ข่าว
โพลาไรเซชันของเสาอากาศ: คืออะไรและเหตุใดจึงมีความสำคัญ
เวลาอ่านโดยประมาณ: 15 นาที
วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ทุกคนทราบดีว่าเสาอากาศส่งและรับสัญญาณในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งคุณสมบัติสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของ Maxwell เช่นเดียวกับหัวข้อทางเทคนิคเฉพาะทางหลายประเภท เราสามารถตีความสมการเหล่านี้ รวมถึงกฎการแพร่กระจายและคุณลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้จากหลายมิติ ตั้งแต่คำอธิบายเชิงคุณภาพที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาไปจนถึงสูตรคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อน
โพลาไรเซชันเป็นหนึ่งในคุณลักษณะจำนวนมากของการแพร่กระจายพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ผลกระทบและระดับความจำเป็นในการพิจารณาโพลาไรเซชันนั้นแตกต่างกันอย่างมากในสถานการณ์การใช้งานและการออกแบบเสาอากาศที่เกี่ยวข้อง หลักการพื้นฐานของโพลาไรเซชันใช้กับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท รวมถึงสัญญาณความถี่วิทยุ (RF)/สัญญาณไร้สายและพลังงานคลื่นแสง และโพลาไรเซชันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสาขาทัศนศาสตร์ บทความนี้ครอบคลุมเฉพาะย่านความถี่ RF เท่านั้น
คืออะไรโพลาไรเซชันของเสาอากาศ?
เพื่อทำความเข้าใจโพลาไรเซชัน จำเป็นต้องเข้าใจพื้นฐานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก่อน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสนามไฟฟ้า (E-field) และสนามแม่เหล็ก (H-field) ที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากซึ่งกันและกัน และทั้งสองตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นระนาบ
โพลาไรเซชันถูกกำหนดให้เป็นระนาบการสั่นของสนามไฟฟ้าเมื่อสังเกตจากปลายด้านส่งไปยังทิศทางการเดินทางของคลื่น ภายใต้โพลาไรเซชันแนวนอน สนามไฟฟ้าจะสั่นไปทางด้านข้างภายในระนาบแนวนอน; ภายใต้โพลาไรเซชันแนวตั้ง สนามไฟฟ้าจะสั่นขึ้นและลงภายในระนาบแนวตั้ง (ดูรูปที่ 1)
รูปที่ 1: คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีองค์ประกอบสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กตั้งฉากซึ่งกันและกัน
เสาอากาศส่งและรับจะประกอบเป็นคู่เสาอากาศและประสิทธิภาพของตัวรับส่งสัญญาณจะสูงสุดเมื่อทั้งสองมีระนาบโพลาไรเซชันเหมือนกัน เพื่ออ้างอิงถึงประโยคอันเป็นเอกลักษณ์จากภาพยนตร์ปี 1979 เรื่องAlien—“ในอวกาศ ไม่มีใครได้ยินเสียงคุณกรีดร้อง”—ในอวกาศภายนอกไม่มีความแตกต่างโดยธรรมชาติระหว่างโพลาไรเซชันแนวนอนและแนวตั้ง ถึงอย่างนั้น ทฤษฎีเกี่ยวกับการจับคู่โพลาไรเซชันและการจัดแนวเสาอากาศยังคงเป็นจริงสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการส่งและรับพลังงานสัญญาณ
