เสาอากาศโมโนโพล : การออกแบบ การทำงาน ประเภท และการใช้งาน

ผู้บุกเบิกวิทยุชื่อ 'กุกลีเอลโม มาร์โคนี' ได้ประดิษฐ์เสาอากาศแบบโมโนโพลในปี พ.ศ. 2438 และจดสิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2439 ระหว่างการทดลองครั้งแรกในประวัติศาสตร์ในการสื่อสารทางวิทยุ ดังนั้นเสาอากาศนี้จึงเรียกว่าเสาอากาศ Marconi นี่คือครึ่งหนึ่งของ เสาอากาศไดโพล จัดไว้เหนือระนาบพื้นนำ ดังนั้นเสาอากาศโมโนโพลแบบคลื่นควอเตอร์จึงเป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด โดยที่เสาอากาศนี้มีความยาวคลื่นประมาณ 1/4 ของคลื่นวิทยุ เหล่านี้ เสาอากาศ ใช้ในเครือข่ายอินเทอร์เน็ตและการสื่อสารเคลื่อนที่ บทความนี้จึงกล่าวถึงภาพรวมของก เสาอากาศโมโนโพล - การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

คำจำกัดความของเสาอากาศโมโนโพล

เสาอากาศวิทยุชนิดหนึ่งที่มีตัวนำรูปร่างเป็นแท่งตรงซึ่งติดตั้งในแนวตั้งฉากเหนือระนาบพื้นเรียกว่าเสาอากาศโมโนโพล เสาอากาศนี้เป็นเสาอากาศแบบสายเดี่ยวที่เรียบง่าย ส่วนใหญ่ใช้สำหรับทั้งการส่งสัญญาณและรับสัญญาณ ดังนั้นจึงใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไร้สาย

ในเสาอากาศแบบโมโนโพล แกนตัวนำทำงานเหมือนเรโซเนเตอร์แบบเปิด ส่วนใหญ่ใช้สำหรับคลื่นวิทยุและการแกว่งโดยแรงดันคงที่และคลื่นกระแสตลอดความยาว ความยาวของเสาอากาศนั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุที่ต้องการ ช่วงความถี่ของเสาอากาศโมโนโพลอยู่ที่ 1.7- 2 GHz โดยมีอัตราขยายเฉลี่ย 3.7 dBi

การออกแบบเสาอากาศโมโนโพล

สายอากาศแบบโมโนโพลคือ ½ (ครึ่งหนึ่ง) ของสายอากาศแบบไดโพลซึ่งเกือบจะติดตั้งอยู่ด้านบนของระนาบพื้นบางประเภท ดังนั้น เสาอากาศนี้จึงติดตั้งบนระนาบพื้นที่ไม่สิ้นสุดโดยมีความยาว 'L' ดังที่แสดงด้านล่าง ตามทฤษฎีภาพ ฟิลด์บนระนาบพื้นสามารถพบได้ผ่านเสาอากาศภายในพื้นที่ว่าง ซึ่งแสดงในแผนภาพที่สอง นี่เป็นเพียงสายอากาศไดโพลที่มี L (ความยาว) ของสายอากาศโมโนโพลสองเท่า

ในรูปแรก ฟิลด์บนระนาบพื้นจะเท่ากับฟิลด์ สนามของเสาอากาศโมโนโพลใต้ระนาบพื้นภายในรูปนี้เป็นศูนย์ ทิศทางของเสาอากาศโมโนโพลเกี่ยวข้องกับเสาอากาศไดโพลโดยตรง หากทิศทางของสายอากาศไดโพลที่มีความยาว 2L คือ D1 ดังนั้นทิศทางของสายอากาศโมโนโพลที่มีความยาว 'L' จะมี D1+3 ซึ่งหมายความว่าทิศทางของสายอากาศโมโนโพลจะเพิ่มเป็นสองเท่าของทิศทางของสายอากาศไดโพล สาเหตุหลักเป็นเพราะไม่มีการแผ่รังสีเกิดขึ้นใต้ระนาบพื้น ดังนั้น เสาอากาศจึงมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นสองเท่าในฐานะ 'ทิศทาง'

