สายอากาศส่งสัญญาณ (Transmitting antenna) ทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยปกติจะรองรับระดับกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 10W ถึง 50kW สายอากาศรับสัญญาณ (Receiving antenna) จะดักจับคลื่นเหล่านี้และแปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งมักจะทำงานที่กำลังไฟฟ้าต่ำ เช่น -50 dBm ถึง -20 dBm
Table of Contents
การใช้งาน
สายอากาศส่งสัญญาณถูกนำไปใช้ในสถานีวิทยุ หอส่งสัญญาณโทรทัศน์ และสถานีฐานการสื่อสารเคลื่อนที่ สายอากาศส่งสัญญาณของสถานีวิทยุ FM ทำงานในช่วงย่านความถี่ 88 ถึง 108 MHz และกำลังส่งสามารถสูงถึง 5,000 วัตต์หรือมากกว่า กำลังไฟฟ้านี้สามารถครอบคลุมรัศมีประมาณ 80 กิโลเมตร เพื่อให้มั่นใจว่าผู้ใช้ภายในระยะนี้จะสามารถรับสัญญาณได้อย่างชัดเจน กำลังส่งของสายอากาศสถานีฐานการสื่อสารเคลื่อนที่อยู่ระหว่าง 20 วัตต์ ถึง 100 วัตต์ ตามความจำเป็นในการครอบคลุมพื้นที่ โดยกำลังของสถานีฐานจะมากกว่าในพื้นที่ชานเมืองหรือพื้นที่ชนบท และจะมีกำลังน้อยกว่าในเมืองเนื่องจากสถานีฐานมีความหนาแน่น
สายอากาศรับสัญญาณของโทรทัศน์ตามบ้านสามารถรับสัญญาณจากหอส่งสัญญาณโทรทัศน์ที่อยู่ห่างออกไปไม่กี่กิโลเมตรจนถึงหลายสิบกิโลเมตร ในกรณีของโทรทัศน์ดิจิทัล ผู้ใช้จะใช้สายอากาศรับสัญญาณที่มีความไวระหว่าง 25 ถึง 35 dBi และสายอากาศดังกล่าวสามารถรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความแรงของสัญญาณ 1μV ถึง 50μV ราคาสายอากาศรับสัญญาณตามบ้านโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 200 หยวน ถึง 600 หยวน
ความสามารถในการรองรับกำลังไฟฟ้า
สายอากาศส่งสัญญาณที่ใช้สำหรับการกระจายเสียงคลื่นสั้นมีกำลังสูงถึง 50 กิโลวัตต์ และสายอากาศส่งสัญญาณขนาดเล็กสำหรับใช้งานในบ้านมีกำลังเพียงไม่กี่สิบวัตต์ เช่น สายอากาศส่งสัญญาณที่ใช้โดยเราเตอร์ Wi-Fi ระหว่าง 0.1 วัตต์ ถึง 1 วัตต์ การออกแบบสายอากาศของเราเตอร์ยังได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับย่านความถี่ที่แตกต่างกัน เช่น ย่านความถี่ 2.4 GHz ซึ่งเหมาะสำหรับการครอบคลุมช่วงที่กว้างกว่า และย่านความถี่ 5 GHz ซึ่งมีอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่สูงกว่า
กำลังสัญญาณของสายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมสามารถประมวลผลได้ระหว่าง -50 dBm และ -20 dBm และความไวของสายอากาศดาวเทียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.8 เมตร สามารถสูงถึงมากกว่า 45 dBi
วัสดุสายอากาศส่งสัญญาณที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ทองแดงและอลูมิเนียมอัลลอยด์ โดยค่าการนำไฟฟ้าของลวดทองแดงอยู่ที่ 5.96 × 10^7 S/m ซึ่งสูงกว่าวัสดุทั่วไปอื่นๆ มาก สายอากาศส่งสัญญาณกำลังสูงสำหรับสถานีวิทยุอาจมีราคาหลายแสนหยวน และมีอายุการใช้งาน 10 ถึง 15 ปี