โพลาไรเซชันเชิงเส้นและแบบวงกลม
คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีโหมดโพลาไรเซชันหลายรูปแบบ:
- โพลาไรเซชันเชิงเส้นพื้นฐานประกอบด้วยรูปแบบโพลาไรเซชันสองแบบที่ตั้งฉากกัน (ตั้งฉาก 90 องศา) (ดูรูปที่ 2) ในทางทฤษฎี เสาอากาศรับที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนไม่สามารถรับสัญญาณใด ๆ ที่ส่งจากเสาอากาศส่งซึ่งมีโพลาไรเซชันแนวตั้งและทำงานที่ความถี่เดียวกันได้ และในทางกลับกัน ยิ่งทิศทางโพลาไรเซชันของเสาอากาศทั้งสองใกล้เคียงกันมากเท่าใด สัญญาณที่รับได้ก็ยิ่งแรงขึ้นเท่านั้น การถ่ายโอนพลังงานสัญญาณมีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อโพลาไรเซชันตรงกันอย่างสมบูรณ์
รูปที่ 2: โพลาไรเซชันเชิงเส้นมีรูปแบบโพลาไรเซชันสองแบบที่ตั้งฉากกัน
- โพลาไรเซชันเอียงเป็นรูปแบบหนึ่งของโพลาไรเซชันเชิงเส้น เช่นเดียวกับโพลาไรเซชันแนวนอนและแนวตั้งมาตรฐาน คำจำกัดความนี้ใช้เฉพาะกับสถานการณ์บนพื้นโลกเท่านั้น โพลาไรเซชันเอียงทำมุม ±45° เมื่อเทียบกับระนาบแนวนอน แม้ว่าโพลาไรเซชันเอียงจะเป็นโพลาไรเซชันเชิงเส้นโดยพื้นฐาน แต่เมื่อผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมกล่าวถึง “โพลาไรเซชันเชิงเส้น” โดยทั่วไปจะหมายถึงเสาอากาศโพลาไรเซชันแนวนอนหรือแนวตั้งเท่านั้น
- สัญญาณที่ส่งหรือรับโดยเสาอากาศโพลาไรเซชันเอียงสามารถรับได้โดยเสาอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนหรือแนวตั้งโดยสมบูรณ์ แม้ว่าจะมีการสูญเสียสัญญาณในระดับหนึ่ง เสาอากาศโพลาไรเซชันเอียงเหมาะสำหรับกรณีการใช้งานที่ไม่ทราบสถานะโพลาไรเซชันของเสาอากาศหนึ่งตัวหรือทั้งสองตัว หรือเมื่อโพลาไรเซชันเปลี่ยนแปลงระหว่างการทำงาน
- โพลาไรเซชันแบบวงกลม (CP) มีความซับซ้อนกว่าโพลาไรเซชันเชิงเส้น ในโหมดโพลาไรเซชันนี้ เวกเตอร์สนามไฟฟ้าจะหมุนอย่างต่อเนื่องขณะที่สัญญาณแพร่กระจาย เมื่อมองออกไปจากปลายด้านส่ง การหมุนตามเข็มนาฬิกาของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าเรียกว่าโพลาไรเซชันแบบวงกลมมือขวา (RHCP); การหมุนทวนเข็มนาฬิกาเรียกว่าโพลาไรเซชันแบบวงกลมมือซ้าย (LHCP) (ดูรูปที่ 3)
รูปที่ 3: เวกเตอร์สนามไฟฟ้าของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโพลาไรเซชันแบบวงกลมจะหมุน แบ่งเป็นประเภทมือขวาและมือซ้าย
