เสาอากาศเราเตอร์ไร้สาย
โพลาไรเซชันของเสาอากาศ: คืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ
เวลาอ่านโดยประมาณ: 15 นาที
วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ทุกคนทราบดีว่าเสาอากาศส่งและรับสัญญาณในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งคุณสมบัติของคลื่นสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของแมกซ์เวลล์ เช่นเดียวกับหัวข้อทางเทคนิคเฉพาะทางจำนวนมาก เราสามารถตีความสมการเหล่านี้ รวมถึงกฎการแพร่กระจายและคุณลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้จากหลายมิติ ตั้งแต่คำอธิบายเชิงคุณภาพที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา ไปจนถึงสูตรคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและละเอียดลึกซึ้ง
โพลาไรเซชันเป็นหนึ่งในคุณลักษณะหลายประการของการแพร่กระจายพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ผลกระทบและระดับความจำเป็นในการพิจารณาแตกต่างกันอย่างมากในสถานการณ์การใช้งานและการออกแบบเสาอากาศที่เกี่ยวข้องแต่ละแบบ หลักการพื้นฐานของโพลาไรเซชันใช้ได้กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด รวมถึงสัญญาณความถี่วิทยุ (RF)/ไร้สาย และพลังงานคลื่นแสง โดยโพลาไรเซชันมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในสาขาทัศนศาสตร์ บทความนี้ครอบคลุมเฉพาะย่านความถี่ RF เท่านั้น
คืออะไร โพลาไรเซชันของเสาอากาศ?
เพื่อทำความเข้าใจโพลาไรเซชัน จำเป็นต้องเข้าใจพื้นฐานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก่อน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (E-field) และสนามแม่เหล็ก (H-field) ที่เดินทางไปในทิศทางเดียวกัน สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากซึ่งกันและกัน และทั้งสองตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นระนาบ
โพลาไรเซชันหมายถึงระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้าเมื่อสังเกตจากปลายด้านส่งไปตามทิศทางการเดินทางของคลื่น ในโพลาไรเซชันแนวนอน สนามไฟฟ้าจะสั่นไปทางซ้ายและขวาภายในระนาบแนวนอน ส่วนในโพลาไรเซชันแนวตั้ง สนามไฟฟ้าจะสั่นขึ้นและลงภายในระนาบแนวตั้ง (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีองค์ประกอบของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากซึ่งกันและกัน
เสาอากาศส่งและรับจะสร้างเป็น คู่เสาอากาศ และประสิทธิภาพของระบบส่งรับจะสูงสุดเมื่อทั้งสองมีระนาบโพลาไรเซชันเหมือนกัน เพื่ออ้างอิงถึงประโยคอันเป็นเอกลักษณ์จากภาพยนตร์ปี 1979 เรื่อง Alien—“ในอวกาศ ไม่มีใครได้ยินเสียงคุณกรีดร้อง”—ในอวกาศภายนอกไม่มีความแตกต่างโดยพื้นฐานระหว่างโพลาไรเซชันแนวนอนและแนวตั้ง ถึงกระนั้น ทฤษฎีการจับคู่โพลาไรเซชันและการจัดแนวเสาอากาศยังคงเป็นจริงสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการส่งและรับพลังงานสัญญาณ
โพลาไรเซชันเชิงเส้นและแบบวงกลม
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีโหมดโพลาไรเซชันหลายรูปแบบ:
- โพลาไรเซชันเชิงเส้นพื้นฐานประกอบด้วยรูปแบบโพลาไรเซชันสองแบบที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน (ดูรูปที่ 2) ตามทฤษฎี เสาอากาศรับที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนไม่สามารถรับสัญญาณใด ๆ ที่ส่งจากเสาอากาศส่งซึ่งมีโพลาไรเซชันแนวตั้งและทำงานที่ความถี่เดียวกันได้ และในทางกลับกัน ยิ่งทิศทางโพลาไรเซชันของเสาอากาศทั้งสองใกล้เคียงกันมากเท่าใด สัญญาณที่รับได้ก็ยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น ประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานสัญญาณจะสูงสุดเมื่อโพลาไรเซชันตรงกันอย่างสมบูรณ์
