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現在、電波を用いる機器はテレビ、ラジオ、携帯電話、WiFi ... など身近にも沢山あるが、そのすべてにアンテナがついている。アンテナには様々な大きさ・形状のものがあり、また、電波が目に見えないこととも相まって、アンテナがどのような原理で動作しているのかを直感的に理解することは難しい。
この勉強会では、実例を交えながら以下のことについて見てゆく。
イギリスの物理学者マクスウェル(James Clark Maxwell)は、1864年にそれまで知られていた電気・磁気に関する現象を統一的に記述できる４つの方程式を提唱した。
| マクスウェルの電磁方程式 | ||
| ∇・D(t, x) ＝ ρ(t, x) | 電荷のまわりに電界が発生する | クーロンの法則 |
| ∇・B(t, x) ＝ 0 | 磁気はN極、あるいはS極だけの単独で存在しない | 磁気単極子の非存在 |
| ∇×E(t, x) ＝ −dB(t, x)/dt | 磁界が変化すると電界が発生する | ファラデーの法則 |
| ∇×H(t, x) ＝ ρ(t, x) ＋ dD(t, x)/dt | 電流、そして電界の変化とで磁界が発生する | アンペールの法則＋変位電流 |
マクスウェルは、４番目の式で「変位電流」と呼ばれる概念を導入した。何もない空間中に変位電流が流れると仮定すると、様々な電磁現象を矛盾なく説明することが可能になる。
そして、３番目の４番目の式を組み合わせると電界の変化と磁界の変化が波動として伝わってゆくことが示される。これが電波（電磁波）である。
| 電波の発生 |
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| → 磁界 → 電界 |
| 右方向に進む電波 |
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| → 磁界 → 電界 → 進行方向 |
| 周波数[Hz]×波長[m]≒300000000[m]*1 |
| 周波数と波長の例 | |||
| 用途 | 周波数 | 波長 | 伝搬形態 |
| 電波時計 (福島) | 40kHz | 7.5km | 地表波(地表(導体表面)に沿って伝搬) |
| AMラジオ (BSN) | 1116kHz | 269m | 地表波、空間波(電離層で反射) |
| 短波放送 (ラジオNIKKEI) | 6.055MHz | 49.5m | 空間波 |
| FMラジオ (FM PORT) | 79.0MHz | 3.8m | 直接波(見通し範囲内) |
| テレビ (TeNY) | 550MHz | 54.5cm | |
| GPS (民生用) | 1.575GHz | 19cm | |
| 携帯電話 (Band1) | 2.1GHz | 14.3cm | |
| WiFi (801.11a/n/ac) | 5GHz | 6cm | |
| 雨雲レーダー (国交省 XRAIN) | 9.4GHz | 3.2cm | |
| L[m] = 300 / f [MHz] | |||
半波長ダイポールアンテナは電波とは何かで説明した電波を発生する機構をそのまま実現した最も基本的なアンテナで、現在使われているアンテナの大部分は、このダイポールアンテナを基礎としている。
ダイポールアンテナは、１／４波長の素子が給電線の先端に２つ取り付けられている。２つの素子は直線上に配置され、素子間は絶縁された構造となっている。
| 半波長ダイポールアンテナ |
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| L=波長 |
このアンテナから電波を送信している時の電流は中央部で最も大きく、逆に電圧は先端部で最も大きい。
このような動作をするアンテナを「共振型アンテナ」と呼ぶ。共振型アンテナは特定の波長（周波数）で能率よく動作する。
| 電流・電圧分布 |
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| ━ 電流 ━ 電圧 |
アンテナには様々な特性があり、それらがアンテナの動作を評価する上での軸となる。
以下にダイポールアンテナを例にとり、それらの特性を説明する。
| ダイポールアンテナの指向特性 |
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| ダイポールアンテナの等価回路 |
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| ダイポールアンテナの等価回路(共振時) |
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| f=1/(2*π√LC), Z=Rで整合 |
アンテナの種類は非常に多いが、その中の大部分を占める共振型のアンテナについては、最初に説明した半波長ダイポールアンテナの変形として考えることができる。
これらのアンテナはそれぞれ特徴を持ち、実際に使用する用途に適した特徴のアンテナが選択される。
また、使用する状況で発生する物理的な制限に耐えうるよう、基本的なアンテナにアレンジを加えて使用される場合も多い。
モノポールアンテナはダイポールアンテナを半分にしたもので、下図に示すように給電線の片方に１／４波長の素子を接続し、もう片方の給電線を接地(無限大の大きさを持つ平面導体に接続)するなどして使用するものをいう。
| １／４波長モノポールアンテナ |
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| L=波長 |
モノポールアンテナの電圧・電流分布や指向特性はダイポールアンテナと同等、負荷インピーダンスは半分の約３６Ωとなる。
| 波長モノポールアンテナの特性 | |
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| 電圧・電流分布: ━ 電流 ━ 電圧 | 指向特性 |
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| 等価回路 | |
垂直に設置したモノポールアンテナは水平方向に最も利得があり、方角的には無指向性である。このため、移動体通信や同報・放送的な用途によく用いられる。また、構造がシンプルなため携帯機器でも多く採用される。
モノポールアンテナを設置する場合、、サイズが大きくなりすぎる、必要なスペースが確保できない、接地が確保できない、などの制約が課せられる場合がある。
これに対応するため、以下のような方法が考案されている。
| 素子の変形 | |
 |  |
| 逆L型アンテナ 例: 海保航空基地 | T型アンテナ |
| 接地面の代替 | ||
 |  |  |
| ブラウンアンテナ | スリーブアンテナ 例:海保航空基地 | h型アンテナ |
| 利得の向上 | |
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| ５／８波長アンテナ コンデンサを挿入し、整合を取る | コリニアアンテナ 例:放送局本社 |
一波長ループアンテナは１波長の長さの素子を円形にし、素子の両端に給電線を接続したものである。
素子の形は必ずしも円形である必要はなく、方形等であってもよい。
このアンテナを上下２分割してみると、１／２波長ダイポールアンテナをスタックしたものと考えることができる。
| １波長ループアンテナ |
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| 構造とその動作 |
一波長ループアンテナはループ面と垂直方向に指向性を持ち、利得はダイポールアンテナより大きい。偏波は、上図では水平偏波となる。
これらの特性は、ダイポールアンテナのスタックしたという類推と一致する。
| コーナーリフレクタアンテナ |
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磁気アンテナ
磁気ループアンテナ フェライトバーアンテナ
導波管アンテナ
電磁ホーン 導波管スロットアンテナ
進行波アンテナ
ビバレージアンテナ ロンビックアンテナ ヘリカルアンテナ