สัญญาณโพลาไรเซชันแบบวงกลมเกิดจากการซ้อนทับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสองคลื่นที่ตั้งฉากกันและมีความต่างเฟส 90° ต้องเป็นไปตามเงื่อนไขสามประการเพื่อสร้างโพลาไรเซชันแบบวงกลม: สนามไฟฟ้าต้องมีองค์ประกอบสองส่วนที่ตั้งฉากกัน; องค์ประกอบทั้งสองต้องมีความต่างเฟส 90°; และทั้งสององค์ประกอบต้องมีแอมพลิจูดเท่ากัน เสาอากาศแบบเกลียวเป็นวิธีง่ายสำหรับสร้างคลื่นโพลาไรเซชันแบบวงกลม
- โพลาไรเซชันแบบวงรี (EP) เป็นรูปแบบที่พัฒนามาจากโพลาไรเซชันแบบวงกลม เช่นเดียวกับคลื่นโพลาไรเซชันแบบวงกลม คลื่นโพลาไรเซชันแบบวงรีถูกสร้างขึ้นจากคลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้นสองคลื่น โพลาไรเซชันแบบวงรีเกิดขึ้นเมื่อคลื่นโพลาไรเซชันเชิงเส้นสองคลื่นที่ตั้งฉากกันและมีแอมพลิจูดไม่เท่ากันถูกซ้อนทับกัน
ระดับความไม่ตรงกันของโพลาไรเซชันระหว่างเสาอากาศสองตัววัดด้วยตัวประกอบการสูญเสียโพลาไรเซชัน (PLF) ซึ่งวัดเป็นเดซิเบล (dB) ค่าของมันถูกกำหนดโดยมุมโพลาไรเซชันระหว่างเสาอากาศส่งและรับ ในทางทฤษฎี PLF เท่ากับ 0 dB เมื่อโพลาไรเซชันตรงกันสมบูรณ์ (ไม่มีการสูญเสีย); หากเสาอากาศทั้งสองมีโพลาไรเซชันตั้งฉากกันโดยสมบูรณ์ PLF จะเข้าใกล้อนันต์ (การลดทอนสัญญาณทั้งหมด)
อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง เสาอากาศไม่สามารถทำให้โพลาไรเซชันตรงกันอย่างสมบูรณ์หรือเป็นอิสระจากกันอย่างสมบูรณ์ได้ การติดตั้งเชิงกลที่ไม่ตรงแนว ข้อผิดพลาดจากการใช้งานของมนุษย์ การบิดเบือนของช่องสัญญาณ การสะท้อนแบบหลายเส้นทาง และปัจจัยอื่น ๆ ล้วนทำให้ทิศทางโพลาไรเซชันของสนามไฟฟ้าที่ส่งออกเกิดการเบี่ยงเบนเชิงมุม แม้ว่าเสาอากาศสองตัวจะถูกออกแบบให้มีโพลาไรเซชันตั้งฉากกัน ในทางปฏิบัติยังคงเกิดการรั่วไหลของโพลาไรเซชันไขว้ 10 ถึง 30 dB หรือสูงกว่าได้ ในบางสถานการณ์ สัญญาณที่รั่วไหลนี้อาจแรงพอที่จะรบกวนการดีมอดูเลตของสัญญาณที่ต้องการ
ในทางกลับกัน แม้จะมีโพลาไรเซชันในอุดมคติและการจัดแนวเสาอากาศสองตัวที่แม่นยำ ปัจจัยด้านสภาพแวดล้อมจริงอาจทำให้ PLF เพิ่มเป็น 10 dB, 20 dB หรือสูงกว่า ส่งผลให้การรับสัญญาณลดลง กล่าวโดยสรุป โพลาไรเซชันไขว้ที่ไม่ต้องการและตัวประกอบการสูญเสียโพลาไรเซชันสูงก่อให้เกิดผลเสียสองประการ: ทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและลดความแรงของสัญญาณเป้าหมายที่มีประโยชน์
เหตุใดคุณลักษณะของโพลาไรเซชันจึงมีความสำคัญ
