เสาอากาศ: การออกแบบ การทำงาน ประเภท และการใช้งาน

เสาอากาศเป็นอุปกรณ์พิเศษที่สามารถแผ่พลังงานจำนวนหนึ่งภายในทิศทางเฉพาะเพื่อการส่งสัญญาณที่ดีขึ้น เพื่อให้เอาต์พุตมีประสิทธิภาพมากขึ้น มีการเพิ่มองค์ประกอบเสาอากาศอีกสองสามรายการเข้าไป ซึ่งเรียกว่าอาร์เรย์เสาอากาศ เสาอากาศเดียวมีทิศทางที่ดี แต่ค่อนข้างล้มเหลวในการส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับโดยสูญเสีย ดังนั้นจึงใช้อาร์เรย์เสาอากาศ ดังนั้นในการใช้งานจำนวนมากเราต้องการ เสาอากาศ มีลักษณะทิศทางที่สูงมากซึ่งสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มขนาดไฟฟ้าของเสาอากาศ หากต้องการเพิ่มขนาดของเสาอากาศโดยไม่เพิ่มขนาดขององค์ประกอบแต่ละรายการ ให้สร้างองค์ประกอบอาร์เรย์ของเสาอากาศ บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของ อาร์เรย์เสาอากาศ – ประเภทและการทำงานร่วมกับแอปพลิเคชัน

อาร์เรย์เสาอากาศคืออะไร?

คำจำกัดความของอาร์เรย์สายอากาศคือ กลุ่มของสายอากาศที่ถูกจัดเรียงเพื่อสร้างสายอากาศเดียวเพื่อสร้างรูปแบบการแผ่รังสี แต่ไม่ได้สร้างโดยสายอากาศแต่ละสาย ดังนั้นชุดเสาอากาศจะทำงานร่วมกันเพื่อส่งหรือรับสัญญาณวิทยุ การออกแบบและบำรุงรักษาเสาอากาศนี้คุ้มค่าเนื่องจากเสาอากาศทุกเสามีขนาดเล็กลง ไดอะแกรมอาร์เรย์สายอากาศแสดงไว้ด้านล่าง

สำหรับอาร์เรย์เสาอากาศ ต้องกำหนดระยะห่างและเฟสที่เหมาะสมขณะกำหนดค่า เมื่อเสาอากาศส่งสัญญาณไปยังระยะทางที่ไกลมาก จำเป็นต้องมีอัตราขยายแบบกำหนดทิศทางสูง เนื่องจากสัญญาณจะเปลี่ยนรูปและบิดเบี้ยวขณะส่งสัญญาณจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง แม้ว่าเสาอากาศเดี่ยวจะส่งสัญญาณด้วยทิศทางที่ดี แต่ก็ไม่สามารถส่งสัญญาณจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับได้โดยไม่มีการสูญเสีย นี่คือเหตุผลหลักที่ใช้อาร์เรย์เสาอากาศ

การออกแบบเสาอากาศอาร์เรย์

อาร์เรย์เสาอากาศได้รับการออกแบบโดยการจัดเรียงเสาอากาศหลายตัวเพื่อสร้างระบบเดียวเพื่อให้ได้อัตราขยายสูง เสาอากาศภายในอาร์เรย์ต้องเว้นระยะอย่างเหมาะสม & ในเฟสที่เหมาะสม เพื่อให้การเสริมอิสระของทุกเสาอากาศภายในการจัดเรียงในทิศทางเดียวกันเพิ่มขึ้นในขณะที่ถูกยกเลิกในทิศทางที่เหลือทั้งหมด การจัดเรียงแบบนี้ช่วยปรับปรุงทิศทางของระบบ เมื่อเสาอากาศทั้งหมดภายในระบบถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรง จะเรียกว่า Linear Antenna Array

