アンテナの動作原理


ここでは様々なアンテナの動作原理を紹介します. 基本的にはどんな導体でもアンテナになりますが,指向性や利得を考えると中波・短波帯で効率のよいアンテナがあります. 送受可逆の定理があるので送信アンテナは受信アンテナとしても使えます.

目次

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バーアンテナ

普通のラジオに内蔵されているアンテナ. 磁性体のフェライトの周囲に導線をぐるぐると巻いたもので要するにコイルです. 磁性体はコイルの性能を高める働きをします.

コイルのそばで磁石を動かすとコイルには電流が流れます. これがファラデーの電磁誘導の法則で,磁石の動きに対応するのが電磁波の時間変化です. つまり,電波の変化に応じた電流がコイルに流れます.

このアンテナは指向性を持っています. これは磁力線がコイルを一番多く通り抜ける方向があるからで,ラジオの向きを変えると受信状態が変化します. これを利用し混信してくる放送局を排除することができます. アンテナの指向性としては8の字(cosθ)になります.

コイルコンデンサーを組み合わせると共振回路を構成でき,希望の周波数を拾い出すことができます. 基本的にループアンテナと全く同じなので動作原理はループアンテナのところを参照.

バーアンテナの概観と指向性の図

バーアンテナの概観と指向性

コイルを磁力線が横切れば電流が流れる. このため,コイルの軸を放送局に対して直角に向けたとき感度が最大になる. 指向性の見方は,8の字の切れ込んでいるところが感度最小,8の字の大きく膨らんでいるところが感度最大.

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微小ループアンテナ

バーアンテナを大きくしたものと考えられます(明確な区別があるわけではない). 微小の意味は波長(中波の場合はおよそ300m程度)と比べて十分小さいということです. 指向性は8の字(cosθ)です. コイルの断面積が大きいと磁場に対する効率がいいので,大型のループアンテナの方がラジオに内蔵されているバーアンテナよりも性能がよくなります.

これもコンデンサーを接続し共振回路として用います. ループアンテナを有効に使うには,混信してくる放送局を感度最小になるようにすることです. 聞きたい放送局に感度最大を向ける必要はありません.

より詳しい動作原理を知りたい方は,詳しいバーアンテナと微小ループアンテナの動作原理を参照して下さい.

ループアンテナの概観と指向性の図

混信・雑音からの逃れ方の図

ループアンテナの概観と指向性

ループ面内から到来する電波に感度がある. ループ面に垂直方向から到来する電波に関しては感度がなくなる.

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ビバレージアンテナ

進行波アンテナの代表的なもの. 放送局の方向に向けて1波長以上(中波では300m程度)にわたって導線を張り,終端に電磁波の反射を防ぐ抵抗を接続してあるアンテナです. 電磁波によって流れる電流を導線の各部分で集め,抵抗によって電磁波の反射を防ぐことで鋭い単一指向性を持たせています. 中波ではその大きさから実際に作ることは困難でしょう. 大地の伝導率が悪いほど効率がよくなりますが,一般に効率がよくないアンテナなので送信に用いられることはなく受信のみに用いられます.

より詳しい動作原理は,数式であらわしたビバレージアンテナの指向性を参照して下さい.

ビバレージアンテナの概観と指向性の図

ビバレージアンテナの概観と指向性

向かって右側から到来する電波に対して感度がある. 指向性は1波長の長さのときのものである.

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ダイポールアンテナ

ダイポールアンテナとしては1/2波長のものが用いられることが多いです. これは1/2波長のとき共振し効率がいいからです. 複数組み合わせると指向性と利得が向上します. これは八木アンテナ(テレビアンテナに使われている)として知られています.

より詳しい動作原理は,数式であらわした1/2波長のダイポールアンテナの指向性を参照して下さい.

ダイポールアンテナの概観と指向性の図

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中波送信アンテナ

中波送信アンテナは基本的にはダイポールアンテナです. 中波の場合,1/2波長といっても100m程度になるので,大地に垂直にアンテナを設置して鏡像を作り,1/4波長のアンテナとすることが普通です. このことから,一般に中波の放送は垂直偏波であり無指向性であることがわかります.

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Eweアンテナ

進行波ループアンテナの代表的なものと考えられます. 最近アマチュア無線の世界で受信用のアンテナとして注目を集めているアンテナです.

小型(波長の1/10以下)のアンテナながら単一の指向性(カージオイドという図形)を持っています. わずかに発生する電磁波の位相の差を用いて単一の指向性を得ていること,終端抵抗により電力が消費される事から効率はよくはありません. これも終端抵抗により電磁波の反射を抑えていることが単一の指向性を持つ原因です.

このアンテナを使えば文化放送に混信してくる韓国のKBS社会教育放送を除去できるかもしれません. ただし,小型といっても中波で実用になるには10m近い大きさが必要そうです.

より詳しい動作原理は,数式であらわしたEweアンテナの指向性を参照して下さい.

[追記] 2003/05/26

EWEアンテナをもっと小さくしたK9AYというアンテナがあります. 動作原理は同じだと思いますが,大きさはずっと小さくなります. といっても中波で実用になるには大きそうですが.

Eweアンテナの概観と指向性の図

Eweアンテナの概観と指向性

抵抗の反対側から到来する電波に対して感度がある. 波長に比べて十分小さいときの指向性はカージオイド(心臓型)である.

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