โพลาไรเซชันเป็นไปตามกฎแบบสองทิศทาง: ยิ่งประเภทโพลาไรเซชันของเสาอากาศสองตัวอยู่ในแนวเดียวกันและสอดคล้องกันมากเท่าใด ความแรงของสัญญาณที่รับได้ก็ยิ่งสูงขึ้น ในทางตรงกันข้าม การจับคู่โพลาไรเซชันที่ไม่ดีทำให้ทั้งตัวรับสัญญาณเป้าหมายและตัวรับสัญญาณรบกวนรับสัญญาณที่ใช้งานได้ไม่เพียงพอ ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ช่องสัญญาณไร้สายจะเปลี่ยนสถานะโพลาไรเซชันของสัญญาณที่ส่ง หรือหนึ่งตัวหรือทั้งสองตัวของตัวรับส่งสัญญาณไม่สามารถรักษาทิศทางเสาอากาศแบบคงที่ได้
การเลือกโหมดโพลาไรเซชันโดยทั่วไปกำหนดโดยสภาพแวดล้อมการติดตั้งและเงื่อนไขการแพร่กระจายในบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น เสาอากาศโพลาไรเซชันแนวนอนให้ประสิทธิภาพสัญญาณที่ดีกว่าและโพลาไรเซชันที่เสถียรกว่าเมื่อถูกติดตั้งใกล้เพดาน; ในทางตรงกันข้าม เสาอากาศโพลาไรเซชันแนวตั้งที่ติดตั้งชิดผนังด้านข้างจะแสดงพฤติกรรมโพลาไรเซชันใกล้เคียงกับคุณสมบัติการออกแบบตามชื่อมากกว่า
เสาอากาศไดโพลทั่วไป (ไดโพลมาตรฐาน / ไดโพลพับ) ทำงานในโพลาไรเซชันแนวนอนภายใต้การติดตั้งแบบทั่วไป (ดูรูปที่ 4) หากจำเป็นต้องปรับให้เข้ากับโหมดโพลาไรเซชันเฉพาะ สามารถหมุนเสาอากาศ 90° เพื่อเปลี่ยนเป็นโพลาไรเซชันแนวตั้งได้ (ดูรูปที่ 5)
รูปร่าง \* ผสานรูปแบบ
รูปที่ 4: โดยทั่วไปเสาอากาศไดโพลจะติดตั้งในแนวนอนบนเสาเพื่อให้เกิดโพลาไรเซชันแนวนอน
รูปร่าง \* MERGEFORMAT
รูปที่ 5: สายอากาศไดโพลสามารถติดตั้งในแนวตั้งบนเสาเพื่อให้เกิดโพลาไรเซชันแนวตั้งเมื่อการใช้งานต้องการ
โพลาไรเซชันแนวตั้งถูกใช้อย่างแพร่หลายในวิทยุสื่อสารแบบมือถือ เช่น อุปกรณ์ที่บุคลากรกู้ภัยฉุกเฉินพกพา เนื่องจากสายอากาศวิทยุที่มีโพลาไรเซชันแนวตั้งส่วนใหญ่มีรูปแบบการแผ่รังสีแบบรอบทิศทาง หมายความว่าผู้ใช้ไม่จำเป็นต้องปรับมุมอะซิมัทของสายอากาศใหม่ แม้ทิศทางของอุปกรณ์มือถือจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
สายอากาศส่วนใหญ่สายอากาศที่ทำงานในย่านความถี่สูง (HF) 3–30 MHz มักใช้โครงสร้างสายอากาศลวดเส้นยาวแบบเรียบง่ายที่ขึงในแนวนอนระหว่างจุดรองรับ ขนาดทางกายภาพที่ใหญ่ของสายอากาศเหล่านี้ถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นที่สอดคล้องกัน (10–100 เมตร) และสายอากาศประเภทนี้มีโพลาไรเซชันแนวนอนโดยธรรมชาติ
น่าสนใจที่ย่านความถี่นี้ถูกตั้งชื่อว่า “ความถี่สูง” เมื่อหลายทศวรรษก่อน เนื่องจาก 30 MHz ในเวลานั้นถือว่าอยู่ในช่วงความถี่สูง แม้ว่าชื่อนี้จะดูไม่ทันสมัยในปัจจุบัน แต่ยังคงเป็นชื่อย่านความถี่อย่างเป็นทางการที่กำหนดโดยสหภาพโทรคมนาคมระหว่างประเทศ (ITU) และยังคงใช้งานกันทั่วโลก
