เสาอากาศแบบกำหนดทิศทาง

อาร์เรย์ไดโพล แบบหลายองค์ประกอบที่มีคาบแบบลอการิทึม

เสาอากาศวิทยุCassegrainยาว 70 เมตร ที่ GDSCCรัฐแคลิฟอร์เนีย

เสาอากาศแบบทิศทางหรือเสาอากาศแบบลำแสงคือเสาอากาศที่แผ่หรือรับพลังงานคลื่นวิทยุได้มากขึ้นในทิศทางเฉพาะ เสาอากาศแบบทิศทางสามารถแผ่คลื่นวิทยุเป็นลำแสงได้ เมื่อต้องการความเข้มข้นของการแผ่รังสีในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง หรือในเสาอากาศรับสัญญาณจะรับคลื่นวิทยุจากทิศทางใดทิศทางหนึ่งเท่านั้น ซึ่งสามารถเพิ่มกำลังส่งไปยังเครื่องรับในทิศทางนั้น หรือลดการรบกวนจากแหล่งที่ไม่ต้องการได้ ซึ่งแตกต่างจากเสาอากาศแบบรอบทิศทางเช่นเสาอากาศแบบไดโพลที่แผ่คลื่นวิทยุไปในมุมกว้าง หรือรับสัญญาณจากมุมกว้างเช่นกัน

ขอบเขตที่การกระจายเชิงมุมของพลังงานที่แผ่รังสีของเสาอากาศรูปแบบการแผ่รังสี ของมัน มีความเข้มข้นในทิศทางเดียว วัดได้จากพารามิเตอร์ที่เรียกว่าอัตราขยายของเสาอากาศ เสาอากาศอัตราขยายสูง ( HGA ) เป็นเสาอากาศแบบทิศทางที่มี ความกว้างของลำแสงแคบและโฟกัสทำให้สามารถกำหนดเป้าหมายสัญญาณวิทยุได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น^{[ 1 ] เสาอากาศ}^{เหล่า} นี้ มักถูกกล่าวถึงในภารกิจอวกาศ [ ²^]นอกจากนี้ยังมีการใช้งานทั่วโลกโดยประสบความสำเร็จมากที่สุดในพื้นที่ราบโล่งที่ไม่มีภูเขามารบกวนคลื่นวิทยุ

ในทางตรงกันข้ามเสาอากาศอัตราขยายต่ำ ( LGA ) เป็นเสาอากาศแบบรอบทิศทางที่มีความกว้างของลำแสงคลื่นวิทยุที่กว้าง ทำให้สัญญาณสามารถแพร่กระจายได้ดีพอสมควรแม้ในพื้นที่ภูเขา และจึงมีความน่าเชื่อถือมากกว่าโดยไม่คำนึงถึงภูมิประเทศ เสาอากาศอัตราขยายต่ำมักใช้ในยานอวกาศเป็นตัวสำรองสำหรับเสาอากาศอัตราขยายสูงซึ่งส่งลำแสงที่แคบกว่ามาก และจึงมีความเสี่ยงต่อการสูญเสียสัญญาณ^{[ 3 ]}

เสาอากาศที่ใช้งานได้จริงทั้งหมดมีทิศทางอย่างน้อยในระดับหนึ่ง แม้ว่าโดยปกติแล้วจะพิจารณาเฉพาะทิศทางในระนาบขนานกับพื้นโลกเท่านั้น และเสาอากาศที่ใช้งานได้จริงสามารถรับสัญญาณได้รอบทิศทางในระนาบเดียวได้อย่างง่ายดาย ประเภทของเสาอากาศแบบมีทิศทางที่พบได้บ่อยที่สุดคือ

