การสร้างสายอากาศแบบต่างๆ

การสรา้ งสายอากาศแบบต่างๆ

สายอากาศ

สายอากาศ (อังกฤษ: antenna) เปน็ อปุ กรณ์ไฟฟ้าชนดิ หนึ่งท่ีเปลย่ี นพลังงานไฟฟ้าใหเ้ ป็นคลน่ื
แมเ่ หล็กไฟฟา้ หรอื ในทางกลับกัน ปกตสิ ายอากาศจะถกู ใช้กับเคร่ืองสง่ และเครื่องรับวิทยุ. ในการ
สง่ เครอ่ื งส่งวิทยุจะป้อนคลน่ื กระแสไฟฟ้าทค่ี วามถีว่ ิทยุ (หรอื ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ความถี่สงู )
ไปยังขัว้ ไฟฟ้าทง้ั สองของสายอากาศ จากนัน้ สายอากาศจะแผ่รังสพี ลงั งานจากกระแสในรูปของ
คล่นื แม่เหล็กไฟฟา้ (คลน่ื วิทยุ) ในการรบั สายอากาศจะดกั จบั พลงั งานของคลน่ื แม่เหลก็ ไฟฟ้า
เพ่ือท่ีจะสร้างแรงดนั ไฟฟา้ ขนาดเล็กท่ขี ั้วไฟฟ้าของมัน แรงดันไฟฟา้ นจ้ี ะถูกส่งต่อไปให้เครื่องรบั
เพอื่ ทาการขยายสญั ญาณต่อไป

สายอากาศเป็นชนิ้ ส่วนท่ีสาคัญของอุปกรณ์ทกุ ชนดิ ที่ใช้วิทยุ ไดแ้ ก่สถานวี ทิ ยกุ ระจายเสยี ง
สถานีโทรทศั น์ วทิ ยุสองทาง เคร่ืองรับส่ือสาร เรดาร์ โทรศัพท์เคลือ่ นที่ และการสื่อสารดาวเทยี ม
นอกจากนี้ มันยังใชก้ ับอุปกรณเ์ ช่นประตโู รงรถอัตโนมัติ ไมโครโฟนไรส้ าย บลูทูธ แลนไรส้ าย
เครอื่ งเฝ้าดทู ารก ฉลาก RFID และของเลน่ วิทยุบังคับตา่ ง ๆ

โดยท่วั ไปสายอากาศจะประกอบด้วยโครงสรา้ งของตวั นาโลหะทเ่ี รียกว่า อีลิเมนทข์ ับ
(อังกฤษ: driven element) ท่ตี ่อทางไฟฟ้า (มกั จะผา่ นทางสายสง่ ) เขา้ กับเครือ่ งส่งหรอื เครื่องรบั
เครื่องส่งจะบังคบั ให้กระแสไฟฟา้ ทีเ่ ปน็ คล่นื ของอเิ ล็กตรอนไหลผา่ นสายอากาศ กระแสไฟฟ้า

ดงั กลา่ วจะสร้างสนามไฟฟ้าทเี่ ปน็ คล่นื ไปตามอีลิเมนท์นน้ั สนามพลังที่เปล่ยี นแปลงไปตามเวลา
เหล่านีจ้ ะถกู แผ่กระจายออกไปจากสายอากาศเข้าสู่อากาศในรูปของคล่ืนสนามแม่เหล็กไฟฟา้
เคลอ่ื นทตี่ ามขวาง ทางด้านรบั คลนื่ เหล่าน้ีเข้ามารวมกนั ท่ีสายอากาศ สนามแม่เหล็กและไฟฟ้าที่
เปน็ คลืน่ จะสรา้ งแรงข้ึนบนอิเล็กตรอนในอีลิเมนท์ของสายอากาศ ทาใหพ้ วกอิเลก็ ตรอนต้อง
เคลือ่ นทก่ี ลบั ไปกลับมา เปน็ การสร้างกระแสทีเ่ ปน็ คลืน่ ในสายอากาศ

