบ้านบนที่ดินของบิดาของเขาที่อยู่ใกล้กับโบโลญญาและไม่นานก็เริ่มทดลองด้วย "สายอากาศ" ทำด้วยลวดยาว มาร์โคนีพบว่าโดยการยกสาย "อากาศ" ขึ้นเหนือพื้นดินและเชื่อมต่ออีกด้านหนึ่งของเครื่องส่งสัญญาณของเขากับดิน ระยะทางการส่งสัญญาณได้เพิ่มขึ้น ต่อมาไม่นานเขาก็สามารถส่งสัญญาณข้ามเนินเขาด้วยระยะทางประมาณ 2.4 กิโลเมตร (1.5 ไมล์) ในอิตาลีเสาเต็นท์เรียกว่า l'antenna centrale, และเสาที่มีสายลวดเรียกง่ายๆว่า l'antenna. ตั้งแต่นั้นมาชิ้นส่วนไร้สายที่ใช้กระจายและรับคลื่นเป็นที่รู้จักกันง่ายๆว่าสายอากาศหรือขั้ว (อังกฤษ: aerial หรือ terminal)

เพราะความโดดเด่นของเขา คำว่า สายอากาศ ของมาร์โคนี (ภาษาอิตาลีสำหรับ เสา) ได้ถูกใช้แพร่กระจายในหมู่นักวิจัยด้านไร้สาย และต่อมาในหมู่ประชาชนทั่วไป

ในการใช้งานทั่วไป คำว่า สายอากาศ ในวงกว้างอาจหมายถึงการประกอบเข้าด้วยกันทั้งหมดตั้งแต่โครงสร้างรองรับ ภาชนะบรรจุ (ถ้ามี) เป็นต้น รวมทั้งส่วนประกอบอื่นๆที่แอคทีฟ. โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ไมโครเวฟ, สายอากาศที่รับสัญญาณอาจรวมถึงไม่แต่เพียงสายลวดไฟฟ้าที่อยู่บนอากาศเท่านั้น แต่รวมถึงตัว preamplifier หรือมิกเซอร์อีกด้วย

สายอากาศ เมื่อใช้ในการแปลง คือการแปลงคลื่นวิทยุให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน มันจึงเป็นรูปแบบหนึ่งของ ตัวแปรสัญญาณ (อังกฤษ: transducer)

ภาพรวม

 

อาร์เรย์ของสายอากาศ Atacama ขนาดใหญ่มิลลิเมตร submillimeter

สายอากาศที่ดีจะต้องจับคู่ส่วนที่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเข้ากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ขนส่งสัญญาณผ่านอากาศ (หรืออวกาศ) ที่ความเร็วของแสง และเกือบจะไม่มีการสูญเสียในการส่ง เครื่องส่งและเครื่องรับสัญญาณวิทยุจะใช้ถ่ายทอดสัญญาณ(ข้อมูล)ในระบบ ได้แก่การออกอากาศวิทยุ(เสียง), โทรทัศน์, โทรศัพท์มือถือ, วายฟาย (WLAN) เครือข่ายข้อมูล, สายทรังค์และในการเชื่อมโยงสัญญาณแบบจุดต่อจุด (โทรศัพท์, เครือข่ายข้อมูล), การเชื่อมโยงดาวเทียม, อุปกรณ์ควบคุมจากระยะไกลหลายอย่างเช่นเครื่องเปิดประตูโรงรถและเซ็นเซอร์ไร้สายระยะไกล และอื่น ๆ อีกมาก คลื่นวิทยุยังใช้โดยตรงในการตรวจวัดในเทคโนโลยีต่าง ๆ รวมทั้งเรดาร์ จีพีเอสและวิทยุดาราศาสตร์ ในทุกกรณีเครื่องส่งสัญญาณและเครื่องรับสัญญาณที่นำมาใช้จะต้องใช้สายอากาศ โดยที่สายอากาศดังกล่าวบางครั้งจะถูกซ่อนอยู่ (เช่นสายอากาศภายในวิทยุ AM หรือภายในเครื่องคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปที่ติดตั้งวายฟาย)

 

สายอากาศแท่งบนรถเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยของเสาอากาศรอบทิศทาง (อังกฤษ: omnidirection)

ตามลักษณะการใช้งานและเทคโนโลยีที่มีอยู่, เสาอากาศโดยทั่วไปจะตกอยู่ในหนึ่งในสองประเภทต่อไปนี้:

