アンテナ入門の履歴差分(No.12)

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*アンテナ入門 [#y8936451]

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。

-電波とは何か、どのように伝わるのか

-アンテナはどのように動作するのか

-アンテナを特徴づける性質にはどのようなものがあるか

-使用目的に対して、どのようなアンテナが使われるのか
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#contents

#aname(whatsradiowave)
** 電波とは何か [#ia3be62f]

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。

|>|>|CENTER:マクスウェルの電磁方程式|h
|∇・'''''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''''') ＝ －d'''''B'''''('''t''', '''''x''''')/d'''t''' | 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''''') ＋ d'''''D'''''('''t''', '''''x''''')/d'''t''' | 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。

|CENTER:電波の発生|
|&ref(E-H.png,,50%);|
|CENTER:&color(red){''→'' 磁界};　&color(blue){''→'' 電界};|
~
|CENTER:右方向に進む電波|
|&ref(Wave.png,,50%);|
|CENTER:&color(red){''→'' 磁界};　&color(blue){''→'' 電界};　''→'' 進行方向|

参考: [[Radio wave (Wikipedia:en)>https://en.wikipedia.org/wiki/Radio_wave]]

#aname(characteristics)
** 電波の特性 [#ia3be62f]

:波長|電界(又は磁界)が一周期ぶんの間に進む距離。~
電界(又は磁界)が一秒間に変化する回数を周波数と呼び、電波は一秒間に約３０万km進むので、以下の関係がある。
~
|周波数[Hz]×波長[m]≒300000000[m]((真空中で299792458m))|
~
実際には、使用する周波数によって伝搬形態が異なる。以下に例を挙げる。
|>|>|>|CENTER:周波数と波長の例|h
|CENTER:用途|CENTER:周波数|CENTER:波長|CENTER:伝搬形態|h
|LEFT:|RIGHT:|RIGHT:|CENTER:|c
|[[電波時計 (福島)>http://jjy.nict.go.jp/jjy/log/index.html]]|   40kHz| 7.5km|地表波(地表(導体表面)に沿って伝搬)|
|AMラジオ ([[BSN>http://www.ohbsn.com/]])              | 1116kHz|  269m|地表波、空間波(電離層で反射)|
|短波放送 ([[ラジオNIKKEI>http://www.radionikkei.jp/]])|6.055MHz| 49.5m|空間波|
|FMラジオ ([[FM PORT>https://www.fmport.com/]])        | 79.0MHz|  3.8m|直接波(見通し範囲内)|
|テレビ ([[TeNY>https://www.teny.co.jp/]])             |  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>http://www.river.go.jp/x/xmn0107010.php]])|  9.4GHz| 3.2cm|~|
|>|>|>|RIGHT:L[m] = 300 / f [MHz]|

:偏波|電波は進行方向に対して直角に電界あるいは磁界のベクトルが発生するが、このうち電界ベクトルの方向を偏波と呼ぶ。~
前項の[[電波とは何か>#whatsradiowave]]の説明では電界が上下方向に発生しているので垂直偏波となる。

** 半波長ダイポールアンテナ [#t5031af2]

半波長ダイポールアンテナは[[電波とは何か>#whatsradiowave]]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。

|CENTER:半波長ダイポールアンテナ|
|&ref(Dipole.png,,50%);|
|RIGHT: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。

|CENTER:電流・電圧分布|
|&ref(Dipole-VI.png,,50%);|
|CENTER:COLOR(blue){━ 電流}　COLOR(red){━ 電圧}|

-ダイポールアンテナの例 - [[海岸局>アンテナ入門/01_Maritime#suikai]]

** アンテナの諸特性 [#a1645c02]

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。

:指向性|一般にアンテナは、方向によって電波を放射する強度(あるいは受信信号の強度)が異なり、これを指向性と呼ぶ。指向性を利用することで、特定の方向からの電波を選択的に受信したり、不要な電波を受信しないようにしたり、あるいは電波の到来方向を検知したりできる。~
ダイポールアンテナの場合、指向性は素子と垂直の方向が最も強く、素子方向がゼロになる。３次元でみるとドーナツ状の指向形状となる。
|CENTER:ダイポールアンテナの指向特性|
|&ref(Dipole-dir.png,,50%);|

:利得|前項で説明したようにアンテナは指向特性を持つが、指向性がまったくないアンテナと比べ、どの程度強く電波を送受信できるかの程度を利得と呼ぶ。~
アンテナの利得を上げるには指向性を鋭くする。指向性が鋭くなるほど利得が上る。~
利得を上げるには以下のような方法がある。
--単体で高い利得を持つアンテナを使用する
--アンテナの前後に補助的な素子を追加する
--指向と逆方向に導体を置き、電波を指向方向に反射させる
--アンテナを複数配置し、それら全てに給電する (アレイ、スタックなどと呼ぶ)

:特性インピーダンス|送信機や給電線からアンテナをみると、アンテナを通常の電気回路で近似することができ、これを等価回路と呼ぶ。~
ダイポールアンテナは、L(コイル)、C(コンデンサ)、R(負荷抵抗)が直列につながった回路とみなせ、この回路固有の値を「特性インピーダンス」という。通常の電気回路ではRで消費されたエネルギーは熱になるが、アンテナの場合は電波となって空間に放射される。
|CENTER:ダイポールアンテナの等価回路|
|&ref(Dipole-Equiv.png,,50%);|
ダイポールアンテナが共振状態の時、LとCは打消しあって、Rのみが存在している状態と等価になる。~
共振状態のとき、かつ、給電線の特性インピーダンスZとアンテナの負荷抵抗Rが等しい場合を「アンテナが整合している」といい、最も効率よく電波が放射される。~
整合時のダイポールアンテナの負荷抵抗は約７３Ωである。
|CENTER:ダイポールアンテナの等価回路(共振時)|
|&ref(Dipole-EquivTuned.png,,50%);|
|RIGHT:f=1/(2*π√LC), Z=Rで整合|
アンテナが整合していない場合、送信機から送り出されたエネルギーの一部がアンテナから送信機に戻って来る。これは不具合の原因となる。

