RmutPhysics.com

สายอากาศ
จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
โพสโดย  ผู้ดูแลระบบ
 สุวัฒน์  หนูคีรี นักศึกษาวิศวอิเล็ก

  
 
สายอากาศ อุปกรณ์สำหรับรับและส่งคลื่น ความถี่วิทยุ (radio frequency) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และในทางกลับกัน ก็เปลี่ยนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพลังงานไฟฟ้าเช่นกัน
สายอากาศมีหลายขนาดและรูปแบบ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน เช่น สายอากาศโทรทัศน์ในบ้าน มักติดตั้งไว้บนหลังคา ทำด้วยอะลูมิเนียม เพราะน้ำหนักเบาและทนต่อสภาพอากาศได้ดีกว่าโลหะทั่วไป สายอากาศของไมค์ลอย เป็นเพียงสายไฟสั้นๆ หรือสายอากาศของโทรศัพท์มือถือ เป็นเพียงจุดเชื่อมต่อเล็กๆ เท่านั้น
คำว่าสายอากาศ เป็นศัพท์เฉพาะด้านไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ บัญญัติขึ้นจากคำศัพท์ในภาษาอังกฤษ "antenna" หรือ "aerial" ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์อาจเขียนอักษรย่อ Ant. อย่างไรก็ตาม บุคคลทั่วไปนิยมเรียกว่า เสาอากาศ อาจจะเป็นเพราะเดิมใช้เสาสูงๆ สำหรับติดตั้งสายอากาศนั่นเอง


สายอากาศแบ่งตามรูปแบบการรับ-ส่งคลื่นได้ดังนี้
1.   สายอากาศแบบรอบตัว สามารถรับ-ส่งคลื่นได้ดีในทุกทิศทางเฉลี่ยกันไปโดยรอบ
2.   สายอากาศแบบกึ่งรอบตัว สามารถรับ-ส่งคลื่นได้ดีเกือบรอบตัวแต่มีอัตราขยายสูงกว่าแบบรอบตัว
3.   สายอากาศแบบทิศทางเดียว สามารถรับ-ส่งคลื่นได้ดีในทิศทางที่กำหนดและจะมีอัตราขยาย (gain)สูงกว่าประเภทอื่น
อัตราขยาย (gain) เป็นความสามารถของสายอากาศในการรับส่งคลื่นวิทยุ สายอากาศแต่ละแบบมีอัตราขยายแตกต่างกัน สายอากาศแบบทิศทางเดียวจะมีอัตราการขยายมากกว่าสายอากาศแบบกึ่งรอบตัว และแบบรอบตัวโดยลำดับ ลักษณะการใช้งานจึงแตกต่างกันไป สายอากาศที่มีอัตราขยายสูง จะสามารถรับ-ส่งคลื่นวิทยุ ได้ดีมาก ตัวเลข ซึ่งมีหน่วยวัดอัตราการขยายได้แก่ dBi และ dBd


สายอากาศกับการแพร่กระจายคลื่น        
       ในระบบสื่อสารใดๆ เราต้องการให้สัญญาณที่รับได้ปลายทางมีความแรงมากๆ อย่างน้อยที่สุดแรงพอที่จะชนะสัญญาณนบกวนได้ และอยู่ในเกณฑ์ที่ความไวของเครื่องรับจะทำงานได้ ความแรงที่สถานีปลายทางจะมีค่าสูงหรือต่ำเพียงใดนั้นขึ้นกับองค์ประกอบที่สำคัญคือ ถ้าเป็นการส่งสัญญาณไปตามสายส่ง สัญญาณส่วนมากจะสูญเสียไปในรูปของความร้อนในสายส่งเนื่องจากความต้านทานของสายส่ง และเนื่องจากฉนวนที่นำมาทำสายส่งไม่เป็นฉนวนที่ดีจริง การสูญเสียของสัญญาณในแพร่กระจายคลื่นออกอากาศ คลื่นวิทยุบางส่วนถูกลดทอนกำลังลงในตัวกลางที่คลื่นเดินผ่านไป การสื่อสารในย่านความถี่สูง (HF หรือ High Frequency) นั้น ต้องอาศัยการสะท้อนคลื่นจากชั้นบรรยากาศ Ionosphere กลับมายัง โลกซึ่งมีลักษณะเป็นตัวกลางที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีอนุภาค ประจุไฟฟ้าบวกและอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า เมื่อคลื่นวิทยุเดิน ทางไปสะท้อนชั้นบรรยากาศ คลื่นบางส่วนจะถูกดูดกลืนโดยชั้นบรรยากาศนั้น การสื่อสารที่ใช้ความถี่สูงมาก ( VHF หรือ Very High Frequency) เช่นการติดต่อของหน่วยตำรวจตระเวนชายแดนในป่าการสื่อสารจะ ไปไม่ได้ไกล ทั้งนี้เพราะต้นไม้ใบไม้ในป่าจะดูดกลืนคลื่นวิทยุไว้เป็นส่วนมาก การสื่อสารที่ใช้คลื่นไมโครเวฟ (Microwave) เชื่อมโยงระหว่าง สถานีถ่ายถอดทวนสัญญาณการสูญเสียของคลื่นวิทยุเนื่องจากบรรยากาศ เม็ดฝุ่นละอองหรืออณูของออกซิเจนดูดกลืนไว้ การสูญเสียในการแพร่กระจายคลื่นจะคลายกับการสูญเสียในสายส่ง และยังมีการสูญเสียกำลังส่งเนื่องจาก "การถ่างออก" ของรังสี คลื่นวิทยุ เนื่องจากโครงสร้างทางเรขาคณิตของคลื่นในการแพร่กระจายคลื่น "ทุกๆครั้งที่ระยะห่างเพิ่มเป็นสองเท่าความเข้ม ของคลื่นจะลดลง 4 เท่า"



