ทิศทางการแผ่คลื่นของเสาอากาศเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบและติดตั้งเสาอากาศวิทยุ หรือแม้กระทั่งการนำเสาอากาศไปใช้ในระบบสื่อสารไร้สายขนาดเล็กหรือระบบสื่อสารเคลื่อนที่ เสาอากาศบางชนิดมีทิศทางการแผ่คลื่นในแนวตั้ง บางชนิดในแนวนอน และเสาอากาศประเภทอื่นๆ มีทิศทางการแผ่คลื่นที่แตกต่างกันออกไป

ในการออกแบบเสาอากาศ การเลือกรูปทรงของเสาอากาศนั้นสำคัญอย่างยิ่ง จำเป็นต้องเข้าใจว่าทิศทางการโพลาไรซ์ของเสาอากาศควรเป็นอย่างไร เสาอากาศวิทยุที่มีการโพลาไรซ์แบบหนึ่งจะไม่สามารถรับสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการโพลาไรซ์แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ถึงกระนั้น ระบบโทรศัพท์ไร้สายและโทรศัพท์มือถือจำนวนมากอาจอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่ามักมีการสะท้อนหลายครั้งระหว่างตัวส่งและตัวรับ ซึ่งจะทำให้สัญญาณมีทิศทางการโพลาไรเซชันเฉพาะเมื่อไปถึงตัวรับ ถึงกระนั้น ทิศทางการโพลาไรเซชันของเสาอากาศก็ยังคงมีความสำคัญอยู่

หลักการพื้นฐานเกี่ยวกับการโพลาไรซ์ของเสาอากาศ

สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การโพลาไรเซชันก็คือระนาบที่คลื่นไฟฟ้าสั่นสะเทือนนั่นเอง สิ่งนี้สำคัญมากเมื่อพิจารณาถึงเสาอากาศ เพราะเสาอากาศมีความไวต่อการโพลาไรเซชัน และโดยทั่วไปแล้วจะรับหรือส่งสัญญาณได้เฉพาะสัญญาณที่มีการโพลาไรเซชันเฉพาะเท่านั้น

สำหรับเสาอากาศส่วนใหญ่ การกำหนดทิศทางการโพลาไรซ์นั้นง่ายมาก โดยจะดูจากระนาบเดียวกับส่วนประกอบของเสาอากาศ ดังนั้นเสาอากาศแนวตั้ง (เช่น เสาอากาศที่มีส่วนประกอบแนวตั้ง) จะรับสัญญาณที่มีการโพลาไรซ์ในแนวตั้งได้ดีที่สุด และในทำนองเดียวกัน เสาอากาศแนวนอนจะรับสัญญาณที่มีการโพลาไรซ์ในแนวนอนได้ดีที่สุด

สิ่งสำคัญคือต้องปรับทิศทางการโพลาไรเซชันของเสาอากาศ RF ให้ตรงกับทิศทางการโพลาไรเซชันของสัญญาณขาเข้า เพื่อให้ได้สัญญาณสูงสุด หากทิศทางการโพลาไรเซชันของเสาอากาศ RF ไม่ตรงกับสัญญาณ ระดับของสัญญาณจะลดลงตามไปด้วย โดยจะลดลงตามค่าโคไซน์ของมุมระหว่างทิศทางการโพลาไรเซชันของเสาอากาศ RF กับสัญญาณ

ดังนั้น ทิศทางการโพลาไรซ์ของเสาอากาศที่อยู่ในพื้นที่ว่างจึงมีความสำคัญมาก และเห็นได้ชัดว่าเสาอากาศเหล่านั้นควรอยู่ในระนาบเดียวกันเพื่อให้ได้สัญญาณที่ดีที่สุด หากเสาอากาศตั้งฉากกัน (เช่น โพลาไรซ์ไขว้) ในทางทฤษฎีแล้วจะไม่สามารถรับสัญญาณได้

สำหรับการใช้งานด้านการสื่อสารทางวิทยุภาคพื้นดิน พบว่าเมื่อส่งสัญญาณไปแล้ว ทิศทางการโพลาไรเซชันของสัญญาณจะคงที่โดยทั่วไป อย่างไรก็ตาม การสะท้อนจากวัตถุในเส้นทางอาจทำให้ทิศทางการโพลาไรเซชันเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากสัญญาณที่ได้รับเป็นผลรวมของสัญญาณโดยตรงและสัญญาณสะท้อนหลายสัญญาณ ดังนั้นทิศทางการโพลาไรเซชันโดยรวมของสัญญาณจึงอาจเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย แม้ว่าจะยังคงใกล้เคียงเดิมก็ตาม

