221pgm.npru.ac.th/telecom/data/files/การ...221 การทดลองท 17 สายอากาศแบบโมโนโพล 17.1. ว ตถ ประสงค...

221

การทดลองท 17 สายอากาศแบบโมโนโพล 17.1. วตถประสงคของการทดลอง 1. เมอท าการทดลองนสมบรณแลว นกศกษาจะรจกกบนกศกษาสมบตมาตรฐานของสายอากาศโมโนโพล และการเอยนเองของสายอากาศชนดน 17.2. หลกการและทฤษฎทเกยวของ ทฤษฎ ground plane เปนตวน าทมการสะทอนเหมอนกระจกเงา ส าหรบตวอยาง เมอมสายอากาศสงซงเปนไดโพล อยเหนอ ground plane ซงจะเปนตวน าทดในการสงทางดานรบสญญาณจะมคาผลรวมของสญญาณตรงและสญญาณทไดจากการสะทอนกบ ground plane ซงแสดงดงรปท 1 (a) และรปท 1 (b) ถาเราลากเสนลงมาใต ground plane เรอยๆจนถงจดหนงจะสงเกตเหนวา จดเรมตนอยท image นกคอการสมมตจดทพลกกลบลงของ ไดโพล นนเอง ซงเรยกทฤษฎนวา image theory

รปท 1 a) ไดโพลทวางอยเหนอแผนตวน าทสมบรณ , b) รปเสมอนทใชทฤษฎของ Image สายอากาศ โมโนโพล โมโนโพล

รปท 2 แสดงโมโนโพลทมความยาว 1 ใน 4 ของคลน หรอ /4 ทวางอยเหนอแผนตวน าท

สมบรณซงจะท าใหเสมอนมสายอกครงหนงรวมเปนครงคลน หรอ ไดโพลขนาด /2

222

0,sin

cos2

cos

2

1)( 4/

monopoleF

รปท 2 โมโนโพลทวางอยเหนอแผนตวน าสมบรณ

กระแสไฟฟาในสายอากาศ โมโนโพล จะมคาเทากบไดโพลแตอนพตโวลทเตจจะมคาเพยงครงเดยวของไดโพล ดงนนอนพตอมพแดนซของโมโนโพลจะเปนครงของไดโพล

/4 37.5in monopoleZ (1)

ในเมอกระแสของ โมโนโพล มคาเทากนกบ ไดโพลขนาด /2 ดงนนก าลงในการแพรสญญาณจงเทากนแต ground plane นนจะตดแพทเทอรนการแผคลนลงครงหนงสวน bean width จะเปน

ครงหนงของ /2 ไดโพล เพราะฉะนนทศทาง (directivity) และอตราขยาย (gain) จะมคาเปนสองเทาของ ไดโพล

/4 2 1.64 3.2 5monopoleG or dB (2)

แพทเทอรนการแผคลนของโมโนโพล /4 ทพนผวดนสามารถอธบายวามรปแบบการเลอนท

เหมอนกนกบไดโพล /2 ส าหรบมมทมากกวาศนย ซงเปนไปตามทฤษฎดงแสดงในรป 2 (b) และเขยนไดดงสมการท 3

(3)

223

a

bZO log60

เมอวางสายอากาศ โมโนโพล ในต าแหนงทเหนอ ground โดยมความสงเทากบ d/2 ดงแสดงในรปท 3 สายอากาศนนจะแสดงตวเปน 2 element ทเรยงตวกนอย คลนทแพรกระจายออกจากสายอากาศทอยทางดานบนและลางจะไปรวมกนแตจะมเฟสทตางกนท าใหเกด array factor ดงทจะไดศกษาตอไปในหนวยท 3

รปท 3 การรวมกนของคลนทแพรจากโมโนโพลและทมาจาก image ซงนจะมความคลายคลงกนคอไดโพลทวางอยเหนอแผนตวน าทสมบรณ ซงไมไดกลาวถงมากอนหนาน เพราะเราศกษากนถงเฉพาะแตไดโพลทอยใน free space ไมไดวางอยเหนอ ground สายอากาศ โมโนโพล มาตรฐาน รปท 4 เปนการแสดงสายอากาศโมโนโพลทมาตรฐานของ Lab-Volt ซงจะมการปอนสญญาณจากสาย coaxial cable (50 โอหม) ทเชอมตอกบแผน ground plane ขนาดใหญ ground plane กเปนสวนส าคญอนหนงในการออกแบบ โมโนโพล ซงควรจะมขนาดใหญ

พอประมาณ ในทางปฏบตจะใชขนาดรศมเทากบ 5 ซงจะใหผลคลายกบในทางอดมคต และจะมคา

รศมนอยทสดเปน 0.5 ซงมากบสายอากาศโมโนโพลของ Lab-Volt

ในการปอนสญญาณเขาจะใชสายโคแอคเชยลขนาด 50 เพอสงก าลงไปยงสายอากาศโดยจะมการมการเปล ยนแปลงระดบอมพแดนซ ลดลงเป น 37.5 โอหม เน องจากสายอากาศม

