ทฤษฎีสายอากาศ

1. ทฤษฎีสายอากาศ วิเศษ ศักดิ์ศิริ ภาควิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

2. หน้าที่ของสายอากาศ • หน้าที่ของสายอากาศคือ แปลงรูปพลังงานสลับกัน จากคลื่นบังคับวิถีเป็นคลื่นในปริภูมิเสรี • เปลี่ยนเป็นคลื่นในปริภูมิเสรีเมื่อเป็นสายอากาศส่ง • เปลี่ยนเป็นคลื่นบังคับวิถีเมื่อเป็นสายอากาศรับ • เป็นภาคเชื่อมต่อระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟตอน

3. ทฤษฎีที่จำเป็นในการวิเคราะห์สายอากาศทฤษฎีที่จำเป็นในการวิเคราะห์สายอากาศ • ธรรมชาติและการทำงานของสายอากาศ • ความรู้พื้นฐานทางทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า • ทฤษฎีสายอากาศ • สายอากาศชนิดต่างๆ • การจัดสายอากาศให้ทำงานเป็นกลุ่ม

4. ลักษณะโดยทั่วไปในการทำงานของสายอากาศลักษณะโดยทั่วไปในการทำงานของสายอากาศ • เมื่อคลื่นตกกระทบสายอากาศก็จะเหนี่ยวนำให้เกิดพลังงาน • การเคลื่อนย้ายของพลังงานเข้าสู่อากาศโดยการเปลี่ยนรูปพลังงาน • ไม่มีการนำพาหรือการแพร่ • เป็นการแผ่พลังงาน

5. สายอากาศชนิดต่างๆ • สายอากาศเส้นลวด • สายอากาศขั้วคู่ • สายอากาศ ยากิ-อุดะ • สายอากาศขั้วเดี่ยว • สายอากาศร่อง • สายอากาศทรงปิระมิด • สายอากาศทรงจานสะท้อน

6. สายอากาศเส้นลวด

7. สายอากาศเส้นลวด

8. สายอากาศขั้วคู่

9. สายอากาศขั้วคู่

10. สายอากาศ ยากิ-อุดะ

11. สายอากาศขั้วเดี่ยว

12. สายอากาศร่อง

13. สายอากาศทรงปิระมิด

14. สายอากาศจานสะท้อน

15. ความรู้พื้นฐานทางทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าความรู้พื้นฐานทางทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า • สมการแมกซ์เวลล์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลาได้เป็นดังนี้

16. แบบรูปการแผ่พลังงาน • แบบรูปการแผ่พลังงาน คือรูปภาพที่ใช้เพื่อแสดงคุณสมบัติของการแผ่พลังงานซึ่งเป็นฟังก์ชันพิกัดทรงกลม ส่วนใหญ่รูปแบบการแผ่พลังงานนี้มักจะคิดในบริเวณที่เป็นสนามระยะไกล • การอธิบายคุณสมบัติของการแผ่พลังงาน จะอาศัยคุณสมบัติต่าง ๆ ดังต่อไปนี้ คือความเข้มของการแผ่พลังงาน คุณสมบัติเหล่านี้ใช้เพื่อแสดงรูปของพลังงานเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งสามมิติที่สังเกตเมื่อรัศมีคงที่

17. แบบรูปการแผ่พลังงาน

18. แบบรูปการแผ่พลังงาน • ตัวแผ่พลังงานไอโซโทรปิค (Isotropic Radiator) คือสายอากาศที่ถูกสมมติขึ้น โดยมีคุณสมบัติการแผ่พลังงานเท่ากันในทุกทิศทาง ยกตัวอย่างเช่น แหล่งจ่ายแบบจุด (point source) เป็นสายอากาศแบบหนึ่งที่ไม่สามารถสร้างได้จริง แต่มักจะใช้เป็นตัวเปรียบเทียบกับสายอากาศจริงเกี่ยวกับการแสดงคุณสมบัติ แสดงทิศทางของสายอากาศ

19. แบบรูปแบบไอโซโทรปิค ไดเรคชั่นแนล และโอมนิไดเรคชั่นแนล

20. แบบรูปการแผ่พลังงาน • สายอากาศชี้ทิศทาง (Directional Antenna) เป็นสายอากาศซึ่งมีคุณสมบัติของการส่งหรือรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ได้ดีในทิศทางที่กำหนด รูปแบบแบบนี้ ไม่มีทิศทางในระนาบอาซิมุธ (Azimuth Plane) [ ค่าคงที่ ] แต่เป็นแบบชี้ทิศทางในระนาบเอเลเวชัน (Elevation Plane) [ค่าคงที่ ] แบบรูปแบบโอมนิไดเรคชั่นแนลเป็นกรณีพิเศษของสายอากาศแบบไดเรกชันแนล

