สารบัญ
 อภิธานศัพท์(Glossary)
 บทคัดย่อ(ไทย อังกฤษ)
 บทนำ
พื้นฐานองค์รวมของระบบ
สื่อสารไร้สาย
 หลักการทำงานของ
สายอากาศ
 ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่กับขนาดของสายอากาศ
 ความสัมพันธ์ระหว่างรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นกับ
สายอากาศ
 การประยุกต์สายอากาศ
สำหรับเครื่องรับวิทยุ
 สรุป
 จดหมายเหตุ
 บรรณานุกรม
บทสารานุกรมอื่น ๆ
โทรคมนาคม: นิยามและความหมาย
ประวัติการสื่อสาร
โทรคมนาคมโลก ๑ - โทรเลขและโทรศัพท์
ประวัติการสื่อสาร
โทรคมนาคมโลก ๒ - คลื่นวิทยุและการสื่อสารไร้สาย
ประวัติการสื่อสาร
โทรคมนาคมโลก ๓ - การ
สื่อสารด้วยแสงและการสื่อสารข้อมูลผ่านดาวเทียม
ประวัติการสื่อสาร
โทรคมนาคมโลก ๔-การสื่อสารข้อมูลและเครือข่าย
อินเทอร์เน็ต
ประวัติศาสตร์การสื่อสารไทย: ยุคอดีต
ประวัติศาสตร์การสื่อสาร
โทรคมนาคมไทย: วิวัฒนาการโทรเลขและโทรพิมพ์
ประวัติศาสตร์การสื่อสาร
โทรคมนาคมไทย: องค์การโทรศัพท์แห่งประเทศไทยกับกิจการโทรคมนาคม
ประวัติศาสตร์การสื่อสาร
โทรคมนาคมไทย: ยุคเครือข่าย
อินเทอร์เน็ต
พื้นฐานร่วมเทคโนโลยี
โทรคมนาคมกับการสื่อสาร
มวลชน
พื้นฐานกฎหมายเกี่ยวกับการประกอบกิจการโทรคมนาคม
ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าด้านสื่อสาร
วิทยาการการทดสอบทางโทรคมนาคม

วิทยาการวางแผนและการสร้างแผนที่นำทางเทคโนโลยี
โทรคมนาคม

เศรษฐศาสตร์โทรคมนาคม

โซ่คุณค่าของอุตสาหกรรมการสื่อสารโทรคมนาคม
พื้นฐานดัชนีวรรณกรรมสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าสื่อสารและ
แขนงที่เกี่ยวข้อง
วิวัฒนาการวิทยุโทรศัพท์ โทรศัพท์เคลื่อนที่และมาตรฐานโทรคมนาคมที่เกี่ยวข้อง
สมาคมวิชาการไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์ โทรคมนาคมและสารสนเทศกับกิจกรรมวิชาการ
ชมรมไฟฟ้าสื่อสาร สมาคมสถาบันวิศวกรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและความถี่วิทยุเพื่อการสื่อสาร
การบริหารจัดการทรัพยากรการสื่อสารวิทยุเบื้องต้น
รหัสมอร์สเพื่อการสื่อสาร
กล้ำสัญญาณพื้นฐานเพื่อ
การสื่อสาร
พื้นฐานเทคโนโลยีรหัสควบคุมความผิดพลาดสำหรับการ
สื่อสาร
พื้นฐานการแผ่สเปกตรัมสำหรับการสื่อสาร
หลักการของซีดีเอ็มเอ
หลักการเทียบจังหวะสัญญาณโทรคมนาคม
หลักการของปริมาณการใช้งานวงจรสื่อสารและหมายเลขโทรคมนาคม
โครงข่ายการสื่อสารข้อมูลความเร็วสูงเอสดีเอช
พื้นฐานคุณภาพการบริการในเครือข่ายการสื่อสาร
เครือข่ายเฉพาะที่
เทคโนโลยีเอทีเอ็ม 
อินเทอร์เน็ตโพรโทคอล
เวอร์ชัน ๖
โครงข่ายโทรคมนาคมยุคหน้า
 พื้นฐานสายส่งสัญญาณสำหรับการสื่อสาร
 วิทยาการโทรศัพท์พื้นฐานและโครงข่าย
 เทคโนโลยีชุมสายโทรศัพท์พื้นฐาน
หลักการของระบบตรวจสอบคู่สายโทรศัพท์พื้นฐาน
พื้นฐานระบบเทเลกซ์
หลักการทำงานเบื้องต้นของเครื่องโทรสาร
เทคโนโลยีสื่อสารผ่านสายความเร็วสูง: ดีเอสแอล
การสื่อสารผ่านสายไฟฟ้า
โทรเลขเชิงแสง
พื้นฐานการสื่อสารเชิงแสง
พื้นฐานระบบสื่อสารด้วยเส้นใยนำแสง
พื้นฐานระบบเส้นใยนำแสงสู่บ้าน
ระบบสื่อสัญญาณแสงหลายช่องแบบ DWDM
พื้นฐานสายอากาศวิทยุเพื่อการสื่อสาร
สายอากาศฉลาด
เทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายระยะใกล้
ระบบการระบุด้วยคลื่นวิทยุหรืออาร์เอฟไอดี
วิทยาการเครือข่ายไร้สายแบบไวไฟ
วิทยุสมัครเล่น
วิทยาการเครือข่ายตรวจวัดสัญญาณแบบไร้สาย
อัลตราไวด์แบนด์สำหรับการสื่อสารไร้สาย
ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ๔๗๐ เมกกะเฮิรตซ์
การสื่อสารเหนือพื้นน้ำ
เครือข่ายเคเบิลใต้น้ำและ
การเชื่อมต่อในประเทศไทย
การแพร่ภาพโทรทัศน์พื้นฐาน
การพัฒนาเทคโนโลยี
เครือข่ายโทรทัศน์ไทยทีวีสี ช่อง
เทเลเท็กซ์
การสื่อสารบรอดแบนด์
การสื่อสารบรอดแบนด์ความเร็วสูงผ่านสายไฟฟ้า
เครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย
พื้นฐานโครงข่ายการสื่อสารร่วมระบบดิจิทัล
เทคโนโลยีเครือข่ายส่วนตัวแบบเสมือน
เครือข่ายคอมพิวเตอร์เพื่อโรงเรียนไทย
เทคโนโลยีการสื่อสารสำหรับระบบควบคุมการจำหน่ายไฟฟ้า
พื้นฐานระบบสื่อสารสำหรับการจ่ายไฟฟ้า
วิทยาการการสื่อสารข้อมูลจราจรผ่านคลื่นวิทยุกระจายเสียงเอฟเอ็ม
พื้นฐานระบบการสื่อสารเพื่อการบริหารทรัพยากรน้ำ
ระบบโทรมาตรเพื่อการ
ชลประทาน
ระบบการสื่อสารเพื่อการเตือนภัยสึนามิ
ระบบการสื่อสารเพื่อการแจ้งภัยและความปลอดภัยทางทะเล
ของโลก
พื้นฐานการสื่อสารกับหอเตือนภัย
เครือข่ายโทรคมนาคมเพื่อโครงการการพัฒนาภูเก็ต
ระบบสื่อสารกองทัพไทย
พื้นฐานการสื่อสารผ่าน
ดาวเทียม
ประวัติและพัฒนาการของดาวเทียมสื่อสาร
วิทยาการดาวเทียมธีออส
ดาวเทียมไทพัฒ
ดาวเทียมสำรวจทรัพยากรประเทศไทย
การรังวัดด้วยดาวเทียมจีพีเอสเพื่อการสำรวจทางการแผนที่
ระบบสำรวจข้อมูลทางสมุทรศาสตร์และสภาพ
แวดล้อมทางทะเลโดยใช้เทคโนโลยีทุ่นลอยสื่อสารผ่านดาวเทียม