อนพตอมพแดนซ 37.5 ซงในกรณนการปรบคาอมพแดนซนนจะอาศยระยะหางระหวางตวน าทอยตรงกลางของโมโนโพลกบขอบทจะเปน ground plane ซงความสมพนธทวานจะเปนดงสมการท 4

(4)

224

เมอ a = 0.159 cm. และ b = 0.317 cm. อมพแดนซทไดจะเปน 41.5 ซงเปนคาตรงกลางระหวางอมพแดนซของสายโคแอคเชยล และ อมพแดนซของสายอากาศโมโนโพล 37.5

รปท 4 จดทปอนสญญาณจากโคแอคเชยลไปยงโมโนโพลและ ground plane Drooping monopole โมโนโพล มาตรฐาน ในระบบสายอากาศจะรวมถง drooping โมโนโพล หรอ ground plane antenna รปท 5 แสดง drooping โมโนโพล ซงเปน โมโนโพล ทสรางใชงานไดสะดวกมาก

รปท 5 สายอากาศแบบ Drooping monopole

225

ในการอธบายนกศกษาสมบตของ drooping โมโนโพล พจารณาท half wave ไดโพลทม

อมพแดนซ = 73 โอหม ในรป 6 (a) เมอวางลวดทดานลางของครงของไดโพล โดยใหกางออก 180 ดงรปท 6 (c) จะท าใหได โมโนโพล มาตรฐาน ทมนกศกษาสมบตทาง อมพแดนซ = 37.5 ลวดทกางจะท ามมตางกนเพยง 90 องศา (45 องศาจากแนวตง) ดงรปท 6 (b) จะท าใหได drooping โมโนโพล ทมนกศกษาสมบตทาง อมพแดนซ ใกลเคยงคา 50 โอหม ซงวธการทใชนจะเปนการแมทกนทาง อมพแดนซกบสายโคแอคเชยล

รปท 6 a) half-wave dipole, b) Drooping monopole, c) monopole มาตรฐาน สรปขนตอนการทดลอง

ในการทดลองนนกศกษาจะท าการ plot แพทเทอรนการแผคลน ของโมโนโพล/4 ทวางอย

เหนอตวน า ground plane และการ drooping โมโนโพล /4 นกศกษาไดจะสงเกตเหนนกศกษาลกษณะของ โมโนโพล ทม ground plane นกศกษาจะท าการเปรยบเทยบอตราขยายในทศทางทง

ของไดโพล /2 และ โมโนโพล/4 17.3. ขนตอนการทดลอง การตดตงอปกรณ 1. อปกรณหลกของการทดลองคอชดฝกสายอากาศและระบบการวดซงประกอบดวย อปกรณเชอมตอในการอานและเกบขอมล / Power Supply, RF-Generator, Antenna Positioner และเครองคอมพวเตอรนน จะตองตดตงกอนทจะท าการทดลอง ตามคมอการรจกและใชงานส าหรบการตดตงชดฝกสายอากาศและระบบการวดใน section ท 4 ถายงไมเคยท าการตดตงมากอน ขนตอน

226

การตดตงสายอากาศตวสงสญญาณใหตดตงสายอากาศแบบยาก (Yagi) บนเสาจบยดเสาอากาศแบบแนวนอน (Horizontal Clips) และจดวางสายอากาศแบบยาก (Yag) ไปในทศทางแนวนอน (polarized horizontal) และเชอมตอสายอากาศยากเขากบเอาทพทของเครอง RF Generator ทความถ 1 GHz 2. ขนตอนการตดต งสายอากาศตวรบสญญาณให เอาตวตอโมโนโพล (Monopole Connector) สอดเขาตรงกงกลางของ ground plane จากนนขนสกรทง 2 เพอใหแนน จากนนน า

สายอากาศทมความยาว /4 ใสเขาไปทตรงกลางของตวตอโมโนโพล 3. ใหตดตงสายอากาศตวรบเขากบเสาจบยดสายอากาศแบบแนวนอนอกอนหนงและตดตงเสาเขากบ Sliding Support ทอยบน Antenna Positioner และจดวางทศทางสายอากาศตวรบในทศทาง E - Plane 4. ใหเลอน Sliding Support โดยใหต าแหนงของสายอากาศอยในแนวตรงกบจดศนยกลางของการหมนของ Antenna Positioner และตอตวลดทอนสญญาณ 10 dB เขากบ อนพท RF บน Antenna Positioner และตอสายอากาศเขากบอปกรณลดทอน10 dBโดยใช SMA cable ขนาดกลาง ดงทเคยกลาวแลวในขอ 11 ของการทดลอง 1-1 เรองการตอ SMA cableรปท 7 แสดงผลลพธของการตออปกรณในขอ 3 และ 4

