สายอากาศ
ภาพรวม

สายอากาศที่ดีจะต้องจับคู่ส่วนที่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเข้ากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นวิทยุเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ขนส่งสัญญาณผ่านอากาศ (หรืออวกาศ) ที่ความเร็วของแสง และเกือบจะไม่มีการสูญเสียในการส่ง เครื่องส่งและเครื่องรับสัญญาณวิทยุจะใช้ถ่ายทอดสัญญาณ (ข้อมูล) ในระบบ ได้แก่การออกอากาศวิทยุ (เสียง), โทรทัศน์, โทรศัพท์มือถือ, วายฟาย (WLAN) เครือข่ายข้อมูล, สายทรังค์และในการเชื่อมโยงสัญญาณแบบจุดต่อจุด (โทรศัพท์, เครือข่ายข้อมูล), การเชื่อมโยงดาวเทียม, อุปกรณ์ควบคุมจากระยะไกลหลายอย่างเช่นเครื่องเปิดประตูโรงรถและเซ็นเซอร์ไร้สายระยะไกล และอื่น ๆ อีกมาก คลื่นวิทยุยังใช้โดยตรงในการตรวจวัดในเทคโนโลยีต่าง ๆ รวมทั้งเรดาร์ จีพีเอสและวิทยุดาราศาสตร์ ในทุกกรณีเครื่องส่งสัญญาณและเครื่องรับสัญญาณที่นำมาใช้จะต้องใช้สายอากาศ โดยที่สายอากาศดังกล่าวบางครั้งจะถูกซ่อนอยู่ (เช่นสายอากาศภายในวิทยุ AM หรือภายในเครื่องคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปที่ติดตั้งวายฟาย)
ตามลักษณะการใช้งานและเทคโนโลยีที่มีอยู่, เสาอากาศโดยทั่วไปจะตกอยู่ในหนึ่งในสองประเภทต่อไปนี้:
สายอากาศรอบทิศทาง หรือสายอากาศที่สัญญาณอ่อนเฉพาะบางทิศทางเท่านั้น แต่จะรับหรือส่งมากหรือน้อยในทุกทิศทาง สายอากาศประเภทนี้จะถูกนำมาใช้เมื่อตำแหน่งสัมพันธ์กับสถ​​านีอื่นไม่เป็นที่รู้จักหรือไม่ชัดเจน พวกมันยังถูกใช้ที่ความถี่ต่ำอีกด้วยในตำแหน่งที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางจะมีขนาดใหญ่เกินไป หรือเพียงเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการนำมาใช้งานในจุดที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางไม่มีความจำเป็นต้องใช้
สายอากาศเฉพาะทิศทาง หรือสายอากาศแบบ ลำคลื่น ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อส่งหรือรับสัญญาณในทิศทางใดทิศทางหนึ่งหรือรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง (อังกฤษ: pattern) โดยเฉพาะ
ในการใช้งานทั่วไป, "รอบทิศทาง" โดยปกติหมายถึงทิศทางแนวนอนทั้งหมดซึ่งโดยปกติจะมีประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงในทิศทางท้องฟ้าหรือพื้นดิน (แม้แต่แผงกระจายคลื่นแบบเท่ากันทุกทิศทาง (อังกฤษ: isotropic radiator) ก็ทำไม่ได้อย่างแท้จริง) สายอากาศ "เฉพาะทิศทาง" มักจะมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มการจับคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในทิศทางของสถ​​านีอื่น ๆ หรือบางครั้งเพื่อให้ครอบคลุมเฉพาะภูมิภาคเช่นรูปแบบพัดแนวนอน 120° ในกรณีเช่นสายอากาศแบบแผงที่ติดตั้งแผงถ่ายทอดสัญญาณมือถือ (อังกฤษ: cell site)