   พื้นฐานสายอากาศวิทยุเพื่อการสื่อสาร
    (Fundamental of Radio Antenna)

    รณชัย พงศ์ธรเสรี
    ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ
 

  ๑.อภิธานศัพท์ (Glossary)

 
 

  ระบบวิทยุกระจายเสียงเอเอ็ม (Amplitude Modulation Broadcasting System: AM)

          ระบบวิทยุกระจายเสียงที่ใช้หลักการกล้ำสัญญาณ(Modulation)แบบเปลี่ยนแปลงขนาด(Amplitude)ของคลื่นพาห์(Carrier Wave) ตามสัญญาณ
          เสียง จากการใช้คลื่นพาห์ความถี่ต่ำทำให้แถบกว้างของความถี่ในการส่งสัญญาณเสียงแต่ละช่องสัญญาณมีค่าจำกัดและคุณภาพเสียงจึงถูกจำกัด
          ไปด้วย ระบบนี้มีข้อดี คือ สามารถส่งสัญญาณเสียงได้ในระยะไกลกว่าระบบเอฟเอ็ม เนื่องจากคลื่นความถึ่ต่ำสามารถเดินทางได้ไกล

  ระบบวิทยุกระจายเสียงเอฟเอ็ม (Frequency Modulation Broadcasting System: FM)  

          ระบบวิทยุกระจายเสียง ที่ใช้หลักการกล้ำสัญญาณแบบเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่นพาห์ตามสัญญาณเสียงากการใช้คลื่นพาห์ความถี่สูงจึงทำให้
          มีแถบความถี่ สำหรับช่องสัญญาณใช้งานที่กว้าง สามารถรับกับสัญญาณเสียง  ตลอดย่านความถี่ที่หูมนุษย์ได้ยิน และสามารถส่งสัญญาณเสียงใน
          ระบบสเตอริโอ (Stereo) ได้ ส่วนระยะทางในการส่งสัญญาณจะมีค่าน้อยกว่าเมื่อเทียบกับระบบกระจายเสียงเอเอ็ม

  ทรานดิวเซอร์ (Transducer)

          อุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงาน ในรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานในอีกรูปแบบหนึ่งได้ เช่นไมโครโฟนเป็นทรานดิวเซอร์ ชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยน
          พลังงานในรูปแบบของการสั่นสะเทือนอันเกิดจากเสียงไปเป็นพลังงานไฟฟ้าได้
 

  ๒.บทคัดย่อ up

          สายอากาศเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการรับ-ส่งวิทยุหรือในระบบสื่อสารไร้สายใดๆ มีหน้าที่หลักสองประการคือ ในฝั่งส่งสัญญาณสายอากาศจะทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายไปในอากาศ และในฝั่งรับสัญญาณสายอากาศ จะทำหน้าที่ดักจับคลื่นวิทยุที่แพร่กระจายอยู่ในอากาศ แปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในกรณีที่เป็นเครื่องรับวิทยุ สัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวจะถูกนำมาแปลงให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณเสียง เพื่อประโยชน์ในการรับฟัง เช่น ข่าวสารข้อมูลและความบันเทิง ระบบสื่อสารไร้สายมีหลายรูปแบบและมีลักษณะการใช้งานและค่าความถี่ที่แตกต่างกัน สายอากาศจึงต้องถูกออกแบบให้มีขนาดและรูปแบบตามความถี่และความเหมาะสมกับรูปแบบการใช้งานนั้น ๆ

  Abstract   up

          The antenna is a transducer designed to transmit and to receive electromagnetic wave. In the same hand, transmitted antenna converts electrical impulse to be electromagnetic wave and vice versa for the received antenna. According to various kind of wireless communication systems, antennas are designed appropriately with their applications and frequency band. They are for such as radio and television broadcasting, wireless LAN, radar, and space exploration, and etc.