สายอากาศรับสัญญาณภายนอกอาคารมาตรฐานสามารถใช้งานได้นาน 8 ถึง 12 ปี และราคามีตั้งแต่ 300 หยวน ถึง 1,000 หยวน ขึ้นอยู่กับข้อมูลจำเพาะและวัสดุของสายอากาศ อายุการใช้งานของสายอากาศรับสัญญาณภายในอาคารโดยทั่วไปคือ 5 ถึง 8 ปี และราคาก็ค่อนข้างต่ำระหว่าง 100 ถึง 300 หยวน
ต้นทุนการติดตั้งสายอากาศส่งสัญญาณของสถานีวิทยุอาจสูงถึงหลายแสนหรือล้านหยวน และกำลังของสายอากาศส่งสัญญาณอาจจำเป็นต้องสูงกว่าในพื้นที่ราบมากกว่า 30% เพื่อเอาชนะอุปสรรคของภูมิประเทศ ค่าบำรุงรักษาต้องใช้เงินหลายหมื่นดอลลาร์ต่อปีสำหรับการตรวจสอบตามปกติ การปรับเทียบอุปกรณ์ และการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่เสียหาย
ต้นทุนการติดตั้งสายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมมีตั้งแต่ 500 หยวน ถึง 2,000 หยวน ขึ้นอยู่กับตำแหน่งการติดตั้งและความยากง่ายในการรับสัญญาณ ค่าบำรุงรักษานั้นถูกกว่า และโดยทั่วไปผู้ใช้ตามบ้านเพียงแค่ต้องปรับทิศทางของสายอากาศทุกๆ ไม่กี่ปี โดยมีค่าใช้จ่ายประมาณ 100 ถึง 200 ดอลลาร์
ข้อพิจารณาในการออกแบบ
สายอากาศส่งสัญญาณกระจายเสียง AM ทั่วไปจะใช้สายอากาศรอบทิศทางแบบโพลาไรซ์แนวตั้ง และสำหรับสถานีวิทยุ AM ที่มีกำลังมากกว่า 10 kW ความสูงของสายอากาศจะอยู่ระหว่าง 100 ถึง 200 เมตร ความสูงของสายอากาศต้องเป็นหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นของสัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่าการส่งสัญญาณมีประสิทธิภาพ เมื่อทำงานในย่านความถี่ 1000 kHz ความสูงของสายอากาศจะอยู่ที่ประมาณ 75 เมตร
สายอากาศส่งสัญญาณโทรทัศน์ความถี่สูงยิ่ง (UHF) มักจะได้รับการออกแบบด้วยสายอากาศแบบอาเรย์ (Array antennas) ซึ่งสามารถรวมกำลังส่งไปยังทิศทางเฉพาะเพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณและลดการสูญเสียพลังงานในทิศทางอื่น สายอากาศโทรทัศน์ UHF ส่งกำลังระหว่าง 5 kW ถึง 20 kW และขนาดของอาเรย์สายอากาศจะแตกต่างกันไปตามความต้องการในการครอบคลุมเฉพาะ และความยาวอาเรย์สายอากาศของหอส่งสัญญาณโทรทัศน์ในเมืองขนาดใหญ่บางแห่งอาจเกิน 50 เมตร
สัญญาณความถี่สูง (เช่น สัญญาณวิทยุ FM และโทรทัศน์) ต้องการสายอากาศที่ค่อนข้างสั้น เช่น วิทยุ FM ที่มีช่วงความถี่ 88 ถึง 108 MHz และความยาวคลื่นประมาณ 3 ถึง 4 เมตร ดังนั้นความยาวทั่วไปของสายอากาศคือหนึ่งในสี่หรือครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น นั่นคือ ระหว่าง 0.75 เมตร ถึง 2 เมตร ขนาดสายอากาศส่งสัญญาณความถี่ต่ำ เช่น สายอากาศกระจายเสียงคลื่นยาว ทำงานในช่วงความถี่ 30 ถึง 300 kHz โดยมีความยาวคลื่นระหว่าง 1 กม. ถึง 10 กม.
