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

สายอากาศสามารถออกแบบให้ส่งหรือรับคลื่นวิทยุได้ในทุกทิศทางแนวราบเท่าๆกันที่เรียกว่าสายอากาศทุกทิศทาง (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), ซึ่งมีหน้าที่นำทางคลื่นวิทยุให้อยู่ในรูปลำแสงหรือรูปแบบการแผ่กระจายคลื่นที่ต้องการอื่นๆ

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)

ศัพท์บัญญัติ

สัญลักษณ์แบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับเสาอากาศ

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)

ภาพรวม

อาร์เรย์ของสายอากาศ Atacama ขนาดใหญ่มิลลิเมตร submillimeter

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)

สายอากาศแท่งบนรถเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยของเสาอากาศรอบทิศทาง (อังกฤษ: omnidirection)

ตามลักษณะการใช้งานและเทคโนโลยีที่มีอยู่, เสาอากาศโดยทั่วไปจะตกอยู่ในหนึ่งในสองประเภทต่อไปนี้:

1. สายอากาศรอบทิศทาง หรือสายอากาศที่สัญญาณอ่อนเฉพาะบางทิศทางเท่านั้น แต่จะรับหรือส่งมากหรือน้อยในทุกทิศทาง สายอากาศประเภทนี้จะถูกนำมาใช้เมื่อตำแหน่งสัมพันธ์กับสถ​​านีอื่นไม่เป็นที่รู้จักหรือไม่ชัดเจน พวกมันยังถูกใช้ที่ความถี่ต่ำอีกด้วยในตำแหน่งที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางจะมีขนาดใหญ่เกินไป หรือเพียงเพื่อลดค่าใช้จ่ายในการนำมาใช้งานในจุดที่เสาอากาศเฉพาะทิศทางไม่มีความจำเป็นต้องใช้
2. 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

สายอากาศแบบไดโพลครึ่งคลื่น

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)

แผนผังของสนามไฟฟ้า (สีฟ้า) and และสนามแม่เหล็ก (สีแดง) ถูกแผ่โดยสายอากาศแบบไดโพล (แท่งสีดำ) ในระหว่างการส่ง

เสาอากาศที่ซับซ้อนกว่าแบบไดโพลหรือแบบแนวตั้งมักจะมีวัตถุประสงค์เพื่อเพิ่มการควบคุมทิศทางซึ่งจะมีผลให้เพิ่มเกนของเสาอากาศไปด้วย นี้สามารถทำได้ในหลายวิธีที่แตกต่างกันที่จะนำไปสู่ความมากมายเหลือเฟือของการออกแบบสายอากาศ ส่วนใหญ่ของการออกแบบถูกป้อนด้วยเส้นสมดุล (ไม่เหมือนสายอากาศโมโนโพล) และจะขึ้นอยู่กับสายอากาศแบบไดโพลที่มีอีลิเมนท์เพิ่มเติมซึ่งจะเพิ่มคุณสมบัติด้านทิศทางของมัน ในกรณีนี้ "เกน" ของเสาอากาศจะอธิบายถึงความเข้มข้นของพลังงานที่แผ่ออกไปในมุมที่มั่นคงของพื้นที่เฉพาะ ที่ตรงข้ามกับการแผ่กระจายคลิ่นที่สม่ำเสมอแบบทรงกลมของตัวส่งคลิ่นในอุดมคติ พลังงานที่เพิ่มขึ้นในทิศทางที่ต้องการจะเป็นค่าใช้จ่ายของพลังงานที่ไม่อยู่ในทิศทางที่พึงประสงค์ พลังงานจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการ และไม่มีการเพิ่มขึ้นของพลังงานสุทธิเกินกว่าที่ถูกส่งมาจากแหล่งจ่ายพลังงาน (เครื่องส่ง)

ยกตัวอย่างเช่นสายอากาศเฟสอาร์เรย์จะประกอบด้วยสายอากาศง่ายๆตั้งแต่สองตัวขึ้นไป พวกมันเชื่อมต่อกันผ่านทางวงจรไฟฟ้า นี้มักจะเกี่ยวข้องกับสายอากาศไดโพลแบบคู่ขนานที่มีระยะห่างระยะหนึ่ง. เมื่อขึ้นอยู่กับเฟสสัมพันธ์ที่ถูกสร้างขึ้นโดยวงจรไฟฟ้านั้น การทำงานร่วมกันของสายอากาศไดโพลหลายตัวที่เหมือนกันสามารถทำงานเป็น "อาร์เรย์ด้านกว้าง" (อังกฤษ: broadside array) (ทิศทางเดียวกับเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์) หรือเป็น "end-fire array" (ทิศทางตามเส้นที่เชื่อมต่ออีลิเมนท์). สายอากาศอาร์เรย์อาจใช้สายอากาศพื้นฐาน(รอบทิศทางบางส่วน)ใด ๆ เช่นไดโพล, แบบห่วงหรือสายอากาศแบบ slot. อีลิเมนท์ของสายอากาศเหล่านี้มักจะเหมือนกัน

ภาพวาดแสดง เสาอากาศโทรทัศน์ ยากิ-อูดา VHF จากปี 1954 ที่ใช้สำหรับช่องแอนะลอก 2-4, 54-72 MHz (ช่อง USA) มี 5 อีลิเม้นท์: 3 ไดเรกเทอร์ (ทางซ้าย) 1 รีเฟลกเทอร์ (ขวาสุด) และ 1 แอคทีฟอิลิเมนท์ซึ่งเป็น ไดโพลแบบม้วน (แท่งคู่) เพื่อแมทช์กับฟึดไลน์ สายคู่ 300 โอห์ม ทิศทางของลำคลื่น (ทิศทางที่ให้ความไวสูงสุด) ไปทางซ้าย

อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์แบบบันทึกช่วงเวลา (อังกฤษ: log-periodic dipole array) จะประกอบด้วยอีลิเมนท์แบบไดโพลหลายตัวที่มีความยาวแตกต่างกัน เพื่อทำให้เป็นสายอากาศแบบทิศทางเฉพาะที่มีแบนด์วิดธ์กว้างอย่างสุดขั้ว: พวกนี้มักจะถูกใช้สำหรับการรับโทรทัศน์ในพื้นที่ชายขอบ อีลิเมนท์ทุกตัวจะพิจารณาว่าเป็น "อีลิเมนท์ที่แอคทีฟ" (อังกฤษ: active element) เนื่องจากพวกมันทั้งหมดจะเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน (และต่อเข้ากับสายส่ง). อย่างไรก็ตาม ไดโพลอาร์เรย์ที่คล้ายกันอย่างเผินๆ 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 (ปกติท​​ี่จุดโฟกัสของจานพาราโบลาหรือที่คอหอยของแตร) ซึ่งอาจพิจารณาว่าเป็น active element อันหนึ่งในระบบเสาอากาศนั้น สายอากาศไมโครเวฟยังอาจถูกฟีดโดยตรงจากท่อนำคลื่น (อังกฤษ: wave guide)ในตำแหน่งของสายส่ง (ที่เป็นต้วนำ)

สายอากาศที่ใช้กับสถานีฐานแบบเซลล์ของโทรศัพท์เคลื่อนที่

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

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 (ตามที่ปรากฏในรูปแบบการกระจายคลื่นของสายอากาศ) และเกน(Gain)หรือ กำลังขยายที่ได้รับ 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