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*アンテナ入門 [#y8936451]
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。
#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。
|CENTER:電波の発生|
|&ref(E-H.png,,70%);|
|&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,,70%);|
|&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]]
** 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３万km進むので、以下の関係がある。
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) | 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|~|
|[[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。
** 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」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。
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,,70%);|
|&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>アンテナ入門/01_Maritime#suikai]]
** アンテナの性質 [#a1645c02]
** 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、指向性がない場合に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。~
指向性を鋭くするには以下のような方法がある。
--ダイポールアンテナに比べ、単体で利得の高い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
: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とみなすことができ、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(抵抗)が直列につながった回路とみなせ、この回路の特性を「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。
|CENTER:ダイポールアンテナの等価回路(共振時)|
|&ref(Dipole-EquivTuned.png,,50%);|
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。~
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戻って来る。これは不具合の原因となる。
:周波数幅|
:偏波|
*** 送受の可逆性 [#odb56929]
** 色々なアンテナ [#s5a1ab8e]
-用途
-特化
-制限
*** モノポールアンテナ [#uac871e5]
-短縮手法
-バリエーション
--逆Ｌアンテナなど
--ブラウンアンテナなど
--スリーブ
--コリニア
*** 一波長ループアンテナ [#e05ac5d3]
*** コーナーリフレクタ [#lee55887]
*** 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
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導波管スロットアンテナ
進行波アンテナ
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