สายอากาศ

ศัพท์บัญญัติ

คำว่า สายอากาศ เป็นศัพท์เฉพาะด้านไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ บัญญัติขึ้นจากคำศัพท์ในภาษาอังกฤษ "antenna" ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์อาจเขียนอักษรย่อ Ant. คำว่า เสาอากาศ  หมายถึงโครงสร้างทั้งหมดที่ประกอบกันขึ้นเป็นสายอากาศ รวมทั้งเสาและอุปกรณ์ส่วนควบ สำหรับบทความนี้ คำว่าเสาอากาศและสายอากาศอาจหมายความถึงสิ่งเดียวกัน 
คำว่า "aerial" ก็แปลว่าสายอากาศ แต่ในสาขาการสื่อสาร/ข่ายสายตอนนอก คำนี้หมายถึงสายส่งสัญญาณที่แขวนในอากาศ ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งสายทองแดงหรือสายใยแก้วนำแสง
ที่มาของคำว่า สายอากาศ ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ไร้สาย ต้องให้เกียรติกับผู้บุกเบิกวิทยุชาวอิตาเลียน นาย กูลเยลโม มาร์โกนี ในฤดูร้อนปี 1895, มาร์โคนีเริ่มทดสอบระบบไร้สายของเขานอกบ้านบนที่ดินของบิดาของเขาที่อยู่ใกล้กับโบโลญญาและไม่นานก็เริ่มทดลองด้วย "สายอากาศ" ทำด้วยลวดยาว มาร์โคนีพบว่าโดยการยกสาย "อากาศ" ขึ้นเหนือพื้นดินและเชื่อมต่ออีกด้านหนึ่งของเครื่องส่งสัญญาณของเขากับดิน ระยะทางการส่งสัญญาณได้เพิ่มขึ้น ต่อมาไม่นานเขาก็สามารถส่งสัญญาณข้ามเนินเขาด้วยระยะทางประมาณ 2.4 กิโลเมตร (1.5 ไมล์) ในอิตาลีเสาเต็นท์เรียกว่า l'antenna centrale, และเสาที่มีสายลวดเรียกง่ายๆว่า l'antenna. ตั้งแต่นั้นมาชิ้นส่วนไร้สายที่ใช้กระจายและรับคลื่นเป็นที่รู้จักกันง่ายๆว่าสายอากาศหรือขั้ว (อังกฤษ: aerial หรือ terminal)
เพราะความโดดเด่นของเขา คำว่า สายอากาศ ของมาร์โคนี (ภาษาอิตาลีสำหรับ เสา) ได้ถูกใช้แพร่กระจายในหมู่นักวิจัยด้านไร้สาย และต่อมาในหมู่ประชาชนทั่วไป
ในการใช้งานทั่วไป คำว่า สายอากาศ ในวงกว้างอาจหมายถึงการประกอบเข้าด้วยกันทั้งหมดตั้งแต่โครงสร้างรองรับ ภาชนะบรรจุ (ถ้ามี) เป็นต้น รวมทั้งส่วนประกอบอื่นๆที่แอคทีฟ. โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ไมโครเวฟ, สายอากาศที่รับสัญญาณอาจรวมถึงไม่แต่เพียงสายลวดไฟฟ้าที่อยู่บนอากาศเท่านั้น แต่รวมถึงตัว preamplifier หรือมิกเซอร์อีกด้วย
สายอากาศ เมื่อใช้ในการแปลง คือการแปลงคลื่นวิทยุให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน มันจึงเป็นรูปแบบหนึ่งของ ตัวแปรสัญญาณ (อังกฤษ: transducer)

การแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกัน

คุณสมบัติพื้นฐานของสายอากาศที่ลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้​​าของมันจะอธิบายไว้ในส่วนถัดไป เช่น เกน, รูปแบบการกระจายคลื่น, อิมพีแดนซ์, แบนด์วิดท์, ความถี่เรโซแนนซ์และโพลาไรเซชัน จะเหมือนกันไม่ว่าจะเป็นสายอากาศเพื่อการรับหรือการส่งสัญญาณ ตัวอย่างเช่น "รูปแบบการรับ" (ความไวเป็นเรื่องของทิศทาง) ของสายอากาศเมื่อนำมาใช้สำหรับการรับจะเหมือนกันกับรูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศเมื่อมันถูกผลักดันและทำหน้าที่เป็นตัวกระจาย นี่คือผลจากทฤษฎีการแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกันของแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นในการอภิปรายถึงคุณสมบัติของสายอากาศ จะไม่มีความแตกต่างเกิดขึ้นในคำศัพท์ระหว่างการรับและการส่ง และสายอากาศสามารถเป็นได้ทั้งการส่งหรือการรับ แล้วแต่ว่าอันไหนจะสะดวกมากกว่า
เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับคุณสมบัติการแลกเปลี่ยนถ้อยทีถ้อยอาศัยกันดังกล่าวข้างต้นเป็นว่าวัสดุในเสาอากาศและตัวกลางการส่งเป็นแบบเชิงเส้นและสลับสับเปลี่ยนกันได้ สลับสับเปลี่ยนกันได้หมายถึงว่าวัสดุจะมีการตอบสนองกับกระแสไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางหนึ่งเหมือนกันกับที่มันตอบสนองกับสนามและกระแสในทิศทางตรงกันข้าม วัสดุส่วนใหญ่ที่ใช้ในสายอากาศตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ แต่บางสายอากาศไมโครเวฟใช้ส่วนประกอบเทคโนโลยีสูงเช่นตัวแยกและตัวกวนคลื่น, ที่ทำจากวัสดุที่สลับสับเปลี่ยนไม่ได้ เช่นเฟอร์ไรท์ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถนำมาใช้เพื่อให้สายอากาศมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันในการรับเกินกว่าที่จะทำในการส่ง ซึ่งจะมีประโยชน์ในการใช้งานอื่นเช่นเรดาร์