การทำงานของอาร์เรย์เสาอากาศ

อาร์เรย์เสาอากาศคือชุดขององค์ประกอบเสาอากาศต่างๆ โดยทั่วไป อาร์เรย์แบบหลายองค์ประกอบจะใช้สายอากาศไดโพลแบบครึ่งคลื่น เสาอากาศนี้มีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทาง ดังนั้นคลื่นจึงถูกปล่อยออกมาในมุมกว้าง เพื่อเพิ่มความสามารถในการส่งสัญญาณของเสาอากาศเหล่านี้โดยเฉพาะในทิศทางเดียว เสาอากาศเหล่านี้จึงถูกจัดเรียงในรูปแบบอาร์เรย์โดยเว้นระยะห่างที่เหมาะสม อาร์เรย์เหล่านี้ตื่นเต้นพร้อมกันโดยให้กระแสตามเฟสที่เหมาะสม

โดยทั่วไปในอาร์เรย์ของเสาอากาศ กระแสภายในองค์ประกอบเสาอากาศที่แตกต่างกันจะอยู่ในเฟสหากได้ค่าสูงสุดในการไหลในทิศทางเดียวกันในเวลาเดียวกัน ดังนั้น เมื่อองค์ประกอบเสาอากาศถูกป้อนด้วยเฟสที่เหมาะสมจากทุกองค์ประกอบของอาร์เรย์ คลื่นทรงกลมจะถูกซ้อนทับเนื่องจากการรบกวนและสร้างคลื่นวิทยุ ในระบบนี้ การรบกวนสามารถเป็นได้ทั้งเชิงสร้างสรรค์ (หรือ) เชิงทำลาย และขึ้นอยู่กับคลื่นที่แผ่ออกมาจากองค์ประกอบทั้งหมด

ผลที่ตามมาคือ หากคลื่นที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบเสาอากาศอยู่ในเฟส คลื่นเหล่านั้นจะถูกเพิ่มอย่างมีประโยชน์ เพื่อเพิ่มพลังงานที่แผ่ออกมา ในขณะที่หากคลื่นที่ปล่อยออกมาจากแต่ละองค์ประกอบไม่อยู่ในเฟส คลื่นเหล่านั้นจะถูกเพิ่มเข้ามาเพื่อทำลายล้างซึ่งกันและกัน ดังนั้นสิ่งนี้อาจทำให้พลังงานที่แผ่ออกมาลดลง

ในทำนองเดียวกัน การแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาจากองค์ประกอบอาร์เรย์จะอยู่ในเฟสและรวมกันเป็นลำแสงทิศทางที่มีความแข็งแรงสูงสุด เพื่อให้สามารถเดินทางได้ในระยะทางไกลมาก ดังนั้น รูปแบบการแผ่รังสีที่ได้รับจากอาร์เรย์สายอากาศจึงมีกลีบหลักที่ระบุลำแสงที่แรงในทิศทางเดียว เมื่อจำนวนองค์ประกอบในอาร์เรย์เพิ่มขึ้น กลีบหลักจะแคบลง & กลีบข้างที่เล็กลงจะระบุถึงอัตราขยายที่เพิ่มขึ้นจากเสาอากาศ

ประเภทเสาอากาศอาร์เรย์

เสาอากาศอาร์เรย์แบ่งออกเป็นสี่ประเภท เสาอากาศด้านข้าง, ปลายไฟ, คอลิเนียร์ & กาฝาก ซึ่งแต่ละประเภทจะกล่าวถึงด้านล่าง

อาร์เรย์เสาอากาศ Broadside

การจัดเรียงเสาอากาศด้านข้างแสดงอยู่ด้านล่าง ซึ่งองค์ประกอบต่างๆ ที่เหมือนกันจะถูกจัดเรียงขนานกันตามแนวแกนเสาอากาศ ในการจัดเรียงแบบนี้ องค์ประกอบต่างๆ จะถูกจัดเรียงในแนวนอนที่ระยะห่างเท่ากัน และทุกๆ องค์ประกอบจะถูกป้อนโดยกระแสที่มีเฟสและขนาดใกล้เคียงกัน