21. แบบรูปหลักของสายอากาศแบบชี้ทิศทางแบบรูปหลักของสายอากาศแบบชี้ทิศทาง

22. พูสัญญาณหลัก • พูสัญญาณหลัก (Major Lobe หรือ Main Lobe) เป็นพูสัญญาณของการแผ่พลังงานซึ่งอยู่ในทิศทางที่การแผ่พลังงานแรงที่สุด สำหรับสายอากาศบางชนิดอาจจะมีพูสัญญาณมากกว่าหนึ่งพูสัญญาณ เช่น สายอากาศแยกบีม (Split Beam Antenna)

23. พูสัญญาณย่อย และ พูสัญญาณข้าง • พูสัญญาณย่อย (Major Lobe) ได้แก่ พูสัญญาณอื่น ๆ นอกเหนือไปจากพูสัญญาณหลัก • พูสัญญาณข้างหรือไซด์พูสัญญาณ (Side Lobe) เป็นพูสัญญาณย่อยที่อยู่ติดกับพูสัญญาณหลัก และอยู่ในทิศทางบนครึ่งวงกลมเดียวกับพูสัญญาณหลัก

24. พูสัญญาณหลัง • พูสัญญาณหลัง (Back Lobe) เป็นพูสัญญาณย่อยที่อยู่ในครึ่งวงกลมตรงข้ามกับพูสัญญาณหลัก ปกติแล้วพูสัญญาณย่อยจะเกิดการแผ่พลังงานในทิศทางที่ไม่ต้องการ ดังนั้นสำหรับสายอากาศที่จะต้องกำจัดพูสัญญาณเหล่านี้ให้น้อยที่สุดระดับของพูสัญญาณย่อยแสดงเป็นอัตราส่วนของความหนาแน่นของพลังงานในพูสัญญาณที่กำลังคิดต่อความหนาแน่นของพลังงาน ในพูสัญญาณหลัก ซึ่งเรียกว่า อัตราส่วนไซด์พูสัญญาณ (Side Lobe Ratio) หรือระดับพลังงานของไซด์พูสัญญาณ (Side Lobe Level : SLL) ในทางปฏิบัติโดยทั่วไปนั้นมักต้องการให้ระดับของไซด์พูสัญญาณน้อยกว่า –20 dB เมื่อเทียบกับพูสัญญาณหลัก

25. บริเวณที่ล้อมรอบสายอากาศบริเวณที่ล้อมรอบสายอากาศ • โดยทั่วไปมักจะแบ่งบริเวณที่ล้อมรอบสายอากาศออกเป็น 3 ส่วน คือ สนามรีแอกทีฟระยะใกล้ (Reactive-Near Field) และสนามระยะไกล (Far Field)

26. สเตอเรเดียน

27. บีมวิดท์ (Beamwidth) • ฮาร์ฟเพาเวอร์บีมวิดท์ (Half Power Beamwidth : HPBW) เป็นมุมที่วัดระหว่างจุดที่ความเข้มของการแผ่พลังงานในพูสัญญาณหลัก มีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของบีมของกำลัง (half power level or–3 dB beamwidth) • เฟิร์สนูลบีมวิดท์ (First null Beamwidth : FNBW) เป็นมุมที่เกิดจากการที่ค่าของกำลัง ในการแพร่เป็น “ศูนย์ครั้งแรก”

28. บีมวิดท์

29. ความเข้มของการแพร่กระจายคลื่น (Radiation Intensity) • กำลังที่แพร่กระจายจากสายอากาศต่อหน่วยของมุมตันเราเรียกว่า ความเข้มของการแพร่กระจายคลื่น, U (watts per steradian or per square degree) ซึ่งค่าของ normalized power pattern สามารถหาได้ในเทอมของตัวแปรที่เป็นอัตราส่วนระหว่าง ในฟังก์ชันของมุมต่อค่าสูงสุดได้ว่า

30. ประสิทธิภาพบีม (Beam Efficiency) • พื้นที่บีม ( หรือ บีมมุมตัน ) ที่เกิดจาก พื้นที่บีมหลัก บวกกับ พื้นที่ของพูสัญญาณย่อย สามารถเขียนได้ว่า

31. Beam Efficiancy • อัตราส่วนของ พื้นที่บีมหลัก ถึง พื้นที่บีมรวม เราเรียกว่า Beam Efficiancy ดังนี้

32. Stray Factor • อัตราส่วนของ พื้นที่ของพูสัญญาณย่อย กับพื้นที่บีมรวม เราเรียกว่า Stray Factor ดังนี้

33. พื้นที่บีม • พื้นที่บีมของสายอากาศสามารถที่จะพิจารณาโดยประมาณในเทอมของฮาร์ฟเพาเวอร์บีมวิดท์ของโลบหลักทั้งสองระนาบได้ว่า