รปท 7 การตดตงสายอากาศโมโนโพลแบบ E plane

227

5. วางต าแหนงสายอากาศทง 2 ใหหางกน 1 เมตร ปรบความสงใหมระดบเดยวกน และมทศทางหนหนาเขาหากน

รปท 8 ระยะทาง r ระหวางสายอากาศ

6. ขนตอนในการปรบแตงมดงน ท RF Generator 1 GHz OSCILLATOR MODE ……………………………… 1KHz 1 GHz OSCILLATOR RF POWER ……………………... OFF 10 GHz OSCILLATOR RF POWER ……………………. OFF ใหเปดสวทช Power ของ RF Generator และ Power Supply ใหเปดเครองคอมพวเตอรและเรมตนใชงานโปรแกรม LVDAM-ANT แพทเทอรนของการแผคลนสญญาณ 7. ใหปรบสวทช RF POWER ทความถ OSCILLATOR 1 GHz ไปทต าแหนง ON และใหปรบแตงการควบคมการลดทอนสญญาณทรบไดมคาทเหมาะสมจากโปรแกรมและเรมตนเกบขอมลและบนทกแพทเทอรนการแผคลนทางดาน E Plane ลงใน antenna 1 8. ใหหมนสายอากาศตวสงสญญาณแบบ Yagi ใหอยในทศแนวตง (Vertically polarized) และในสวนของสายอากาศตวรบใหปลดเสาจบยดสายอากาศแบบแนวนอนออกจาก Slide Support และเปลยนเปนใชเสาจบยดแบบแนวตงแทน และท าการตอสายอากาศตวรบสญญาณ โมโนโพล ลงบนเสาจบยดใหมน ซงจะเปนการจดวางแบบ H- plane และเปลยนสายเคเบล SMA จากขนาดกลางเปนขนาดสนในการตอระหวางสายอากาศกบตวลดทอน 10dB ดงรปท 9 ท าการเกบขอมลใหมอกครง และบนทกเปนแบบ H-plane ลงใน antenna1 9. ปลดสายอากาศตวรบ โมโนโพล ออกจากเสาจบยดและปลด ground plane ออกจากอปกรณตวตอสายอากาศและใหสอดสายอากาศ 4 เสน ทมการหกมมตรงกลางลงไปทแตละมมของอปกรณตอสายอากาศ และยดสายอากาศอนใหมนเขากบเสาจบยดหมนไปทางทจะท าใหเปน H-plane ดงแสดงในรปท 10

228

รปท 9 การตดตงสายอากาศแบบโมโนโพลใหมการแผคลนเปน H plane

รปท 10 การตดตง drooping monopole

229

10. ท าการทดลองโดยการใชระดบการลดทอนเหมอนเดม ใหท าการปรบเปลยนการจบยดและสายตอ SMA ตามความเหมาะสมในการตดตงอปกรณ จากนนการเกบขอมลแพทเทอรนทางดาน H Plane เสรจเรยบรอยแลวใหท าการตดตงอปกรณตวรบสญญาณแบบ E Planeและเรมการ plot แพทเทอรนการแผคลน E-plane ของสายอากาศ โมโนโพลแบบ drooping และใหเกบคาของรปแบบทง 2 ลงในขอมล antenna 2 11. นกศกษามแพทเทอรนการแผคลนของสายอากาศทง 2 แลวในขณะน มอดตาม E-plane แลวสายอากาศ โมโนโพล ชนดใดมอตราขยายทดกวา ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 12. ท าการหารปแบบของ E-H และ 3-D option (ใหอางถงการทดลอง 1-4 โดยก าหนดต าแหนงทถกตองของรปแบบทไมไดอตราสวน) ท าการบนทกคาลงใน antenna 1 และ antenna 2 data box จากนนพมพแพทเทอรนการแผคลน (ในรป 2 มต และ 3 มต) ของสายอากาศ โมโนโพล ทม ground plane 13. ปลดสายทง 4 เสน ออกจากแตละมมของสายอากาศตวรบ โมโนโพล จากนนท าการทดลองอกครงโดยไมมการปรบเปลยนระดบการลดทอนเพอหา E-plane หลงจากนนท าการจดวางอปกรณในทศทาง H plane ตามความเหมาะสมเพอ plot แพทเทอรนการแผคลนของ H-plane และเกบขอมลทไดลงใน antenna 3 14. เปรยบเทยบรปแบบการแผคลนของ 2 สายอากาศกอนหนานกบ โมโนโพล น นกศกษาสงเกตเหนอะไร ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ทศทางของสายอากาศ 15. ตามทฤษฎแลวสายอากาศ โมโนโพล นนจะเปน 2 เทา (มากกวา 3 dB) ของสายอากาศ