ลักษณะเฉพาะ

สายอากาศมีลักษณะเฉพาะตามประสิทธิภาพการทำงานที่วัดได้หลายอย่างที่ผู้ใช้จะต้องพิจารณาในการเลือกใช้หรือการออกแบบสายอากาศสักอันสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง หัวหน้าใหญ่ท่ามกลางสายอากาศเหล่านี้จะเกี่ยวข้องกับลักษณะเฉพาะด้านทิศทาง (ตามที่ปรากฎในรูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศ) และเกนที่ได้รับ แม้แต่ในสายอากาศแบบรอบทิศทาง (หรืออ่อนในบางทิศทาง) เกนมักจะสามารถถูกทำให้เพิ่มขึ้นได้โดยการมุ่งเน้นให้มากขึ้นในการรับส่งพลังงานของมันในทิศทางแนวนอน, และยอมสละพลังงานที่จะแผ่กระจายไปสู่​​ท้องฟ้าและพื้นดิน เกนพลังงาน (หรือแค่ "เกน") ของสายอากาศยังต้องคำนึงถึงประสิทธิภาพของสายอากาศซึ่งเกนมักจะเป็นตัวเลขหลักที่สำคัญ
สายอากาศเรโซแนนซ์คาดว่าจะถูกนำมาใช้เฉพาะความถี่เรโซแนนซ์ความถี่หนึ่ง เพราะฉะนั้นสายอากาศจึงต้องถูกสร้างเพื่อให้ตรงกับช่วงความถี่ของแอพลิเคชันที่ตั้งใจไว้ การออกแบบสายอากาศอย่างใดอย่างหนึ่งจะต้องมีอิมพีแดนซ์อย่างใดอย่างหนึ่งที่จุดป้อน ในขณะที่การออกแบบนี้อาจส่งผลกระทบต่อทางเลือกของสายอากาศ, อิมพีแดนซ์ของสายอากาศยังสามารถถูกปรับให้เข้ากับระดับอิมพีแดนซ์ที่ต้องการของระบบได้อีกด้วยโดยใช้เครือข่ายการแมทชิงในขณะที่ยังคงรักษาลักษณะเฉพาะอื่น ๆ เอาไว้(ยกเว้นการสูญเสียประสิทธิภาพ)
แม้ว่าในหลักการพารามิเตอร์เหล่านี้ก็สามารถวัดได้ การวัดดังกล่าวเป็นเรื่องยากและยังต้องใช้อุปกรณ์พิเศษอย่างมาก นอกเหนือจากการปรับแต่งสายอากาศเพื่อการส่งโดยใช้มิเตอร์ SWRแล้ว, ผู้ใช้ทั่วไปจะขึ้นอยู่กับการคาดการณ์ในทางทฤษฎีที่มีพื้นฐานจากการออกแบบสายอากาศหรือการเรียกร้องของผู้ขาย
สายอากาศจะทำการส่งและรับคลื่นวิทยุที่มีการโพลาไรซ์โดยเฉพาะ ซึ่งจะสามารถปรับทิศทางการกระจายตัวของคลื่นโดยการเอียงแกนของสายอากาศในหลายๆ(แต่ไม่ใช่ทุก)กรณี ขนาดทางกายภาพของสายอากาศหนึ่งมักจะเป็นปัญหาในทางปฏิบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่ต่ำ (ความยาวคลื่นที่ยาวกว่า) สายอากาศเฉพาะทิศทางอย่างสูงจะต้องมีขนาดที่ใหญ่กว่าความยาวคลื่นมากๆ สายอากาศแบบเรโซแนนซ์มักจะใช้เป็นตัวนำ(หรืออีลิเมนท์)ที่เป็นเส้นตรง หรืออีลิเมนท์ดังกล่าวที่เป็นคู่ แต่ละอีลิเมนท์จะยาวประมาณหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น (จำนวนหลายชิ้นที่เป็นเลขคี่ของหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่นยังเป็นแบบเรโซแนนซ์) สายอากาศที่จะต้องมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นจะต้องเสียสละประสิทธิภาพและเสียความสามารถด้านทิศทาง แต่ก็โชคดี ที่ความถี่สูง (UHF, ไมโครเวฟ) การที่ต้องแลกกับประสิทธิภาพเพื่อให้ได้ขนาดทางกายภาพที่เล็กลงมักจะไม่จำเป็น