ตัวขับทั้ง 2 อีลีเม้นท์ (2 active elements) จะถูกวางให้ทำงานร่วมกัน เรียกว่านำมา อาเรย์ (array) กัน
ถ้าเรา
(1) จัดระยะ และ (และ แปลว่า ทำทั้งสองอย่างนะครับ ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง)
(2) จัดเฟสที่ป้อนให้ อีลีเม้นท์ทั้งสอง
ได้ถูกต้อง
เราจะได้ระบบสายอากาศที่มีการมีทิศทาง (directivity) คือ ส่ง/รับดีในบางทิศทางกว่าในทิศทางอื่น และมีเกน (gain ซึ่ง = directivity x ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของสายอากาศ) เกิดขึ้น
รูปที่ 1 การจัดระยะของตัวขับ (สองตัว)
และเฟสที่ป้อนให้ตัวขับทั้งสองให้ต่างกัน
รูปที่ 1 เป็นตัวอย่างการจัดวาง เราให้อีลีเม้นท์ทั้งสอง วางห่างกัน λ/8 และ (และ แปลว่า เกิดสิ่งนี้ด้วย ในเวลาเดียวกัน) เราป้อนสัญญาณเข้าที่อีลีเม้นท์หนึ่ง อีกอีลีเม้นท์จะได้รับสัญญาณช้าลงไป λ/8 หรือ 360°/8 หรือก็คือ 45° (ช้าลง เพราะ คลื่นต้องใช้เวลาเดินทางในโลหะชิ้นนี้ ดูรูปที่ 2)
รูปที่ 2 สัญญาณที่ป้อนเข้าอีลีเม้นท์ตัวซ้าย
ใช้เวลาเดินทางมาทางโลหะ (ลูกศรแดง)
กว่าจะมาถึงอีลีเม้นท์ทางขวา
ดังนั้น เมื่อเราป้อนสัญญาณ (คลื่น a สีดำในรูปที่ 3) ให้อีลีเม้นท์หลัก (ตัวซ้ายในภาพ) คลื่นที่ไปถีง อีลีเม้นท์ตัวขวา จะช้าลง 45° (คลื่น b สีน้ำเงินในรูปที่ 3) และกลับเฟสอีก (เพราะสายป้อน มันไขว้อยู่) เป็นคลื่น c สีแดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 แสดงเฟสของสัญญาณ
ที่แต่ละอีลีเม้นท์ได้รับจริง
ระยะระหว่าง อีลีเม้นท์ทั้งสองตัวคือ λ/8 ก็ต้องดู column แรกในรูปที่ 4
สังเกตเฟสสัญญาณของสองอีลีเม้นท์ที่ต่างกันอยู่ 180°+45° = 225° ตามภาพด้านซ้ายล่างของรูปที่ 3 ซึ่งคือความต่างเฟสของกราฟเส้นทึบสีดำและเส้นประสีแดง (เฟสเดียวกับเส้นทึบสีแดงนั่นล่ะ) ซึ่งคือเกิน 180° ไป 45°
ฃรูปที่ 4 อาเรย์แฟคเตอร์ (array factor) ของระบบ
สายอากาศ 2 อีลีเมนท์ ที่ลูกศรชี้คือ “ตัวประกอบ
แพทเทิร์นอันเป็นผลจากการนำอีลีเม้นท์ 2 ตัว
มาอาเรย์กัน” ภาพนี้ยังไม่ใช่แพทเทิร์นของระบบ
สายอากาศ เพราะนั่นจะขึ้นกับแพทเทิร์นของ
สายอากาศแต่ละ element ที่เอามาอาเรย์กันด้วย
การป้อนเฟสต่างกัน 225° คือเกิน 180° ไป 45° จะได้ผลเหมือนการป้อนเฟสต่างกัน 135° เพราะส่วนเกินเลยไปจาก 180° จะทำให้แพทเทิร์นกลับทิศ แต่รูปร่างขึ้นกับว่าต่างจาก 180° ไปเท่าไรเท่านั้นเอง ดูรูปที่ 5
รูปที่ 5 เมื่อเฟสที่ป้อนให้อีลีเม้นท์ทั้งสอง
ต่างกันเกิน 180° ทิศทางจะกลับด้าน