  ๓.
บทนำ (Introduction)
up

          ในปี ค.ศ.๑๘๘๖ (พ.ศ.๒๔๒๙) เฮนริช เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) ได้คิดค้นสายอากาศวิทยุขึ้น ทำให้ทราบถึงความสามารถในการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้า จากสายอากาศฝั่งส่งผ่านอากาศไปยังสายอากาศฝั่งรับได้ ซึ่งมีพื้นฐานการทำงานรูปที่ ๓.๑ เมื่อประจุไฟฟ้าที่ปล่อยออกจากขดลวดเหนี่ยวนำเคลื่อนที่เข้าหากัน บริเวณช่องว่าง  หรือแกป(Gap) จะเกิดแสงไฟ ขึ้นที่ขั้วของสายอากาศฝั่งส่งแบบไดโพล (Dipole Antenna) ทำให้เกิดการแพร่กระจาย
ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปในอากาศ สายอากาศฝั่งรับแบบลูป (Loop Antenna) จะเหนี่ยวนำเอาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวมาเปลี่ยนเป็นประจุไฟฟ้า และเมื่อประจุไฟฟ้าบนสายอากาศไหลมาบรรจบกันบริเวณแกปจะเกิดแสงไฟเช่นเดียวกันกับทางฝั่งส่งจึงสามารถใช้ระบบนี้ ในการส่งสัญญาณผ่านอากาศได้ ต่อมาระบบนี้ได้ถูกพัฒนาเพื่อใช้ส่งรหัสมอร์สในการสื่อสารไร้สาย



                                                          
      รูปที่ ๓.๑ (ก) การทำงานสายอากาศชุดแรก [๑]
 

 



                                                         
      รูปที่ ๓.๑ (ข) สัญลักษณ์ทางเทคนิคทั่วไปของสายอากาศ
 

      จากจุดเริ่มต้นของการส่งสัญญาณโดยสายอากาศ ทำให้ระบบสื่อสารไร้สายถูกพัฒนา และนำมาประยุกต์ เพื่อใช้งานในการรับ-ส่งสัญญาณเสียง สัญญาณภาพ ข้อความสั้น ตลอดจนการเข้าถึงแหล่งข้อมูลอย่าง อินเทอร์เนตได้เป็นอย่างดี สายอากาศที่ใช้กับระบบสื่อสารไร้สายจึงถูกพัฒนาตามไปด้วยโดยสายอากาศจะมีลักษณะและขนาดสัมพันธ์กับความถี่และรูปแบบการใช้งานระบบสื่อสารนั้นๆ ตัวอย่างของระบบสื่อสารไร้สายที่พบได้ทั่วไป ได้แก่
 
         ก) ระบบวิทยุกระจายเสียง เป็นระบบสื่อสารไร้สายทางเดียว(Simplex) แสดงดังรูปที่ ๓.๒ โดยสถานีวิทยุจะทำหน้าที่ส่งสัญญาณวิทยุกำลังสูงตั้งแต่ ๑๐ วัตต์ถึง ๑,๐๐๐ วัตต์ ผ่านสายอากาศขนาดใหญ่ที่ออกแบบ และติดตั้งอยู่บนเสาสูง(Tower)เพื่อให้การกระจายสัญญาณครอบคลุมพื้นที่ในบริเวณกว้าง ส่วนเครื่องรับวิทยุจะใช้สายอากาศขนาดเล็กในการรับสัญญาณ



                                                          
รูปที่ ๓.๒ ระบบสื่อสารไร้สายทางเดียว(Simplex)
 

         ซึ่งรายละเอียดในการใช้งานความถี่ของระบบวิทยุกระจายเสียงแบบต่างๆ แสดงได้ดังตารางที่ ๓.๑

               ตารางที่ ๓.๑ ค่าความถี่ที่ใช้ในระบบวิทยุกระจายเสียง

ระบบวิทยุกระจายเสียง

ย่าน

ความถี่       


คลื่นยาว 
(Long Wave: LW) 


ความถี่ต่ำ (
Low Frequency:  LF)


๑๖๐-๒๗๐
(กิโลเฮิรตซ์)


คลื่นความยาวกลาง
(Medium Wave: MW) (AM)


ความถี่ปานกลาง (
Medium Frequency: MF)


๕๓๐-๑๖๐๐
(กิโลเฮิรตซ์)


คลื่นสั้น
(Short Wave : SW)


ความถี่สูง
(
High Frequency: HF)


๔.๗๕-๒๒.๑๕
(เมกะเฮิรตซ์)


เอฟเอ็ม
(FM)


ความถี่สูงมาก(
Very High Frequency: VHF)


๘๘-๑๐๘
(เมกะเฮิรตซ์)