เสา อากาศ ยากิ-อูดะ
เสาอากาศแบบลอการิทึมเป็นคาบและ
เสา อากาศ สะท้อนมุม
เฮกซ์บีม

เสาอากาศประเภทนี้ หรือการรวมกันของเสาอากาศความถี่เดียวหลายแบบของประเภทเดียวกัน หรือ (ในบางกรณี) การรวมกันของเสาอากาศสองประเภทที่แตกต่างกัน มักถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในฐานะเสาอากาศโทรทัศน์ สำหรับที่อยู่อาศัย เครื่องทวนสัญญาณโทรศัพท์ มือ ถือมักใช้เสาอากาศทิศทางภายนอกเพื่อให้ได้สัญญาณที่แรงกว่าที่สามารถรับได้จากโทรศัพท์มือถือมาตรฐานเครื่องรับสัญญาณโทรทัศน์ดาวเทียมมักใช้เสาอากาศแบบพาราโบลาสำหรับความถี่คลื่นยาวและคลื่นกลางใน กรณีส่วนใหญ่จะใช้ เสาอากาศแบบเสาเรียงเป็นแถว เป็น เสาอากาศทิศทาง

หลักการทำงาน

เมื่อส่งสัญญาณ เสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงจะช่วยให้พลังงานที่ส่งออกไปถูกส่งไปยังทิศทางของตัวรับได้มากขึ้น ทำให้ความแรงของสัญญาณที่ได้รับเพิ่มขึ้น เมื่อรับสัญญาณ เสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงจะรับสัญญาณได้มากขึ้น ทำให้ความแรงของสัญญาณเพิ่มขึ้นเช่นกัน เนื่องจากหลักการผกผันผลกระทบทั้งสองจึงเท่ากัน เสาอากาศที่ทำให้สัญญาณส่งออกแรงขึ้น 100 เท่า (เมื่อเทียบกับตัวส่งสัญญาณแบบไอโซโทรปิก ) จะรับพลังงานได้มากกว่าเสาอากาศแบบไอโซโทรปิกถึง 100 เท่าเมื่อใช้เป็นเสาอากาศรับสัญญาณ ผลที่ตามมาคือ เสาอากาศแบบทิศทางจะส่ง (และรับสัญญาณ) สัญญาณจากทิศทางอื่นที่ไม่ใช่ลำแสงหลักน้อยลง คุณสมบัตินี้อาจช่วยหลีกเลี่ยงการรบกวนจากเครื่องส่งสัญญาณอื่นที่อยู่นอกลำแสง และลดสัญญาณรบกวนของเสาอากาศได้เสมอ (สัญญาณรบกวนมาจากทุกทิศทาง แต่สัญญาณที่ต้องการจะมาจากทิศทางโดยประมาณเพียงทิศทางเดียว ดังนั้นยิ่งลำแสงของเสาอากาศแคบลงเท่าใดอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ที่สำคัญก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น )

มีหลายวิธีในการสร้างเสาอากาศที่มีอัตราขยายสูง วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดคือเสาอากาศแบบพาราโบลาเสาอากาศแบบเกลียวเสาอากาศแบบยากิ-อูดาและอาร์เรย์เฟสของเสาอากาศขนาดเล็กชนิดใดก็ได้เสาอากาศแบบฮอร์นก็สามารถสร้างให้มีอัตราขยายสูงได้เช่นกัน แต่พบเห็นได้น้อยกว่า นอกจากนี้ยังมีรูปแบบอื่นๆ ที่เป็นไปได้อีกด้วย เช่นหอดูดาวอาเรซิโบใช้การผสมผสานระหว่างการป้อนสัญญาณแบบเส้นตรงกับตัวสะท้อนทรงกลมขนาดใหญ่ (ตรงข้ามกับตัวสะท้อนแบบพาราโบลาที่พบได้ทั่วไป) เพื่อให้ได้อัตราขยายสูงมากที่ความถี่เฉพาะ

