アンテナは電気と電波とを変換する装置。
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、そのアンテナには様々な大きさ・形状のものがあり、一見して用途との関連がわかりにくい。
この勉強会では、アンテナの大まかな動作原理を理解することで、何故アンテナに様々なバリエーションがあるのかを実例を見ながら考えてゆく。
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」と呼ばれる仮想的な電流を導入した。変位電流を想定することで、様々な電磁現象を矛盾なく説明することが可能になった。
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。
用途 | 周波数 | 波長 |
周波数と波長の例 | ||
電波時計 (福島) | 40kHz | 7.5km |
AMラジオ (BSN) | 1116kHz | 269m |
短波放送 (ラジオNIKKEI) | 6.055MHz | 49.5m |
FMラジオ (FM PORT) | 79.0MHz | 3.8m |
テレビ (TeNY) | 550MHz | 54.5cm |
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。