สายอากาศ

สายอากาศ (อังกฤษ: antenna) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือในทางกลับกัน ปกติสายอากาศจะถูกใช้กับเครื่องส่งและเครื่องรับวิทยุ ในการส่ง เครื่องส่งวิทยุจะป้อนคลื่นกระแสไฟฟ้าที่ความถี่วิทยุ (หรือไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง) ไปยังขั้วไฟฟ้าทั้งสองของสายอากาศ จากนั้นสายอากาศจะแผ่รังสีพลังงานจากกระแสในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุ) ในการรับ สายอากาศจะดักจับพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อที่จะสร้างแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กที่ขั้วไฟฟ้าของมัน แรงดันไฟฟ้านี้จะถูกส่งต่อไปให้เครื่องรับเพื่อทำการขยายสัญญาณต่อไป
สายอากาศเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญของอุปกรณ์ทุกชนิดที่ใช้วิทยุ ได้แก่สถานีวิทยุกระจายเสียง สถานีโทรทัศน์ วิทยุสองทาง เครื่องรับสื่อสาร เรดาร์ โทรศัพท์เคลื่อนที่ และการสื่อสารดาวเทียม นอกจากนี้ มันยังใช้กับอุปกรณ์เช่นประตูโรงรถอัตโนมัติ ไมโครโฟนไร้สาย บลูทูธ แลนไร้สาย เครื่องเฝ้าดูทารก ฉลาก RFID และของเล่นวิทยุบังคับต่าง ๆ
โดยทั่วไปสายอากาศจะประกอบด้วยโครงสร้างของตัวนำโลหะที่เรียกว่าอีลิเมนท์ขับ  (อังกฤษ: driven element) ที่ต่อทางไฟฟ้า (มักจะผ่านทางสายส่ง) เข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับ เครื่องส่งจะบังคับให้กระแสไฟฟ้าที่เป็นคลื่นของอิเล็กตรอนไหลผ่านสายอากาศ กระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะสร้างสนามไฟฟ้าที่เป็นคลื่นไปตามอีลิเมนท์นั้น สนามพลังที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลาเหล่านี้จะถูกแผ่กระจายออกไปจากสายอากาศเข้าสู่อากาศในรูปของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ตามขวาง ทางด้านรับ คลื่นเหล่านี้เข้ามารวมกันที่สายอากาศ สนามแม่เหล็กและไฟฟ้าที่เป็นคลื่นจะสร้างแรงขึ้นบนอิเล็กตรอนในอีลิเมนท์ของสายอากาศ ทำให้พวกอิเล็กตรอนต้องเคลื่อนที่กลับไปกลับมา เป็นการสร้างกระแสที่เป็นคลื่นในสายอากาศ
สายอากาศสามารถออกแบบให้ส่งหรือรับคลื่นวิทยุได้ในทุกทิศทางแนวราบเท่า ๆ กันที่เรียกว่าสายอากาศทุกทิศทาง (อังกฤษ: Omnidirectional antenna) หรือชอบที่จะให้รับและส่งได้ในทิศทางเฉพาะที่เรียกว่าสายอากาศเฉพาะทิศทาง (อังกฤษ: Directional antenna) หรือสายอากาศเกนสูง (อังกฤษ: High gain antenna) สำหรับสายอากาศเกนสูง มันอาจต้องมีอีลิเมนท์หรือตัวประกอบอื่นเพิ่มเติมที่ไม่มีการต่อถึงกันทางไฟฟ้าเข้ากับเครื่องส่งหรือเครื่องรับแต่อย่างใด อุปกรณ์ดังกล่าวได่แก่ อีลิเมนท์กาฝาก (อังกฤษ: parasitic elements), แผงสะท้อนคลื่นแบบโค้ง (อังกฤษ: parabolic reflectors) หรือ สายอากาศปากแตร (อังกฤษ: Horn antenna) ซึ่งมีหน้าที่นำทางคลื่นวิทยุให้อยู่ในรูปลำแสงหรือรูปแบบการแผ่กระจายคลื่นที่ต้องการอื่น ๆ
สายอากาศตัวแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1888 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน นายไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ ระหว่างการทดลองแบบบุกเบิกเพื่อพิสูจน์ความมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้มีการคาดคะเนไว้ก่อนแล้วตามทฤษฎีของนายเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นายเฮิร์ตซ์ได้วางสายอากาศแบบไดโพลหลายตัวไว้ที่จุดโฟกัสของกลุ่มแผงสะท้อนคลื่นแบบโค้งเพื่อให้มีการทำงานทั้งรับและส่ง เขาได้ตีพิมพ์ผลงานของเขาใน Annalen der Physik und Chemie (vol. 36, 1889)
ภาพเคลื่อนไหวแสดงการส่งคลื่นวิทยุจากสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น มันแสดงเส้นสนามไฟฟ้า สายอากาศตรงกลางเป็นแท่งโลหะแนวตั้งสองชิ้นที่มีกระแสสลับจ่ายให้กับจุดกลางของมันจากเครื่องส่งวิทยุ (ไม่ได้แสดง) แรงดันไฟฟ้าสร้างประจุบวก (+) และประจุลบ (−) สลับไปมาที่สองด้านของสายอากาศ วงแหวนของสนามไฟฟ้า (เส้นสีดำ) หลุดออกจากสายอากาศและเดินทางออกไปด้วยความเร็วแสง เส้นเหล่านี้คือคลื่นวิทยุ
ภาพเคลื่อนไหวแสดงพลังงานจากคลื่นวิทยุที่ได้รับบนสายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น สายอากาศประกอบด้วยแท่งโลหะสองแท่งต่อเข้ากับเครื่องรับ R. สนามไฟฟ้า (E, ลูกศรเขียว) ของคลื่นที่เข้ามาจะผลัก อิเล็กตรอนในแท่งทั้งสองไปมา สร้างประจุบวก (+) และประจุลบ (−) ที่ปลายแท่งโลหะสลับไปมา เนื่องจากความยาวของสายอากาศเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นของคลื่นที่รับเข้ามานั้น สนามไฟฟ้าที่สลับไปมาจะเหนี่ยวนำให้เกิดคลื่นอยู่กับที่ (อังกฤษ: standing wave) ของแรงดัน (V, แสดงด้วยแถบสีแดง) และกระแสในแท่งโลหะ  กระแสรูปคลื่น (ลูกศรสีดำ) จะไหลลงไปตามสายส่งแล้วผ่านไปที่ตัวรับ (แสดงด้วยตัวต้านทาน R)