หมวดหมู่การแบ่งขั้ว

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการโพลาไรซ์ต่างกัน จะแพร่กระจายในรูปแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อยภายใต้บางสถานการณ์

หมายความว่า สำหรับการออกอากาศบางรูปแบบ การสื่อสารทางวิทยุ หรือระบบไร้สายบางระบบ อาจใช้รูปแบบการโพลาไรซ์ที่แตกต่างกันได้

โดยทั่วไปแล้ว ข้อดีและข้อเสียของการแบ่งขั้วแบบต่างๆ นั้นค่อนข้างเล็กน้อย แต่สำหรับรูปแบบการออกอากาศ การเชื่อมต่อไร้สาย หรือระบบสื่อสารทางวิทยุ หรือระบบสื่อสารเคลื่อนที่บางรูปแบบ ความแตกต่างเล็กน้อยเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากได้

การโพลาไรเซชันมีหลายประเภท และในแต่ละประเภทก็ยังมีประเภทย่อยอีกหลายประเภท นอกจากนี้ เสาอากาศที่เกี่ยวข้องก็มีการโพลาไรเซชันที่สอดคล้องกันด้วย

• การโพลาไรซ์เชิงเส้น:   การโพลาไรซ์เชิงเส้นเป็นรูปแบบการโพลาไรซ์เสาอากาศที่พบได้บ่อยที่สุด มีลักษณะเฉพาะคือการแผ่รังสีทั้งหมดอยู่ในระนาบเดียวกัน จึงเป็นที่มาของคำว่า "เชิงเส้น"
  
  • การโพลาไรซ์แนวนอน:   การโพลาไรซ์เสาอากาศรูปแบบนี้มีองค์ประกอบในแนวนอน มันรับและแผ่สัญญาณโพลาไรซ์แนวนอน กล่าวคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีสนามไฟฟ้าอยู่ในระนาบแนวนอน
  • การโพลาไรซ์แนวตั้ง:   เสาอากาศรูปแบบนี้มีลักษณะเฉพาะคือมีองค์ประกอบแนวตั้งอยู่ภายในเสาอากาศ อาจเป็นองค์ประกอบแนวตั้งเพียงชิ้นเดียว เหตุผลหนึ่งในการใช้การโพลาไรซ์แนวตั้งคือ เสาอากาศที่ประกอบด้วยองค์ประกอบแนวตั้งเพียงชิ้นเดียวสามารถแผ่รังสีได้อย่างเท่าเทียมกันรอบๆ ในระนาบแนวนอน โดยทั่วไปแล้ว เสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งจะมีมุมการแผ่รังสีต่ำ ทำให้สามารถแผ่พลังงานส่วนใหญ่ในมุมที่ใกล้กับพื้นผิวโลกได้ เสาอากาศโพลาไรซ์แนวตั้งยังสะดวกมากสำหรับการใช้งานในรถยนต์อีกด้วย
  • การโพลาไรซ์แบบเอียง:   นี่คือรูปแบบหนึ่งของการโพลาไรซ์เสาอากาศวิทยุที่ทำมุมกับระนาบแนวนอนหรือแนวตั้ง ด้วยวิธีนี้ทั้งเสาอากาศที่โพลาไรซ์ในแนวตั้งและแนวนอนจึงสามารถรับสัญญาณได้
• การโพลาไรซ์แบบวงกลม: การโพ   ลาไรซ์แบบนี้มีประโยชน์หลายประการ เช่น ในการใช้งานดาวเทียม ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากความผิดปกติของการแพร่กระจายสัญญาณ การสะท้อนจากพื้นดิน และผลกระทบจากการหมุนของดาวเทียมหลายดวง การโพลาไรซ์แบบวงกลมนั้นยากต่อการมองเห็นภาพมากกว่าการโพลาไรซ์แบบเส้นตรง อย่างไรก็ตาม สามารถจินตนาการได้โดยการนึกภาพสัญญาณที่แพร่กระจายจากเสาอากาศ RF ที่กำลังหมุน ปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะปรากฏเป็นรูปเกลียวหรือรูปเกลียวสว่านขณะที่เคลื่อนที่ออกจากเสาอากาศ
  