หลักการทำงานของเสาอากาศโมโนโพล

หลักการทำงานของสายอากาศโมโนโพลคือ เมื่อจ่ายพลังงานไปยังโมโนโพล จะมีการแผ่รังสีในลักษณะเดียวกันในทุกทิศทางในแนวดิ่งตามความยาวของเสาอากาศเหนือระนาบพื้นซึ่งติดตั้งอยู่ รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศนี้เป็นแบบรอบทิศทาง ดังนั้นจึงแผ่พลังงานเท่ากันในทุกทิศทางที่มุมฉากกับเสาอากาศ พลังงานที่แผ่จากเสาอากาศจะเปลี่ยนไปตามมุมเงยผ่านการแผ่รังสีที่ลดลงเป็นศูนย์ที่จุดสูงสุดบนแกนของเสาอากาศ

รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศโมโนโพล

รูปแบบการแผ่รังสีเป็นตัวแทนของการปล่อยหรือการรับคลื่นของสายอากาศเพื่อระบุความแรงของสายอากาศ เพื่อให้สามารถจดจำฟังก์ชันและทิศทางของสายอากาศได้อย่างง่ายดาย

เมื่อพลังงานถูกปล่อยออกมาจากเสาอากาศ มันจะส่งผลกระทบต่อขอบเขตของสนามระยะไกลและใกล้ รูปแบบการแผ่รังสีสามารถลงจุดแบบกราฟิกเป็นตำแหน่งเชิงมุมและฟังก์ชันระยะห่างในแนวรัศมีจากเสาอากาศใดก็ได้ รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศโมโนโพลแสดงไว้ด้านล่าง

รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศแบบโมโนโพลเป็นแบบรอบทิศทาง ดังนั้นมันจึงปล่อยพลังงานเท่ากันในทุกทิศทางซึ่งเป็นแนวตั้งไปยังเสาอากาศแบบโมโนโพล กำลังที่แผ่ออกมาของสายอากาศจะเปลี่ยนไปตามมุมเงยโดยรังสีที่ตกกระทบเป็นศูนย์ที่จุดสูงสุดบนแกนของสายอากาศ มันแผ่คลื่นวิทยุโพลาไรซ์ในแนวตั้ง

ในแผนภาพด้านบน รูปแบบการแผ่รังสีแนวตั้งของกราฟเสาอากาศแบบโมโนโพลสามเสาที่มีความยาวต่างกันจะติดตั้งอยู่เหนือกราวด์นำไฟฟ้าทั้งหมด

ระยะห่างในแนวรัศมีของเส้นจากแหล่งกำเนิดที่มุมเงยใดๆ นั้นเป็นเพียงสัดส่วนกับความหนาแน่นของพลังงานที่แผ่ออกมาที่ระดับความสูงนั้น แกนรัศมีถูกปรับภายในความหนาแน่นของพลังงานที่สัมพันธ์กับโมโนโพลคลื่นหนึ่งในสี่และเดซิเบลไอโซโทรปิก ดังนั้นคลื่นโมโนโพลคลื่นสี่คลื่นสีน้ำเงิน 0.25λ มีแบบจำลองเท่ากับครึ่งหนึ่งของรูปแบบเสาอากาศไดโพลที่สูงขึ้น โมโนโพลครึ่งคลื่นสีเขียว 0.5λ แผ่พลังงานมากขึ้นในทิศทางแนวนอน การแผ่รังสีแนวนอนสูงสุดของเสาอากาศโมโนโพลสามารถทำได้ง่ายๆ ที่ความยาวของคลื่นสีแดงที่ 0.625λ