ยกตัวอย่างสายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ตามบ้าน สัญญาณโทรทัศน์ในย่าน UHF (470 ถึง 862 MHz) ใช้ความยาวคลื่นสายอากาศ 30 ถึง 60 ซม. ดังนั้นขนาดของสายอากาศรับสัญญาณจึงอยู่ระหว่าง 10 ซม. ถึง 30 ซม. สายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ผ่านดาวเทียมทำงานในย่านความถี่สูงกว่า 10 GHz และเส้นผ่านศูนย์กลางของจานรับสัญญาณมีตั้งแต่ 60 ซม. ถึง 1.8 ม. ขึ้นอยู่กับกำลังของสัญญาณดาวเทียมและตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ของจุดรับสัญญาณ
สายอากาศส่งสัญญาณใช้ทองแดงหรืออลูมิเนียมเป็นวัสดุหลัก และทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าประมาณ 5.96 × 10^7 S/m ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั่วไป แม้ว่าค่าการนำไฟฟ้าของอลูมิเนียมจะอยู่ที่เพียง 2.38 × 10^7 S/m แต่ก็ยังคงเป็นวัสดุที่นิยมสำหรับสายอากาศส่งสัญญาณความถี่สูงเนื่องจากน้ำหนักเบาและทนต่อการกัดกร่อน สำหรับสถานีส่งสัญญาณคลื่นสั้นกำลังสูง 50 kW ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของวัสดุสายอากาศมีความสำคัญมากและจำเป็นต้องควบคุมโดยระบบระบายความร้อนด้วยอากาศหรือของเหลว
หอคอยและสายอากาศต้องได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงลมมากกว่า 200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ตามมาตรฐานอุตสาหกรรม สายอากาศส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพต้องสามารถรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงได้นาน 20 ถึง 30 ปี และค่าบำรุงรักษาคิดเป็น 10% ถึง 15% ของต้นทุนอุปกรณ์ สายอากาศทั่วไปมีฟังก์ชันป้องกันการรบกวนทางวิทยุและการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า และราคามีตั้งแต่ 100 หยวน ถึง 300 หยวน
อัตราขยายของสายอากาศ
อัตราขยายของสายอากาศเป็นตัววัดที่สำคัญของความสามารถของสายอากาศในการกำหนดทิศทางการแผ่รังสีหรือการรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และแสดงในหน่วย dBi (อัตราขยายเทียบกับสายอากาศแบบไอโซโทรปิก) หรือ dBd (อัตราขยายเทียบกับสายอากาศแบบไดโพล) สายอากาศส่งสัญญาณแบบรอบทิศทางทั่วไปมีอัตราขยาย 3 dBi ซึ่งหมายความว่าสามารถรวมสัญญาณในแนวนอนและเพิ่มความแรงของสัญญาณเมื่อเทียบกับสายอากาศไอโซโทรปิก สายอากาศแบบทิศทางที่มีอัตราขยายสูงสามารถรวมพลังงานไปในทิศทางเฉพาะ โดยมีอัตราขยายตั้งแต่ 10 dBi ถึง 20 dBi สายอากาศส่งสัญญาณที่มีอัตราขยายสูงบางรุ่นสำหรับ Wi-Fi มีอัตราขยายสูงถึง 12 dBi และสามารถครอบคลุมระยะทางหลายร้อยเมตร
ในด้านการกระจายเสียง สายอากาศส่งสัญญาณวิทยุ FM ทั่วไปมักจะมีอัตราขยาย 10 dBi ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการครอบคลุมของสัญญาณในรัศมี 50 กม. ถึง 100 กม. ขึ้นอยู่กับกำลังส่ง ในกรณีของสถานีวิทยุที่ส่งสัญญาณ 5,000 วัตต์ สายอากาศที่มีอัตราขยาย 10 dBi สามารถรักษาคุณภาพสัญญาณในระยะไกลได้ ในสถานีฐานการสื่อสารเคลื่อนที่ อัตราขยายของสายอากาศส่งสัญญาณมักจะอยู่ระหว่าง 14 dBi ถึง 18 dBi สายอากาศที่มีอัตราขยายสูงดังกล่าวสามารถบรรลุการครอบคลุมที่แม่นยำในเมือง ปรับปรุงความเสถียรและประสิทธิภาพของการสื่อสาร ยกตัวอย่างสถานีฐานในเมืองทั่วไป สถานีฐานที่มีกำลังส่ง 50 วัตต์ มีอัตราขยายสายอากาศ 16 dBi ซึ่งสามารถครอบคลุมรัศมีได้หลายกิโลเมตร