แล้วแพทเทิร์นรวมจริงๆ ของระบบสายอากาศล่ะ จะหน้าตาอย่างไร แพทเทิร์นรวมจริงๆ จะขึ้นกับแพทเทิร์นของแต่ละอีลีเม้นท์เองด้วย คำนวณโดยคูณกันเข้าไป
แพทเทิร์นของระบบสายอากาศจากการอาเรย์กัน (Total Pattern)
= อิทธิพลจากการอาเรย์ (array factor) ⨯ แพทเทิร์นของแต่ละอีลีเม้นท์เอง (element pattern)
หรือเขียนได้ว่า
Total pattern = Array Factor ⨯ Element Pattern
เรียบเรียงใหม่ เผื่อเข้าใจดีขึ้น :
จากตัวอย่าง เราหันแต่ละอีลีเมนท์ ซึ่งคือ โฟลเด็ดไดโพลไปในทิศที่ให้กำลังสูงสุด (คือทิศตั้งฉากกับห่วง) อยู่ในแนวเดียวกับที่ อาเรย์แฟคเตอร์ให้ผลสูงสุด (คือทิศขนานกับแกนสมมติ ซึ่งแกนสมมติคือเส้นที่ลากระหว่างอีลีเม้นท์ทั้งสอง กรณีนี้คือแนวบูม)
Element pattern ของโฟลเด็ดไดโพล ที่ directivity สูงสุดที่แนวตั้งฉากกับห่วง คือ 2.15dBi
Array factor คือ 4.2dB
คูณกัน ก็ได้ Directivity (4.2+2.15) dBi = 6.35 dBi = 4.2 dBd
ถ้าเราอนุมานว่า ประสิทธิภาพ ในการแปลงพลังงานของสายอากาศ ≈100%
Gain = Directivity x Efficiency
Gain ≈ Directivity x 1 ≈ 4.2 dBd
นั่นเอง
ข้อสังเกต
(1) รูปที่ 4 ไม่ใช่รูปมหัศจรรย์ เราๆ ท่านๆ สามารถ construct สมการ (ไม่ใช่สูตร) เพื่อคำนวณ array factor เองได้ จะเป็นของกี่ อีลีเมนท์ ก็ได้หมด เอา Excel ช่วยวาดก็ยังพอได้ ไม่มีอะไรเป็นความลับ
(2) การแมทช์ด้วย สตับลัดวงจร (shorted stub) สตับมีหน้าที่แค่ แมทช์อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนให้ใกล้ 50Ω เท่านั้น ไม่ได้เกี่ยวกับแพทเทิร์นในการออกอากาศและ/หรือเกน
รูปที่ 6 เราใช้อิมพิแดนซ์ของสตับแบบลัดวงจร
(shorted stub) Zss มาขนานกับอิมพิแดนซ์
ของจุดป้อนเดิม (Za)
โดยอิมพิแดนซ์ Zss ที่ปลายด้านเปิดของสตับ ที่ยาวไม่ถึง ¼λ จะเป็น pure inductive ดูรูปที่ 7
รูปที่ 7 เมื่อสตับแบบลัดวงจรที่เราใช้มีความ
ยาวไม่ถึง ¼λ อิมพิแดนซ์ด้านปลายเปิด
ของมันจะเป็น inductive ส่วนจะเป็น inductive
มากหรือน้อยขึ้นกับความยาวของสตับนั้น
พอเอา Zss ไปขนานกับ Za ของจุดป้อนเดิม (ที่เป็น capacitive) ก็จะได้อิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนใกล้เคียง 50 Ω ดูรูปที่ 8
สรุป
- สายอากาศ ZL คือการเอาสายอากาศเล็กๆ มาอาเรย์กัน
- โดยจัดระยะระหว่างกัน ราวๆ λ/8
- ในขณะเดียวกัน โลหะที่ป้อนสัญญาณให้อีลีเมนท์ทั้งสองตัว ก็มีความยาวของมัน บวกกับการกลับเฟสของสัญญาญที่ป้อนให้อีลีเมนท์รอง ทำให้เฟสไฟฟ้าต่างกัน 225°
- ผลที่เกิดขึ้น คือได้ อาเรย์แพทเทิร์นเหมือนกับเราป้อนสัญญาณเฟสต่างกัน 135° และระยะห่าง λ/8
- เกนรวมๆ ราว 4.2dBd
73 de HS0DJU ครับ