        ข) ระบบวิทยุสื่อสาร เป็นระบบสื่อสารแบบกึ่งสองทาง (Half Duplex) คือเป็นระบบที่ใช้ความถี่เดียวกันในการรับ-ส่งสัญญาณวิทยุ แสดงดังรูปที่ ๓.๓ ดังนั้นผู้ใช้งานจึงต้องผลัดกันรับ-ส่งสัญญาณวิทยุ โดยสายอากาศที่ใช้ จึงต้องทำหน้าที่เป็นทั้งสายอากาศรับและส่งในตัวเดียวกัน ในกรณีที่ใช้เป็นวิทยุสื่อสารระยะใกล้ จะใช้กำลังส่งต่ำประมาณ ๕ วัตต์ และสายอากาศขนาดเล็ก ส่วนในกรณีที่ใช้เป็นวิทยุสื่อสารระยะไกลจะใช้กำลังส่งสูงคือตั้งแต่ ๑๐ วัตต์ขึ้นไป ซึ่งจำเป็นต้องใช้สายอากาศขนาดใหญ่ เพื่อให้สามารถทนกำลังส่งที่สูงได้โดยสายอากาศดังกล่าวได้ออกแบบและติดตั้งอยู่บนเสาสูง (Tower) เพื่อหลบเลี่ยงสิ่งกีดขวาง เช่น อาคารและสิ่งปลูกสร้าง โดยการใช้งานระบบวิทยุสื่อสารผู้ใช้งาน จะต้องจดทะเบียน เพื่อจัดตั้งเป็นสถานีวิทยุก่อน จึงจะสามารถใช้งานระบบวิทยุสื่อสารได้



                                                          
รูปที่ ๓.๓ ระบบสื่อสารไร้สายแบบกึ่งสองทาง(Half Duplex)
 

        ส่วนความถี่ที่ระบบวิทยุสื่อสารใช้งานจะแบ่งเป็นสามช่องความถี่ ประกอบด้วย

        ข.๑) ช่องความถี่สาธารณะ (Citizen Band: CB) เป็นช่องความถี่ที่เปิดให้บุคคลทั่วไปใช้ในการติดต่อสื่อสารกัน
       ข.๒) ช่องความถี่วิทยุสมัครเล่น เป็นช่องความถี่ที่เปิดให้นักวิทยุสมัครเล่นใช้ในการติดต่อสื่อสารกัน ซึ่งผู้ใช้งานส่วนใหญ่จะเป็นนักวิทยุสมัครเล่นที่ผ่านการทดสอบแล้ว
        ข.๓) ช่องความถี่เฉพาะ เป็นช่องความถี่ที่ถูกจัดสรร สำหรับหน่วยงานเฉพาะทางเช่น ช่องความถี่สำหรับตำรวจ ทหาร และหน่วยบรรเทาสาธารณะภัยเป็นต้น โดยค่าความถี่ใช้งานจะไม่เปิดเผยให้บุคคลทั่วไปทราบ การใช้ความถี่สำหรับวิทยุสื่อสารสามารถแบ่งได้ ดังตารางที่ ๓.๒

                     ตารางที่ ๓.๒ ค่าความถี่ที่ใช้ในระบบวิทยุสื่อสาร [๒]

ระบบวิทยุสื่อสาร

ย่าน

ความถี่(เมกะเฮิรตซ์)

วิทยุสื่อสารสาธารณะ(CB)

HF

๒๖.๙๖๕-๒๗.๔๐๕

วิทยุสมัครเล่น

VHF

๑๔๔-๑๔๘

วิทยุสื่อสารสาธารณะ(CB)

VHF

๒๔๕

         ค) ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นระบบสื่อสารแบบสองทาง(Full Duplex) แสดงดังรูปที่ ๓.๔ โดยการแยกความถี่ในการรับ-ส่งสัญญาณ ทำให้การสื่อสารเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ผู้ใช้งานโทรศัพท์สามารถติดต่อกัน ผ่านทางชุมสายโทรศัพท์เคลื่อนที่ ที่กระจายครอบคลุมพื้นที่ใช้งาน ชุมสายโทรศัพท์เคลื่อนที่จะใช้กำลังส่งสูงผ่านสายอากาศขนาดใหญ่ติดตั้งอยู่บนเสาสูง(Tower)เพื่อให้พื้นที่บริการครอบคลุมพื้นที่ที่ต้องการ(Cell)
 



                                                          
รูปที่ ๓.๔ ระบบสื่อสารไร้สายแบบสองทาง(Full Duplex)
 

         ส่วนสายอากาศในเครื่องรับโทรศัพท์เคลื่อนที่ การออกแบบจะคำนึงเรื่องการจำกัดขนาดของสายอากาศ เนื่องจากเครื่องรับโทรศัพท์เคลื่อนที่มีขนาดเล็ก และถูกออกแบบให้สะดวกต่อการพกพา โดยระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ดังกล่าวมีการใช้งานความถี่ตัวอย่างดังตารางที่ ๓.๓

              ตารางที่ ๓.๓ ค่าความถี่ที่ใช้ในระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ [๒]

ระบบโทรศัพท์

ย่าน

ความถี่(เมกะเฮิรตซ์)


CDMA800 ความถี่ส่ง   ความถี่รับ

 
ความถี่สูงยิ่ง(
Ultra High Frequency: UHF)

 
๘๖๙-๘๙๔
๘๒๔-๘๔๙


GSM900   ความถี่ส่ง   ความถี่รับ

 
UHF

 
๘๙๗.๕-๙๑๕
๙๔๒.๕-๙๖๐
 


PCN1800 ความถี่ส่ง    ความถี่รับ


UHF

 
๑๗๑๐-๑๗๘๕
๑๘๐๕-๑๘๘๐
 


GSM1900 ความถี่ส่ง   ความถี่รับ


UHF


๑๙๓๐-๑๙๙๐
๑๘๕๐-๑๙๑๐
 


 