อัตราขยายของเสาอากาศ

โดยทั่วไปแล้ว อัตราขยายของเสาอากาศมักถูกอ้างถึงโดยอ้างอิงจากเสาอากาศสมมุติที่แผ่รังสีอย่างเท่าเทียมกันในทุกทิศทาง หรือที่ เรียกว่า ตัวแผ่รังสีแบบไอโซโทรปิกอัตราขยายนี้ เมื่อวัดเป็นเดซิเบลจะเรียกว่า dBi หลักการอนุรักษ์พลังงานกำหนดว่าเสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงจะต้องมีลำแสงแคบ ตัวอย่างเช่น หากเสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงทำให้เครื่องส่งสัญญาณ 1 วัตต์ดูเหมือนเครื่องส่งสัญญาณ 100 วัตต์ ลำแสงนั้นจะครอบคลุมได้มากที่สุด⁠1/100ของ ท้องฟ้า (มิฉะนั้นปริมาณพลังงานทั้งหมดที่แผ่กระจายไปทุกทิศทางจะมากกว่ากำลังส่งของเครื่องส่งสัญญาณ ซึ่งเป็นไปไม่ได้) ในทางกลับกัน นี่หมายความว่าเสาอากาศที่มีอัตราขยายสูงจะต้องมีขนาดใหญ่ เนื่องจากตามขีดจำกัดการเลี้ยวเบนยิ่งลำแสงที่ต้องการแคบลงเท่าใด เสาอากาศก็ยิ่งต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่านั้น (วัดเป็นความยาวคลื่น)

อัตราขยายของเสาอากาศสามารถวัดได้ในหน่วย dBd ซึ่งเป็นอัตราขยายในหน่วยเดซิเบลเมื่อเทียบกับทิศทางที่มีความเข้มสูงสุดของไดโพลครึ่งคลื่น ในกรณีของ เสาอากาศ แบบยากิค่านี้จะเทียบเท่ากับอัตราขยายที่คาดหวังได้จากเสาอากาศที่กำลังทดสอบโดยหักลบด้วยตัวนำและตัวสะท้อนทั้งหมด สิ่งสำคัญคืออย่าสับสนระหว่าง dBi และ dBd ทั้งสองค่าแตกต่างกัน 2.15 dB โดยค่า dBi จะสูงกว่า เนื่องจากไดโพลมีอัตราขยาย 2.15 dB เมื่อเทียบกับเสาอากาศแบบไอโซโทรปิก

อัตราขยายยังขึ้นอยู่กับจำนวนองค์ประกอบและการปรับแต่งองค์ประกอบเหล่านั้นด้วย เสาอากาศสามารถปรับจูนให้เกิดการสั่นพ้องในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้นได้ แต่หากปัจจัยอื่นๆ เท่ากัน อัตราขยายของเสาอากาศนั้นจะต่ำกว่าเสาอากาศที่ปรับจูนสำหรับความถี่เดียวหรือกลุ่มความถี่เดียว ตัวอย่างเช่น ในกรณีของเสาอากาศโทรทัศน์แบบบรอดแบนด์ อัตราขยายจะลดลงอย่างมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ช่วงล่างของแถบความถี่การส่งสัญญาณโทรทัศน์ ในสหราชอาณาจักร ช่วงล่างสุดของแถบความถี่โทรทัศน์นี้เรียกว่ากลุ่ม A

ปัจจัยอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่ออัตราขยาย ได้แก่ รูรับแสง (พื้นที่ที่เสาอากาศรับสัญญาณ ซึ่งเกี่ยวข้องกับขนาดของเสาอากาศเป็นส่วนใหญ่ แต่สำหรับเสาอากาศขนาดเล็กสามารถเพิ่มได้โดยการเพิ่มแท่งเฟอร์ไรต์ ) และประสิทธิภาพ (ซึ่งได้รับผลกระทบจากขนาดเช่นกัน แต่ยังรวมถึงความต้านทานของวัสดุที่ใช้และการจับคู่ความต้านทานด้วย) ปัจจัยเหล่านี้สามารถปรับปรุงได้ง่ายโดยไม่ต้องปรับคุณสมบัติอื่นๆ ของเสาอากาศ หรืออาจได้รับการปรับปรุงโดยบังเอิญจากปัจจัยเดียวกันกับที่เพิ่มทิศทางการรับสัญญาณ ดังนั้นจึงมักไม่เน้นย้ำมากนัก