ไดโพล แบบ /2 ตดตงสายอากาศตวรบสญญาณ ไดโพล แบบ /2 แลวหาคา E-plane โดยใชระดบการลดทอนเดมเกบขอมลรปแบบทไดลงใน antenna 3

230

16. เปรยบเทยบผลลพธทไดครงสดทายนกบรปแบบ E-plane ของ โมโนโพล สายอากาศแบบใดใหอตราขยายทดกวา และตางกนเทาใด ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ถามวาผลลพธของมมทไดถกตองตามทฤษฎหรอไมอธบายวาท าไม ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… การทดลองเพมเตม การทดลองตาง ๆ ตอไปน จะท าไดกตอเมอนกศกษามสวนประกอบเพมเตมคอ 1 GHz Directonal coupler หมายเหต : เราจะมองเหนระยะหาง B ระหวางจดกงกลางของลวดตวน ากบขอบของรทใส ground plane ซงจะมผลกบคา อมพแดนซ ซงจะมผลกบคา อมพแดนซ สายอากาศ โมโนโพล เราจะท าการทดลองนเพอออกแบบหาความเหมาะสมในการ matching กบสายสงก าลง นกศกษาจะตองวดอตราสวนคลนนง (SWR) ดวามนจะแสดงผลกระทบของ ground plane ทมตอ อนพต อมพแดนซ ของสายอากาศ 17. อางถงขนตอน 20 ของการทดลอง 1-1 เกยวกบการตดตง directional coupler ใหตงปรบ สวทยของ RF Power ทความถ OSC. 1Hz ไปทต าแหนง ON และปรบการลดทอนของโปรแกรมไวท 10 dB จากนนบนทกคาสญญาณทรบได

P1 = ______dB 18. ตดตงสายอากาศ โมโนโพลเขากบเสาจบยดและตดตงเสาเขากบ Sliding Support ทอยบนAntenna Positioner และตดตงสายอากาศเขากบ directional coupler ดงขนตอน 20 ของการทดลอง 1-1 19. ไมตองปรบแตงระดบการลดทอนบนทกสญญาณใหมทรบได

P2 = ______dB

231

20. ค านวณหา SWR. ของสายอากาศ X = _________ dB

= _________ SWR. = ______ 21. ปลด ground plane ออกจากสายอากาศ โมโนโพล คงเหลอไวแตสวนทเปนสายอากาศ แลวท าซ าอกครงหนงโดยใชระดบการลดทอนเดมบนทกระดบของสญญาณ P2 = _______dB หาคา SWR ของสายอากาศน ___________________ 22. อธบายผลทเกดขนทง 2 น ไดวาอยางไร ? ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 23. ท าการบนทกแพทเทอรนการแผคลนเพอทจะไดเกบไวใชในอนาคต จากนน ออกจาก program LVDAM-ANT ปดสวทซ ทงหมดไปทต าแหนง OFF ปดเครองคอมพวเตอร ปลดอปกรณทงหมดน าไปใสไวในทใสอปกรณ

17.4. สรปผลการทดลอง ในการทดลองนนกศกษาได plot แพทเทอรนการแผคลนของทงสายอากาศแบบ โมโนโพล และ drooping monopole ซงนกศกษาสามารถเปรยบเทยบรปแบบทกระจายตามความยาวคลนทง 2 และพจารณาคา Gain ของมน และความคลายคลงกนของมน และนกศกษาไดบนทกการสญเสย Gain เมอ โมโนโพล ไมม ground plane นกศกษาไดเปรยบเทยบรปแบบของ E-plane ระหวาง

/4 โมโนโพล กบ /2 ไดโพล ซงแสดงถงขนาดทเลกลงของ ground plane Gain ของ โมโนโพล ทนอยกวา ความเปนจรงตามทฤษฎ

232

17.5. ค าถามทายการทดลอง 1. ทฤษฎอะไรทเปนทมาของสายอากาศ โมโนโพล แบบมาตรฐาน จงอธบาย ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. จงอธบายวาท าไม directivity ของ โมโนโพล ทอยเหนอ ground plane จงมคาเปน 2 เทา ของ ไดโพล ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. จงออกแบบสายอากาศแบบ โมโนโพล ทความถ 800 MHz (ยาน UHF) และนกศกษาตองการ ground plane จงค านวณหาขนาดของมน ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

233

4. คาพารามเตอรอะไร ทควรท าการพจารณาในการหาคา อนพต อมพแดนซ ของสายอากาศแบบ โมโนโพล ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. สาย 4 เสน ทมมม 45 องศา ตดตงอยทแตละมมของ drooping antenna ใชท าอะไร ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………