สายนำสัญญาณ
การเลือกใช้สายนำสัญญาณ ต้องดูจากคุณสมบัติต่างๆ ของสายนำสัญญาณ เช่น
1.   ค่า Impedance โดยมาตรฐานแล้วการส่งอย่างเดียวจะอยู่ที่ 30 โอห์ม ส่วนการรับอย่างเดียวจะอยู่ที่ 75 โอห์ม (สายอากาศโทรทัศน์ เป็นต้น) มาตรฐานการรับและส่งจึงถูกกำหนดอยู่ที่ 50 โอห์ม
2.   ค่าการลดทอนสัญญาณ สายนำสัญญาณแต่ละแบบจะมีค่าการลดทอนที่ต่างกัน ตามความถี่ที่สูงขึ้นและระยะที่ยาวขึ้น จะมีค่าการลดทอนสูงขึ้น ทำให้กำลังของคลื่นวิทยุลดลงไปด้วย ซึ่งระยะที่ใช้งานจะเป็นตัวพิจารณาแบบของสายนำสัญญาณที่นำมาใช้
3.   ตัวนำภายใน ตัวนำทางไฟฟ้าที่ดีที่สุดคือ แร่เงิน แต่ราคาสูงมาก ทำให้สายนำสัญญาณส่วนใหญ่ทำมาจากทองแดงที่นำไฟฟ้าได้รองลงมาจากแร่เงิน แต่ราคาถูกและอ่อนตัว
ตัวนำภายในสายจะมีทั้งแบบถักหลายเส้น และแบบเส้นเดียว ซึ่งแบบหลังจะให้ประสิทธิภาพในการนำสัญญาณดีกว่า
4.   ฉนวนและชีลด์ วัสดุที่ทำเป็นตัวฉนวนกั้นระหว่างตัวนำและชีลด์ อาจจะเป็นปัจจัยในการเลือกสายนำสัญญาณส่วนหนึ่ง เพราะถ้าฉนวนไม่มีความแข็งแรงและยืดหยุ่นพอ อาจทำให้เวลาทำการดัดงอสาย ชีลด์ที่อยู่บนฉนวนด้านนอกอาจจะขูดฉนวนจนกระทั่งสัมผัสตัวนำภายใน ทำให้เกิดการลัดวงจรขึ้น
ส่วนของชีลด์นั้น ส่วนใหญ่จะทำมาจากใยเหล็กถัก เป็นตัวกักสัญญาณวิทยุไม่ให้สูญเสียออกไปจากสายนำสัญญาณมากเกินไป ซึ่งประสิทธิภาพของการลดการสูญเสียสัญญาณก็ขึ้นอยู่กับชีลด์ด้วย
5.   เปลือกหุ้ม เป็นส่วนที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งต้องพิจารณาจากพื้นที่ที่นำไปใช้งานด้วย
แต่ในการใช้งานขั้นสูง ความยาวของสายนำสัญญาณจะมีความสัมพันธ์กับความยาวคลื่น ซึ่งจะใช้ในกรณีการต่อสายอากาศหลายต้นจากแหล่งกำเนิดเดียวกัน (การคำนวณมีความซับซ้อนพอสมควร)


สายอากาศ
หรือเสาอากาศที่เรียกกันโดยทั่วไป เป็นส่วนที่ใช้แพร่กระจายคลื่นความถี่วิทยุออกไปตามการออกแบบใช้งานของสายอากาศ ส่วนความถี่ใช้งานนั้นจะถูกออกแบบให้ใช้ตามย่านความถี่นั้นๆ เฉพาะ ไม่สามารถใช้งานร่วมกันได้เช่น อุปกรณ์ที่ใช้ความถี่ 2.4 GHz ต้องใช้กับสายอากาศ 2.4 GHz เท่านั้น (ยกเว้นอุปกรณ์ภาครับอย่างเดียวเช่น วิทยุ FM-AM)


ทำไมเรียกว่า สายอากาศ?
เนื่องจากสมัยก่อน การสื่อสารวิทยุที่ความถี่ต่ำ จะมีความยาวคลื่นยาวมาก ซึ่งการนำเหล็กหรือตัวนำโลหะอื่นๆ มาใช้แพร่กระจายคลื่น จะทำให้มีน้ำหนักมาก ออกแบบยากและการเก็บรักษาทำได้ช้าและลำบาก โดยเฉพาะในช่วงภาวะสงครามที่ความถี่วิทยุมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพในการรบ สายอากาศจะทำมาจากเส้นลวดทองแดง ที่มีน้ำหนักเบา ออกแบบง่ายและเก็บรักษาได้ง่ายและรวดเร็ว ทำให้เรียกเส้นลวดที่ใช้แพร่สัญญาณว่าสายอากาศ


ลักษณะการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุ
คุณสมบัติของสายอากาศในทางทฤษฎีจะมีรูปลักษณะการกระจายคลื่นสองแบบคือ
1.   แนวตั้ง (Vertical) จะมองการแพร่กระจายคลื่นจากมุมมองด้านข้างของสายอากาศ
2.   แนวนอน (Horizontal) จะมองการแพร่กระจายคลื่นจากมุมมองด้านบนของสายอากาศ
แต่ในความเป็นจริงการกระจายคลื่นมีหลายรูปแบบทั้งแบบแนวสายตา สะท้อนวัตถุ สะท้อนผิวโลกหรือชั้นเมฆ ขึ้นอยู่กับระยะทาง สิ่งกีดขวาง ฯลฯ


อัตราขยายของสายอากาศ (Gain: dB)
เป็นตัวบ่งบอกอัตราขยายของสายอากาศนั้นๆว่า สามารถขยายกำลังที่ถูกส่งเข้ามาที่สายอากาศและแพร่กระจายออกไปได้ไกลเท่าไหร่ โดยหน่วยของอัตราขยายจะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทคือ
dBi เป็นหน่วยของอัตราขยายเทียบกับสายอากาศแบบ Isotropic
dBd เป็นหน่วยของอัตราขยายเทียบกับสายอากาศแบบ Dipole

โดยที่ 2.15 dBi = 0 dBd
อัตราขยายยิ่งสูง ระยะทางยิ่งไปได้ไกลขึ้น แต่องศาในการกระจายคลื่นจะยิ่งแคบลง
อธิบายง่ายๆ ด้วยวงแหวนยางยืด อัตราขยายน้อยคือวงแหวนแบบปกติ อัตราขยายสูงคือวงแหวนที่ถูกจับยืดออก (ระยะทางมากขึ้น แต่องศากระจายคลื่นน้อยลง)


ประเภทของสายอากาศ
สายอากาศรอบตัว (Omni-directional) จะออกอากาศในแนวนอน 360 องศา (เป็นค่าตายตัวของสายอากาศประเภทนี้) ส่วนแนวตั้งขึ้นอยู่กับอัตราขยาย โดยส่วนใหญ่จะอยู่ที่ 2 – 18 dBi
สายอากาศทิศทาง (Directional) จะมีทั้งแบบกึ่งทิศทางและแบบทิศทาง
แบบกึ่งทิศทาง (Dipole, Patch panel, Sector) การแพร่กระจายคลื่นจะออกมารอบทิศทาง แต่จะเน้นออกไปทิศทางด้านหน้าของสายอากาศ ซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราขยาย
แบบทิศทาง (Yagi-Uda, Helical (Helix), Grid) จะเน้นทิศทางด้านหน้ามากกว่าแบบอื่นๆ และสัญญาณด้านหลังและด้านข้างจะแพร่กระจายออกมาน้อยมาก ส่วนใหญ่อัตราขยายจะสูงกว่า 20 dBi
สายอากาศแบบ Helical (Helix) หรือสายอากาศก้นหอย จะมีความพิเศษอยู่ตรงที่ ลักษณะของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายออกมา จะมีทั้งแนวตั้งและแนวนอน ทำให้สายอากาศภาครับไม่จำเป็นต้องทำแนวเดียวกับสายอากาศต้นทางที่เป็น helical และค่าสัดส่วนอัตราขยายหน้า/หลัง (Front/back ratio) มีอัตราที่ดีมาก แต่ก็เป็นสายอากาศที่สร้างยากอีกด้วย
Tips:
สายอากาศแบบยากิ-อูดะ (Yagi-Uda) หรือสายอากาศก้างปลา ออกแบบโดย ศจ. ฮิเดจุกุ ยากิ และ ศจ. ชินทาโร อูดะ แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวอิมพีเรียล จึงตั้งชื่อสายอากาศแบบนี้เพื่อเป็นเกียรติแก่ท่านทั้งสอง แต่ปัจจุบันจะเรียกติดปากกันเหลือแค่สายอากาศยากิ



ค่า SWR (Standing Wave Ratio) หรือ VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)
เป็นส่วนสำคัญที่สุดในการตรวจสอบว่า สายอากาศที่ใช้อยู่ มีประสิทธิภาพเพียงใด โดยค่ามาตรฐานจะอยู่ที่ 1.1:1 – 1.5:1 กรณีเลวร้ายสุดไม่ควรเกิน 2:1
สัดส่วนนี้เป็นสัดส่วนระหว่างกำลังส่งที่ถูกส่งออกไปต่อกำลังส่งที่ถูกสะท้อนกลับมา ตัวอย่างเช่น
สายอากาศใช้ในความถี่ 2.4 – 2.5 GHz ต้องใช้ค่ากึ่งกลางมาคำนวณการทำสายอากาศคือ 2.45 GHz ซึ่งจะได้ค่าออกมาเป็น 29980 / 2450 = 12.2367 เซนติเมตร
และถ้าคำนวณความถี่ปลายจะได้ค่าเป็น 2.4 GHz = 12.4917 ซม. และ 2.5 GHz = 11.992 ซม.


แต่ในหลักความเป็นจริง สายอากาศไม่สามารถยืดหดความยาวตามความถี่ใช้งานได้ จึงต้องใช้ค่ากึ่งกลาง และนำมาคำนวณเพื่อให้สามารถใช้งานได้ตลอดทั้งย่านความถี่ที่จะใช้งาน โดยค่า SWR อาจจะเป็นลักษณะดังนี้
2.400 GHz = 1.5:1 (Ch. 1)
2.425 GHz = 1.3:1 (Ch. 4)
2.450 GHz = 1.1:1 (Ch. 7)
2.475 GHz = 1.3:1 (Ch. 10)
2.500 GHz = 1.5:1 (Ch. 13)
ซึ่งเป็นค่าโดยประมาณ ทำให้สามารถอธิบายได้ว่าในจำนวนช่องสัญญาณ 13 ช่อง ทำไมช่องสัญญาณที่ 7 จึงมีความแรงสูงสุด เพราะอยู่ในช่วงที่สายอากาศมีประสิทธิภาพสูงสุดนั่นเอง
ซึ่งการคำนวณค่า SWR ที่แท้จริงจะซับซ้อนกว่านี้ ในที่นี้จึงเป็นการอธิบายแบบคร่าวๆ เท่านั้น
และเครื่องมือวัด SWR Meter จะระบุย่านความถี่และกำลังส่งที่สามารถวัดได้
Tips:
ในหลักความเป็นจริง สายอากาศที่มีค่า SWR เป็น 1.x:1 ตลอดช่วงความถี่ไม่มีอยู่จริงในโลก
อาจจะมีสายอากาศที่มีค่า SWR (เฉพาะความถี่กึ่งกลาง) เป็น 1:1 อยู่จริง แต่อาจจะเกิดปรากฏการณ์ “หูหนวกตาบอด” รับไม่ได้ส่งไม่ออก เกิดขึ้น เพราะค่าองค์ประกอบอื่นๆ อาจจะเกิดการผันผวนอย่างรุนแรงจนทำให้สายอากาศไร้ประสิทธิภาพไปในที่สุด

ข้อมูลเพิ่มเติม

http://www.100watts.com/smf/index.php?topic=32093.0
http://wapedia.mobi/th/%E0%B8%AA%E0%B8%B2%E0%B8%A2%E0%B8%AD%E0%B8%B2%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A8


ขอขอบคุณ อาจารย์จรัส บุณยธรรมา มา ณ ที่นี้ ที่ได้ให้ผมได้ตั้งกระทู้ได้ครับ

การคำนวณสายอากาศไมโครสตริป
คลิกที่ไฟล์เพื่อดาวน์โหลด