1. สายอากาศรอบทิศทาง หรือสายอากาศที่สัญญาณอ่อนเฉพาะบางทิศทางเท่านั้น แต่จะรับหรือส่งมากหรือน้อยในทุกทิศทาง สายอากาศประเภทนี้จะถูกนำมาใช้เมื่อตำแหน่งสัมพันธ์กับสถ​​านีอื่นไม่เป็นที่รู้จักหรือไม่ชัดเจน พวกมันยังถูกใช้ที่ความถี่ต่ำอีกด้วยในตำแหน่งที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางจะมีขนาดใหญ่เกินไป หรือเพียงเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการนำมาใช้งานในจุดที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางไม่มีความจำเป็นต้องใช้
2. สายอากาศเฉพาะทิศทาง หรือสายอากาศแบบ ลำคลื่น ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งหรือรับสัญญาณในทิศทางใดทิศทางหนึ่งหรือรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง (อังกฤษ: pattern) โดยเฉพาะ

ในการใช้งานทั่วไป, "รอบทิศทาง" โดยปกติหมายถึงทิศทางแนวนอนทั้งหมดซึ่งโดยปกติจะมีประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงในทิศทางท้องฟ้าหรือพื้นดิน (แม้แต่แผงกระจายคลื่นแบบเท่ากันทุกทิศทาง (อังกฤษ: isotropic radiator) ก็ทำไม่ได้อย่างแท้จริง) สายอากาศ "เฉพาะทิศทาง" มักจะมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มการจับคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางของสถ​​านีอื่น ๆ หรือบางครั้งเพื่อให้ครอบคลุมเฉพาะภูมิภาคเช่นรูปแบบพัดแนวนอน 120° ในกรณีเช่นสายอากาศแบบแผงที่ติดตั้งแผงถ่ายทอดสัญญาณมือถือ (อังกฤษ: cell site)

ตัวอย่างหนึ่งที่พบโดยทั่วไปของสายอากาศแบบรอบทิศทางก็คือ เสาอากาศแนวตั้ง หรือ สายอากาศแท่ง มันประกอบด้วยแท่งโลหะ (มักจะยาวหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น), สายอากาศแบบไดโพล ก็คล้ายกันแต่ประกอบด้วยสองตัวนำที่ชี้ในทิศทางตรงข้าม มันมักจะมีความยาวรวมเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ไดโพลโดยทั่วไปจะวางตัวในแนวนอนซึ่งทำให้มันจะอ่อนในทิศทาง นั่นคือสัญญาณแผ่ออกไปทุกทิศทางหรือรับได้จากทุกทิศทางได้ดีทีเดียว ยกเว้นในทิศทางตามแนวตัวนำของมันเอง; ภูมิภาคนี้จะเรียกว่ากรวยบอดของเสาอากาศ

 

สายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น

สายอากาศทั้งแบบแนวตั้งและแบบไดโพลมีความเรียบง่ายในการสร้างและเมื่อเทียบกันแล้วราคาก็ไม่แพง สายอากาศแบบไดโพลเป็นพื้นฐานของการออกแบบเสาอากาศอื่นส่วนใหญ่ มันเป็นองค์ประกอบที่สมดุลอย่างหนึ่ง ด้วยแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เท่ากันแต่ในทิศทางตรงข้ามที่ป้อนเข้าไปที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสองของมันผ่านสายส่งสมดุล (หรือป้อนให้กับสายส่งแบบโคแอกเชียลผ่านสิ่งที่เรียกว่า บาลัน ) นอกจากนั้นสายอากาศแนวตั้งเป็นสายอากาศแบบขั้วเดียว โดยทั่วไปมันจะชื่อมต่อกับตัวนำด้านในของสายส่งโคแอกเชียล (หรือเครือข่ายแมทชิง (อังกฤษ: matching network)); สายชีลด์ของสายส่งจะเชื่อมต่อเข้ากับดิน (อังกฤษ: ground) ด้วยวิธีนี้ดิน (หรือพื้นผิวขนาดใหญ่ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าใด ๆ) เล่นบทบาทของตัวนำที่สองของไดโพลจึงกลายเป็นวงจรที่สมบูรณ์ เนื่องจากเสาอากาศขั้วเดียวจะต้องพึ่งพาดินเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า สิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างดินอาจจะต้องถูกติดตั้งเพื่อให้มีการติดต่อกับพื้นดินได้ดีกว่าหรือเพื่อที่ตัวเองจะทำหน้าที่เป็นระนาบดิน (อังกฤษ: ground plane) เสียเองเพื่อดำเนินการตามหน้าที่นั้นโดยไม่คำนึงถึงว่าจะมีการติดต่อกับผิวดินจริงหรือไม่ (ในกรณีที่ไม่มีผิวดินจริง)