เมื่อใดก็ตามที่องค์ประกอบในการจัดเรียงนี้ได้รับพลังงาน การแผ่รังสีสูงสุดจะถูกปล่อยออกมาจากด้านกว้าง ซึ่งหมายถึงทิศทางปกติไปยังแกนอาร์เรย์ ในขณะที่ปริมาณรังสีบางส่วนจะถูกปล่อยออกมาจากทิศทางอื่นๆ ดังนั้นจึงให้รูปแบบการแผ่รังสีแบบสองทิศทาง เนื่องจากแผ่รังสีภายในทั้งสองทิศทางตามด้านกว้าง ดังนั้นในการจัดเรียงนี้ ทิศทางของหลักการแผ่รังสีจึงเหมือนกับแกนอาร์เรย์และระนาบของตำแหน่งองค์ประกอบ รูปแบบการแผ่รังสีของแผงเสาอากาศด้านข้างแสดงอยู่ด้านล่าง

รูปแบบการแผ่รังสีของแผงเสาอากาศด้านข้างเป็นแนวตั้งเนื่องจากการจัดตำแหน่งขององค์ประกอบอยู่ในแนวนอน

หากเราต้องการเปลี่ยนรูปแบบการแผ่รังสีจากสองทิศทางเป็นทิศทางเดียว อาร์เรย์ที่คล้ายกันจำเป็นต้องจัดเรียงที่ระยะห่าง λ/4 หลังอาร์เรย์เสาอากาศนี้ & กระตุ้นอาร์เรย์จำลองผ่านกระแสที่มีเฟสนำ 90° โดยปกติแล้ว จำนวนองค์ประกอบภายในการจัดเรียงนี้ขึ้นอยู่กับพื้นที่ว่างโดยมีความต้องการต้นทุนและความกว้างของลำแสง ในขณะที่ความยาวของอาร์เรย์อยู่ระหว่าง 2 λ ถึง 10 λ โดยทั่วไปแล้ว อาร์เรย์เสาอากาศเหล่านี้จะใช้ในระบบกระจายเสียงในต่างประเทศ

อาร์เรย์เสาอากาศ End-Fire

การจัดเรียงเสาอากาศแบบ end-fire นั้นเหมือนกับองค์ประกอบในการจัดเรียงแบบด้านกว้าง อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างหลักระหว่างการกำหนดค่าทั้งสองนี้คือวิธีการกระตุ้น ในการจัดเรียงนี้ โดยทั่วไปองค์ประกอบต่างๆ จะถูกป้อนออกจากเฟสด้วย 180° ในขณะที่การจัดเรียงแบบด้านกว้าง แต่ละองค์ประกอบจะถูกป้อนด้วยกระแสของเฟสที่คล้ายกัน ในการจัดเรียงนี้ จะได้รับรังสีสูงสุดตามแกนอาร์เรย์

ดังนั้น เพื่อให้ได้รูปแบบการแผ่รังสีแบบทิศทางเดียว การจัดเรียงองค์ประกอบที่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์นี้จะได้รับพลังงานด้วยกระแสแอมพลิจูดที่เท่ากัน อย่างไรก็ตาม เฟสจะเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องตามแนวเส้น ดังนั้น อาจกล่าวได้ว่า end-fire array สร้างรูปแบบการแผ่รังสีทิศทางเดียวโดยการแผ่รังสีสูงสุดที่เกิดขึ้นผ่านแกนของ array สายอากาศ

ในแผนภาพรูปแบบการแผ่รังสีข้างต้น ระยะห่างหลักระหว่างองค์ประกอบภายในการจัดเรียงนี้โดยปกติจะเข้าใจเป็น λ/4 (หรือ) 3λ/4 อาร์เรย์เหล่านี้จึงถูกใช้บ่อยที่สุดในการสื่อสารแบบจุดต่อจุด และเหมาะสำหรับช่วงความถี่สูง กลาง และต่ำ

อาร์เรย์คอลลิเนียร์

ในคอลลิเนียร์อาร์เรย์ องค์ประกอบเสาอากาศจะถูกจัดเรียงเป็นเส้นเดียวจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้าน ซึ่งหมายถึงแบบต่อเนื่องกัน ดังนั้นการจัดเรียงนี้สามารถวางได้ทั้งแนวนอนและแนวตั้ง อาร์เรย์ collinear ที่มีการจัดเรียงในแนวนอนแสดงอยู่ด้านล่าง

