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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。
| 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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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