แอปพลิเคชัน

เสาอากาศกำลังขยายสูงมักเป็นส่วนประกอบที่ใหญ่ที่สุดของยานสำรวจอวกาศลึก และเสาอากาศวิทยุที่มีกำลังขยายสูงสุดมักเป็นโครงสร้างขนาดมหึมา เช่นหอดูดาวอาเรซิโบเครือข่ายอวกาศลึกใช้จานรับสัญญาณขนาด 35 เมตร ที่ความยาวคลื่นประมาณ 1 เซนติเมตร การรวมกันนี้ทำให้เสาอากาศมีกำลังขยายประมาณ 100,000,000 (หรือ 80 เดซิเบล ตามที่วัดได้ปกติ) ทำให้เครื่องส่งสัญญาณมีความแรงขึ้นประมาณ 100 ล้านเท่า และเครื่องรับสัญญาณมีความไวมากขึ้นประมาณ 100 ล้านเท่า โดยมีเงื่อนไข ว่าเป้าหมายต้องอยู่ในลำแสง ลำแสงนี้สามารถครอบคลุม ท้องฟ้า ได้มากที่สุดเพียงหนึ่งในร้อยล้านส่วน (10⁻⁸ ^{) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการเล็งเป้าหมายที่แม่นยำมาก}

การใช้การขยายสัญญาณสูงและ การสื่อสาร คลื่นมิลลิเมตรใน การขยายสัญญาณ WPANจะเพิ่มโอกาสในการจัดตารางเวลาการส่งสัญญาณที่ไม่รบกวนกันพร้อมกันในพื้นที่เฉพาะ ซึ่งส่งผลให้ปริมาณงานของเครือข่ายเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาล อย่างไรก็ตาม การจัดตารางเวลาการส่งสัญญาณพร้อมกันที่เหมาะสมที่สุดเป็นปัญหาNP-hard ^{[ 4 ]}

แกลเลอรี่

ตัวอย่างแรกๆ (ปี 1922) ของเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ AM แบบกำหนดทิศทางโดยใช้เสาอากาศแบบสายยาวสร้างขึ้นสำหรับ สถานีวิทยุ WORซึ่งขณะนั้นตั้งอยู่ในเมืองนวร์ก รัฐนิวเจอร์ซีย์ โดยมีเป้าหมายการส่งสัญญาณไปยังนครนิวยอร์กและฟิลาเดลเฟีย นอกเหนือจากเมืองนวร์กด้วย
คาร์ล แยนสกีและเสาอากาศวิทยุแบบหมุนได้ของเขา (ปี 1932) ใน เมืองโฮล์มเด ลรัฐนิวเจอร์ซีย์ซึ่งเป็นกล้องโทรทัศน์วิทยุเครื่องแรกของโลก ที่ค้นพบการปล่อยคลื่นวิทยุจากทางช้างเผือก
เสาอากาศ ที่ Grote Reberประดิษฐ์ขึ้นเองในเมืองวีตัน รัฐอิลลินอยส์ (ปี 1937) ถือเป็นกล้องโทรทัศน์วิทยุตัวที่สองของโลกและเป็นกล้องโทรทัศน์วิทยุแบบพาราโบลาตัวแรก
เสาอากาศฮอร์นโฮล์มเดลในโฮล์มเดล รัฐนิวเจอร์ซีย์ (ทศวรรษ 1960) สร้างขึ้นเพื่อรองรับโครงการสื่อสารดาวเทียมเอคโค^{[ 5 ]}ต่อมาได้ถูกนำมาใช้ในการทดลองที่เปิดเผยถึงพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลที่แผ่กระจายไปทั่วจักรวาล^{[ 6 ]}
เสาอากาศพาราโบลา – เสาอากาศขนาด 70 เมตร ที่ศูนย์สื่อสารอวกาศลึกโกลด์สโตนในทะเลทรายโมฮาวีรัฐแคลิฟอร์เนีย
ยานอวกาศ วอยเอเจอร์ 2เสาอากาศพาราโบลา (HGA) คือวัตถุรูปทรงชามขนาดใหญ่
เรดาร์ แบบเฟสอาร์เรย์ขนาดยักษ์ในอลาสก้า
เสาอากาศ ยากิ-อูดะจากซ้ายไปขวา ส่วนประกอบที่ติดตั้งบนบูมเรียกว่า ตัวสะท้อน ส่วนประกอบขับเคลื่อน และตัวนำ ตัวสะท้อนนั้นสังเกตได้ง่ายว่ายาวกว่าส่วนประกอบอื่นๆ เล็กน้อย (5% หรือมากกว่า) และตัวนำจะสั้นกว่าเล็กน้อย (5% หรือมากกว่า)