  ๔.พื้นฐานองค์รวมของระบบสื่อสารไร้สาย   up

           ระบบสื่อสารไร้สาย มีส่วนประกอบหลักอยู่สี่ส่วน คือ
 
         ก) เครื่องส่ง (Transmitter or Generator) หรือต้นทาง จะทำหน้าที่ในการสร้างสัญญาณวิทยุที่ต้องการเพื่อใช้สำหรับการส่งออกอากาศ
         ข) เครื่องรับวิทยุ (Receiver) หรือปลายทาง จะทำหน้าที่รับสัญญาณวิทยุแล้วแปลงสัญญาณวิทยุดังกล่าวให้อยู่ในรูปแบบสัญญาณเสียงหรือเนื้อหาอื่นตามที่ต้นทางส่งมาให้
         ค) สายนำสัญญาณ (Transmission Line) ทำหน้าที่ ในการเชื่อมต่อเพื่อส่งผ่านสัญญาณระหว่างเครื่องรับ-เครื่องส่งกับสายอากาศ
         ง) สายอากาศ (Antenna) เป็นชิ้นวัสดุตัวนำไฟฟ้า ทำหน้าที่เป็น ทรานดิวเซอร์ (Transducer) เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องส่งวิทยุ เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายไปในอากาศ และในทางกลับกันก็สามารถเปลี่ยนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระจายอยู่ในอากาศ ให้กลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้าและส่งต่อให้กับเครื่องรับวิทยุต่อไป โดยแสดงการทำงานดังรูปที่ ๔.๑ และ ๔.๒
 



                                                         
รูปที่ ๔.๑ กายวิภาคของคลื่นในระบบส่งสัญญาณวิทยุ [๓]
 

 



                                                         
รูปที่ ๔.๒ กายวิภาคคลื่นของระบบรับสัญญาณวิทยุ [๓]
 


  ๕.หลักการทำงานของสายอากาศ
   up

           ระบบส่งสัญญาณวิทยุ สายอากาศมีหน้าที่หลักในการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสู่อากาศ การแพร่กระจายคลื่นจะเกิดขึ้น เมื่อมีการป้อนสัญญาณซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามายังสายอากาศ ทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบวก และลบบนพื้นผิวของสายอากาศ และเนื่องจาก สัญญาณที่ป้อนให้สายอากาศเป็นคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับประจุไฟฟ้าจึงถูกเร่งให้เคลื่อนที่ ไปยังตำแหน่งต่างๆ บนสายอากาศ กลับไป-กลับมา ตามความถี่ของสัญญาณจากเครื่องส่ง จนเกิดการแพร่กระจายคลื่นออกมา
         จากรูปที่ ๕.๑ แสดงตัวอย่างการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ของสายอากาศไดโพลขนาดครึ่งความยาวคลื่น (โดยใช้สัญญาณวิทยุแบบดิฟเฟอร์เรนเชียน(Differential)ที่มีเฟสต่างกัน ๑๘๐ องศา ป้อนให้กับชึ้นโลหะทั้งสองของสายอากาศ และใช้ประจุไฟฟ้า อธิบายการเกิดของเส้นแรงสนามไฟฟ้า) อธิบายลำดับการแพร่กระจายคลื่น ดังนี้
 



(ก)


()


()

 









(ง)


(จ)


(ฉ)



(ช)

 







(ซ)

รูปที่ ๕.๑ การแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกจากสายอากาศ [๑]
 

        รูปที่ ๕.๑(ก) สายอากาศไดโพลขณะที่ยังไม่มีการป้อนสัญญาณ จะไม่มีประจุไฟฟ้าใด ๆ บนชิ้นตัวนำของสายอากาศ
        รูปที่ ๕.๑(ข) เมื่อทำการป้อนสัญญาณวิทยุ จะเกิดประจุไฟฟ้าบวกและลบบนสายอากาศ
     รูปที่ ๕.๑(ค) เมื่อสัญญาณวิทยุมีการเปลี่ยนแปลงค่า ประจุไฟฟ้าบวกและลบเคลื่อนที่ ไปบนสายอากาศตามจังหวะของสัญญาณวิทยุ เนื่องจากสัญญาณวิทยุที่ป้อนให้กับสายอากาศไดโพลชิ้นบนและชิ้นล่างมีความต่างกัน ๑๘๐ องศา คือในขณะที่สายอากาศชิ้นบนได้รับแรงดันบวก สายอากาศชึ้นล่างจะได้รับค่าแรงดันลบ ประจุไฟฟ้าบวกและลบจึงเดินทางห่างจากกัน เกิดเป็นเส้นแรงสนามไฟฟ้าระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสอง
        รูปที่ ๕.๑(ง) เมื่อสัญญาณวิทยุมีการเปลี่ยนระดับ จนถึงค่าสูงสุด ค่าความต่างศักย์ที่ปลายทั้งสองด้าน ของสายอากาศก็จะมีค่าสูงสุดเช่นกัน จากนั้นประจุไฟฟ้าบนสายอากาศจะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งปลายของสายอากาศ ทำให้เส้นแรงสนามไฟฟ้าขยายตัวขึ้นสูงสุดด้วย
        รูปที่ ๕.๑(จ) เมื่อสัญญาณวิทยุลดขนาดลง ค่าความต่างศักย์ที่ปลายของสายอากาศก็จะมีค่าลดลงเช่นกัน ทำให้ประจุไฟฟ้าบวกและลบเคลื่อนที่เข้าใกล้กันมากขึ้น จากนั้นสนามไฟฟ้าที่ถูกสร้างไว้ จะดันตัวออกจากสายอากาศ
        รูปที่ ๕.๑(ฉ) เมื่อค่าความต่างศักย์ ที่ปลายของสายอากาศลดลงเป็นศูนย์ ประจุไฟฟ้าบวก-ลบ จะเคลื่อนตัวมาตัดกัน สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นก็จะถูกตัดขาด และแพร่กระจายออกไปในอากาศ
        รูปที่ ๕.๑(ช) เมื่อสัญญาณวิทยุเพิ่มขนาดขึ้นอีกครั้ง แต่เป็นไปในทิศตรงกันข้าม คือ สายอากาศชิ้นล่างได้รับแรงดันบวก แทนแรงดันลบ เส้นแรงสนามไฟฟ้าชุดใหม่จะถูกสร้างขึ้น และดันสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชุดก่อนให้แพร่ออกไปได้ไกลมากยิ่งขึ้น
        รูปที่ ๕.๑(ซ) เมื่อสัญญาณวิทยุเพิ่มขนาดจนถึงค่าสูงสุดอีกครั้ง ขอบนำของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าชุดแรกและชุดที่สองจะห่างกันเท่ากับครึ่งความยาวคลื่นพอดี การเกิดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากสายอากาศนี้จะเกิดขึ้นซ้ำไปเรื่อย ๆ ตราบใดที่มีสัญญาณวิทยุป้อนมายังสายอากาศ
 