ตัวอย่างหนึ่งที่พบโดยทั่วไปของสายอากาศแบบรอบทิศทางก็คือ เสาอากาศแนวตั้ง หรือ สายอากาศแท่ง มันประกอบด้วยแท่งโลหะ (มักจะยาวหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น), สายอากาศแบบไดโพล ก็คล้ายกันแต่ประกอบด้วยสองตัวนำที่ชี้ในทิศทางตรงข้าม มันมักจะมีความยาวรวมเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ไดโพลโดยทั่วไปจะวางตัวในแนวนอนซึ่งทำให้มันจะอ่อนในทิศทาง นั่นคือสัญญาณแผ่ออกไปทุกทิศทางหรือรับได้จากทุกทิศทางได้ดีทีเดียว ยกเว้นในทิศทางตามแนวตัวนำของมันเอง; ภูมิภาคนี้จะเรียกว่ากรวยบอดของเสาอากาศ
สายอากาศทั้งแบบแนวตั้งและแบบไดโพลมีความเรียบง่ายในการสร้างและเมื่อเทียบกันแล้วราคาก็ไม่แพง สายอากาศแบบไดโพลเป็นพื้นฐานของการออกแบบเสาอากาศอื่นส่วนใหญ่ มันเป็นองค์ประกอบที่สมดุลอย่างหนึ่ง ด้วยแรงดันและกระแสไฟฟ้าที่เท่ากันแต่ในทิศทางตรงข้ามที่ป้อนเข้าไปที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสองของมันผ่านสายส่งสมดุล (หรือป้อนให้กับสายส่งแบบโคแอกเชียลผ่านสิ่งที่เรียกว่า บาลัน) นอกจากนั้นสายอากาศแนวตั้งเป็นสายอากาศแบบขั้วเดียว โดยทั่วไปมันจะชื่อมต่อกับตัวนำด้านในของสายส่งโคแอกเชียล (หรือเครือข่ายแมทชิง (อังกฤษ: matching network)); สายชีลด์ของสายส่งจะเชื่อมต่อเข้ากับดิน (อังกฤษ: ground) ด้วยวิธีนี้ดิน (หรือพื้นผิวขนาดใหญ่ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าใด ๆ) เล่นบทบาทของตัวนำที่สองของไดโพลจึงกลายเป็นวงจรที่สมบูรณ์ เนื่องจากเสาอากาศขั้วเดียวจะต้องพึ่งพาดินเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า สิ่งที่เรียกว่าโครงสร้างดินอาจจะต้องถูกติดตั้งเพื่อให้มีการติดต่อกับพื้นดินได้ดีกว่าหรือเพื่อที่ตัวเองจะทำหน้าที่เป็นระนาบดิน (อังกฤษ: ground plane) เสียเองเพื่อดำเนินการตามหน้าที่นั้นโดยไม่คำนึงถึงว่าจะมีการติดต่อกับผิวดินจริงหรือไม่ (ในกรณีที่ไม่มีผิวดินจริง)
เสาอากาศที่ซับซ้อนกว่าแบบไดโพลหรือแบบแนวตั้งมักจะมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มการควบคุมทิศทางซึ่งจะมีผลให้เพิ่มเกนของเสาอากาศไปด้วย นี้สามารถทำได้ในหลายวิธีที่แตกต่างกันที่จะนำไปสู่ความมากมายเหลือเฟือของการออกแบบสายอากาศ ส่วนใหญ่ของการออกแบบถูกป้อนด้วยเส้นสมดุล (ไม่เหมือนสายอากาศโมโนโพล) และจะขึ้นอยู่กับสายอากาศแบบไดโพลที่มีอีลิเมนท์เพิ่มเติมซึ่งจะเพิ่มคุณสมบัติด้านทิศทางของมัน ในกรณีนี้ "เกน" ของเสาอากาศจะอธิบายถึงความเข้มข้นของพลังงานที่แผ่ออกไปในมุมที่มั่นคงของพื้นที่เฉพาะ ที่ตรงข้ามกับการแผ่กระจายคลิ่นที่สม่ำเสมอแบบทรงกลมของตัวส่งคลิ่นในอุดมคติ พลังงานที่เพิ่มขึ้นในทิศทางที่ต้องการจะเป็นค่าใช้จ่ายของพลังงานที่ไม่อยู่ในทิศทางที่พึงประสงค์ พลังงานจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการ และไม่มีการเพิ่มขึ้นของพลังงานสุทธิเกินกว่าที่ถูกส่งมาจากแหล่งจ่ายพลังงาน (เครื่องส่ง)
ยกตัวอย่างเช่น สายอากาศเฟสอาร์เรย์จะประกอบด้วยสายอากาศง่าย ๆ ตั้งแต่สองตัวขึ้นไป พวกมันเชื่อมต่อกันผ่านทางวงจรไฟฟ้า นี้มักจะเกี่ยวข้องกับสายอากาศไดโพลแบบคู่ขนานที่มีระยะห่างระยะหนึ่ง เมื่อขึ้นอยู่กับเฟสสัมพันธ์ที่ถูกสร้างขึ้นโดยวงจรไฟฟ้านั้น การทำงานร่วมกันของสายอากาศไดโพลหลายตัวที่เหมือนกันสามารถทำงานเป็น "อาร์เรย์ด้านกว้าง" (อังกฤษ: broadside array) (ทิศทางเดียวกับเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์) หรือเป็น "end-fire array" (ทิศทางตามเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์) สายอากาศอาร์เรย์อาจใช้สายอากาศพื้นฐาน(รอบทิศทางบางส่วน)ใด ๆ เช่นไดโพล, แบบห่วงหรือสายอากาศแบบ slot อีลิเมนท์ของสายอากาศเหล่านี้มักจะเหมือนกัน
อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์แบบบันทึกช่วงเวลา (อังกฤษ: log-periodic dipole array) จะประกอบด้วยอีลิเมนท์แบบไดโพลหลายตัวที่มีความยาวแตกต่างกัน เพื่อทำให้เป็นสายอากาศแบบทิศทางเฉพาะที่มีแบนด์วิดธ์กว้างอย่างสุดขั้ว: พวกนี้มักจะถูกใช้สำหรับการรับโทรทัศน์ในพื้นที่ชายขอบ อีลิเมนท์ทุกตัวจะพิจารณาว่าเป็น "อีลิเมนท์ที่แอคทีฟ" (อังกฤษ: active element) เนื่องจากพวกมันทั้งหมดจะเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน (และต่อเข้ากับสายส่ง) อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์ที่คล้ายกันอย่างเผิน ๆ ได้แก่ สายอากาศยากิ-อูดา (หรือแค่ "ยากิ") มีไดโพลอีลิเมนท์เพียงคู่เดียวที่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้า อีลิเมนท์อื่น ๆ ที่เรียกว่าอีลิเมนท์กาฝากจะมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อเป็นสายอากาศเฉพาะทิศทางที่พอใช้ได้ แต่เป็นแบบหนึ่งที่จะถูกจำกัดให้มีแบนด์วิดธ์ที่ค่อนข้างแคบ สายอากาศยากิมองแล้วคล้ายกันกับอีลิเมนท์ของไดโพลที่เป็นกาฝาก แต่ทำหน้าที่แตกต่างกันเนื่องจากความยาวของพวกมันที่ค่อนข้างแตกต่างกัน อาจจะมีอีลิเมนท์ที่เรียกว่า "ตัวชี้ทิศทาง" (อังกฤษ: director) หลายชิ้นอยู่ด้านหน้าของ active element ในทิศทางของการกระจายของคลื่น และมักจะมี "ตัวสะท้อน" (อังกฤษ: reflector) เพียงชิ้นเดียว (หรือมากกว่า) ที่ฝั่งตรงข้ามกับแอคทีฟอีลิเมนท์
ถ้าต้องการให้มีความสามารถด้านทิศทางมากขึ้น มันต้องใช้เทคนิคขึ้นรูปลำแสง (อังกฤษ: beam-forming techniques) ต่าง ๆ เช่นใช้อุปกรณ์เช่นตัวสะท้อนแบบโค้งหรือปากแตร เนื่องจากสายอากาศที่มีความสามารถด้านทิศทางที่สูงจะขึ้นอยู่กับขนาดที่ใหญ่เมื่อเทียบกับความยาวคลื่น, ดังนั้นลำคลื่นที่แคบของประเภทนี้จะประสบความสำเร็จได้ง่ายกว่าที่ความถี่ UHF และไมโครเวฟ
ที่ความถี่ต่ำ (เช่นการออกอากาศภาค AM) อาร์เรย์แนวตั้งบนเสาสูงจะถูกใช้เพื่อให้บรรลุความสามารถด้านทิศทาง และอาร์เรย์พวกนี้จะต้องใช้พื้นที่ขนาดใหญ่ ในการรับ สายอากาศหนวดกุ้งที่ยาวจะมีความสามารถด้านทิศทางอย่างมีนัยสำคัญ ในการใช้งานแบบพกพาที่ไม่ต้องการทิศทาง สายอากาศแนวตั้งสั้นหรือเสาอากาศห่วงขนาดเล็กก็ทำงานได้ดี ด้วยความท้าทายของการออกแบบหลักคือการทำแมทชิงความต้านทาน กับเสาอากาศแนวตั้ง ขดลวดที่ใช้เป็นโหลดที่ฐานของเสาอากาศอาจจะถูกใช้เพื่อหักล้างองค์ประกอบของความต้านทานที่เป็นปฏิกิริยา (อังกฤษ: reactive component of impedance) เพราะสายอากาศห่วงขนาดเล็กจะถูกจูนหาความถี่ด้วยตัวเก็บประจุหลายตัวที่วางอยู่ขนานกันสำหรับวัตถุประสงค์นี้