  • การโพลาไรซ์แบบวงกลมขวา:   ในรูปแบบการโพลาไรซ์นี้ เวกเตอร์จะหมุนไปในทิศทางขวา
  • การโพลาไรซ์แบบวงกลมซ้าย:   ในรูปแบบการโพลาไรซ์นี้ เวกเตอร์จะหมุนไปในทิศทางซ้าย กล่าวคือ ตรงข้ามกับทิศทางขวา
• การโพลาไรเซชันแบบผสม:   การโพลาไรเซชันอีกรูปแบบหนึ่งเรียกว่า การโพลาไรเซชันแบบวงรี เกิดขึ้นเมื่อมีการผสมผสานระหว่างการโพลาไรเซชันเชิงเส้นและการโพลาไรเซชันแบบวงกลม สามารถมองเห็นภาพได้ดังที่กล่าวมาแล้ว โดยปลายของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะวาดเป็นรูปเกลียววงรี

เสาอากาศแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นสามารถรับสัญญาณแบบโพลาไรซ์เชิงวงกลมได้ และในทางกลับกัน ความแรงของสัญญาณจะเท่ากันไม่ว่าเสาอากาศแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นจะติดตั้งในแนวตั้ง แนวนอน หรือระนาบใดๆ ก็ตาม แต่ต้องหันไปทางสัญญาณที่ส่งมา

คุณภาพสัญญาณจะลดลงบ้าง เนื่องจากระดับสัญญาณจะต่ำกว่า 3 เดซิเบล เมื่อเทียบกับการใช้เสาอากาศแบบโพลาไรซ์วงกลมที่มีทิศทางเดียวกัน สถานการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นเมื่อเสาอากาศแบบโพลาไรซ์วงกลมรับสัญญาณแบบโพลาไรซ์เชิงเส้น

การใช้งานสำหรับโพลาไรเซชันเสาอากาศประเภทต่างๆ

มีการใช้โพลาไรเซชันประเภทต่างๆ ในการใช้งานที่แตกต่างกัน เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของแต่ละประเภทได้ ดังนั้น รูปแบบการโพลาไรเซชันที่แตกต่างกันจึงถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่แตกต่างกัน:

• การสื่อสารทางวิทยุทั่วไป:   การโพลาไรซ์เชิงเส้นเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการใช้งานด้านการสื่อสารทางวิทยุส่วนใหญ่ เนื่องจากเสาอากาศวิทยุโดยทั่วไปนั้นเรียบง่ายและตรงไปตรงมามากกว่า
• โทรศัพท์มือถือและการสื่อสารไร้สายระยะสั้น:   ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้งานโทรศัพท์มือถือและการสื่อสารไร้สายระยะสั้นมีการเติบโตอย่างมหาศาล ตั้งแต่การสื่อสารผ่านโทรศัพท์มือถือไปจนถึง Wi-Fi และมาตรฐานอื่นๆ อีกมากมายที่ช่วยให้การสื่อสารไร้สายระยะสั้นเป็นไปได้
  
  โดยปกติแล้วจะใช้การโพลาไรซ์เชิงเส้นสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้ เนื่องจากเสาอากาศแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นนั้นผลิตได้ง่ายกว่าในอุปกรณ์เหล่านี้ ดังนั้นสถานีฐานจึงต้องมีการโพลาไรซ์ที่คล้ายกัน แม้ว่ามักจะใช้การโพลาไรซ์แนวตั้ง แต่หลายรายการ เช่น เราเตอร์ Wi-Fi ก็มีเสาอากาศที่ปรับได้ นอกจากนี้ เนื่องจากเส้นทางการส่งสัญญาณของการสื่อสารเหล่านี้มักสะท้อนจากพื้นผิวต่างๆ การโพลาไรซ์ที่ส่งไปถึงตัวรับจึงค่อนข้างสุ่ม และดังนั้นจึงอาจเป็นปัญหาที่น้อยลง
• การสื่อสารวิทยุสองทางแบบเคลื่อนที่:   ระบบการสื่อสารวิทยุสองทางแบบเคลื่อนที่แบบดั้งเดิมหลายระบบยังคงใช้งานอยู่ ตั้งแต่บริการฉุกเฉินไปจนถึงการใช้งานวิทยุเคลื่อนที่ส่วนตัวจำนวนมาก โดยที่เครื่องรับส่งวิทยุจะติดตั้งอยู่ในยานพาหนะ
  