สายอากาศสามารถออกแบบให้ส่งหรือรบั คลืน่ วิทยุได้ในทกุ ทิศทางแนวราบเท่าๆกันที่
เรียกว่าสายอากาศทกุ ทศิ ทาง (องั กฤษ: Omnidirectional antenna), หรอื ชอบทจ่ี ะใหร้ บั และส่ง
ได้ในทศิ ทางเฉพาะทเ่ี รียกวา่ สายอากาศเฉพาะทิศทาง (องั กฤษ: Directional antenna) หรือ
สายอากาศเกนสูง (อังกฤษ: High gain antenna) สาหรับสายอากาศเกนสูง มันอาจต้องมีอีลิ
เมนท์หรือตัวประกอบอ่ืนเพ่ิมเตมิ ทไ่ี มม่ กี ารตอ่ ถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับเครือ่ งส่งหรอื เคร่ืองรับแต่
อย่างใด อุปกรณด์ งั กล่าวไดแ่ ก่ อีลิเมนทก์ าฝาก (องั กฤษ: parasitic elements), แผงสะทอ้ นคลื่น
แบบโคง้ (องั กฤษ: parabolic reflectors) หรอื สายอากาศปากแตร (อังกฤษ: Horn antenna),
ซ่งึ มีหน้าที่นาทางคลื่นวิทยุใหอ้ ยูใ่ นรปู ลาแสงหรือรปู แบบการแผก่ ระจายคล่ืนที่ต้องการอื่นๆ

สายอากาศตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1888 โดยนักฟสิ กิ สช์ าวเยอรมนั นายไฮน์รชิ เฮริ ต์ ซ์
ระหวา่ งการทดลองแบบบุกเบกิ เพือ่ พสิ จู น์ความมีอยู่ของคลืน่ แมเ่ หล็กไฟฟ้าทไ่ี ดม้ ีการคาดคะเนไว้
ก่อนแลว้ ตามทฤษฎีของนายเจมส์ เคลิร์ก แมกซเ์ วลล์ นายเฮิรต์ ซไ์ ดว้ างสายอากาศแบบไดโพล
หลายตวั ไวท้ ีจ่ ดุ โฟกัสของกลุม่ แผงสะทอ้ นคลื่นแบบโคง้ เพอ่ื ใหม้ กี ารทางานท้ังรบั และส่ง เขาได้
ตพี มิ พผ์ ลงานของเขาใน Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889).

ตามลักษณะการใชง้ านและเทคโนโลยีท่มี ีอยู่, เสาอากาศโดยท่ัวไปจะตกอยู่ในหนึง่ ในสองประเภท
ตอ่ ไปน:ี้

1. สายอากาศรอบทิศทาง หรอื สายอากาศที่สญั ญาณอ่อนเฉพาะบางทิศทางเท่าน้ัน แตจ่ ะรบั
หรอื ส่งมากหรือน้อยในทุกทศิ ทาง สายอากาศประเภทนี้จะถูกนามาใช้เม่ือตาแหนง่ สัมพันธ์
กบั สถานอี นื่ ไม่เป็นท่ีรู้จักหรือไมช่ ัดเจน พวกมันยงั ถูกใช้ที่ความถตี่ ่าอีกด้วยในตาแหน่งที่
เสาอากาศเฉพาะทิศทางจะมขี นาดใหญเ่ กนิ ไป หรอื เพียงเพอื่ ลดค่าใช้จ่ายในการนามาใช้
งานในจดุ ทเี่ สาอากาศเฉพาะทิศทางไมม่ คี วามจาเปน็ ตอ้ งใช้

2. สายอากาศเฉพาะทศิ ทาง หรือสายอากาศแบบ ลำคลื่น ซ่ึงมวี ัตถุประสงค์เพ่อื ส่งหรอื รบั
สัญญาณในทศิ ทางใดทศิ ทางหน่งึ หรอื รูปแบบใดรูปแบบหน่ึง (องั กฤษ: pattern)
โดยเฉพาะ

ในการใชง้ านท่ัวไป, "รอบทศิ ทาง" โดยปกติหมายถงึ ทิศทางแนวนอนทงั้ หมดซ่ึงโดยปกตจิ ะมี
ประสทิ ธิภาพการทางานที่ลดลงในทิศทางทอ้ งฟา้ หรือพน้ื ดิน (แมแ้ ตแ่ ผงกระจายคลน่ื แบบเท่ากนั
ทกุ ทิศทาง (อังกฤษ: isotropic radiator) ก็ทาไม่ไดอ้ ย่างแทจ้ ริง) สายอากาศ "เฉพาะทิศทาง"
มักจะมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มการจับคลน่ื สนามแมเ่ หล็กไฟฟ้าในทศิ ทางของสถานีอน่ื ๆ หรอื บางคร้งั
เพื่อใหค้ รอบคลมุ เฉพาะภมู ิภาคเช่นรปู แบบพดั แนวนอน 120° ในกรณเี ช่นสายอากาศแบบแผงที่
ติดตัง้ แผงถา่ ยทอดสญั ญาณมือถือ (อังกฤษ: cell site)