 

แผนผังของสนามไฟฟ้า (สีฟ้า) and และสนามแม่เหล็ก (สีแดง) ถูกแผ่โดยสายอากาศแบบไดโพล (แท่งสีดำ) ในระหว่างการส่ง

เสาอากาศที่ซับซ้อนกว่าแบบไดโพลหรือแบบแนวตั้งมักจะมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มการควบคุมทิศทางซึ่งจะมีผลให้เพิ่มเกนของเสาอากาศไปด้วย นี้สามารถทำได้ในหลายวิธีที่แตกต่างกันที่จะนำไปสู่ความมากมายเหลือเฟือของการออกแบบสายอากาศ ส่วนใหญ่ของการออกแบบถูกป้อนด้วยเส้นสมดุล (ไม่เหมือนสายอากาศโมโนโพล) และจะขึ้นอยู่กับสายอากาศแบบไดโพลที่มีอีลิเมนท์เพิ่มเติมซึ่งจะเพิ่มคุณสมบัติด้านทิศทางของมัน ในกรณีนี้ "เกน" ของเสาอากาศจะอธิบายถึงความเข้มข้นของพลังงานที่แผ่ออกไปในมุมที่มั่นคงของพื้นที่เฉพาะ ที่ตรงข้ามกับการแผ่กระจายคลิ่นที่สม่ำเสมอแบบทรงกลมของตัวส่งคลิ่นในอุดมคติ พลังงานที่เพิ่มขึ้นในทิศทางที่ต้องการจะเป็นค่าใช้จ่ายของพลังงานที่ไม่อยู่ในทิศทางที่พึงประสงค์ พลังงานจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการ และไม่มีการเพิ่มขึ้นของพลังงานสุทธิเกินกว่าที่ถูกส่งมาจากแหล่งจ่ายพลังงาน (เครื่องส่ง)

ยกตัวอย่างเช่นสายอากาศเฟสอาร์เรย์จะประกอบด้วยสายอากาศง่ายๆตั้งแต่สองตัวขึ้นไป พวกมันเชื่อมต่อกันผ่านทางวงจรไฟฟ้า นี้มักจะเกี่ยวข้องกับสายอากาศไดโพลแบบคู่ขนานที่มีระยะห่างระยะหนึ่ง. เมื่อขึ้นอยู่กับเฟสสัมพันธ์ที่ถูกสร้างขึ้นโดยวงจรไฟฟ้านั้น การทำงานร่วมกันของสายอากาศไดโพลหลายตัวที่เหมือนกันสามารถทำงานเป็น "อาร์เรย์ด้านกว้าง" (อังกฤษ: broadside array) (ทิศทางเดียวกับเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์) หรือเป็น "end-fire array" (ทิศทางตามเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์). สายอากาศอาร์เรย์อาจใช้สายอากาศพื้นฐาน(รอบทิศทางบางส่วน)ใด ๆ เช่นไดโพล, แบบห่วงหรือสายอากาศแบบ slot. อีลิเมนท์ของสายอากาศเหล่านี้มักจะเหมือนกัน

 

ภาพวาดแสดง เสาอากาศโทรทัศน์ ยากิ-อูดา VHF จากปี 1954 ที่ใช้สำหรับช่องแอนะลอก 2-4, 54-72 MHz (ช่อง USA) มี 5 อีลิเม้นท์: 3 ไดเรกเทอร์ (ทางซ้าย) 1 รีเฟลกเทอร์ (ขวาสุด) และ 1 แอคทีฟอิลิเมนท์ซึ่งเป็น ไดโพลแบบม้วน (แท่งคู่) เพื่อแมทช์กับฟึดไลน์ สายคู่ 300 โอห์ม ทิศทางของลำคลื่น (ทิศทางที่ให้ความไวสูงสุด) ไปทางซ้าย

อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์แบบบันทึกช่วงเวลา (อังกฤษ: log-periodic dipole array) จะประกอบด้วยอีลิเมนท์แบบไดโพลหลายตัวที่มีความยาวแตกต่างกัน เพื่อทำให้เป็นสายอากาศแบบทิศทางเฉพาะที่มีแบนด์วิดธ์กว้างอย่างสุดขั้ว: พวกนี้มักจะถูกใช้สำหรับการรับโทรทัศน์ในพื้นที่ชายขอบ อีลิเมนท์ทุกตัวจะพิจารณาว่าเป็น "อีลิเมนท์ที่แอคทีฟ" (อังกฤษ: active element) เนื่องจากพวกมันทั้งหมดจะเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน (และต่อเข้ากับสายส่ง). อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์ที่คล้ายกันอย่างเผินๆ ได้แก่ สายอากาศยากิ-อูดา (หรือแค่ "ยากิ") มีไดโพลอีลิเมนท์เพียงคู่เดียวที่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้า อีลิเมนท์อื่น ๆ ที่เรียกว่าอีลิเมนท์กาฝากจะมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อเป็นสายอากาศเฉพาะทิศทางที่พอใช้ได้ แต่เป็นแบบหนึ่งที่จะถูกจำกัดให้มีแบนด์วิดธ์ที่ค่อนข้างแคบ สายอากาศยากิมองแล้วคล้ายกันกับอีลิเมนท์ของไดโพลที่เป็นกาฝาก แต่ทำหน้าที่แตกต่างกันเนื่องจากความยาวของพวกมันที่ค่อนข้างแตกต่างกัน อาจจะมีอีลิเมนท์ที่เรียกว่า "ตัวชี้ทิศทาง" (อังกฤษ: director) หลายชิ้นอยู่ด้านหน้าของ active element ในทิศทางของการกระจายของคลื่น และมักจะมี "ตัวสะท้อน" (อังกฤษ: reflector) เพียงชิ้นเดียว (หรือมากกว่า) ที่ฝั่งตรงข้ามกับแอคทีฟอีลิเมนท์

ถ้าต้องการให้มีความสามารถด้านทิศทางมากขึ้น มันต้องใช้เทคนิคขึ้นรูปลำแสง (อังกฤษ: beam-forming techniques) ต่าง ๆ เช่นใช้อุปกรณ์เช่นตัวสะท้อนแบบโค้งหรือปากแตร เนื่องจากสายอากาศที่มีความสามารถด้านทิศทางที่สูงจะขึ้นอยู่กับขนาดที่ใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น, ดังนั้นลำคลื่นที่แคบของประเภทนี้จะประสบความสำเร็จได้ง่ายกว่าที่ความถี่ UHF และไมโครเวฟ

ที่ความถี่ต่ำ (เช่นการออกอากาศภาค AM) อาร์เรย์แนวตั้งบนเสาสูงจะถูกใช้เพื่อให้บรรลุความสามารถด้านทิศทาง และอาร์เรย์พวกนี้จะต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ ในการรับ สายอากาศหนวดกุ้งที่ยาวจะมีความสามารถด้านทิศทางอย่างมีนัยสำคัญ ในการใช้งานแบบพกพาที่ไม่ต้องการทิศทาง สายอากาศแนวตั้งสั้นหรือเสาอากาศห่วงขนาดเล็กก็ทำงานได้ดี ด้วยความท้าทายของการออกแบบหลักคือการทำแมทชิงความต้านทาน. กับเสาอากาศแนวตั้ง ขดลวดที่ใช้เป็นโหลดที่ฐานของเสาอากาศอาจจะถูกใช้เพื่อหักล้างองค์ประกอบของความต้านทานที่เป็นปฏิกิริยา (อังกฤษ: reactive component of impedance) เพราะสายอากาศห่วงขนาดเล็กจะถูกจูนหาความถี่ด้วยตัวเก็บประจุหลายตัวที่วางอยู่ขนานกันสำหรับวัตถุประสงค์นี้

