สายอากาศยากิ

สายอากาศยากิ (บางครั้งอาจจะเรียกว่า Yagi–Uda เป็นชื่อของผู้คนพบสายอากาศชนิดนี้) เป็นสายอากาศทิศทางเดียว (unidirectional) สามารถมีรูปแบบ polarized ทั้งแนวตั้งและแนวนอน ก่อนที่เราจะไปดูรายละเอียดอื่น ๆ ให้เรามาดูลักษะการแพร่กระจายคลื่นของสายอากาศยากิก่อน

• Main Lobe เป็นลำคลื่นหลักของสายอากาศยากิ ส่วนนี้เป็นส่วนที่เราต้องการ มีความสำคัญที่สุด
• Side Lobe ลำคลื่นจำนวนเล็กน้อยที่พุ่งออกไปทางด้านข้าง ส่วนนี้เราไม่อยากให้มี
• Back Lobe ลำคลื่นจำนวนเล็กน้อยที่พุ่งไปด้านหลัง ส่วนนี้เราก็ไม่ต้องการเช่นกัน
• จุด P คือตำเหน่งของสายอากาศยากิ (ที่ตั้ง)
• มุม a คือ beamwidth ของสายอากาศยากิ สายอากาศที่ Gain สูง ๆ มุมนี้จะแคบ มุมนี้จะวัดที่ระดับสัญญาณตกลงไปจากจุด C -3 dB
• จุด C หรือ center point เป็นจุดที่มีสัญญาณแรงที่สุด

สายอากาศยากิแบบพื้นฐาน

Driven element เป็นตัวขับ มันก็คือสายอากาศแบบ Half wave dipole (ที่ป้อนสัญญาณตรงกลาง) ดี ๆ นี่เอง มีสองส่วนที่เพิ่มขึ้นมาจากสายอากาศไดโพลก็คือ reflectors และ directors ทั้สองที่เพิ่มขึ้นมานี้เราเรียกว่า parasitic elements เพราะว่าเราไม่ได้จ่ายสัญญาณ RF ให้มัน แต่มันสามารถทำให้เกิดการเหนียวนำ ช่วยเสริม และจัดรูปแบบ การแพร่กระจายคลื่นให้เป็นไปตามที่เราต้องการ ส่วนที่เป็น reflector จะต้องวางไว้ด้านหลัง ตัว driven element และจะมีความยาวมากกว่า ตัว driven element ประมาณ 3-5 เปอร์เซนต์ และส่วนที่เป็น director จะต้องวางไว้ด้านหน้า driven element และจะสั้นกว่า driven element ประมาณ 3-5 เปอร์เซนต์ ระยะห่างระหว่าง element (ตัว s ในรูป) จะอยู่ในช่วง 0.15 ถึง 0.308 ของความยาวคลื่น แต่จะนิยมใช้กันที่ 0.2 ถึง 0.25 ของความยาวคลื่น (ตัวเลขพวกนี้ไม่ค่อยแน่นอนบางตำราก็บอกอีกอย่าง แต่ก็ไม่ห่างกันมากนัก)

คราวนี้มาทดลองคำนวณหาสายอากาศยากิ 2 E กัน TWO-ELEMENT YAGI ARRAY

ตามรูปข้างล่างนี้เป็นรูปสายอากาศที่เราจะนำมาคำนวณหาค่าความยาวของแต่ละส่วน สายอากาศยากิ 2 element นี่มีเรื่องน่าคิดอยู่อย่างหนึ่งว่า เราจะเอาเจ้า element ที่เป็น parasitic มาเป็นตัว director หรือ reflector ดีนะ เพราะมันมีแค่สองชิ้นเอง ตามตำรา (อีกแล้ว) เขาบอกว่านำ parasitic อันนั้นมาทำเป็น director จะมีอัตราการขยาย (Gain) ประมาณ 5.5 dBd (อัตราการขยายเทียบกับสายอากาศไดโพล) ระยะห่างระหว่าง element น้อยกว่า 0.1 lambda แต่ถ้า นำ parasitic มาทำเป็น reflector จะได้อัตราการขยายที่น้อยกว่า คือ 4.7 dBd ที่ระยะห่าง 0.2 lambda

ครับ เป็นอันรู้กันว่า ถ้านำเอา parasitic อันนั้นมาทำเป็น director จะได้อัตราการขยายที่สูงกว่า (ทำตามรูปเลย) แต่ว่าของดี มันก็ต้องมีข้อจำกัดอีกเช่นกันนะครับ ไม่งั้นเขาคงไม่มีให้เลือกการวางออกเป็นสองแบบ เขาคงกำหนดตายตัวไปเลย ข้อพิจารณาอีกอย่างก็คือ การนำเอา parasitic อันนั้นมาทำเป็น director จะได้อัตราการขยายที่สูงกว่าก็จริง แต่ถ้าระยะห่างผิดพลาดไปนิดเดียว อัตราการขยายตกทันที เรียกได้ว่าไวต่อการเปลี่ยนแปลง แต่ถ้าอีกตัวที่นำ parasitic ไปทำเป็น reflector อัตราการขยายต่ำกว่าก็จริงครับ แต่ถึงระยะห่างจะคลาดเคลื่อนไปบ้าง ก็ไม่มีปัญหามาก อัตราการขยายยังไม่ตกลงมาก เหมือนแบบแรก
คำนวณหา Director

คำนวณหา Driven element

คำนวณหาระยะห่าง Spacing

• Director คือความยาวของไดเร็กเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• D.E. ความยาวของ driven element มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• Spacing ระยะห่างระหว่าง elements มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• FMHz ความถี่มีหน่วยเป็น megahertz.