รูปแบบการแผ่รังสีที่ความยาวครึ่งคลื่นที่สูงกว่า 0.5λ แยกออกเป็นสองแฉกผ่านกลีบรูปกรวยอันที่สองที่พุ่งขึ้นสู่ท้องฟ้า สูงสุดที่ 0.625λ เกิดขึ้นเนื่องจากในมุมสูง การแผ่รังสีเฟสย้อนกลับของทั้งสองกลีบจะยกเลิกการอัดพลังงานเข้าไปในกลีบแนวตั้ง

ประเภทเสาอากาศโมโนโพล

เสาอากาศโมโนโพลมีหลายประเภท เช่น แส้, ขดลวด, สายสุ่มยางที่รัก, ร่ม, หม้อน้ำเสา, หัวกลับ-L, เสาอากาศ T, ระนาบพื้น, เสายูนิโพลแบบพับ & หัวกลับ-F ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

แส้เสาอากาศ

เสาอากาศแบบแส้เป็นเสาอากาศโมโนโพลประเภทหนึ่งและมีความยืดหยุ่นสูงเพื่อไม่ให้แตกง่าย ชื่อของเสาอากาศนี้ได้มาจากการเคลื่อนไหวที่เหมือนแส้ซึ่งครั้งหนึ่งเคยถูกรบกวน เสาอากาศนี้มีแท่งหรือลวดตรงที่สามารถยืดหยุ่นได้ และด้านล่างของเสาอากาศนี้จะเชื่อมต่อกับเครื่องส่งหรือเครื่องรับวิทยุ

สำหรับวิทยุแบบพกพา เสาอากาศเหล่านี้มักได้รับการออกแบบให้มีชุดท่อโลหะเหลื่อมประสานกัน จึงสามารถดึงกลับได้เมื่อไม่ใช้งาน แส้ที่ยาวขึ้นส่วนใหญ่ออกแบบมาเพื่อติดตั้งบนยานพาหนะ เช่นเดียวกับโครงสร้างที่ออกแบบด้วยแกนไฟเบอร์กลาสที่ยืดหยุ่นได้ประมาณแกนลวด และยาวได้ถึง 11 ม. ความยาวที่สมบูรณ์แบบของเสาอากาศนี้สามารถกำหนดได้จากความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุ

นี่คือเสาอากาศโมโนโพลที่ใช้บ่อยที่สุดในย่านความถี่วิทยุ HF, UHF และ VHF สิ่งเหล่านี้ถูกใช้อย่างกว้างขวางสำหรับวิทยุ FM, โทรศัพท์ไร้สาย, วิทยุมือถือ, อุปกรณ์ที่เปิดใช้งาน Wi-Fi, วอคกี้ทอล์คกี้ และบูมบอกซ์ เหล่านี้เชื่อมต่อกับยานพาหนะสำหรับวิทยุติดรถยนต์เช่นเดียวกับวิทยุ 2 ทางสำหรับยานพาหนะและเครื่องบิน

เสาอากาศแบบเกลียว

สายอากาศแบบเกลียวประกอบด้วยสายตัวนำอย่างน้อยหนึ่งเส้นหรือสูงกว่าซึ่งพันเป็นเกลียว เมื่อเสาอากาศแบบเกลียวได้รับการออกแบบด้วยลวดเกลียวเส้นเดียว เสาอากาศนี้จะเรียกว่าโมโนฟิลาร์ ในขณะที่เสาอากาศที่ออกแบบให้มีลวดอย่างน้อย 2 หรือ 4 เส้นภายในเกลียวจะเรียกว่าควอดริฟิลาร์/ไบฟิลาร์ โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ - เสาอากาศแบบเกลียว .