สายอากาศรับสัญญาณดาวเทียมทั่วไปมีอัตราขยาย 30 dBi ถึง 45 dBi และยิ่งมีอัตราขยายสูงเท่าใด สัญญาณที่ได้รับก็จะยิ่งแรงขึ้นและสัญญาณจะมีความชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น ในยุโรป สายอากาศรับสัญญาณดาวเทียมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.2 เมตร มีอัตราขยายระหว่าง 38 dBi และ 40 dBi ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าการลดทอนของสัญญาณจะถูกรักษาไว้ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้แม้ในสภาพอากาศเลวร้าย หากอัตราขยายของสายอากาศรับสัญญาณน้อยกว่า 30 dBi อาจไม่สามารถรับสัญญาณโทรทัศน์ที่ชัดเจนในสภาพอากาศที่มีพายุได้
สำหรับสายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ดิจิทัลตามบ้าน อัตราขยายจะอยู่ระหว่าง 15 dBi ถึง 25 dBi ราคาตลาดของสายอากาศรับสัญญาณโทรทัศน์ดิจิทัล 200 หยวน อัตราขยาย 20 dBi สามารถรับสัญญาณโทรทัศน์ได้ไกลหลายสิบกิโลเมตร อัตราขยายของสายอากาศ 25 dBi ราคาประมาณ 500 หยวน เหมาะสำหรับผู้ใช้ที่อาศัยอยู่ในพื้นที่ห่างไกล
สายอากาศแบบรอบทิศทางที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างมักจะมีอัตราขยายต่ำ โดยมีอัตราขยายสายอากาศรอบทิศทางทั่วไปที่ 2 dBi ถึง 5 dBi ซึ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการการครอบคลุมสัญญาณพร้อมกันในหลายทิศทาง เช่น เราเตอร์ Wi-Fi ตามบ้าน สายอากาศ Wi-Fi ที่มีอัตราขยาย 2 dBi สามารถครอบคลุมรัศมีประมาณ 30 เมตร ในขณะที่สายอากาศที่มีอัตราขยาย 5 dBi สามารถขยายได้ถึง 50 เมตรหรือมากกว่า เราเตอร์ประสิทธิภาพสูงจำนวนมากใช้สายอากาศที่มีอัตราขยาย 5 dBi ถึง 9 dBi เพื่อให้มั่นใจว่าครอบคลุมทั่วทั้งบ้านและสวน
สายอากาศแบบทิศทางเพิ่มความครอบคลุมโดยการรวมสัญญาณไปในทิศทางเดียว ยกตัวอย่างสายอากาศแบบพาราโบลาทิศทางทั่วไป อัตราขยายมักจะสูงกว่า 20 dBi และสามารถครอบคลุมระยะทางได้หลายกิโลเมตรหรือมากกว่า สายอากาศแบบทิศทางบางรุ่นที่ใช้สำหรับ การส่งสัญญาณ Wi-Fi ระยะไกลสามารถได้รับอัตราขยายสูงสุดถึง 24 dBi ช่วยให้ส่งสัญญาณได้หลายกิโลเมตรในพื้นที่ว่าง ในการสื่อสารทางโทรคมนาคมหรือวิทยุ สายอากาศแบบทิศทางที่มีอัตราขยายสูงเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยเป็นพิเศษ ตัวอย่างเช่น สายอากาศบางรุ่นที่ใช้ในการสื่อสารทางการทหารหรืออวกาศ สามารถบรรลุอัตราขยายได้ถึง 30 dBi ถึง 40 dBi และสามารถส่งสัญญาณได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นเวลาหลายร้อยกิโลเมตร เพื่อให้มั่นใจว่ายังคงสามารถรับการตอบกลับสัญญาณที่แรงได้ในสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง
