บทความนี้จะอธิบายหลักการทำงานและการประยุกต์ใช้งานต่างๆ ของเสาอากาศประเภทพื้นฐานที่เรียกว่าเสาอากาศไดโพล
เสาอากาศคืออุปกรณ์สื่อสารที่ใช้ส่งและรับสัญญาณเพื่อแสดงข้อมูลบางอย่าง เสาอากาศตัวแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยชาวเยอรมันในปี ค.ศ. 1888 และใช้เพื่อการสื่อสารไร้สายเสาอากาศเหล่านี้สามารถส่งสัญญาณไมโครเวฟและสัญญาณวิทยุได้ มีเสาอากาศหลายประเภทที่จำแนกตามการใช้งาน เช่น เสาอากาศแบบลวด, เสาอากาศแบบล็อกคาบ, เสาอากาศแบบรูรับแสง, เสาอากาศแบบไมโครชิป, เสาอากาศแบบสะท้อนแสง, เสาอากาศแบบเลนส์, เสาอากาศแบบอาร์เรย์ และเสาอากาศแบบเคลื่อนที่ ดังนั้นการรู้จักเสาอากาศแต่ละประเภทและวัตถุประสงค์การใช้งานจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่เหมาะสม บทความนี้จะอธิบายภาพรวมของเสาอากาศแบบลวดชนิดหนึ่ง ได้แก่เสาอากาศแบบไดโพลและการประยุกต์ใช้งาน
เสาอากาศไดโพลเป็นเสาอากาศ RF ชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้าสองชนิด เช่น สายไฟหรือแท่งโลหะ โดยลวดโลหะมีความยาวครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นสูงสุดโดยประมาณในพื้นที่ว่าง ณ ความถี่การทำงาน ณ ศูนย์กลางของเสาอากาศ วัสดุตัวนำไฟฟ้าจะถูกแยกออกผ่านฉนวนที่เรียกว่าส่วนเสาอากาศ แผนภาพเสาอากาศไดโพลแสดงไว้ด้านล่าง
แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า RF จะถูกส่งไปที่กึ่งกลางของเสาอากาศ จากนั้นแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่จ่ายผ่านตัวนำทั้งสองจะสร้างสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าหรือสัญญาณวิทยุ และสัญญาณนี้จะถูกแผ่ออกไปด้านนอกเสาอากาศ ที่กึ่งกลางของเสาอากาศนี้ แรงดันไฟฟ้าจะต่ำที่สุดและกระแสไฟฟ้าจะสูงที่สุด ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าจะสูงที่สุดและกระแสไฟฟ้าจะต่ำที่สุดที่ปลายทั้งสองด้านของเสาอากาศไดโพล
เสาอากาศไดโพลประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้าสองชนิด เช่น สายไฟและแท่ง หรือสายไฟ โดยที่ตัวป้อนสัญญาณอยู่ตรงกลางและส่วนที่แผ่สัญญาณของเสาอากาศอยู่ทั้งสองด้าน ความยาวของสายโลหะมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นสูงสุดที่ λ/2 ภายในพื้นที่ว่างที่ความถี่การทำงานแผนภาพเสาอากาศไดโพล พื้นฐาน พร้อมจุดป้อนสัญญาณตรงกลางแสดงไว้ด้านล่าง
ตัวนำไฟฟ้าในเสาอากาศถูกแบ่งตรงกลางออกเป็นสองส่วนผ่านฉนวนที่เรียกว่าส่วนเสาอากาศ ส่วนเหล่านี้เชื่อมต่อกับสายโคแอกเซียลหรือตัวป้อนสัญญาณที่ตรงกลางเสาอากาศ เรารู้ว่าความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างจุดสูงสุดหรือจุดต่ำสุดสองจุดที่ต่อเนื่องกัน
ที่นี่ ความยาวขององค์ประกอบการแผ่รังสีสามารถกำหนดได้โดยคุณสมบัติหลายประการของความถี่การทำงานของศูนย์กลางที่คล้ายเสาอากาศ อิมพีแดนซ์ฟีด ฯลฯ ในเสาอากาศนี้ ความยาวของไดโพลถือเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ
เสาอากาศทุกประเภทสามารถใช้งานได้ทั้งการส่งและการรับ ในการใช้งานไร้สายที่หลากหลาย เสาอากาศสามารถเปิดใช้งานได้ระหว่างตัวส่งและตัวรับ
เครื่องส่งสัญญาณเสาอากาศไดโพล