เสาอากาศลวดสุ่ม

เสาอากาศแบบลวดสุ่มประกอบด้วยสายยาวที่แขวนอยู่เหนือพื้นดินโดยที่สายเป็นเส้นตรงหรืออาจพันไปมาระหว่างกำแพงหรือต้นไม้เพียงเพื่อให้ได้สายที่เพียงพอในอากาศ เนื่องจากความแปรปรวนอย่างมากในโครงสร้างสายอากาศ ประสิทธิภาพจึงสามารถเปลี่ยนแปลงจากการแก้ไขแบบหนึ่งไปยังอีกแบบหนึ่งได้

เสาอากาศแบบลวดสุ่มถูกใช้อย่างกว้างขวางเป็นเสาอากาศรับสัญญาณบนแถบคลื่นสั้น คลื่นกลาง และแถบคลื่นยาว และเสาอากาศเหล่านี้ใช้เป็นเสาอากาศส่งสัญญาณบนแถบความถี่เหล่านี้เป็นหลักสำหรับสถานีส่งสัญญาณฉุกเฉินหรือชั่วคราว กลางแจ้งขนาดเล็ก & ในสถานที่ซึ่งเสาอากาศถาวรไม่สามารถทำได้ จะถูกติดตั้ง

เสาอากาศ Ducky ยาง

สายอากาศที่รักยางเป็นสายอากาศแบบโมโนโพลสั้นๆ ที่ใช้งานได้ดีพอๆ กับสายอากาศแส้ที่มีฐานรองรับ เสาอากาศนี้มีลวดสปริงรูปเกลียวแคบปิดอยู่ภายในปลอกพลาสติกหรือยางเพื่อป้องกันเสาอากาศ เสาอากาศเหล่านี้ส่วนใหญ่จะใช้ในอุปกรณ์วิทยุพกพาที่ความถี่ UHF และ VHF

เสาอากาศเหล่านี้ใช้ในอุปกรณ์วิทยุแบบพกพาต่างๆ เช่น เครื่องส่งรับวิทยุ สแกนเนอร์ เครื่องรับส่งแบบพกพา และที่ความปลอดภัยและความทนทานมีความสำคัญเหนือประสิทธิภาพทางแม่เหล็กไฟฟ้า เสาอากาศนี้มีความยืดหยุ่นสูงและเหมาะสมสำหรับการใช้งานแบบถือด้วยมือ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสวมใส่บนสายพาน เมื่อเทียบกับเสาอากาศประเภท telescoping แบบแข็งในอดีต

หม้อน้ำเสา

หม้อน้ำเสาเป็นเสาอากาศแบบโมโนโพลชนิดหนึ่ง นี่คือหอส่งสัญญาณหรือเสาวิทยุซึ่งเป็นที่ที่โครงสร้างโลหะได้รับพลังงานและทำงานเป็นเสาอากาศ โดยปกติจะใช้สำหรับการส่งสัญญาณเสาอากาศที่ทำงานที่ความถี่ต่ำภายในแถบความถี่ MF & LF โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้สำหรับสถานีวิทยุกระจายเสียง AM โดยปกติแล้วฐานของเสาอากาศนี้จะติดตั้งบนส่วนรองรับที่ไม่นำไฟฟ้าเพื่อป้องกันจากพื้น

เสาอากาศร่ม

เสาอากาศแบบร่มเป็นเสาอากาศโมโนโพลแบบลวดที่สามารถใช้เป็นเสาอากาศส่งสัญญาณที่มีความถี่ต่ำกว่า 1 MHz ใน LF, MF และส่วนใหญ่เป็นแถบ VLF ที่ความถี่ต่ำเพียงพอ ซึ่งเป็นไปไม่ได้หรือเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเสาอากาศโมโนโพลแบบคลื่นควอเตอร์คลื่นขนาดสมบูรณ์ ปลายด้านนอกของเส้นรัศมีทุกเส้นจะลาดลงมาจากจุดยอดของเสาอากาศและเชื่อมต่อกับเชือกค้ำผ่านฉนวนที่ติดอยู่กับดิน สายเรเดียลจะทำให้เสาอากาศนี้เป็นร่มยักษ์ที่มีโครงลวด