รูปที่ 2: โพลาไรเซชันเชิงเส้นมีรูปแบบโพลาไรเซชันสองแบบที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน
- โพลาไรเซชันแบบเอียงเป็นรูปแบบหนึ่งของโพลาไรเซชันเชิงเส้น เช่นเดียวกับโพลาไรเซชันแนวนอนและแนวตั้งมาตรฐาน คำจำกัดความนี้ใช้กับสถานการณ์บนพื้นโลกเท่านั้น โพลาไรเซชันแบบเอียงทำมุม ±45° เมื่อเทียบกับระนาบแนวนอน แม้ว่าโพลาไรเซชันแบบเอียงจะเป็นโพลาไรเซชันเชิงเส้นโดยพื้นฐาน แต่เมื่อผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมกล่าวถึง “โพลาไรเซชันเชิงเส้น” โดยทั่วไปมักหมายถึงเสาอากาศโพลาไรเซชันแนวนอนหรือแนวตั้งเท่านั้น
- สัญญาณที่ส่งหรือรับโดยเสาอากาศโพลาไรเซชันแบบเอียงสามารถรับได้ด้วยเสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนหรือแนวตั้งโดยสมบูรณ์ แม้ว่าจะมีการสูญเสียสัญญาณในระดับหนึ่งก็ตาม เสาอากาศโพลาไรเซชันแบบเอียงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับกรณีใช้งานที่ไม่ทราบสถานะโพลาไรเซชันของเสาอากาศหนึ่งหรือทั้งสองตัว หรือเมื่อโพลาไรเซชันเปลี่ยนแปลงระหว่างการทำงาน
- โพลาไรเซชันแบบวงกลม (CP) มีความซับซ้อนกว่าโพลาไรเซชันเชิงเส้น ในโหมดโพลาไรเซชันนี้ เวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะหมุนอย่างต่อเนื่องขณะที่สัญญาณแพร่กระจาย เมื่อมองออกจากปลายด้านส่ง การหมุนตามเข็มนาฬิกาของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเรียกว่าโพลาไรเซชันวงกลมขวามือ (RHCP) ส่วนการหมุนทวนเข็มนาฬิกาเรียกว่าโพลาไรเซชันวงกลมซ้ายมือ (LHCP) (ดูรูปที่ 3)
รูปที่ 3: เวกเตอร์สนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลมจะหมุน โดยแบ่งเป็นชนิดขวามือและซ้ายมือ
สัญญาณโพลาไรเซชันแบบวงกลมเกิดจากการซ้อนทับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองคลื่นที่ตั้งฉากกันและมีความต่างเฟส 90° ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสามประการเพื่อสร้างโพลาไรเซชันแบบวงกลม ได้แก่ สนามไฟฟ้าต้องมีองค์ประกอบสองส่วนที่ตั้งฉากกัน องค์ประกอบทั้งสองต้องมีความต่างเฟส 90° และทั้งสององค์ประกอบต้องมีแอมพลิจูดเท่ากัน เสาอากาศแบบเกลียวเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายสำหรับการสร้างคลื่นที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลม
- โพลาไรเซชันแบบวงรี (EP) เป็นรูปแบบต่อยอดของโพลาไรเซชันแบบวงกลม เช่นเดียวกับคลื่นโพลาไรเซชันแบบวงกลม คลื่นโพลาไรเซชันแบบวงรีถูกสังเคราะห์จากคลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้นสองคลื่น โพลาไรเซชันแบบวงรีเกิดขึ้นเมื่อคลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้นสองคลื่นที่ตั้งฉากกันและมีแอมพลิจูดไม่เท่ากันถูกซ้อนทับกัน
ระดับความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันระหว่างเสาอากาศสองตัววัดด้วยตัวประกอบการสูญเสียโพลาไรเซชัน (PLF) ซึ่งวัดเป็นเดซิเบล (dB) ค่าของมันถูกกำหนดโดยมุมโพลาไรเซชันระหว่างเสาอากาศส่งและรับ ตามทฤษฎี PLF เท่ากับ 0 dB เมื่อโพลาไรเซชันตรงกันอย่างสมบูรณ์ (ไม่มีการสูญเสีย) หากเสาอากาศทั้งสองมีโพลาไรเซชันตั้งฉากกันโดยสมบูรณ์ PLF จะเข้าใกล้อนันต์ (การลดทอนสัญญาณทั้งหมด)
อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง เสาอากาศไม่สามารถทำให้โพลาไรเซชันตรงกันอย่างสมบูรณ์หรือเป็นแบบตั้งฉากอย่างเต็มที่ได้ ความคลาดเคลื่อนในการติดตั้งเชิงกล ข้อผิดพลาดจากการใช้งานของมนุษย์ การบิดเบือนของช่องสัญญาณ การสะท้อนแบบหลายเส้นทาง และปัจจัยอื่น ๆ ล้วนทำให้ทิศทางโพลาไรเซชันของสนามไฟฟ้าที่ส่งออกเกิดการเบี่ยงเบนเชิงมุม แม้ว่าเสาอากาศสองตัวจะออกแบบให้มีโพลาไรเซชันตั้งฉากกัน การรั่วไหลของโพลาไรเซชันไขว้ 10 ถึง 30 dB หรือสูงกว่ายังคงเกิดขึ้นในทางปฏิบัติ ในบางสถานการณ์ สัญญาณที่รั่วไหลนี้อาจแรงพอที่จะรบกวนการดีมอดูเลตของสัญญาณที่ต้องการ
ในทางกลับกัน แม้จะมีโพลาไรเซชันที่เหมาะสมและการจัดแนวเสาอากาศสองตัวอย่างแม่นยำ ปัจจัยด้านสภาพแวดล้อมจริงอาจทำให้ PLF เพิ่มเป็น 10 dB, 20 dB หรือสูงกว่า ส่งผลให้การรับสัญญาณลดลง กล่าวโดยสรุป โพลาไรเซชันไขว้ที่ไม่ต้องการและตัวประกอบการสูญเสียโพลาไรเซชันสูงก่อให้เกิดผลเสียสองประการ ได้แก่ ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและลดทอนความแรงของสัญญาณเป้าหมายที่มีประโยชน์
เหตุใดคุณลักษณะของโพลาไรเซชันจึงมีความสำคัญ
โพลาไรเซชันเป็นไปตามกฎแบบสองทิศทาง: ยิ่งประเภทโพลาไรเซชันของเสาอากาศสองตัวอยู่ในแนวเดียวกันและสอดคล้องกันมากเท่าใด ความแรงของสัญญาณที่รับได้ก็ยิ่งสูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม การจับคู่โพลาไรเซชันที่ไม่ดีทำให้ทั้งตัวรับสัญญาณเป้าหมายและตัวรับสัญญาณรบกวนรับสัญญาณที่ใช้งานได้อย่างเพียงพอได้ยาก ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ช่องสัญญาณไร้สายจะเปลี่ยนสถานะโพลาไรเซชันของสัญญาณที่ส่งออก หรืออุปกรณ์ส่งรับหนึ่งตัวหรือทั้งสองตัวไม่สามารถรักษาทิศทางเสาอากาศที่คงที่ได้
การเลือกโหมดโพลาไรเซชันโดยทั่วไปถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมการติดตั้งและเงื่อนไขการแพร่กระจายในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น เสาอากาศโพลาไรเซชันแนวนอนให้ประสิทธิภาพสัญญาณที่ดีกว่าและโพลาไรเซชันที่เสถียรกว่าเมื่อถูกติดตั้งใกล้เพดาน ในทางกลับกัน เสาอากาศโพลาไรเซชันแนวตั้งที่ติดตั้งชิดผนังด้านข้างจะแสดงพฤติกรรมโพลาไรเซชันใกล้เคียงกับคุณสมบัติการออกแบบที่กำหนดไว้มากกว่า
เสาอากาศไดโพลทั่วไป (ไดโพลมาตรฐาน / ไดโพลพับ) ทำงานในโพลาไรเซชันแนวนอนภายใต้การติดตั้งแบบทั่วไป (ดูรูปที่ 4) หากจำเป็นต้องให้เหมาะกับโหมดโพลาไรเซชันเฉพาะ สามารถหมุนเสาอากาศ 90° เพื่อเปลี่ยนเป็นโพลาไรเซชันแนวตั้งได้ (ดูรูปที่ 5)
SHAPE \* MERGEFORMAT
รูปที่ 4: โดยทั่วไปเสาอากาศไดโพลจะติดตั้งในแนวนอนบนเสาเพื่อให้เกิดโพลาไรเซชันแนวนอน
SHAPE \* MERGEFORMAT
รูปที่ 5: เสาอากาศไดโพลสามารถติดตั้งในแนวตั้งบนเสากระโดงเพื่อให้เกิดโพลาไรเซชันแนวตั้งเมื่อการใช้งานต้องการ
โพลาไรเซชันแนวตั้งถูกใช้อย่างแพร่หลายในวิทยุสื่อสารแบบพกพา เช่น อุปกรณ์ที่เจ้าหน้าที่กู้ภัยฉุกเฉินพกพา ทั้งนี้เนื่องจากเสาอากาศวิทยุที่มีโพลาไรเซชันแนวตั้งส่วนใหญ่มีรูปแบบการแผ่รังสีรอบทิศทาง ซึ่งหมายความว่าผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องปรับมุมอะซิมุทของเสาอากาศใหม่ แม้ว่าทิศทางของอุปกรณ์แบบพกพาจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