        ส่วนการทำงานของสายอากาศในฝั่งเครื่องรับวิทยุ จะมีหลักการเช่นเดียวกับฝั่งเครื่องส่งแต่กลับด้านกัน กล่าวคือ สายอากาศรับจะคอยดักจับหรือเหนี่ยวนำเอาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระจายในอากาศ มาเป็นประจุไฟฟ้าบนชิ้นตัวนำของสายอากาศ ก่อนที่จะป้อนสัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวให้กับภาครับสัญญาณวิทยุต่อไป
 

  ๖.ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่กับขนาดของสายอากาศ   up

          เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ที่ใช้กับความยาวคลื่น เป็นความสัมพันธ์ในแบบแปรผกผันกันตามสมการที่ ๖.๑ กล่าวคือ ความยาวคลื่น ( λ )ในหน่วยเมตร มีค่าเท่ากับ ความเร็วในการเดินทางของคลื่น ( ν ) ซึ่งมีค่าประมาณ ๓๐๐ ล้านเมตรต่อวินาที  หารด้วยความถี่ของคลื่น ( f ) ในหน่วยเฮิรตซ์
λ = ν / f (๖.๑)

         ความสัมพันธ์ดังกล่าวสามารถนำมาใช้ในการหาความยาวของสายอากาศในเบื้องต้นได้ เช่น กรณีต้องการสายอากาศแบบไดโพลขนาดครึ่งความยาวคลื่น ที่ใช้ส่งหรือรับคลื่นวิทยุความถี่ ๑๕๐ เมกกะเฮิรตซ์ จะได้ค่าความยาวคลื่น เท่ากับ ๒ เมตร และสายอากาศยาวเท่ากับ ๑ เมตร เป็นต้น

                 ตารางที่ ๖.๑ แสดงการเปรียบเทียบขนาดของสายอากาศไดโพลขนาดครึ่งความยาวคลื่นและความถี่ใช้งาน

ระบบสื่อสาร

ความถี่(เมกะเฮิรตซ์)

สายอากาศไดโพลλ/2 (เมตร)

วิทยุเอเอ็ม

๑๕๐

วิทยุเอฟเอ็ม

๑๐๐

๑.๕

วิทยุสื่อสารสาธารณะ(CB)

๒๔๕

๐.๖๑

โทรศัพท์เคลื่อนที่

๙๐๐

๐.๑๖

โทรศัพท์เคลื่อนที่

๑๘๐๐

๐.๐๘๓

ระบบเครือข่ายไร้สาย

๒๔๐๐

๐.๐๖๒

                 จากตารางที่ ๖.๑ นั้นยิ่งใช้ค่าความถี่วิทยุสูง สายอากาศที่ใช้งาน ก็จะยิ่งมีขนาดเล็กลง

  ๗.ความสัมพันธ์ระหว่างรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นกับสายอากาศ   up

         รูปแบบการแพร่กระจายคลื่น (Radiation Pattern) จากสายอากาศมีความสำคัญมาก โดยเฉพาะในขั้นตอนการออกแบบระบบสื่อสารไร้สายเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งาน โดยรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นนี้จะขึ้นอยู่กับขนาดและรูปแบบของสายอากาศเป็นหลัก

         ผลกระทบของขนาดสายอากาศ กับรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นดังตัวอย่าง คือ ถ้านำสายอากาศ ไดโพลขนาดหนึ่งความยาวคลื่น และสายอากาศ
ไดโพลขนาดครึ่งความยาวคลื่น มาใช้กับคลื่นวิทยุความถี่เดียวกัน ระยะทางที่ประจุไฟฟ้า ใช้ในการเดินทางบนสายอากาศจะแตกต่างกัน ส่งผลให้รูปแบบ ของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างประจุไฟฟ้าบวก-ลบแตกต่างกัน ลักษณะของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นก็คือรูปแบบในการแพร่กระจายคลื่นนั่นเอง



                                                                               
รูปที่ ๗.๑ ตัวอย่างรูปแบบการแพร่กระจายคลื่น
ของสายอากาศ ไดโพลที่มีขนาดต่างกัน [๑]

 