สายลีดของสายอากาศ (อังกฤษ: antenna lead-in) เป็น สายส่ง (อังกฤษ: transmission line) (หรือสายฟีด (อังกฤษ: feed line)) ซึ่งเชื่อมต่อสายอากาศเข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณ ฟีดของสายอากาศอาจจะหมายถึงทุกองค์ประกอบที่เชื่อมต่อสายอากาศกับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณ เช่นเครือข่ายการแมทชิงความต้านทาน (อังกฤษ: impedance matching network) กับสายส่ง ในเสาอากาศที่เรียกว่ารูรับแสงเช่นแตรหรือจานพาราโบลา นอกจากนี้คำว่า "ฟีด" ยังอาจหมายถึงสายอากาศขั้นพื้นฐานภายในระบบทั้งหมดอีกด้วย (ปกติท​​ี่จุดโฟกัสของจานพาราโบลาหรือที่คอหอยของแตร) ซึ่งอาจพิจารณาว่าเป็น active element อันหนึ่งในระบบเสาอากาศนั้น สายอากาศไมโครเวฟยังอาจถูกฟีดโดยตรงจากท่อนำคลื่น (อังกฤษ: wave guide)ในตำแหน่งของสายส่ง (ที่เป็นต้วนำ)

 

สายอากาศที่ใช้กับสถานีฐานแบบเซลล์ของโทรศัพท์เคลื่อนที่

สายอากาศที่มีการทดแทนระนาบดินเป็นโครงสร้างของวัสดุตัวนำที่ต่อกันเป็นตาข่ายระนาบดินในพื้นที่ที่ผิวดินมีความต้านทานสูง โครงสร้างนี้จะช่วยเพิ่มหรือทดแทนระบบดิน มันอาจจะเชื่อมต่อเข้ากับ(หรือต่อเป็นฉนวนจาก)พื้นดินตามธรรมชาติ ในสายอากาศแบบโมโนโพล โครงสร้างนี้ช่วยในการทำงานของพื้นดินตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่การแปรเปลี่ยน(หรือข้อจำกัด)ของลักษณะเฉพาะของพื้นดินตามธรรมชาติไปรบกวนหน้าที่ที่เหมาะสมของมัน โครงสร้างดังกล่าวปกติจะมีการเชื่อมต่อเข้ากับสายย้อนกลับ (อังกฤษ: return path) ของสายส่งที่ไม่สมดุลเช่นสายชีลด์ของสายโคแอกเซียล

ตัวหักเหคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสายอากาศแบบรูรับแสงบางตัวเป็นส่วนประกอบหนึ่งซึ่งเนื่องจากรูปร่างและตำแหน่งของมันจะทำหน้าที่หลายอย่างที่จะชะลอหรือส่งไปข้างหน้าสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังผ่านหน้ามันไป ตัวหักเหจะเปลี่ยนแปลงลักษณะการกระจายตัวของคลื่นในด้านหนึ่งเมื่อเทียบกับอีกด้านหนึ่ง เช่นมันสามารถบังคับคลื่นไปที่จุดโฟกัสหรือเปลี่ยนคลื่นในรูปแบบอื่น ๆ โดยทั่วไปเพื่อเพิ่มการควบคุมทิศทางของระบบสายอากาศให้สูงสุด นี่เทียบเท่ากับเลนส์ที่ใช้กับแสงของวิทยุ

เครือข่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับสายอากาศเป็นเครือข่ายแบบพาสซีฟ (โดยทั่วไปเป็นการผสมกันของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ) ที่ใช้สำหรับการแมทชิงความต้านทาน (อังกฤษ: impedance matching) ระหว่างสายอากาศกับเครื่องส่งหรือกับตัวรับสัญญาณ เครือข่ายนี้อาจจะถูกใช้ในการปรับปรุงอัตราส่วนของคลื่นนิ่ง (อังกฤษ: standing wave ratio) เพื่อที่จะลดการสูญเสียในสายส่งให้ต่ำสุดและเพื่อเป็นโหลดที่มีความต้านทานมาตรฐาน (อังกฤษ: standard resistive impedance) สำหรับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณเพื่อให้พวกมันทำงานได้ประสิทธิภาพสูงสุด

การแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกัน

คุณสมบัติพื้นฐานของสายอากาศที่ลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้​​าของมันจะอธิบายไว้ในส่วนถัดไป เช่น เกน, รูปแบบการกระจายคลื่น, อิมพีแดนซ์, แบนด์วิดท์, ความถี่เรโซแนนซ์และโพลาไรเซชัน จะเหมือนกันไม่ว่าจะเป็นสายอากาศเพื่อการรับหรือการส่งสัญญาณ ตัวอย่างเช่น "รูปแบบการรับ" (ความไวเป็นเรื่องของทิศทาง) ของสายอากาศเมื่อนำมาใช้สำหรับการรับจะเหมือนกันกับรูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศเมื่อมันถูกผลักดันและทำหน้าที่เป็นตัวกระจาย นี่คือผลจากทฤษฎีการแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกันของแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นในการอภิปรายถึงคุณสมบัติของสายอากาศ จะไม่มีความแตกต่างเกิดขึ้นในคำศัพท์ระหว่างการรับและการส่ง และสายอากาศสามารถเป็นได้ทั้งการส่งหรือการรับ แล้วแต่ว่าอันไหนจะสะดวกมากกว่า

เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับคุณสมบัติการแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกันดังกล่าวข้างต้นเป็นว่าวัสดุในเสาอากาศและตัวกลางการส่งเป็นแบบเชิงเส้นและสลับสับเปลี่ยนกันได้ สลับสับเปลี่ยนกันได้หมายถึงว่าวัสดุจะมีการตอบสนองกับกระแสไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางหนึ่งเหมือนกันกับที่มันตอบสนองกับสนามและกระแสในทิศทางตรงกันข้าม วัสดุส่วนใหญ่ที่ใช้ในสายอากาศตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ แต่บางสายอากาศไมโครเวฟใช้ส่วนประกอบเทคโนโลยีสูงเช่นตัวแยกและตัวกวนคลื่น, ที่ทำจากวัสดุที่สลับสับเปลี่ยนไม่ได้ เช่นเฟอร์ไรท์ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถนำมาใช้เพื่อให้สายอากาศมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันในการรับเกินกว่าที่จะทำในการส่ง ซึ่งจะมีประโยชน์ในการใช้งานอื่นเช่นเรดาร์

ลักษณะเฉพาะ

สายอากาศมีลักษณะเฉพาะตามประสิทธิภาพการทำงานที่วัดได้หลายอย่างที่ผู้ใช้จะต้องพิจารณาในการเลือกใช้หรือการออกแบบสายอากาศสักอันสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง หัวหน้าใหญ่ท่ามกลางสายอากาศเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะด้านทิศทาง (ตามที่ปรากฏในรูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศ) และเกน(Gain)หรือ กำลังขยายที่ได้รับ แม้แต่ในสายอากาศแบบรอบทิศทาง (หรืออ่อนในบางทิศทาง) เกนมักจะสามารถถูกทำให้เพิ่มขึ้นได้โดยการมุ่งเน้นให้มากขึ้นในการรับส่งพลังงานของมันในทิศทางแนวนอน, และยอมสละพลังงานที่จะแผ่กระจายไปสู่​​ท้องฟ้าและพื้นดิน เกนพลังงาน (หรือแค่ "เกน") ของสายอากาศยังต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพของสายอากาศซึ่งเกนมักจะเป็นตัวเลขหลักที่สำคัญ

สายอากาศเรโซแนนซ์คาดว่าจะถูกนำมาใช้เฉพาะความถี่เรโซแนนซ์ความถี่หนึ่ง เพราะฉะนั้นสายอากาศจึงต้องถูกสร้างเพื่อให้ตรงกับช่วงความถี่ของแอพลิเคชันที่ตั้งใจไว้ การออกแบบสายอากาศอย่างใดอย่างหนึ่งจะต้องมีอิมพีแดนซ์อย่างใดอย่างหนึ่งที่จุดป้อน ในขณะที่การออกแบบนี้อาจส่งผลกระทบต่อทางเลือกของสายอากาศ, อิมพีแดนซ์ของสายอากาศยังสามารถถูกปรับให้เข้ากับระดับอิมพีแดนซ์ที่ต้องการของระบบได้อีกด้วยโดยใช้เครือข่ายการแมทชิงในขณะที่ยังคงรักษาลักษณะเฉพาะอื่น ๆ เอาไว้(ยกเว้นการสูญเสียประสิทธิภาพ)

แม้ว่าในหลักการพารามิเตอร์เหล่านี้ก็สามารถวัดได้ การวัดดังกล่าวเป็นเรื่องยากและยังต้องใช้อุปกรณ์พิเศษอย่างมาก นอกเหนือจากการปรับแต่งสายอากาศเพื่อการส่งโดยใช้มิเตอร์ SWRแล้ว, ผู้ใช้ทั่วไปจะขึ้นอยู่กับการคาดการณ์ในทางทฤษฎีที่มีพื้นฐานจากการออกแบบสายอากาศหรือการเรียกร้องของผู้ขาย

