ภาพที่ 1 การแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศไดโพล
พื้นฐานของสายอากาศทุกชนิดที่เราใช้งานกันอยู่นั้นคือสายอากาศแบบสองขั้วหรือ ไดโพล (dipole) ซึ่งประกอบไปด้วยลวดตัวนำสองชิ้น ด้านบนและด้านล่าง (ไม่ได้พับเป็นห่วง ดังนั้นจึงไม่ใช่โฟลเด็ดไดโพลแต่เป็นไดโพล) เมื่อเราป้อนสายอากาศนี้ด้วยความถี่วิทยุมันก็จะแพร่กระจายคลื่นออกไปได้โดยมีลักษณะการแพร่กระจายคลื่นแบบรอบตัว (ภาพที่ 1) ถ้าถามว่าสายอากาศนี้มีทิศทางไหม คำตอบแบบกำปั้นทุบดินก็คือมีทิศทาง เพราะสายอากาศที่ไม่มีทิศทางจริงๆ ในโลกนี้มีชนิดเดียวคือสายอากาศแบบไอโซทรอปิค (isotropic) ซึ่งแพร่กระจายคลื่นออกรอบตัวเท่ากันทุกทิศทาง แต่มันก็เป็นแค่สายอากาศสมมติและไม่สามารถสร้างจริงได้ ดังนั้นสายอากาศอื่นที่ไม่ใช่สายอากาศแบบไอโซทรอปิคย่อมเป็นสายอากาศแบบมีทิศทาง (ภาพที่ 2 รูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศแบบไอโซทรอปิค)
ภาพที่ 2 การแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศสมมติไอโซทรอปิค
เมื่อเราต้องการทำให้อัตราขยายของสายอากาศสูงขึ้น สิ่งที่ทำได้คือเราบังคับให้สายอากาศสร้างกำลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งเป็นพิเศษ (แน่นอน อย่าลืมว่าก็ต้องลดกำลังงานในทิศทางอื่นลง เพราะกำลังโดยรวมแล้วต้องเท่าเดิม โผล่เพิ่มขึ้นมาเฉยๆ ไม่ได้) วิธีการทำที่ปรากฏกับพวกเรามีหลายรูปแบบ ไม่ว่าจะสร้างเป็นสายอากาศหลายชั้น ทำให้ความยาวผิดไปจากเดิม จับมาต่อกัน ทำเป็นสายอากาศแบบยากิ แต่โดยหลักการแล้วบอกได้เลยว่ามีหลักการเดียวคือ "การจัดเฟสและตำแหน่ง" ให้กับสายอากาศหรือชุดของสายอากาศนั้นให้ถูกต้อง เราก็จะบังคับให้สายอากาศสร้างกำลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่งได้แล้ว
ภาพที่ 3 การนำสายอากาศมาทำงานร่วมกัน (ตัวอย่างคือ 2 ตัว)
"การจัดเฟสและตำแหน่ง" นี้เองเป็นที่มาของคำว่า Phased Array (ภาพที่ 3) คือการเอาสายอากาศมาต่อกันโดยการจัดระยะห่างและเฟสของสัญญาณที่ป้อนให้กับสายอากาศแต่ละตัว การจัดระยะห่างนั้นคงไม่ยาก (ระยะระหว่างสายอากาศคิดเป็น λ หรือความยาวคลื่นในอากาศ ซึ่งมีผลเพราะคลื่นเปลี่ยนเฟสไปในขณะเดินทางไปในระยะทางต่างๆ นั่นเอง) ส่วนการจัดเฟสก็คือป้อนด้วยสายนำสัญญาณที่ยาวไม่เท่ากัน (มุมเฟสอ้างอิงเป็นองศา โดย 360 องศาคือความยาวสายนำสัญญาณ 1 λ และต้องคิดตัวคูณความเร็วของคลื่นในสายนำสัญญาณนั้นๆ ด้วย)
ภาพที่ 4 การป้อนสายอากาศหลายตัวที่จัดระยะห่างตามการออกแบบด้วยสัญญาณ
ที่มีมุมเฟสต่างกันทำให้ได้หน้าคลื่นที่มีเฟสเดียวกันและมีทิศทางเปลี่ยนไปตามต้องการ
เมื่อป้อนสัญญาณให้ระบบสายอากาศทำงาน (เรียกว่า ระบบสายอากาศแล้ว เพราะมีสองตัว หรือมากกว่า) จะเกิดการรวมและหักล้างกันของคลื่นจากสายอากาศแต่ละตัวทั้งขนาด (amplitude) และเฟส (phase) หรือหน้าคลื่นที่เดินทางมาจากสายอากาศแต่ละตัวที่รวมและหักล้างกันที่มุมต่างๆ (ดูภาพที่ 4 เป็นการต่อสายอากาศหลายตัวแบบ phased array ซึ่งก็สามารถทำได้ ถ้าต่อเพียงสองตัวเราก็ดูเพียงสายอากาศสองตัวบนสุดในภาพก็ได้) ทำให้เมื่อเราเอาสายอากาศมากกว่าหนึ่งตัวมาต่อร่วมกัน จัดระยะห่างและเฟสที่ป้อนให้ดี ก็จะสามารถกำหนดทิศทางที่ระบบสายอากาศได้ โดยจะแพร่กระจายคลื่นด้วยกำลังที่มากกว่าในบางทิศทาง ก็จะทำให้มีอัตราขยายสูงเป็นพิเศษในทิศทางที่เราต้องการนั้นได้
ภาพที่ 5 ลักษณะการแพร่กระจายคลื่นที่ได้จากการจัดระยะห่าง
และเฟสของสัญญาณที่ป้อนให้กับสายอากาศต่างๆ กัน
คลิกภาพเพื่อดูภาพใหญ่
ภาพที่ 5 แสดงลักษณะของแพทเทิร์นการแพร่กระจายคลื่นที่ได้ เมื่อจัดระยะห่างระหว่างสายอากาศสองตัว (แต่ละคอลัมน์แสดงระยะระหว่างสายอากาศต่างๆ) และเฟสของสัญญาณที่ต่างกันที่ป้อนให้กับสายอากาศทั้งสอง (แต่ละบรรทัด แสดงเฟสของสัญญาณที่ต่างกัน) จะเห็นว่ามีการแพร่กระจายที่รุนแรงในบางทิศทาง และลดน้อยลงในทิศทางอื่น ทำให้ได้ระบบสายอากาศที่มีทิศทางและมีเกนเพิ่มขึ้นในบางทิศทางนั้น เราสามารถเก็บภาพนี้ไว้เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงในการจัดทำสายอากาศได้ในโอกาสต่อๆ ไปด้วย สำหรับวันนี้สวัสดีก่อนครับ (HS0DJU/KG5BEJ จิตรยุทธ จุณณะภาต)