ย่านคลื่นกลาง (MW) ครอบคลุมช่วง 300 kHz ถึง 3 MHz โพลาไรเซชันที่สถานีแพร่สัญญาณเลือกใช้ในย่านนี้ขึ้นอยู่กับว่าสถานีอาศัยคลื่นพื้นดินเพื่อการครอบคลุมสัญญาณที่แรงในระยะสั้น หรืออาศัยคลื่นฟ้าจากชั้นไอโอโนสเฟียร์เพื่อการส่งสัญญาณระยะไกล โดยรวมแล้ว สายอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวตั้งให้การแพร่กระจายของคลื่นพื้นดินที่เหนือกว่า ขณะที่สายอากาศที่มีโพลาไรเซชันแนวนอนเหมาะสมกว่าสำหรับการสื่อสารผ่านคลื่นฟ้า
การสื่อสารผ่านดาวเทียมพึ่งพาโพลาไรเซชันแบบวงกลมอย่างมาก ดาวเทียมเปลี่ยนทิศทางการวางตัวอย่างต่อเนื่องเมื่อเทียบกับสถานีภาคพื้นดินและดาวเทียมดวงอื่น ประสิทธิภาพการส่งสัญญาณจะสูงสุดเมื่อทั้งฝั่งส่งและฝั่งรับใช้สายอากาศที่มีโพลาไรเซชันแบบวงกลม การจับคู่สายอากาศโพลาไรเซชันเชิงเส้นกับสายอากาศโพลาไรเซชันแบบวงกลมสามารถทำงานได้ แต่ทำให้เกิดปัจจัยการสูญเสียจากโพลาไรเซชันที่สามารถวัดได้
คุณลักษณะด้านโพลาไรเซชันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบ 5G เช่นกัน ชุดอาร์เรย์สายอากาศ Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) ของ 5G บางประเภทใช้เทคโนโลยีโพลาไรเซชันเพื่อใช้ทรัพยากรสเปกตรัมได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เพิ่มความเร็วปริมาณข้อมูล วิธีนี้ทำได้โดยการรวมโหมดโพลาไรเซชันที่แตกต่างกันของสัญญาณเข้ากับการมัลติเพล็กซ์เชิงพื้นที่ของสายอากาศ (ความหลากหลายเชิงพื้นที่) ระบบดังกล่าวส่งกระแสข้อมูลอิสระสองสายพร้อมกัน โดยแต่ละสายจะป้อนเข้าสู่สายอากาศแยกกันที่มีโพลาไรเซชันตั้งฉากกัน ทำให้ตัวรับสามารถดีมอดูเลตกระแสข้อมูลทั้งสองแยกจากกันได้ แม้ว่าปัจจัยที่ไม่สมบูรณ์ เช่น เส้นทางการแพร่กระจาย การบิดเบือนของช่องสัญญาณ การสะท้อน และผลกระทบจากหลายเส้นทาง จะก่อให้เกิดการรบกวนข้ามโพลาไรเซชันเล็กน้อย ตัวรับจะลดผลกระทบนี้ภายในระบบ
บทสรุป
โพลาไรเซชันเป็นคุณลักษณะสำคัญของสายอากาศที่มักถูกมองข้าม โพลาไรเซชันเชิงเส้น (รวมถึงรูปแบบแนวนอนและแนวตั้ง) โพลาไรเซชันแบบเอียง โพลาไรเซชันแบบวงกลม และโพลาไรเซชันแบบวงรี ต่างเหมาะกับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน ทิศทางสัมพัทธ์และระดับการเข้าคู่กันของสายอากาศที่ฝั่งส่งและฝั่งรับเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของลิงก์ RF ทั้งหมดโดยตรง มีสายอากาศมาตรฐานหลากหลายประเภทที่ครอบคลุมโพลาไรเซชันทุกชนิดและย่านความถี่ RF วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ เพื่อรองรับรูปแบบโพลาไรเซชันที่ปรับให้เหมาะกับการใช้งานเป้าหมายทุกประเภท