สำหรับองค์ประกอบเสาอากาศทั้งหมด การกระตุ้นจะมาจากกระแสที่มีเฟสและขนาดเดียวกันไปยังองค์ประกอบทั้งหมด เช่นเดียวกับอาร์เรย์ด้านกว้าง สิ่งนี้ยังให้การแผ่รังสีในทิศทางปกติไปยังแกนอาร์เรย์ของเสาอากาศ ดังนั้น รูปแบบการแผ่รังสีของอาร์เรย์คอลลิเนียร์จึงค่อนข้างเกี่ยวข้องกับอาร์เรย์เสาอากาศด้านกว้าง

การจัดเรียงนี้ให้อัตราขยายสูงสุดเมื่อใดก็ตามที่องค์ประกอบเว้นระยะห่างกันที่ระยะ 0.3 ถึง 0.5λ แต่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดปัญหาด้านโครงสร้างและการป้อนอาหารภายในอาร์เรย์เสาอากาศ ดังนั้นองค์ประกอบจึงอยู่ใกล้กันมากขึ้น

รูปแบบการแผ่รังสีของ collinear array แสดงไว้ด้านบน ควรสังเกตว่าเมื่อความยาวของอาร์เรย์เพิ่มขึ้น ทิศทางก็จะเพิ่มขึ้นด้วย โดยทั่วไปแล้ว อาร์เรย์ collinear สององค์ประกอบจะถูกใช้เนื่องจากรองรับการทำงานแบบหลายแบนด์ แต่บางครั้ง บางแอปพลิเคชันใช้การรวมกันของอาร์เรย์แบบกว้าง ปลายไฟ และคอลลิเนียร์ เนื่องจากสิ่งนี้ช่วยเพิ่มทิศทางและอัตราขยายไปยังช่วงที่สูงมาก

อาร์เรย์ปรสิต

อาร์เรย์หลายองค์ประกอบ เช่น องค์ประกอบเสาอากาศแบบกาฝากถูกจัดเรียงแบบปรสิต ซึ่งให้อัตราขยายทิศทางสูงสุดโดยไม่ต้องป้อนองค์ประกอบอาร์เรย์ทุกตัว การจัดเรียงแบบนี้ช่วยในการจัดการกับปัญหาสายป้อนโดยไม่กระตุ้นโดยตรงกับองค์ประกอบอาร์เรย์เสาอากาศทุกตัว การจัดเรียงเสาอากาศของกาฝากแสดงไว้ด้านล่าง

ธาตุที่ไม่ได้รับการป้อนโดยตรงจะเรียกว่าธาตุปรสิต และพวกมันดึงพลังจากรังสีที่ปล่อยออกมาจากธาตุที่ขับเคลื่อนซึ่งอยู่ใกล้ ๆ เป็นผลให้องค์ประกอบกาฝากทำงานโดยการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากองค์ประกอบการขับอยู่ใกล้ ๆ

องค์ประกอบกาฝากของเสาอากาศไม่ได้ถูกกระตุ้นโดยตรง แต่พวกมันอาศัยการกระตุ้นที่ส่งไปยังองค์ประกอบการขับ ดังนั้น กระแสเหนี่ยวนำภายในองค์ประกอบกาฝากที่เกิดจากองค์ประกอบที่ขับเคลื่อนถูกกำหนดโดยระยะห่างระหว่างองค์ประกอบทั้งสองนี้และการปรับแต่ง

ดังนั้น รูปแบบการแผ่รังสีทิศทางเดียวจึงเกิดขึ้นโดยมีระยะการแยก 'λ/4' และความแตกต่างของเฟส 90° ระหว่างการขับและองค์ประกอบของกาฝาก ดังนั้น รูปแบบการแผ่รังสีของอาร์เรย์นี้จึงถูกสร้างขึ้นง่ายๆ โดยตัวสะท้อนแสงที่จัดเรียงไว้หลังองค์ประกอบการขับ ซึ่งรวมถึงคลื่นที่สะท้อนกลับไปทางคลื่นข้างหน้า ความถี่ช่วงสำหรับอาร์เรย์เสาอากาศประเภทนี้มีตั้งแต่ 100 – 1,000 MHz

กำไรจากอาร์เรย์เสาอากาศคืออะไร?