:帯域幅|ダイポールアンテナのような共振型アンテナの場合、周波数を共振周波数から変えてゆくと次第に整合が取れなくなり、ある周波数で使用不能になる。~
共振周波数を中心とした、アンテナが使用可能な周波数範囲をアンテナの帯域幅という。~
~
アンテナの種類によって帯域幅は変ってくるが、複数の周波数を使用する場合や高速の通信を行う場合は帯域幅が広いほうが望ましい。

:偏波|[[電波の特性>#characteristics]]で説明した偏波は、アンテナの種類によって決まってくる。~
~
偏波は送信アンテナと受信アンテナで合せる必要がある。~
偏波が合っていないと、受信強度が低下する。特に送受が直交していると受信できなくなる (逆に、混信を防ぐためにこの性質を利用することもできる)。

:アンテナの可逆性|アンテナの動作は本質的に可逆である。~
今まで説明したアンテナの諸特性は、送信時・受信時ともに同一であると考えてよい。
~
このことが一本のアンテナを送信にも受信にも使うことを可能にしている((但し、アンテナの直下に増幅や変換の回路が挿入されていたり、極端に損失の多いアンテナを使用する場合はその限りではない))。~

** 色々なアンテナ [#s5a1ab8e]

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 [#uac871e5]
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。

|CENTER:１／４波長モノポールアンテナ|
|&ref(Monopole.png,,50%);|
|RIGHT: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。

|>|CENTER:波長モノポールアンテナの特性|
|&ref(Monopole-VI.png,,50%);|&ref(Monopole-dir.png,,50%);|
|CENTER:電圧・電流分布: COLOR(blue){━ 電流}　COLOR(red){━ 電圧}|CENTER:指向特性|
|&ref(Monopole-Equiv.png,,50%);||
|CENTER: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の例 - [[中波ラジオ放送所>アンテナ入門/03_Broadcast#nhk-r]]、[[DGPS局>アンテナ入門/01_Maritime#shiriya]]

*** モノポールアンテナのバリエーション [#j587b7b5]
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。
~
-短縮手法
--容量冠や装荷コイルの挿入、かご状素子を用いる、などして素子長を短縮する
|>|>|CENTER:素子の短縮|
|&ref(TopHat.png,,70%);|&ref(LoadingCoil.png,,70%);|&ref(BirdCage.png,,70%);|
|CENTER:容量冠&br;例:[[中波ラジオ送信所>アンテナ入門/03_Broadcast#tophat]]|CENTER:装荷コイル&br;例:[[船舶局>アンテナ入門/01_Maritime#MF2182]]|CENTER:かご状素子|
~
--素子を途中で折り曲げる
|>|CENTER:素子の変形|
|&ref(InvertedL.png,,50%);|&ref(T.png,,50%);|
|CENTER:逆L型アンテナ&br;例: [[海保航空基地>アンテナ入門/02_Aviation#Ltype]]|CENTER:T型アンテナ|
逆L型アンテナは高さを抑えることができるので、携帯機器にも使用されている。この場合、基板のアース部分を接地とし、基板上に直接実装することができる。
~
-接地面の代替~
電波の到達距離を稼ぐため、アンテナの地上高く設置すると接地を取るのが困難になる。~
このような場合は、接地面の替りの構造を持つ以下のようなアンテナを使用する。
|>|>|CENTER:接地面の代替|
|&ref(Brown.png,,70%);|&ref(Sleeve.png,,70%);|&ref(htype.png,,70%);|
|CENTER:ブラウンアンテナ|CENTER:スリーブアンテナ  例:[[海保航空基地>アンテナ入門/02_Aviation#Ltype]]|CENTER:h型アンテナ|

-利得の向上~
今迄説明したような垂直系のアンテナの利得を向上させるためには、水平方向の指向性が鋭くなるようにする。
５／８波長アンテナは、上空への放射が少なくなる変りに、水平方向の放射が多くなる。~
コリニアアンテナは、同軸構造を数段積み重ねて水平方向の指向性を鋭くしている。これは「アンテナの諸特性 - 利得」の項で説明したアンテナアレイの一種と考えられる。
|>|CENTER:利得の向上|
|&ref(L5_8.png,,70%);|&ref(Colinear.png,,70%);|
|CENTER:５／８波長アンテナ&br;コンデンサを挿入し、整合を取る|CENTER:コリニアアンテナ&br;例:[[放送局本社>アンテナ入門/03_Broadcast#bsn-hq]]|

*** 一波長ループアンテナ [#e05ac5d3]
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。

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。

このアンテナは、上下２分割して考えると、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もできる。
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。

|CENTER:１波長ループアンテナ|
|&ref(Loop.png,,70%);|
|CENTER: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 [#lee55887]
*** コーナーリフレクタアンテナ [#lee55887]
|CENTER:コーナーリフレクタアンテナ|
|&ref(CornerRef.png,,70%);|
|CENTER:|

*** 八木・宇田アンテナ [#i2d2e4d8]

*** パラボラアンテナ [#x24a7e60]
-一次給電の方法
--オフセット
--カセグレイン

*** 平面アンテナ [#l712989f]
-マイクロストリップアンテナ
-平面逆Ｆアンテナ
-パッチアンテナ

*** 共振型以外のアンテナ [#uad389c3]
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
アンテナ入門 の履歴差分(No.12)

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