ที่ส่วนส่งสัญญาณ เสาอากาศไดโพลจะสร้างคลื่นวิทยุ แรงดันไฟฟ้าที่ความถี่ที่ต้องการจะถูกจ่ายให้กับเสาอากาศ ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมองค์ประกอบต่างๆ ของเสาอากาศนี้และการไหลของกระแสไฟฟ้าทั่วทั้งองค์ประกอบเหล่านี้จะสร้างคลื่นแม่เหล็กและคลื่นไฟฟ้า
เครื่องส่งสัญญาณในเสาอากาศเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สร้างขึ้นด้วยตัวนำไฟฟ้า ตัวนำไฟฟ้าจะนำพากระแสไฟฟ้า ซึ่งความเข้มของกระแสไฟฟ้าจะผันผวนไปตามกาลเวลา และเปลี่ยนเป็นคลื่นวิทยุ RF ที่แผ่ออกไปในอวกาศ
เครื่องรับเสาอากาศไดโพล
ที่ส่วนรับสัญญาณ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไหลผ่านเสาอากาศไดโพลจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อย ส่งผลให้เสาอากาศกลายเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณสำหรับอินพุตของตัวรับสัญญาณ
ตัวรับสัญญาณของเสาอากาศจะทำหน้าที่ย้อนกลับการทำงานของเครื่องส่งสัญญาณ โดยจะรับสัญญาณ RF และแปลงคลื่นความถี่วิทยุให้เป็นกระแสไฟฟ้าภายในวงจรไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับเสาอากาศ
เมื่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า RF ถูกจ่ายไปที่จุดศูนย์กลางของทั้งสองส่วนในเสาอากาศ การไหลของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าตลอดองค์ประกอบตัวนำทั้งสองสามารถสร้างสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นวิทยุเพื่อแผ่ออกไปนอกเสาอากาศได้
ตรงกลางเสาอากาศนี้ แรงดันไฟฟ้าจะต่ำสุดและกระแสไฟฟ้าจะสูงสุด ในทางกลับกัน กระแสไฟฟ้าจะต่ำสุดและแรงดันไฟฟ้าจะสูงสุดที่ปลายเสาอากาศ นี่คือการกระจายกระแสของเสาอากาศไดโพล
แผนภาพรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศไดโพลแสดงไว้ด้านล่าง ซึ่งตั้งฉากกับแกนของเสาอากาศ รูปแบบการแผ่รังสีเป็นภาพกราฟิกแสดงคุณสมบัติการแผ่รังสีของเสาอากาศ รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศจะอธิบายถึงวิธีที่เสาอากาศจะปล่อยพลังงานออกสู่อวกาศ
ดังนั้นเสาอากาศนี้จะแปลงสัญญาณจากไฟฟ้าเป็นสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า RF และปล่อยสัญญาณเหล่านั้นที่ปลายทางการส่งสัญญาณ และเปลี่ยนสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า RF ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ด้านรับ
เสาอากาศไดโพลมีหลายประเภทซึ่งใช้ในการใช้งานที่แตกต่างกันตามความต้องการ เช่น เสาอากาศแบบครึ่งคลื่น เสาอากาศแบบครึ่งคลื่นหลายเสา เสาอากาศไดโพลพับ เสาอากาศไดโพลสั้น และไม่เรโซแนนซ์
เสาอากาศไดโพลครึ่งคลื่น
เสาอากาศไดโพลชนิดหนึ่งที่มีความยาวไดโพลครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นที่ความถี่ใช้งาน เรียกว่าเสาอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่น บางครั้งอาจเรียกว่าเสาอากาศเฮิรตซ์เสาอากาศนี้มีโครงสร้างเรโซแนนซ์ที่เรียบง่ายเมื่อเทียบกับเสาอากาศอื่นๆ จึงใช้สำหรับการส่งสัญญาณและรับสัญญาณในการใช้งานที่หลากหลาย ความถี่ใช้งานของเสาอากาศนี้มีตั้งแต่ 3 kHz ถึง 300 GHz