สายลีดของสายอากาศ (อังกฤษ: antenna lead-in) เป็น สายส่ง (อังกฤษ: transmission line) (หรือสายฟีด (อังกฤษ: feed line)) ซึ่งเชื่อมต่อสายอากาศเข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณ ฟีดของสายอากาศอาจจะหมายถึงทุกองค์ประกอบที่เชื่อมต่อสายอากาศกับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณ เช่นเครือข่ายการแมทชิงความต้านทาน (อังกฤษ: impedance matching network) กับสายส่ง ในเสาอากาศที่เรียกว่ารูรับแสงเช่นแตรหรือจานพาราโบลา นอกจากนี้คำว่า "ฟีด" ยังอาจหมายถึงสายอากาศขั้นพื้นฐานภายในระบบทั้งหมดอีกด้วย (ปกติที่จุดโฟกัสของจานพาราโบลาหรือที่คอหอยของแตร) ซึ่งอาจพิจารณาว่าเป็น active element อันหนึ่งในระบบเสาอากาศนั้น สายอากาศไมโครเวฟยังอาจถูกฟีดโดยตรงจากท่อนำคลื่น (อังกฤษ: wave guide)ในตำแหน่งของสายส่ง (ที่เป็นต้วนำ)
สายอากาศที่มีการทดแทนระนาบดินเป็นโครงสร้างของวัสดุตัวนำที่ต่อกันเป็นตาข่ายระนาบดินในพื้นที่ที่ผิวดินมีความต้านทานสูง โครงสร้างนี้จะช่วยเพิ่มหรือทดแทนระบบดิน มันอาจจะเชื่อมต่อเข้ากับ(หรือต่อเป็นฉนวนจาก)พื้นดินตามธรรมชาติ ในสายอากาศแบบโมโนโพล โครงสร้างนี้ช่วยในการทำงานของพื้นดินตามธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ที่การแปรเปลี่ยน(หรือข้อจำกัด)ของลักษณะเฉพาะของพื้นดินตามธรรมชาติไปรบกวนหน้าที่ที่เหมาะสมของมัน โครงสร้างดังกล่าวปกติจะมีการเชื่อมต่อเข้ากับสายย้อนกลับ (อังกฤษ: return path) ของสายส่งที่ไม่สมดุลเช่นสายชีลด์ของสายโคแอกเซียล
ตัวหักเหคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในสายอากาศแบบรูรับแสงบางตัวเป็นส่วนประกอบหนึ่งซึ่งเนื่องจากรูปร่างและตำแหน่งของมันจะทำหน้าที่หลายอย่างที่จะชะลอหรือส่งไปข้างหน้าสำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังผ่านหน้ามันไป ตัวหักเหจะเปลี่ยนแปลงลักษณะการกระจายตัวของคลื่นในด้านหนึ่งเมื่อเทียบกับอีกด้านหนึ่ง เช่นมันสามารถบังคับคลื่นไปที่จุดโฟกัสหรือเปลี่ยนคลื่นในรูปแบบอื่น ๆ โดยทั่วไปเพื่อเพิ่มการควบคุมทิศทางของระบบสายอากาศให้สูงสุด นี่เทียบเท่ากับเลนส์ที่ใช้กับแสงของวิทยุ
เครือข่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับสายอากาศเป็นเครือข่ายแบบพาสซีฟ (โดยทั่วไปเป็นการผสมกันของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ) ที่ใช้สำหรับการแมทชิงความต้านทาน (อังกฤษ: impedance matching) ระหว่างสายอากาศกับเครื่องส่งหรือกับตัวรับสัญญาณ เครือข่ายนี้อาจจะถูกใช้ในการปรับปรุงอัตราส่วนของคลื่นนิ่ง (อังกฤษ: standing wave ratio) เพื่อที่จะลดการสูญเสียในสายส่งให้ต่ำสุดและเพื่อเป็นโหลดที่มีความต้านทานมาตรฐาน (อังกฤษ: standard resistive impedance) สำหรับเครื่องส่งหรือเครื่องรับสัญญาณเพื่อให้พวกมันทำงานได้ประสิทธิภาพสูงสุด