  การโพลาไรซ์แนวตั้งมักถูกใช้สำหรับการสื่อสารวิทยุสองทางแบบเคลื่อนที่เหล่านี้ เนื่องจากเสาอากาศวิทยุแบบโพลาไรซ์แนวตั้งหลายแบบมีรูปแบบการแผ่รังสีแบบรอบทิศทาง และหมายความว่าไม่จำเป็นต้องปรับทิศทางเสาอากาศใหม่ทุกครั้งที่ยานพาหนะเคลื่อนที่ ซึ่งมักเกิดขึ้นกับการสื่อสารวิทยุแบบเคลื่อนที่
• การสื่อสารผ่านชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์ความถี่สูงระยะไกล:   ใช้ทั้งการโพลาไรซ์แนวตั้งและแนวนอน:
  
  • การโพลาไรซ์ในแนวนอน:   เสาอากาศแบบลวดถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารความถี่สูง (HF) โดยทั่วไปแล้วจะติดตั้งได้ง่ายกว่าโดยใช้เสา 2 ต้น โดยให้เสาอากาศแบบลวดแขวนอยู่ระหว่างเสาทั้งสอง ในลักษณะนี้ เสาอากาศจะมีการ
    
    ในแนวนอน สำหรับเสาอากาศแบบหลายองค์ประกอบขนาดใหญ่ ข้อจำกัดทางกลทำให้สามารถติดตั้งในระนาบแนวนอนได้ง่ายกว่าในระนาบแนวตั้ง เนื่องจากองค์ประกอบของเสาอากาศ RF ตั้งฉากกับเสาหรือหอคอยแนวตั้งที่ติดตั้งอยู่ ดังนั้นการใช้เสาอากาศที่มีองค์ประกอบในแนวนอนจึงมีการรบกวนทางกายภาพและทางไฟฟ้าระหว่างทั้งสองน้อยกว่า
  • การโพลาไรซ์แนวตั้ง:   เสาอากาศที่ประกอบด้วยองค์ประกอบแนวตั้งเพียงชิ้นเดียวมีการใช้งานอย่างแพร่หลาย เสาอากาศแบบโพลาไรซ์แนวตั้งให้มุมการแผ่รังสีต่ำ ซึ่งช่วยให้สามารถรับส่งสัญญาณได้ในระยะไกลอย่างมีประสิทธิภาพ
• การออกอากาศคลื่นความถี่กลาง:   สถานีออกอากาศคลื่นความถี่กลางโดยทั่วไปใช้การโพลาไรซ์แนวตั้ง เนื่องจากคลื่นพื้นดินสามารถแพร่กระจายได้ดีกว่ามากเมื่อใช้การโพลาไรซ์แนวตั้ง ในขณะที่การโพลาไรซ์แนวนอนแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงเพียงเล็กน้อยสำหรับการสื่อสารทางไกลโดยใช้ชั้นบรรยากาศไอโอโนสเฟียร์

• เสาอากาศแบบโพลาไรซ์แนวตั้งมีข้อดีคือจะแผ่รังสีอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทางขนานกับพื้นโลก ซึ่งมีข้อดีในด้านการครอบคลุมพื้นที่ นอกจากนี้ เสาอากาศแนวตั้งต้องการเพียงส่วนประกอบแนวตั้งเท่านั้น ในขณะที่เสาอากาศแบบโพลาไรซ์แนวนอนจะต้องมีส่วนรองรับสองส่วน
• การสื่อสารผ่านดาวเทียม:   บางครั้งมีการใช้การโพลาไรซ์แบบวงกลมสำหรับการสื่อสารทางวิทยุผ่านดาวเทียม เนื่องจากมีข้อดีบางประการในแง่ของการแพร่กระจายสัญญาณและการเอาชนะการลดทอนสัญญาณที่เกิดจากการที่ดาวเทียมเปลี่ยนทิศทาง

ดังที่เห็นได้ การจัดเรียงทิศทางของเสาอากาศวิทยุแต่ละแบบมีข้อดีเฉพาะตัว ซึ่งสามารถนำมาใช้ให้เกิดประโยชน์ในสถานการณ์ต่างๆ ได้ การเลือกรูปแบบการจัดเรียงทิศทางที่เหมาะสมสามารถให้ข้อดีหลายประการ และจึงมีความสำคัญมาก