T-เสาอากาศ

เสาอากาศ T เป็นเสาอากาศวิทยุแบบโมโนโพลซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเสาอากาศแบบ Flat-Top หรือ T-Aerial เสาอากาศนี้ประกอบด้วยสายไฟแนวนอนหนึ่งเส้นหรือสูงกว่าซึ่งมีความสมดุลระหว่างเสาวิทยุสองเสา มิฉะนั้นจะเป็นอาคารและป้องกันที่ปลายเสา สายแนวนอนเชื่อมต่อกับกึ่งกลางของสายแนวนอน ห้อยลงใกล้กับพื้นมาก และเชื่อมต่อกับเครื่องส่งสัญญาณ (หรือ) เครื่องรับ เสาอากาศ T มักใช้ในแถบความถี่ MF, LF, VLF และคลื่นสั้น เสาอากาศเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเสาอากาศส่งสัญญาณส่วนใหญ่สำหรับสถานีวิทยุสมัครเล่น สถานีกระจายเสียง AM คลื่นกลางและคลื่นยาว สำหรับการฟังคลื่นสั้น เสาอากาศเหล่านี้จะใช้เป็นเสาอากาศรับสัญญาณ

เสาอากาศ Unipole แบบพับ

นี่คือเสาอากาศหม้อน้ำเสาโมโนโพลชนิดหนึ่งที่ใช้เป็นหลักเป็นเสาอากาศส่งสัญญาณภายในย่านความถี่กลางสำหรับสถานีวิทยุกระจายเสียง AM เสาอากาศนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วยเสากระโดงหรือแกนโลหะแนวตั้งที่เชื่อมต่อกับระบบสายดินที่มีสายไฟฝังอยู่ เสาถูกปิดล้อมด้วยสายไฟแนวตั้งซึ่งเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าที่ยอดเสา สายไฟเหล่านี้เชื่อมต่อง่ายๆ ด้วยวงแหวนโลหะใกล้กับฐานของเสา และกำลังป้อนของสายป้อนจากเครื่องส่งสัญญาณติดอยู่ระหว่างวงแหวนและกราวด์ เสาอากาศนี้เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดเมื่อใดก็ตามที่สถานีวิทยุ AM ใช้เสาร่วมกับเสาอากาศอื่นๆ เช่น เสาอากาศกระจายเสียง FM

Inverted-F เสาอากาศ

เสาอากาศ Inverted-F ส่วนใหญ่จะใช้ที่ความถี่ไมโครเวฟและ UHF ภายในการสื่อสารไร้สาย ประกอบด้วยเสาอากาศโมโนโพลที่ขนานกับระนาบพื้นและต่อสายดินที่ปลายด้านหนึ่ง เสาอากาศนี้ถูกป้อนจากจุดกึ่งกลางจากระยะห่างของปลายสายดิน เสาอากาศนี้มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ทำให้สามารถปล่อยพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ฯลฯ เสาอากาศเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์พกพาไร้สายขนาดกะทัดรัด สิ่งเหล่านี้ใช้ที่สนามทดสอบทางทหารภายในแอปพลิเคชันการวัดและส่งข้อมูลทางไกล