อัตราขยายของอาร์เรย์สายอากาศสามารถกำหนดเป็นอัตราส่วนของความเข้มภายในทิศทางที่ระบุต่อความเข้มของรังสีที่ได้รับ หากพลังงานที่คล้ายกันถูกแผ่รังสีด้วยหม้อน้ำไอโซโทรปิกเดียว

จุดประสงค์ของอาร์เรย์เสาอากาศคืออะไร?

จุดประสงค์ของชุดเสาอากาศคือการส่ง/รับคลื่นวิทยุโดยการทำงานเป็นเสาอากาศเดียว

อัตราขยายของเสาอากาศที่ดีคืออะไร?

ดี อัตราขยายของเสาอากาศ คือ 3 dB, 6dB เป็นต้น

อาร์เรย์ในเสาอากาศคืออะไร?

อาร์เรย์ในเสาอากาศคือกลุ่มของเสาอากาศที่เชื่อมต่อกันเป็นเสาอากาศเดียว

ปัจจัยอาร์เรย์ของอาร์เรย์เสาอากาศคืออะไร?

ปัจจัยอาร์เรย์เสาอากาศคือฟังก์ชันของตำแหน่งของเสาอากาศภายในอาร์เรย์และน้ำหนักที่ใช้ ดังนั้นปัจจัยนี้สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติทิศทางขององค์ประกอบเสาอากาศเฉพาะได้อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นปรากฏการณ์นี้จะสังเกตได้เป็นหลักเมื่อเชื่อมต่อเสาอากาศเข้าด้วยกัน

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีของอาร์เรย์เสาอากาศ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ความแรงของสัญญาณเพิ่มขึ้นอย่างมาก
• สามารถทำไดเรคชั่นสูงได้
• ขนาดของกลีบย่อยจะลดลงอย่างมาก
• การรับอัตราส่วน S/N สูงเป็นไปได้
• สามารถรับผลกำไรจำนวนมากได้
• ปริมาณการสูญเสียพลังงานจะลดลง
• บรรลุผลลัพธ์ที่ดีกว่าเป็นไปได้
• การออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศรองรับประสิทธิภาพที่ดีขึ้นของเสาอากาศ

ข้อเสียของอาร์เรย์เสาอากาศมีดังต่อไปนี้

• อาร์เรย์เสาอากาศมีราคาแพง
• การสูญเสียต้านทานจะเพิ่มขึ้น
• ต้องการการบำรุงรักษาสูง
• การติดตั้งเป็นเรื่องยาก
• มันใช้พื้นที่ภายนอกขนาดใหญ่

แอพพลิเคชั่น

แอปพลิเคชันอาร์เรย์เสาอากาศมีดังต่อไปนี้

• อาร์เรย์เสาอากาศมีประโยชน์มากในการเพิ่มอัตราขยายโดยรวม เพิ่ม SINR (อัตราส่วนสัญญาณต่อการรบกวนบวกเสียงรบกวน) ยกเลิกการรบกวน การรับสัญญาณที่หลากหลาย การย้ายอาร์เรย์ภายในทิศทางเฉพาะ การวัดการมาถึงของทิศทางสัญญาณขาเข้า ฯลฯ
• อาร์เรย์เสาอากาศใช้ในแบบไร้สายทางทหาร เรดาร์ , และ การสื่อสารผ่านดาวเทียม .
• สิ่งเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์
• ส่วนใหญ่ใช้กับการสื่อสารทางไกลและการสื่อสารเคลื่อนที่
• สิ่งเหล่านี้จะใช้เมื่อต้องการความแรงของสัญญาณสูงสำหรับการส่งและรับทางไกล

ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของเสาอากาศ อาร์เรย์ - ทำงานกับแอปพลิเคชัน อาร์เรย์เสาอากาศใช้เสาอากาศหลายตัวเพื่อจับและส่งสัญญาณในทิศทางต่างๆ ดังนั้นอาเรย์เสาอากาศจึงใช้เป็นหลักเพื่อเพิ่มคุณภาพและระยะของสัญญาณของเรา นี่คือคำถามสำหรับคุณ เสาอากาศมีหน้าที่อะไร