34. ไดเร็คติวิตี้ และ อัตราขยาย • ค่าไดเร็คติวิตี้ของสายอากาศมีค่าเท่ากับอัตราส่วนระหว่างความหนาแน่นของกำลังงานสูงสุด ต่อค่าเฉลี่ยในพิกัดทรงกลมเมื่อเราสังเกตที่สนามระยะไกลของสายอากาศ ได้ว่า

35. ค่าอัตราขยาย ของสายอากาศ • ค่าอัตราขยาย ของสายอากาศเป็นค่าที่เกิดขึ้นจริง หรือเป็นปริมาณที่เป็นจริง โดยมีค่าต่ำกว่าไดเร็คติวิตี้ที่กำหนด กับค่า ohmic losses ในสายอากาศหรือ radome (ถ้าเป็นสายอากาศปลายปิด) ในการส่งสัญญาณจะทำให้เกิดการสูญเสียกำลังงานที่ป้อนให้กับสายอากาศ โดยไม่ได้แพร่กระจายพลังงานแต่จะทำให้เกิดความร้อนในโครงสร้างของสายอากาศ การ mismatch ในการป้อนสัญญาณให้สายอากาศจะส่งผลให้ไปลดทอนค่าของอัตราขยาย อัตราส่วนของอัตราขยาย ต่อไดเร็คติวิตี้

36. การวัดอัตราการขยาย • อัตราขยายสามารถวัดได้โดยการเปรียบเทียบค่าสูงสุดของความหนาแน่นของกำลังงานที่แพร่กระจายของสายอากาศที่ต้องการทราบค่า (Antenna under test, AUT) กับสายอากาศเปรียบเทียบที่เราทราบค่าอัตราขยาย ยกตัวอย่างเช่น สายอากาศแบบขั้วคู่สั้น (shot dipole) ได้ว่า

37. ประสิทธิภาพของสายอากาศประสิทธิภาพของสายอากาศ • ประสิทธิภาพทั้งหมดของสายอากาศ จะใช้เมื่อเราคำนึงถึงการสูญเสียต่าง ๆ ที่ขั้วและภายในโครงสร้างของสายอากาศด้วยการสูญเสียต่าง ๆ อาจเนื่องมาจาก • 1. การสะท้อนกลับเนื่องจากความไม่แมทช์(Mismatch)กันระหว่างสายส่งกับสายอากาศ • 2. การสูญเสียทั้งในตัวนำและฉนวน

38. ประสิทธิภาพของสายอากาศประสิทธิภาพของสายอากาศ • ประสิทธิภาพทั้งหมด • ประสิทธิภาพเกี่ยวกับการสะท้อนกลับ • ประสิทธิภาพของตัวนำ • ประสิทธิภาพของฉนวน

39. แบนด์วิดท์ • แบนด์วิดท์ของสายอากาศจะถูกกำหนดอย่างกว้างขวางโดยย่านของความถี่ ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสายอากาศนั้น ๆ โดยทั่วไปแบนด์วิดท์ก็จะเป็นอัตราส่วนระหว่างความถี่ด้านสูงกับ ความถี่ด้านต่ำหรือเปอร์เซ็นของความถี่กลาง (center frequency) เนื่องจากคุณสมบัติของสายอากาศแต่ละตัวที่ไม่เหมือนกัน จึงเป็นการยากที่จะพิจารณาค่าของแบนด์วิดท์ สองวิธีที่นิยมที่สุดในการพิจารณาค่าของแบนด์วิดท์คือ pattern bandwidth และ impedance bandwidth

40. แบนด์วิดท์

41. โพลาไรเซชั่น

42. โพลาไรเซชั่น • โพลาไรเซชั่นของคลื่นที่แพร่กระจายนั้น เป็นรูปแสดงคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่แพร่กระจายออกไป ที่อธิบายขนาดและทิศทางของเวคเตอร์สนามไฟฟ้าซึ่งแปรผันตามเวลา รูปแสดงโพลาไรเซชั่นจะแสดงการกวาดของยอดเวคเตอร์สนามไฟฟ้าที่เวลาต่างๆ ณ ตำแหน่งที่ทำการสังเกตซึ่งคงที่ และการสังเกตนี้จะทำโดยมองตามหลังคลื่นที่เดินทาง

43. การแบ่งชนิดของโพลาไรเซชั่น • แบบลิเนียร์โพลาไรเซชั่น ( Linearly โพลาไรเซชั่น ) • โพลาไรเซชั่นแบบวงกลม ( Circularly โพลาไรเซชั่น ) • โพลาไรเซชั่นแบบวงรี ( Elliptically โพลาไรเซชั่น )

44. โพลาไรเซชั่น