         จากรูปที่ ๗.๑ แสดงถึงปัจจัยของความยาวสายอากาศกับรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นโดยสายอากาศแบบครึ่งความยาวคลื่นตามรูป ๗.๑(ก) จะมีมุมแพร่กระจายคลื่นในแนวตั้งมากกว่าสายอากาศแบบหนึ่งความยาวคลื่นตามรูป ๗.๑(ข) สังเกตได้จาก ค่าองศาของความกว้างลำคลื่นครึ่งกำลัง (Half Power Beam Width) แต่สายอากาศแบบหนึ่งความยาวคลื่น สามารถส่งสัญญาณได้ในรัศมีที่ไกลกว่า ครอบคลุมพื้นที่ได้มากกว่า ส่วนในกรณีที่เพิ่มความยาวสายอากาศไดโพลขึ้นอีกเป็นสามในสองของความยาวคลื่น รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นจะเปลี่ยนไปดังรูป ๗.๑(ค)

         ส่วนผลกระทบของรูปแบบสายอากาศกับรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นตัวอย่างคือสายอากาศไดโพลจะมีรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นออกไปรอบๆ
ตัวสายอากาศ (Omnidirectional Pattern) แสดงเป็นภาพสามมิติได้ดังรูป ๗.๒



                                                         
รูปที่ ๗.๒ แสดงรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นแบบรอบตัว
ของสายอากาศไดโพลในแบบสามมิติ [๑]

 

         แต่ถ้ามีการปรับแต่งสายอากาศไดโพล โดยเพิ่มเติมตัวสะท้อน(Reflector) และตัวนำ(Director) รูปแบบการแพร่กระจายคลื่นที่ได้จะเปลี่ยนไปเป็นการแพร่กระจายแบบมีทิศทาง (Directional Pattern) ซึ่งรูปแบบการแพร่กระจายของคลื่นจะมีลักษณะคล้ายกับลูกบอลลูน ออกจากปลายสายอากาศทางฝั่งที่ติดตั้งตัวนำ ดังแสดงในรูป ๗.๓



                                            
รูปที่ ๗.๓ แสดงการแพร่กระจายคลื่นแบบมีทิศทาง
 

         สายอากาศลักษณะนี้จะเห็นได้ตามอาคาร และที่พักอาศัยทั่วไป โดยใช้เป็นสายอากาศสำหรับเครื่องรับโทรทัศน์(ยากิ:Yaki)ในการติดตั้งจะหันสายอากาศด้านตัวนำ ไปยังทิศที่ตั้งของสถานีส่งสัญญาณโทรทัศน์ เพื่อให้รับสัญญาณได้ชัดเจนที่สุด
 

  ๘.การประยุกต์สายอากาศสำหรับเครื่องรับวิทยุ  up

         ในการใช้งานจริง สายอากาศสำหรับเครื่องรับวิทยุจะถูกออกแบบให้มีลักษณะแตกต่างออกไป เนื่องจากข้อจำกัดในเรื่องขนาด เช่น

         ๘.๑ สายอากาศสำหรับเครื่องรับวิทยุเอเอ็ม

         ก) สายอากาศเอเอ็มแบบขดลวดแกนเฟอร์ไรท์ ดังรูปที่ ๘.๑ เป็นสายอากาศมีขนาดเล็ก ใช้เพื่อบรรจุไว้ในเครื่องรับวิทยุ



                                            
รูปที่ ๘.๑ สายอากาศวิทยุเอเอ็มแบบขดลวดแกนเฟอร์ไรท์
 

         ข) สายอากาศวิทยุเอเอ็มแบบขดลวดแกนอากาศ ติดตั้งอยู่ภายนอกเครื่องรับวิทยุ มีลักษณะเป็นขดลวดแกนอากาศ โดยต่อใช้งานทางด้านหลังเครื่องรับวิทยุ ดังแสดงในรูปที่ ๘.๒



                                                                        
รูปที่ ๘.๒ สายอากาศวิทยุเอเอ็มแบบขดลวดแกนอากาศ
 

         ๘.๒ สายอากาศสำหรับเครื่องรับวิทยุเอฟเอ็ม
         ก) สายอากาศเอฟเอ็มแบบอักษรที (T-Type) มีโครงสร้างเป็นแบบไดโพล ดังรูปที่ ๘.๓ ติดตั้งโดยยึดติดกับผนังห้อง เนื่องจากค่าอิมพิแดนซ์ของสายอากาศมีค่า ๓๐๐ โอห์ม แต่ที่ขั้วต่อของเครื่องรับวิทยุมีค่าอิมพิแดนซ์ ๗๕ โอห์ม ดังนั้นจึงต้องใช้หม้อแปลงปรับค่า (Matching Transformer) ในการปรับค่าอิมพิแดนซ์ให้เหมาะสม เพื่อให้การส่งผ่านสัญญาณจากสายอากาศมายังเครื่องรับวิทยุ มีการสูญเสียน้อยที่สุด



                                                          
รูปที่ ๘.๓ สายอากาศวิทยุเอฟเอ็มแบบ T-Type
 

         ข) สายอากาศเอฟเอ็มแบบเสาชัก แสดงดังรูปที่ ๘.๔ ใช้ในเครื่องรับวิทยุกระเป๋าหิ้วทั่วไป สามารถปรับทิศทาง และความยาวของสายอากาศ เพื่อผลการรับฟังที่ดีที่สุด อีกทั้งสามารถลดความยาวของสายอากาศลง เพื่อความสะดวกในการเคลื่อนย้าย



                                              
รูปที่ ๘.๔ สายอากาศวิทยุเอฟเอ็มแบบเสาชัก
 

         ค) สายอากาศเอฟเอ็มแบบใช้ร่วมกับสายหูฟัง แสดงดังรูปที่ ๘.๕ ใช้ในเครื่องรับวิทยุแบบพกพาขนาดเล็ก เช่น เครื่องเล่นเอ็มพีสาม (MP3-Player) หรือโทรศัพท์เคลื่อนที่ เนื่องจาก โครงสร้างของสายหูฟังขนาดเล็ก มีลักษณะใกล้เคียงกับสายอากาศแบบไดโพล จึงนำมาประยุกต์ใช้เป็นสายอากาศ ถึงแม้เครื่องรับวิทยุพกพาดังกล่าวจะมีลำโพงอยู่ภายในตัว แต่ขณะที่รับฟังวิทยุก็จำเป็นต้องต่อสายหูฟังไว้เป็นสายอากาศรับคลื่นวิทยุ