สายอากาศแบบมที ศิ ทาง
สายอากาศยากิ (บางคร้ังอาจจะเรียกว่า Yagi–Uda เป็นช่อื ของผู้คนพบสายอากาศชนดิ น)ี้ เป็น
สายอากาศทิศทางเดยี ว (unidirectional) สามารถมีรูปแบบ polarized ทง้ั แนวตัง้ และแนวนอน
กอ่ นที่เราจะไปดูรายละเอียดอ่นื ๆ ให้เรามาดูลักษะการแพร่กระจายคลน่ื ของสายอากาศยากกิ ่อน





 Main Lobe เป็นลาคล่ืนหลกั ของสายอากาศยากิ สว่ นนเี้ ป็นส่วนทเ่ี ราตอ้ งการ มี
ความสาคญั ท่ีสุด

 Side Lobe ลาคลน่ื จานวนเลก็ นอ้ ยที่พงุ่ ออกไปทางด้านข้าง สว่ นนี้เราไม่อยากใหม้ ี

 Back Lobe ลาคลน่ื จานวนเล็กนอ้ ยทพ่ี งุ่ ไปด้านหลงั สว่ นนเ้ี ราก็ไมต่ อ้ งการเช่นกนั

 จดุ P คอื ตาเหนง่ ของสายอากาศยากิ (ทตี่ ัง้ )

 มุม a คอื beamwidth ของสายอากาศยากิ สายอากาศท่ี Gain สงู ๆ มมุ น้จี ะแคบ มุมน้ี
จะวัดทรี่ ะดบั สัญญาณตกลงไปจากจุด C -3 dB

 จดุ C หรอื center point เปน็ จุดทีม่ ีสญั ญาณแรงที่สุด

สายอากาศยากิ 3 E (THREE-ELEMENT YAGI BEAM)
สายอากาศยากิ 3 E ประกอบดว้ ย 3 ส่วนครบสูตรยากิคอื มี ตวั ขับ (half wavelength driven
element) reflector และ director ตัวอยา่ งสายอากาศยากิเราจะใชค้ วามยาวบูม 0.3 lambda
จะไดอ้ ัตราการขยายประมาณ 7 - 8 dBd และอตั ราสว่ น front-to-back ประมาณ 15 ถงึ 28 dB
จดุ ปอ้ นสญั ญาณ จะมี impedance ประมาณ 18-25 โอห์ม เราสามารถเปลยี่ น impedance ให้
เป็น 50 โอห์มโดยการใช้ coaxial ก็ได้ (การ match ทาไดห้ ลายแบบ)

คานวณหา Director
คานวณหา Driven element
คานวณหา Reflector

คานวณหาระยะหา่ ง Spacing
 Director คือความยาวของไดเรก็ เตอร์ มหี นว่ ยเปน็ เมตร (m)
 D.E. คอื ความยาวของ driven element มหี น่วยเป็นเมตร (m)
 Reflector คอื ความยาวของ reflector มีหน่วยเปน็ เมตร (m)

 ระยะหา่ ง S1, S2 และ S3 มหี นว่ ยเปน็ เมตร (m)
การ match สายอากาศ (IMPEDANCE MATCHING THE BEAM ANTENNA)

โดยปกติแลว้ impedance จุดปอ้ นสัญญาณ (feedpoint impedance) ของสายอากาศยากิ
มักจะตา่ กว่า จดุ ป้อนสัญญาณของ half wavelength dipole (ประมาณ 72 โอหม์ ) แมว้ ่าจะเอา
ตัวขบั มาจากสายอากาศ half wavelength dipole ก็ตาม ทั่วไปแลว้ จะมคี ่า impedance
ประมาณ 18 -20 โอหม์ อยา่ งมากไม่เกิน 37 โอหม์ ท่ี 32 โอหม์ ถ้าเรา ตอ่ สายเขา้ ไปตรง ๆ กับ
สายนาสญั ญาณ Coaxial 50 โอหม์ เราจะไดค้ า่ SWR 1.41 : 1 แต่ถ้าท่ี 25 โอหม์ SWR มากกว่า
2 : 1 ถา้ คา่ SWR มากเกนิ ไปก็จะเปน็ อันตรายต่อเคร่ืองสง่ ดังนั้นเพื่อเปน็ การแกป้ ัญหาเราจงึ ทา
การปรบั เปลี่ยน impedance หรือการ matching ใหส้ ายอากาศต้นน้ีมีคา่ 52 หรือ 75 โอหม์
ในท่ีนเี้ ราขอแนะนา gamma match สักษณะการตอ่ คือ สายส่วนท่ีเป็น shield จะต่อกับ ตรง
กลางของ element (L) และสว่ นทเี่ ป็น ลวดตวั นาข้างใน ต่อกับอปุ กรณ์ matching ตามรปู