เสาอากาศโมโนโพลกับเสาอากาศไดโพล

ความแตกต่างระหว่างเสาอากาศโมโนโพลและเสาอากาศไดโพลจะกล่าวถึงด้านล่าง

ข้อดีและข้อเสีย

เดอะ ข้อดีของเสาอากาศโมโนโพล รวมสิ่งต่อไปนี้

• เสาอากาศโมโนโพลนั้นง่ายต่อการสร้างและติดตั้ง
• เหล่านี้มีความทนทานและไม่แพงที่จะทำ
• สายอากาศนี้มีรีแอคทีฟอิมพีแดนซ์ค่อนข้างสูงเหนือช่วงความถี่ส่วนใหญ่
• เมื่อเสาอากาศนี้ยาวขึ้นและการสูญเสียจากกราวด์ลดลง ประสิทธิภาพของเสาอากาศก็จะดีขึ้น
• เสาอากาศโมโนโพลแนวตั้งใช้สำหรับความถี่ใด ๆ ที่สั้นกว่า 2 ใน 3 ของความยาวคลื่น
• เหล่านี้เป็นเสาอากาศแบบรอบทิศทางที่เรียบง่ายซึ่งใช้พื้นที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับเสาอากาศแบบล้อที่ติดตั้งอยู่ด้านบน
• เสาอากาศเหล่านี้จัดการการสื่อสารภายในเส้นทางใดก็ได้ ยกเว้นในแนวตั้งที่ด้านบนของเสาอากาศ
• เสาอากาศโมโนโพลแบบพิมพ์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากมีประโยชน์มากมาย เช่น ต้นทุนต่ำ โปรไฟล์ต่ำ การประดิษฐ์ที่เรียบง่าย น้ำหนักน้อยลง & ใช้ร่วมกับอุปกรณ์ที่ใช้งานอื่นๆ

เดอะ ข้อเสียของเสาอากาศโมโนโพล รวมสิ่งต่อไปนี้

• มีรังสีต่ำในทุกทิศทุกทางเพราะแผ่กระจายเท่ากันทุกทิศทุกทาง
• สิ่งเหล่านี้มีราคาแพง
• การสะท้อนของสัญญาณอาจเกิดจากวัตถุที่เป็นโลหะและพื้นดิน ดังนั้นคุณอาจได้รับสัญญาณโพลาไรซ์ทั้งแนวตั้งและแนวนอน
• ข้อจำกัดด้านการออกแบบและขนาดที่จำเป็นสำหรับระนาบพื้นในเสาอากาศนี้มักมีข้อจำกัด
• รูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศนี้ขึ้นอยู่กับทิศทางของระนาบพื้นเป็นหลัก

แอพพลิเคชั่น

เดอะ การใช้งาน/การประยุกต์ใช้เสาอากาศโมโนโพล รวมถึงสิ่งต่อไปนี้

• เสาอากาศโมโนโพลถูกนำไปใช้ในด้านต่างๆ เช่น วิทยาศาสตร์อวกาศ เทคโนโลยีเรดาร์ ชีวการแพทย์ การวิจัย ฯลฯ
• โมโนโพลมักใช้เป็นเสาอากาศเรโซแนนซ์ โดยที่แกนของเสาอากาศนี้ทำงานเป็นตัวสะท้อนแบบเปิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับคลื่นวิทยุ & ผันผวนผ่านคลื่นนิ่งของกระแสและแรงดันตลอดความยาว ดังนั้น ความยาวของเสาอากาศจึงถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุที่ต้องการ
• เสาอากาศประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบสื่อสารไร้สาย
• เสาอากาศโมโนโพลที่มีรุ่นห้าเหลี่ยมโครงต่ำได้รับการออกแบบและใช้สำหรับการใช้งานแบบสวมใส่ได้
• เสาอากาศนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ วิทยุ AM หรือ FM แบบพกพา ฯลฯ
• เสาอากาศโมโนโพลที่มีประสิทธิภาพมาก ต้นทุนต่ำ และโปรไฟล์ต่ำใช้ในแอพพลิเคชั่นดูอัลแบนด์ มัลติแบนด์ และ UWB (อัลตร้าไวด์แบนด์)

ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของเสาอากาศโมโนโพล – การทำงานประเภทที่มีแอพพลิเคชั่น เดอะ ลักษณะเสาอากาศโมโนโพล ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับระนาบพื้นและรูปทรงหม้อน้ำ เสาอากาศเหล่านี้ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในสาขาต่างๆ เช่น วิทยาศาสตร์อวกาศ เทคโนโลยีเรดาร์ ระบบสื่อสารไร้สาย และการวิจัยทางชีวการแพทย์ เนื่องจากมีประโยชน์มากมาย เช่น ต้นทุนน้อยกว่า รายละเอียดต่ำ น้ำหนักเบา ง่ายต่อการผลิต และการรวมกันผ่านอุปกรณ์ที่ใช้งานอื่นๆ นี่คือคำถามสำหรับคุณ เสาอากาศไดโพลคืออะไร?