ข้อดีของเสาอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่นคือ น้ำหนักเบา คุ้มค่า มีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตใกล้เคียงกับค่าอิมพีแดนซ์อินพุตของสายส่ง เป็นต้น ข้อเสียของเสาอากาศแบบครึ่งคลื่นคือ เป็นเสาอากาศอิสระ จึงสามารถใช้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานสำหรับเสาอากาศประเภทอื่นๆ ที่ทำงานที่ความถี่สูงมากได้ และรูปแบบการแผ่รังสีเป็นแบบรอบทิศทาง เสาอากาศประเภทนี้ส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องรับโทรทัศน์และวิทยุ
เสาอากาศไดโพลแบบพับ
เสาอากาศไดโพลสองขั้วที่เชื่อมต่อแยกกันเป็นวงลวดเส้นเล็ก เรียกว่าเสาอากาศแบบพับ ตามชื่อเรียก เสาอากาศไดโพลชนิดนี้จะพับกลับ ประกอบด้วยไดโพลแบบครึ่งคลื่นสองขั้ว โดยขั้วหนึ่งจะต่อเนื่องกัน และอีกขั้วหนึ่งจะแยกออกจากกันตรงกลาง ทั้งสองขั้วจะพับและเชื่อมต่อกันแบบขนานที่ปลายทั้งสองข้าง
รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศไดโพลแบบพับจะคล้ายกับเสาอากาศไดโพลทั่วไป ยกเว้นค่าอิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงกว่าและทิศทางการรับส่งสัญญาณเป็นแบบสองทิศทาง เหตุผลหลักในการใช้เสาอากาศนี้คือค่าอิมพีแดนซ์ฟีดที่สูงและแบนด์วิดท์ที่กว้าง ดังนั้นเสาอากาศเหล่านี้จึงถูกนำมาใช้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของเสาอากาศอื่นๆ และเพื่อให้มีแบนด์วิดท์สูง เสาอากาศเหล่านี้มีให้เลือกทั้งแบบสองสายและสามสาย
เสาอากาศไดโพลสั้น
เสาอากาศไดโพลที่มีความยาวสั้นเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นครึ่งหนึ่ง เรียกว่าเสาอากาศไดโพลสั้น เสาอากาศชนิดนี้เป็นเสาอากาศแบบลวดธรรมดาที่ปลายด้านหนึ่งเปิดวงจร และอีกด้านหนึ่งจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ เสาอากาศนี้มีช่วงความถี่ตั้งแต่ 3 กิโลเฮิรตซ์ ถึง 30 เมกะเฮิรตซ์ จึงสามารถนำไปใช้กับเครื่องรับที่ใช้ความถี่ต่ำได้
เสาอากาศนี้มีความยาวน้อยกว่าความยาวคลื่น เพียงต่อแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ปลายด้านหนึ่ง ขณะเดียวกันก็สร้างรูปทรงไดโพล โดยสายจะสิ้นสุดที่ปลายอีกด้านหนึ่ง
แผนภาพเสาอากาศนี้แสดงไว้ด้านบน โดยมีความยาว 'L' ขนาดของเสาอากาศเดิมไม่สำคัญ แต่สายที่ต่อเข้ากับเสาอากาศควรมีความยาวน้อยกว่า 1/10 ของความยาวคลื่น ดังนั้น
L< λ/10
โดยที่ความยาวสายของไดโพลสั้นคือ 'L' และความยาวคลื่นคือ 'λ'
เสาอากาศไดโพล FM
เสาอากาศไดโพล FM ทำได้ง่ายมากด้วยวิธีการที่หลากหลายและต้นทุนต่ำ เสาอากาศเหล่านี้จึงเป็นทางออกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับติดตั้งบนหลังคาหรือห้องใต้หลังคาในเสาอากาศ FM ภายใน สามารถใช้งานได้เมื่อต้องการเสาอากาศชั่วคราว เสาอากาศนี้เป็นเสาอากาศไดโพลแนวตั้งแบบครึ่งคลื่นครึ่งคลื่น ซึ่งนิยมใช้กันมากที่สุดเพื่อให้รับสัญญาณ VHF FM ได้ดียิ่งขึ้น โดยทั่วไป เสาอากาศเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการกระจายเสียง FM ที่มีช่วงความถี่ตั้งแต่ 88 MHz ถึง 108 MHz
เสาอากาศไดโพลแบบพัดลม
เสาอากาศประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าเสาอากาศไดโพลแบบพัดลมหรือแบบขนาน เป็นเสาอากาศแบบสายหลายแบนด์ จึงออกแบบได้ง่ายมาก โดยทั่วไป เสาอากาศประเภทนี้ประกอบด้วยเสาอากาศไดโพลหลายตัวที่ใช้สายป้อนโคแอกเซียลร่วมกัน ไดโพลแต่ละตัวต้องมีเส้นตัดกันเพื่อให้ได้จุดศูนย์กลางแบนด์โดยประมาณที่คุณต้องการให้เกิดการสั่นพ้อง
เมื่อสัญญาณถูกส่งไปแล้ว วิทยุจะตรวจจับเฉพาะองค์ประกอบเรโซแนนซ์ของย่านความถี่นั้นเท่านั้น เนื่องจากไดโพลที่เหลือจะมีอิมพีแดนซ์สูงกว่า การออกแบบเชิงกลของเสาอากาศนี้ไม่ใช่สิ่งสำคัญ เพราะสามารถจัดวางเป็นรูปตัว V กลับหัวได้แม้ในแนวนอน
การจัดเรียงบางอย่างใช้ประโยชน์จากการกระจายสายที่อยู่ติดกันในทิศทางที่ต่างกัน โดยทั่วไปแล้ว องค์ประกอบบางอย่างที่อยู่ใกล้เคียงอาจรบกวนกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา โดยทั่วไป การปรับจูนเสาอากาศนี้จำเป็นต้องตัดแต่งองค์ประกอบอย่างระมัดระวังเพื่อให้เกิดการสั่นพ้องในย่านความถี่ต่างๆ
อัตราขยายของเสาอากาศไดโพล
ค่าเกนของเสาอากาศเป็นพารามิเตอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้วัดค่าทิศทางการแผ่คลื่นของเสาอากาศ เสาอากาศที่มีค่าเกนสูงจะแผ่คลื่นในทิศทางที่กำหนดโดยเฉพาะ ค่าเกนของเสาอากาศเป็นค่าที่เกิดขึ้นแบบพาสซีฟ ซึ่งพลังงานไม่ได้ถูกรวมเข้ากับเสาอากาศ แต่ถูกจัดสรรใหม่เพื่อให้พลังงานที่แผ่คลื่นออกไปในทิศทางที่กำหนด ค่าเกนของเสาอากาศสามารถวัดได้ในหน่วย dBi และ dBd
อัตราขยายเสาอากาศไอโซทรอปิกวัดเป็นหน่วย dBi
อัตราขยายของเสาอากาศไดโพลวัดเป็นหน่วย dBd
มีความสัมพันธ์หลักระหว่าง dBd และ dBi ดังแสดงด้านล่าง
dBi = dBd + 2.15
ขณะกำหนดค่าเกนของเสาอากาศ นักออกแบบจะต้องคำนึงถึงการใช้งานเสาอากาศด้วย
เสาอากาศที่มีค่าเกนสูงจะมีข้อดีมากมาย เช่น คุณภาพของสัญญาณดีขึ้น มีระยะครอบคลุมไกลขึ้น เป็นต้น
เสาอากาศที่มีค่าเกนน้อยกว่าจะมีระยะครอบคลุมสั้นลง อย่างไรก็ตาม การวางแนวของเสาอากาศนั้นไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกัน
ค่าเกนของเสาอากาศไดโพลสามารถคำนวณได้ในหน่วย dBd เทียบกับเสาอากาศไดโพลอ้างอิง ค่าเกนของเสาอากาศไดโพลอ้างอิงคือ 2.15 dBi ดังนั้น การเปลี่ยนระหว่าง dBi และ dBd จึงง่ายมากโดยการบวกหรือลบ 2.15 ตามสูตรนี้: dBi = dBd + 2.15
ความยาวคลื่นของเสาอากาศไดโพล
ความยาวคลื่นของเสาอากาศสามารถคำนวณได้จากสูตรความถี่
ความถี่ (f) = C/λ
จากสมการข้างต้นสามารถหาความยาวคลื่นได้
λ = C/f
ที่ไหน:
'C' คือความเร็วแสง
'f' คือความถี่
ความแตกต่างระหว่างเสาอากาศไดโพลและโมโนโพลมีดังต่อไปนี้
ข้อดีของเสาอากาศไดโพลมีดังต่อไปนี้
ข้อเสียของเสาอากาศไดโพลมีดังต่อไปนี้
การประยุกต์ใช้ของเสาอากาศไดโพลมีดังต่อไปนี้
ดังนั้น บทความนี้จึงเกี่ยวกับภาพรวมของเสาอากาศไดโพลการทำงาน และการประยุกต์ใช้งาน เสาอากาศไดโพลเป็นหนึ่งในประเภทที่สำคัญที่สุดของเสาอากาศ RF ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารทางวิทยุ หรือในการออกแบบเสาอากาศ RF อื่นๆ เพื่อสร้างองค์ประกอบการแผ่รังสีสำหรับเสาอากาศโดยรวม เสาอากาศชนิดนี้ออกแบบได้ง่าย และเสาอากาศไดโพลพื้นฐานสามารถทำงานบนช่วงความถี่ VHF, UHF และ HF ของสเปกตรัม RF