                                              
รูปที่ ๘.๕ สายอากาศวิทยุเอฟเอ็มแบบใช้ร่วมกับสายหูฟัง
 

         ง) สายอากาศเอฟเอ็มแบบชิพ เป็นสายอากาศแบบใหม่ที่ออกแบบมาให้มีขนาดเล็ก สำหรับติดตั้งภายในเครื่องรับวิทยุพกพาขนาดเล็ก ทำให้เครื่องรับวิทยุ สามารถรับฟังวิทยุทางลำโพงบนตัวเครื่องได้โดย โดยไม่ต้องต่อสายหูฟัง แสดงในรูปที่ ๘.๖



                                              
รูปที่ ๘.๖ สายอากาศวิทยุเอฟเอ็มแบบชิพ
 

  .สรุป  up

         การศึกษาการทำงานของสายอากาศขั้นต้น สามารถทำได้โดยพิจารณาการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าบวกและลบที่เคลื่อนที่ไปบนผิวของสายอากาศที่มีขนาดแตกต่างกันไป ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงกับรูปแบบการแพร่กระจายคลื่นที่จะครอบคลุมพื้นที่ใช้งาน การออกแบบสายอากาศจะขึ้นอยู่กับรูปแบบและความถี่ในการใช้งาน เช่น สายอากาศฝั่งส่งจะถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูง เพื่อให้สัญญาณถูกส่งไปไกลและครอบคลุมพื้นที่ใช้งาน มากที่สุด ส่วนสายอากาศฝั่งรับจะถูกออกแบบจะเน้นให้มีขนาดเล็กเพื่อความสะดวกในการใช้งาน เป็นต้น
 

 ๑๐.จดหมายเหตุ  up

        เหตุการณ์สำคัญของสายอากาศวิทยุ แสดงดังตารางที่ ๑๐.๑

               ตารางที่ ๑๐.๑ ลำดับเหตุการณ์สำคัญของสายอากาศวิทยุ


ปีพ.ศ.
(ค.ศ.)
 


เหตุการณ์


๒๓๘๕
(1842)
 


โจเซฟ เฮนรี(
Joseph Henry)ค้นพบปรากฏการณ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการสปาร์คของสายโทรเลข []
 


๒๔๒๘
(1885)
 


สายอากาศแบบเวอร์ทิคอล (
Vertical) แบบทอพโลด (Top load) และแบบต่อกับพื้นดิน (Grounded)
ถูกคิดค้นขึ้นโดย โทมัส อัลวา เอดิสัน (
Thomas Alva Edison) []


๒๔๒๙
(1886)
 


สายอากาศแบบไดโพล
(Dipole) และแบบลูป (Loop) ถูกคิดค้นขึ้นโดยเฮนริช เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) []


๒๔๓๑
(
1888)
 


สายอากาศแบบเฉพาะ(
Cylindrical Parabolic Reflector)ถูกคิดค้นขึ้นโดยเฮนริช เฮิรตซ์(Heinrich Hertz) []


(๒๔๔๓)
1900
 


ก่อนปี ค.ศ.
1900 ได้มีการค้นพบสายอากาศหลายแบบ เช่น แบบเฟสอาเรย์ (Phase Array)
แบบเลนส์(
lens) และแบบปากแตร (Horn) เป็นต้น []


๒๔๔๕
(1902)
 


การส่งสัญญาณวิทยุข้ามแอตแลนติก(
Transatlantic)โดยกูกิลโม มาร์โคนี(Gulielmo Marconi) []


(๒๔๕๓)1910
 


เริ่มมีการใช้ระบบสื่อสารและสายอากาศในเรือเดินสมุทร เครื่องบิน และในการสงคราม
[]


(๒๔๖๓)
1920
 


เริ่มมีการใช้ระบบสื่อสารและสายอากาศในการกระจายเสียง ระบบนำร่องและใช้ในงานวิจัย
[]


๒๔๗๓
(1930)
 


เปิดให้บริการสถานีวิทยุกรุงเทพ สถานีวิทยุกระจายเสียงแห่งแรกในประเทศไทย
[]


๒๔๙๘
(19
55)
 


เปิดให้บริการสถานีโทรทัศน์ช่อง ๔ บางขุนพรหม สถานีโทรทัศน์แห่งแรกในประเทศไทย
[]

 

 .บรรณานุกรม  up
[๑] John D. Kraus and Ronald J. Marhafka, Antennas for all applications, Singapore: The McGraw-Hill Companies, Inc., 2003.

[๒] ไทย, “คณะกรรมการกิจการโทรคมนาคมแห่งชาติ,” ความถี่ที่ใช้ในระบบสื่อสาร, ๓๑ กรกฏาคม ๒๕๕๑
< http://www.ntc.or.th>

[๓]
Constantine A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, United State of America: John Wiley & Son, Inc., 1997.

[๔]
Jack Ramsay, “Highlight of Antenna History,” IEEE Antenna and Propagation Society Newsletter, December, 1981

[๕] ไทย, “กรมประชาสัมพันธ์,” การกระจายเสียง, ๒๙ มิถุนายน ๒๕๕๑
<http://www.prd.go.th>