สายอากาศยากิ 3 E (THREE-ELEMENT YAGI BEAM)

สายอากาศยากิ 3 E ประกอบด้วย 3 ส่วนครบสูตรยากิคือมี ตัวขับ (half wavelength driven element) reflector และ director ตัวอย่างสายอากาศยากิเราจะใช้ความยาวบูม 0.3 lambda จะได้อัตราการขยายประมาณ 7 - 8 dBd และอัตราส่วน front-to-back ประมาณ 15 ถึง 28 dB จุดป้อนสัญญาณ จะมี impedance ประมาณ 18-25 โอห์ม เราสามารถเปลี่ยน impedance ให้เป็น 50 โอห์มโดยการใช้ coaxial ก็ได้ (การ match ทำได้หลายแบบ)

คำนวณหา Director

คำนวณหา Driven element

คำนวณหา Reflector

คำนวณหาระยะห่าง Spacing

• Director คือความยาวของไดเร็กเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• D.E. ความยาวของ driven element มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• Reflector ความยาวของ reflector มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• Spacing ระยะห่างระหว่าง elements มีหน่วยเป็นเมตร (m)

สายอากาศ ยากิ 4 E (FOUR-ELEMENT YAGI ANTENNA)

สายอากาศยากิ แบบ 4 E มีสิ่งที่เพิ่มมา จากสายอากาศยากิ 3 E ก็คือการเพิ่มไดเร็กเตอร์เข้าไปอีก 1 ตัว (second director) ถ้าเราใช้ระยะห่าง 0.15 lambda ของแต่ละส่วนเราจะได้ค่า front-to-back ประมาณ 10 dB แต่ถ้าใช้ระยะห่างเป็น 0.25 lambda เราจะได้อัตรา front-to-back ถึง 27 dB คราวนี้เราจะมาคำนวณขนาดสายอากาศยากิ 4 อี อัตราการขยาย ประมาณ 9.1 dBd (ลดลงมานิดนึง) เพื่อให้ได้อัตรา front-to-back ratio ประมาณ 27 dB

คำนวณหา Director

คำนวณหา Driven element

คำนวณหา Spacing S1

คำนวณหา Spacings S2 and S3:

• Director คือความยาวของไดเร็กเตอร์ มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• D.E. คือความยาวของ driven element มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• Reflector คือความยาวของ reflector มีหน่วยเป็นเมตร (m)
• ระยะห่าง S1, S2 และ S3 มีหน่วยเป็นเมตร (m)

การ match สายอากาศ (IMPEDANCE MATCHING THE BEAM ANTENNA)

โดยปกติแล้ว impedance จุดป้อนสัญญาณ (feedpoint impedance) ของสายอากาศยากิ มักจะต่ำกว่า จุดป้อนสัญญาณของ half wavelength dipole (ประมาณ 72 โอห์ม) แม้ว่าจะเอาตัวขับมาจากสายอากาศ half wavelength dipole ก็ตาม ทั่วไปแล้วจะมีค่า impedance ประมาณ 18 -20 โอห์ม อย่างมากไม่เกิน 37 โอห์ม ที่ 32 โอห์ม ถ้าเรา ต่อสายเข้าไปตรง ๆ กับสายนำสัญญาณ Coaxial 50 โอห์ม เราจะได้ค่า SWR 1.41 : 1 แต่ถ้าที่ 25 โอห์ม SWR มากกว่า 2 : 1 ถ้าค่า SWR มากเกินไปก็จะเป็นอันตรายต่อเครื่องส่ง ดังนั้นเพื่อเป็นการแก้ปัญหาเราจึงทำการปรับเปลี่ยน impedance หรือการ matching ให้สายอากาศต้นนี้มีค่า 52 หรือ 75 โอห์ม
ในที่นี้เราขอแนะนำ gamma match สักษณะการต่อคือ สายส่วนที่เป็น shield จะต่อกับ ตรงกลางของ element (L) และส่วนที่เป็น ลวดตัวนำข้างใน ต่อกับอุปกรณ์ matching ตามรูป

L คือความยาวของ driven element

L, A และ B มีหน่วยเป็นเมตร (m).
Gamma Matches ก็คือ T matches ในเวอร์ชั่นของสายอากาศแบบไม่สมดุล หรือ unbalanced เป็นการแก้ปัญหา เพื่อให้สาย Coaxial สามารถต่อกับสายอากาศได้โดยตรง โดยสายสองจุดคือ จุดกึ่งกลาง และข้างใดข้างหนึ่งของสายอากาศ โดยทั่วไปการ match แบบนี้ จะทำให้เกิดค่า reactance ในส่วนของวงจร matching เราสามารถแก้โดยการลดความยาวของสายอากาศลง หรือใช้ capacitor หรือ C ร่วมเข้าไป