สายอากาศจะทำการส่งและรับคลื่นวิทยุที่มีการโพลาไรซ์โดยเฉพาะ ซึ่งจะสามารถปรับทิศทางการกระจายตัวของคลื่นโดยการเอียงแกนของสายอากาศในหลายๆ(แต่ไม่ใช่ทุก)กรณี ขนาดทางกายภาพของสายอากาศหนึ่งมักจะเป็นปัญหาในทางปฏิบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ต่ำ (ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า) สายอากาศเฉพาะทิศทางอย่างสูงจะต้องมีขนาดที่ใหญ่กว่าความยาวคลื่นมากๆ สายอากาศแบบเรโซแนนซ์มักจะใช้เป็นตัวนำ(หรืออีลิเมนท์)ที่เป็นเส้นตรง หรืออีลิเมนท์ดังกล่าวที่เป็นคู่ แต่ละอีลิเมนท์จะยาวประมาณหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น (จำนวนหลายชิ้นที่เป็นเลขคี่ของหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นยังเป็นแบบเรโซแนนซ์) สายอากาศที่จะต้องมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นจะต้องเสียสละประสิทธิภาพและเสียความสามารถด้านทิศทาง แต่ก็โชคดี ที่ความถี่สูง (UHF, ไมโครเวฟ) การที่ต้องแลกกับประสิทธิภาพเพื่อให้ได้ขนาดทางกายภาพที่เล็กลงมักจะไม่จำเป็น

สายอากาศเรโซแนนซ์

อ้างอิง

1. Graf, Rudolf F. (1999). Modern Dictionary of Electronics. Newnes. p. 29. ISBN 0750698667.
2. Marconi, "Wireless Telegraphic Communication: Nobel Lecture, 11 December 1909." Nobel Lectures. Physics 1901–1921. Amsterdam: Elsevier Publishing Company, 1967: 196–222. p. 206.
3. "The Nobel Prize in Physics 1909".
4. Slyusar, Vadym (20–23 September 2011). "To history of radio engineering's term "antenna"" (PDF). VIII International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT’11). Kyiv, Ukraine. pp. 83–85.
5. Slyusar, Vadym (21–24 February 2012). "An Italian period on the history of radio engineering's term "antenna"" (PDF). 11th International Conference Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (TCSET’2012). Lviv-Slavske, Ukraine. p. 174.
6. Slyusar, Vadym (June 2011). "Антенна: история радиотехнического термина" (PDF). ПЕРВАЯ МИЛЯ Last mile: Electronics: Science, Technology, Business (ภาษาRussian). ? (6): 52–64. Unknown parameter |trans_title= ignored (help)CS1 maint: unrecognized language (link)
7. Schantz, Hans Gregory (2003), "Introduction to ultra-wideband antennas" (PDF), Proceedings of the 2003 IEEE UWBST Conference.
8. "Media Advisory: Apply Now to Attend the ALMA Observatory Inauguration". ESO Announcement. สืบค้นเมื่อ 4 December 2012.
9. Carl Smith (1969). Standard Broadcast Antenna Systems, p. 2-1212. Cleveland, Ohio: Smith Electronics, Inc.
10. Lonngren, Karl Erik; Savov, Sava V.; Jost, Randy J. (2007). Fundamentals of Electomagnetics With Matlab, 2nd Ed. SciTech Publishing. p. 451. ISBN 1891121588.
11. Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna Theory and Design, 3rd Ed. John Wiley & Sons. pp. 560–564. ISBN 0470576642.
12. Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna Theory and Design, 3rd Ed. John Wiley & Sons. pp. 560–564. ISBN 0470576642.
13. Lonngren, Karl Erik; Savov, Sava V.; Jost, Randy J. (2007). Fundamentals of Electomagnetics With Matlab, 2nd Ed. SciTech Publishing. p. 451. ISBN 1891121588.
14. Stutzman, Warren L.; Thiele, Gary A. (2012). Antenna Theory and Design, 3rd Ed. John Wiley & Sons. pp. 560–564. ISBN 0470576642.
15. Lonngren, Karl Erik; Savov, Sava V.; Jost, Randy J. (2007). Fundamentals of Electomagnetics With Matlab, 2nd Ed. SciTech Publishing. p. 451. ISBN 1891121588.