เสาอากาศส่วนใหญ่ที่ทำงานในย่านความถี่สูง (HF) ที่ 3–30 MHz ใช้โครงสร้างเสาอากาศลวดเส้นยาวแบบเรียบง่ายที่ขึงในแนวนอนระหว่างจุดรองรับ ขนาดทางกายภาพที่ใหญ่ของเสาอากาศเหล่านี้ถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นที่สอดคล้องกัน (10–100 เมตร) และเสาอากาศประเภทนี้มีโพลาไรเซชันแนวนอนโดยธรรมชาติ
น่าสนใจที่ย่านความถี่นี้ถูกตั้งชื่อว่า “ความถี่สูง” เมื่อหลายทศวรรษก่อน เนื่องจากในเวลานั้น 30 MHz ถือว่าอยู่ในช่วงความถี่สูง แม้ว่าชื่อนี้จะดูไม่ทันสมัยในปัจจุบัน แต่ยังคงเป็นชื่อเรียกอย่างเป็นทางการของย่านความถี่ที่กำหนดโดยสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) และยังคงถูกใช้อย่างแพร่หลายทั่วโลก
ย่านคลื่นกลาง (MW) ครอบคลุมช่วงความถี่ 300 kHz ถึง 3 MHz โพลาไรเซชันที่สถานีแพร่สัญญาณเลือกใช้ในย่านนี้ขึ้นอยู่กับว่าสถานีนั้นอาศัยคลื่นพื้นดินเพื่อการครอบคลุมสัญญาณแรงในระยะใกล้ หรืออาศัยคลื่นฟ้าจากไอโอโนสเฟียร์เพื่อการส่งสัญญาณระยะไกล โดยรวมแล้ว เสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวตั้งให้การแพร่กระจายของคลื่นพื้นดินที่ดีกว่า ขณะที่เสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนเหมาะสมกว่าสำหรับการสื่อสารด้วยคลื่นฟ้า
การสื่อสารผ่านดาวเทียมพึ่งพาโพลาไรเซชันแบบวงกลมเป็นอย่างมาก ดาวเทียมมีการเปลี่ยนทิศทางการวางตัวอย่างต่อเนื่องเมื่อเทียบกับสถานีภาคพื้นดินและดาวเทียมดวงอื่น ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณจะสูงสุดเมื่อทั้งฝั่งส่งและฝั่งรับใช้เสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลม การจับคู่เสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันเชิงเส้นกับเสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลมสามารถทำงานได้ แต่จะทำให้เกิดปัจจัยการสูญเสียจากโพลาไรเซชันที่สามารถวัดได้
คุณลักษณะของโพลาไรเซชันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบ 5G เช่นกัน ชุดอาร์เรย์เสาอากาศแบบอินพุตหลายตัวเอาต์พุตหลายตัว (MIMO) ของ 5G บางประเภทใช้เทคโนโลยีโพลาไรเซชันเพื่อใช้ทรัพยากรสเปกตรัมอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเพิ่มความเร็วในการรับส่งข้อมูล ซึ่งทำได้โดยการรวมโหมดโพลาไรเซชันที่แตกต่างกันของสัญญาณเข้ากับการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ของเสาอากาศ (ความหลากหลายเชิงพื้นที่) ระบบดังกล่าวส่งสตรีมข้อมูลอิสระสองชุดพร้อมกัน โดยแต่ละสตรีมจะถูกป้อนเข้าสู่เสาอากาศแยกกันที่มีโพลาไรเซชันตั้งฉากซึ่งกันและกัน ทำให้ตัวรับสามารถดีมอดูเลตสตรีมทั้งสองแยกจากกันได้ แม้ว่าปัจจัยที่ไม่สมบูรณ์ เช่น เส้นทางการแพร่กระจาย การบิดเบือนของช่องสัญญาณ การสะท้อน และผลกระทบจากหลายเส้นทาง จะทำให้เกิดการรบกวนข้ามโพลาไรเซชันเล็กน้อย แต่ตัวรับจะลดผลกระทบนี้ภายในระบบ
บทสรุป
โพลาไรเซชันเป็นคุณลักษณะที่สำคัญของเสาอากาศ แต่บ่อยครั้งกลับถูกมองข้าม โพลาไรเซชันเชิงเส้น (รวมถึงรูปแบบแนวนอนและแนวตั้ง) โพลาไรเซชันแบบเอียง โพลาไรเซชันแบบวงกลม และโพลาไรเซชันแบบวงรี ต่างเหมาะสมกับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน การวางแนวสัมพัทธ์และระดับการเข้าคู่กันของเสาอากาศที่ปลายส่งและปลายรับเป็นตัวกำหนดโดยตรงถึงประสิทธิภาพโดยรวมของลิงก์ RF ทั้งระบบ มีเสาอากาศมาตรฐานหลากหลายประเภทที่ครอบคลุมโพลาไรเซชันทุกชนิดและทุกย่านความถี่ RF วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ เพื่อรองรับรูปแบบโพลาไรเซชันที่เหมาะสมกับการใช้งานเป้าหมายทุกประเภท
