สายอากาศแบบยากิ (Yagi antenna)
สายอากาศแบบหนึ่งที่เราคุ้นเคยกันดี แต่ในชื่อเสียงว่ามีอัตราขยาย (gain) สูง ก็คือสายอากาศยากิ-อูดะ
(เพราะคนออกแบบมีสองคนคือ ฮิเดซากุ ยากิ และ ชินทาโร อูดะ ดังนั้นเมื่อเราเรียกชื่อที่ถูกต้อง ก็ควรเป็น ยากิ-อูดะ
เพื่อเป็นการให้เกียรติทั้งสองท่าน) โดยอัตราขยายนี้ก็คือความแรงของคลื่นในทิศที่แรงที่สุดเมื่อเทียบกับความแรงของ
คลื่นที่ออกมาจากสายอากาศสมมติไอโซทรอปิค (Isotropic) ซึ่งกระจายคลื่นออกรอบๆ ตัวเท่ากันทุกทิศทาง
ในสามมิติ (เป็นทรงกลม) เมื่อป้อนกำลังไฟฟ้าเท่ากัน นั่นคืออัตราขยายที่ว่านี้ไม่ได้แปลว่าจะทำให้กำลังส่งจากเครื่องส่ง 10 วัตต์
ไปออกอากาศรวมแล้วมากกว่า 10 วัตต์ไปได้ (เป็นไปไม่ได้ในทฤษฎีการสงวนพลังงาน - Conservation of Energy Theory)
แด่หมายความว่ามันมีความแรงในการส่งไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่าปกติ และมากกว่าของสายอากาศแบบ Isotropic เท่าไร (กี่เท่า) แค่นั้นเอง
ลักษณะของสายอากาศยากิ-อูดะ
จะเป็นเหมือนก้างปลาที่เราคุ้นเคยกัน และที่เราทราบกันคร่าวๆ ก็คือยิ่งมีก้างเยอะ (จำนวน element มาก)
ก็จะมีอัตราขยายสูงขึ้นแต่ก่อนจะไปถึงรายละเอียด เรามาดูกันก่อนว่าสายอากาศ ยากิ-อูดะ ทำงานอย่างไรกันก่อนครับ
สายอากาศยากิ-อูดะทำงานอย่างไร
ทฤษฎีการทำงานของสายอากาศชนิดนี้ สามารถอธิบายได้หลายแนวทาง บางแนวทางนั้นเป็นแบบคณิตศาสตร์ซึ่งซับซ้อนและเข้าใจได้ยาก
แต่ถ้าเราอธิบายโดยใช้หลักการแบบพื้นฐานโดยมุ่งให้เห็นภาพการทำงาน จะเข้าใจได้ง่ายกว่าและไม่ได้ผิดหลักการทำงานที่เกิดขึ้นจริงด้วย
หลักการของสายอากาศ ยากิ-อูดะ
คือเราสร้างตัวแพร่กระจายคลื่นหลักโดยสายนำสัญญาณให้กับตัวแพร่กระจายคลื่นนี้ เรียกว่า driven element (ตัวขับ)
ซึ่งจะแพร่กระจายคลื่นออกไปรอบๆ ตัวมัน จากนั้นเราก็นำเอาตัวนำอื่น (เรียกว่า parasitic element) มาวางไว้ใกล้ๆ
ตัวขับดังกล่าว ซึ่งจะวางไว้ใกล้ในอาณาบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า near field ของตัวขับ เมื่อตัวนำอื่น ได้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากตัวขับ
ก็จะเกิดกระแสไหลในตัวมัน และเมื่อมีกระแสไหลในตัวมัน ก็จะแพร่กระจายคลื่นออกมาอีกครั้งหนึ่ง (เรียกว่า re-radiate) แต่เนื่องจาก
--- มีระยะระหว่าง driven element กับ parasitic element
--- ความยาวของ parasitic element จะยาวหรือสั้นกว่าความยาวปกติ (ซึ่งคือความยาว resonance ทางไฟฟ้า)
จึงทำให้เฟสของกระแสที่ไหลใน parasitic element ช้า หรือ เร็ว กว่าปกติ
--- ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติ เฟสจะช้าลงไป ในทางตรงกันข้ามถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติ เฟสจะเร็วขึ้น
สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ คลื่นจาก driven element กับคลื่นจาก parasitic element ต่างๆ
จะเกิดการรวมกันทางขนาดและเฟส ทำให้เกิดการเสริมกันในบางทิศทางและหักล้างกันในบางทิศทาง แต่เนื่องจากบรรดา
parasitic element ต่างๆ ไม่ได้ถูกขับหรือป้อนสัญญาณจากสายนำสัญญาณตรงๆ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถควบคุม
ขนาดและเฟสของกระแสในตัวมันได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะขึ้นกับระยะทางระหว่าง driven element กับ parasitic element
และความสั้นยาวกว่าปกติของ parasitic element นั่นเอง หรือพูดอีกทีก็คือเราคงไม่สามารถควบคุมให้เกิดการเสริมหรือหักล้างกันทางเฟส
ได้อย่างสมบูรณ์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง อย่างไรก็ตามผลที่เกิดขึ้นก็ใช้ได้ดีพอสมควร และทำให้เกิดอัตราขยายด้านหน้าสูงและด้านหลังต่ำ ทำให้ได้อัตราส่วนระหว่าง
อัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) สูงและใช้งานได้ดี
สายอากาศยากิ-อูดะทำงานอย่างไร
ทฤษฎีการทำงานของสายอากาศชนิดนี้ สามารถอธิบายได้หลายแนวทาง บางแนวทางนั้นเป็นแบบคณิตศาสตร์ซึ่งซับซ้อนและเข้าใจได้ยาก
แต่ถ้าเราอธิบายโดยใช้หลักการแบบพื้นฐานโดยมุ่งให้เห็นภาพการทำงาน จะเข้าใจได้ง่ายกว่าและไม่ได้ผิดหลักการทำงานที่เกิดขึ้นจริงด้วย
หลักการของสายอากาศ ยากิ-อูดะ
คือเราสร้างตัวแพร่กระจายคลื่นหลักโดยสายนำสัญญาณให้กับตัวแพร่กระจายคลื่นนี้ เรียกว่า driven element (ตัวขับ)
ซึ่งจะแพร่กระจายคลื่นออกไปรอบๆ ตัวมัน จากนั้นเราก็นำเอาตัวนำอื่น (เรียกว่า parasitic element) มาวางไว้ใกล้ๆ
ตัวขับดังกล่าว ซึ่งจะวางไว้ใกล้ในอาณาบริเวณสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า near field ของตัวขับ เมื่อตัวนำอื่น ได้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากตัวขับ
ก็จะเกิดกระแสไหลในตัวมัน และเมื่อมีกระแสไหลในตัวมัน ก็จะแพร่กระจายคลื่นออกมาอีกครั้งหนึ่ง (เรียกว่า re-radiate) แต่เนื่องจาก
--- มีระยะระหว่าง driven element กับ parasitic element
--- ความยาวของ parasitic element จะยาวหรือสั้นกว่าความยาวปกติ (ซึ่งคือความยาว resonance ทางไฟฟ้า)
จึงทำให้เฟสของกระแสที่ไหลใน parasitic element ช้า หรือ เร็ว กว่าปกติ
--- ถ้า parasitic element ยาวกว่าปกติ เฟสจะช้าลงไป ในทางตรงกันข้ามถ้า parasitic element สั้นกว่าปกติ เฟสจะเร็วขึ้น
สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ คลื่นจาก driven element กับคลื่นจาก parasitic element ต่างๆ
จะเกิดการรวมกันทางขนาดและเฟส ทำให้เกิดการเสริมกันในบางทิศทางและหักล้างกันในบางทิศทาง แต่เนื่องจากบรรดา
parasitic element ต่างๆ ไม่ได้ถูกขับหรือป้อนสัญญาณจากสายนำสัญญาณตรงๆ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถควบคุม
ขนาดและเฟสของกระแสในตัวมันได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งจะขึ้นกับระยะทางระหว่าง driven element กับ parasitic element
และความสั้นยาวกว่าปกติของ parasitic element นั่นเอง หรือพูดอีกทีก็คือเราคงไม่สามารถควบคุมให้เกิดการเสริมหรือหักล้างกันทางเฟส
ได้อย่างสมบูรณ์ในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง อย่างไรก็ตามผลที่เกิดขึ้นก็ใช้ได้ดีพอสมควร และทำให้เกิดอัตราขยายด้านหน้าสูงและด้านหลังต่ำ ทำให้ได้อัตราส่วนระหว่าง
อัตราขยายด้านหน้ากับด้านหลัง (front to back ratio) สูงและใช้งานได้ดี
