ตามมาตรฐาน IEEE เสาอากาศหรือตัวส่งสัญญาณสามารถนิยามได้ว่าเป็นตัวกลางที่ใช้ในการส่งและรับคลื่นวิทยุ มีเสาอากาศหลายประเภทให้เลือกใช้ ซึ่งแบ่งตามการใช้งาน เช่น เสาอากาศแบบฮอร์น ไดโพล แพทช์ บรอดแบนด์ ล็อกพีริโอดิก เป็นต้น ในบรรดาเสาอากาศเหล่านั้นเสาอากาศแบบเกลียวเป็นเสาอากาศบรอดแบนด์ชนิดหนึ่ง ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเสาอากาศแบบเฮลิกซ์ นี่คือเสาอากาศพื้นฐานที่ใช้งานได้จริงและตรงไปตรงมาที่สุดชนิดหนึ่ง ซึ่งออกแบบโดยใช้ลวดตัวนำพันเป็นโครงสร้างแบบเกลียว ดังนั้น บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของเสาอากาศแบบเกลียวและการทำงานพร้อมกับการใช้งานต่างๆ

เสาอากาศแบบเกลียวคืออะไร?

นิยามของเสาอากาศแบบเกลียว:เสาอากาศแบบเกลียวเป็นเสาอากาศที่ง่ายที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายในย่านความถี่สูงมาก ดังนั้นเสาอากาศชนิดนี้จึงทำงานได้ในช่วงความถี่ VHF และ UHF เสาอากาศเหล่านี้ได้รับการออกแบบโดยใช้ลวดตัวนำในรูปทรงเกลียว เสาอากาศชนิดนี้มีคุณลักษณะเฉพาะบางประการ เช่น แบนด์วิดท์กว้าง อัตราขยายสูง และการโพลาไรซ์แบบวงกลม

เสาอากาศนี้มีช่วงความถี่ตั้งแต่ 30MHz ถึง 3GHz ใช้ในงานสื่อสารอวกาศ เช่นการถ่ายทอดสัญญาณ ดาวเทียม รวมถึงงานด้านดาราศาสตร์วิทยุ เครือข่ายไร้สาย และการสื่อสารผ่านดาวเทียม

คุณสมบัติ

ลักษณะเด่นของเสาอากาศแบบเกลียวมีดังต่อไปนี้

• นี่คือเสาอากาศแบบง่ายที่ใช้สำหรับการโพลาไรซ์แบบวงกลม
• มีการใช้งานในย่านความถี่ต่างๆ เช่น VHF และ UHF
• โดยทั่วไปมักใช้ในโหมดแกนตั้ง
• โหมดนี้ไม่ได้เลือกใช้ในโหมดปกติ เนื่องจากประสิทธิภาพและความกว้างของลำแสงในโหมดนี้ค่อนข้างต่ำ
• การออกแบบนั้นเรียบง่ายมากและมีประสิทธิภาพในการรับเสียงสูงสุด
• ในโหมดแกนหมุน เสาอากาศนี้เป็นเสาอากาศแบบย่านความถี่กว้าง
• ถ้าอัตราส่วนแกนเป็นศูนย์ จะเกิดการโพลาไรซ์แนวนอนเชิงเส้น
• ถ้าอัตราส่วนแกนเป็นอนันต์ จะเกิดการโพลาไรซ์แนวตั้งเชิงเส้น
• ถ้าอัตราส่วนแกนเท่ากับหนึ่ง จะเกิดการโพลาไรซ์แบบวงกลม

การออกแบบเสาอากาศแบบเกลียว

ภาพด้านล่างแสดงโครงสร้างของเสาอากาศแบบเกลียว เสาอากาศนี้สามารถออกแบบได้โดยใช้ลวดทองแดงหนาที่มีลักษณะคล้ายลวดตัวนำ พันเป็นรูปเกลียว และเชื่อมต่อกับแผ่นกราวด์ผ่านสายป้อน เสาอากาศนี้ออกแบบได้ง่ายมากและให้คลื่นที่มีการโพลาไรซ์แบบวงกลม ดังนั้นจึงใช้ในแอปพลิเคชันด้านการสื่อสารต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายทอดสัญญาณผ่านดาวเทียม

แผนภาพด้านบนแสดงระบบเสาอากาศแบบเกลียวที่ต้องการพื้นที่กลางแจ้งกว้าง ในที่นี้ ปลายเกลียวด้านหนึ่งเชื่อมต่อกับตัวนำตรงกลางของสายเคเบิล ในขณะที่ตัวนำภายนอกเชื่อมต่อกับแผ่นกราวด์ที่ทำจากตัวนำเดียวกัน เสาอากาศนี้รับสัญญาณจากสายเคเบิลโคแอกเซียลซึ่งสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดแกนและโหมดปกติ

เรารู้ว่าเสาอากาศแบบเกลียวทำงานในสองโหมด โดยปัจจัยที่กำหนดโหมดเหล่านี้คือเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียวและระยะห่างระหว่างการหมุนสองครั้งที่อยู่ติดกัน

สมมติว่าความยาวของขดลวดแต่ละรอบของเสาอากาศแบบเกลียวคือ 'L' ระยะห่างระหว่างขดลวดแต่ละรอบคือ 'S' ดังนั้นความยาวทั้งหมดของเสาอากาศจะเป็น NS เส้นรอบวงของเกลียวจะใช้สัญลักษณ์ C ซึ่งกำหนดให้เป็น 'πD' โดยที่ 'D' คือเส้นผ่านศูนย์กลางของสปริงเกลียว

เมื่อเราพิจารณาขดลวดคลี่ออกหนึ่งรอบของเสาอากาศแบบเกลียว พารามิเตอร์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับขดลวดนั้นสามารถกำหนดได้โดยใช้รูปสามเหลี่ยมต่อไปนี้ การแผ่รังสีของเสาอากาศแบบเกลียวขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างรอบ เส้นผ่านศูนย์กลาง และมุมเอียงเป็นหลัก ดังนั้น มุมเอียงคือมุมที่มีอยู่ระหว่างเส้นสัมผัสกับลวดเกลียวและระนาบที่ตั้งฉากกับแกนเกลียว

ดังนั้นtan α = S/C = S/πD =>

มุมเอียงของเสาอากาศแบบเกลียว α = tan ^-1 (S/πD)

ที่ไหน,

'D' คือเส้นผ่านศูนย์กลางของเกลียว

'S' คือระยะห่างระหว่างการเลี้ยว

'α' คือมุมเอียงของหัวเข็มนาฬิกา

ดังนั้น ในที่สุดเราสามารถสรุปได้ว่า คุณลักษณะการแผ่รังสีของเสาอากาศจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ข้างต้นโดยอิงตามความยาวคลื่น

เสาอากาศแบบเกลียวทำงานอย่างไร?

เมื่อลวดตัวนำในเสาอากาศได้รับกระแสไฟฟ้าผ่านสายเคเบิลโคแอกเซียลหรือสายส่งแบบสองสาย กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านลวดตัวนำ ทำให้เกิดเส้นสนามและแผ่รังสีออกมา สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าเสาอากาศแบบเกลียวสามารถแผ่รังสีได้ในโหมดต่างๆ ดังนั้นโหมดการทำงานของเสาอากาศแบบเกลียวจึงมีสองโหมด คือ โหมดปกติและโหมดแกน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

โหมดปกติ

ในโหมดนี้ ทั้งระยะห่างระหว่างเกลียวและเส้นผ่านศูนย์กลางของเสาอากาศแบบเกลียวมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น ดังนั้นการทำงานจึงคล้ายคลึงกับไดโพลหรือโมโนโพลไฟฟ้าแบบสั้น ในการแผ่รังสีในโหมดปกติ สนามการแผ่รังสีจะตั้งฉากกับแกนเกลียว ดังนั้นสัญญาณที่แผ่รังสีจึงมีโพลาไรซ์แบบวงกลม

โหมดนี้มีประสิทธิภาพต่ำและแบนด์วิดท์แคบ จึงใช้เป็นหลักสำหรับเสาอากาศขนาดกะทัดรัดสำหรับวิทยุสื่อสารเคลื่อนที่แบบพกพาและเสาอากาศกระจายเสียงโทรทัศน์ UHF รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศแบบเกลียวเป็นการผสมผสานระหว่างเสาอากาศแบบวงแหวนและเสาอากาศแบบไดโพลสั้น

รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศแบบเกลียวในโหมดการแผ่รังสีปกติส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่าเส้นผ่านศูนย์กลางและระยะห่างระหว่างรอบ ข้อเสียหลักของการทำงานในโหมดปกติคือ แบนด์วิดท์แคบ ประสิทธิภาพการแผ่รังสีต่ำ ดังนั้นจึงไม่ค่อยมีการใช้งานบ่อยนัก

โหมดแกน

ในโหมดนี้ ทั้งระยะห่างระหว่างเกลียวและเส้นผ่านศูนย์กลางของเสาอากาศแบบเกลียวจะคล้ายกับความยาวคลื่น ดังนั้นจึงทำงานเหมือนเสาอากาศแบบทิศทาง ซึ่งแตกต่างจากโหมดปกติ ที่ไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่ง่าย ๆ ในการกำหนดคุณสมบัติการแผ่รังสีในโหมดแกนนี้ ดังนั้นสำหรับโหมดนี้ จึงใช้วิธีการวิเคราะห์และเชิงตัวเลขที่ได้จากการทดลองเพื่อสรุปปัจจัยเหล่านี้ โหมดนี้มักใช้ในสถานีภาคพื้นดินภายในระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม โหมดการทำงานนี้ถูกนำไปใช้ในทางปฏิบัติมากกว่า

สูตร

สูตรต่อไปนี้ใช้ในการคำนวณอัตราขยายของเสาอากาศ แบบเกลียว เส้นผ่านศูนย์กลาง ระยะห่างระหว่างขดลวด ความยาวสายไฟ ความกว้างของลำแสงที่กำลังครึ่งหนึ่ง จุดหักล้างแรกของความกว้างลำแสง และลักษณะที่ปรากฏ

อัตราขยายของเสาอากาศแบบเกลียว (G) = (10.8+10 x log (จำนวนรอบ x ระยะห่างระหว่างขดลวด)) / log10

เส้นผ่านศูนย์กลาง (D) = ความยาวคลื่น/3.14

ระยะห่างระหว่างขดลวด (S) = ระยะห่างระหว่างขดลวด x ความยาวคลื่น

ความยาวของลวด (L) = จำนวนรอบ x √(ความยาวคลื่น^2 + ระยะห่างระหว่างขดลวด^2)

ความกว้างของลำแสงที่กำลังครึ่งหนึ่งของเสาอากาศ = 52 / (√(จำนวนรอบ x ระยะห่างระหว่างขดลวด))

ความกว้างของลำแสง จุดศูนย์แรกของเสาอากาศ = 115 / (√(จำนวนรอบ x ระยะห่างระหว่างขดลวด))

รูรับแสง = (10(อัตราขยายของเสาอากาศ / 10) x ความยาวคลื่น^2 ) / (4 * 3.14)

ข้อดี

ข้อดีของเสาอากาศแบบเกลียวมีดังต่อไปนี้

• ดีไซน์เรียบง่าย
• ทิศทางการกระจายเสียงสูงมาก
• แบนด์วิดท์กว้าง
• สามารถสร้างการโพลาไรซ์แบบวงกลมได้
• สามารถใช้งานได้ทั้งในย่านความถี่ VHF และ HF
• โครงสร้างแข็งแรงทนทาน
• เมื่อใช้รูปแบบการโพลาไรซ์แบบวงกลม จะสามารถใช้งานได้กับทั้งเสาอากาศแบบโพลาไรซ์แนวตั้งและแนวนอน

ข้อเสีย

ข้อเสียของเสาอากาศแบบเกลียวมีดังต่อไปนี้

• เนื่องจากมีขนาดใหญ่กว่า จึงใช้พื้นที่มากกว่า
• ประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับจำนวนรอบเป็นหลัก ดังนั้นประสิทธิภาพจะลดลงเนื่องจากจำนวนรอบ
• ต้นทุนสูง

แอปพลิเคชัน

การใช้งานเสาอากาศแบบเกลียวมีดังต่อไปนี้

• เสาอากาศเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านการสื่อสารของดาวเทียมและยานสำรวจอวกาศ เนื่องจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งออกมามีลักษณะโพลาไรซ์แบบวงกลมและมีทิศทางสูงสุด
• เสาอากาศแบบเกลียวเดี่ยวหรือแบบเรียงต่อกันถูกใช้สำหรับการส่งและรับสัญญาณ VHF
• ใช้สำหรับดาวเทียมที่สถานีภาคพื้นดิน
• ใช้สำหรับเชื่อมต่อข้อมูลทางไกลผ่านขีปนาวุธ
• สามารถสร้างการสื่อสารระหว่างดวงจันทร์และโลกได้
• เสาอากาศแบบเกลียวถูกนำไปใช้ในดาวเทียมหลายประเภท เช่น ดาวเทียมถ่ายทอดข้อมูลและดาวเทียมพยากรณ์อากาศ
• เสาอากาศนี้ใช้สำหรับส่งและรับคลื่น VHF โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแพร่กระจายคลื่นผ่านชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์
• มีการใช้งานในด้านการสื่อสารที่หลากหลาย เช่น ดาราศาสตร์วิทยุ การวัดระยะทางในอวกาศ ดาวเทียม และอวกาศ

ดังนั้น นี่คือภาพรวมของเสาอากาศแบบเกลียวและวิธีการทำงานและการใช้งาน เสาอากาศเหล่านี้เป็นเสาอากาศที่เรียบง่ายมาก โดยที่ลวดนำไฟฟ้าของเสาอากาศจะพันเป็นรูปเกลียวและเชื่อมต่อกับแผ่นกราวด์ผ่านสายป้อน เสาอากาศแบบเกลียวมีลักษณะการโพลาไรซ์แบบวงกลมและมีทิศทางสูง จึงถูกนำไปใช้ในการสื่อสารผ่านดาวเทียมและอวกาศ