Antenna-theory-quick-guide
アンテナ理論-基礎
考え、考え、疑念を伝える必要がある人は、*音声コミュニケーション*でそうすることができます。
次の図は、互いに通信する2人の個人を示しています。 ここでは、通信は*音波*を介して行われます。 ただし、2人が遠距離にいる人と通信したい場合は、これらの音波を*電磁波*に変換する必要があります。 必要な情報信号を電磁波に変換するデバイスは、*アンテナ*として知られています。
アンテナとは?
アンテナはトランスデューサーであり、電力を電磁波に、またはその逆に変換します。
アンテナは、*送信アンテナ*または*受信アンテナ*として使用できます。
- *送信アンテナ*は、電気信号を電磁波に変換して放射するものです。
- *受信アンテナ*は、受信ビームからの電磁波を電気信号に変換するものです。
- 双方向通信では、送信と受信の両方に同じアンテナを使用できます。
アンテナは、*空中*とも呼ばれます。 それの複数は、*アンテナ*または*アンテナ*です。 今日、アンテナはサイズと形状に応じて多くの変更を受けています。 幅広い用途に応じて、多くの種類のアンテナがあります。
次の写真は、さまざまなタイプのアンテナの例です。
この章では、アンテナの基本概念、仕様、さまざまなタイプのアンテナについて学習します。
アンテナの必要性
通信システムの分野では、無線通信の必要性が生じるたびに、アンテナの必要性が生じます。 *アンテナ*には、通信のために電磁波を送信または受信する機能があります。ここでは、配線システムを敷設することはできません。 次のシナリオでこれを説明します。
シナリオ
遠隔地に接続するには、谷、山、退屈な道、トンネルなどに沿ったルート全体に配線を敷設して、遠隔地に到達する必要があります。 ワイヤレス技術の進化により、このプロセス全体が非常に簡単になりました。 アンテナは、このワイヤレステクノロジーの重要な要素です。
上の画像では、アンテナは谷や山を含む地域全体で通信を確立するのに役立ちます。 このプロセスは、エリア全体に配線システムを敷設するよりも明らかに簡単です。
放射メカニズム
アンテナの唯一の機能は、*電力放射*または受信です。 アンテナ(送信、受信、またはその両方)は、伝送ラインを介してステーションの回路に接続できます。 アンテナの機能は、伝送ラインの放射メカニズムに依存します。
最小の損失で長距離にわたって電流を流すように設計された導体は、伝送ライン*と呼ばれます。 たとえば、アンテナに接続されているワイヤ。 均一な速度で電流を流し、無限の範囲を持つ直線の伝送線路は、*電力を放射しません。
伝送線路の場合、導波管になるか、電力を放射するには、そのように処理する必要があります。
- 電力を放射する必要がある場合、電流伝導は等速ですが、ワイヤまたは伝送ラインは曲がったり、切断されたり、終端される必要があります。
- この伝送ラインに電流があり、それが時変定数で加速または減速する場合、ワイヤがまっすぐであっても電力を放射します。
- デバイスまたはチューブは、エネルギーを放射するために曲がったり終端したりする場合、「導波管」と呼ばれます。 これらは、特にマイクロ波の送信または受信に使用されます。
これは、次の図を観察することでよく理解できます-
上の図は、アンテナとして機能する導波管を表しています。 送電線からの電力は、エネルギーを放射するために、開口部を備えた導波管を通過します。
アンテナの基本的なタイプ
アンテナは、に応じてさまざまなタイプに分けられます-
- アンテナの物理的構造。
- 動作の周波数範囲。
- アプリケーションのモードなど。
物理的構造
以下は、物理構造に応じたアンテナの種類です。 これらのアンテナについては、後の章で学習します。
- ワイヤーアンテナ
- 開口アンテナ
- リフレクターアンテナ
- レンズアンテナ
- マイクロストリップアンテナ
- アレイアンテナ
動作頻度
以下は、動作周波数に応じたアンテナの種類です。
- 超低周波(VLF)
- 低周波(LF)
- 中周波(MF)
- 高周波(HF)
- 超高周波(VHF)
- 超高周波(UHF)
- 超高周波(SHF)
- マイクロ波
- 電波
アプリケーションのモード
以下は、アプリケーションのモードに応じたアンテナの種類です-
- ポイントツーポイント通信
- 放送アプリケーション
- レーダー通信
- 衛星通信
アンテナ理論-基本的なパラメーター
この章では、アンテナを使用したワイヤレス通信についてのより良いアイデアを得るために、基本的な通信パラメーターについて説明します。 無線通信は波の形で行われます。 したがって、通信における波動の特性を調べる必要があります。
この章では、次のパラメータについて説明します-
- 周波数
- 波長
- インピーダンス整合
- VSWRと反射電力
- 帯域幅
- 帯域幅の割合
- 放射強度
それでは、それらについて詳しく学びましょう。
周波数
標準的な定義によると、「特定の期間にわたる波の繰り返しの割合は、*周波数*と呼ばれます。」
単に、頻度とは、イベントが発生する頻度のプロセスを指します。 周期的な波は、 'T' 秒(期間)ごとに繰り返されます。 周期波の*周波数*は、時間の逆数(T)に他なりません。
数式
数学的には、次のように書かれています。
どこで
- f は周期波の周波数です。
- T は、波が繰り返される期間です。
単位
周波数の単位は*ヘルツ*で、 Hz と略されます。
上記の図は正弦波を表しており、ミリボルト単位の時間に対してミリボルト単位の電圧をプロットしています。 この波は2tミリ秒ごとに繰り返されます。 したがって、期間、T = 2tミリ秒および周波数、$ f = \ frac \ {1} \ {2T} KHz $
波長
標準的な定義によると、「2つの連続する最大ポイント(山)間の距離、または2つの連続する最小ポイント(谷)間の距離は*波長*として知られています。」
単純に、2つの即時の正のピークまたは2つの即時の負のピーク間の距離は、その波の長さに他なりません。 Wavelength と呼ぶことができます。
次の図は、周期的な波形を示しています。 *波長(λ)*と振幅が図に示されています。 周波数が高いほど、波長は短くなり、逆もまた同様です。
数式
波長の式は、
どこで
- *λ*は波長です
- c は光の速度です($ 3 * 10 ^ \ {8} $メートル/秒)
- f は周波数です
単位
波長*λ*は、メートル、フィート、インチなどの長さの単位で表されます。 一般的に使用される用語は*メートル*です。
インピーダンス整合
標準定義によると、「送信機のインピーダンスのおおよその値は、受信機のインピーダンスのおおよその値と等しい場合、またはその逆の場合、*インピーダンス整合*と呼ばれます。」
アンテナと回路の間でインピーダンス整合が必要です。 *最大電力伝送*がアンテナと受信機または送信機の間で行われるように、アンテナ、伝送ライン、および回路のインピーダンスが一致する必要があります。
マッチングの必要性
共振デバイスは、特定の狭い周波数帯域でより良い出力を提供するデバイスです。 アンテナはそのような*共振デバイス*であり、そのインピーダンスが一致すると、より良い出力が得られます。
- *アンテナのインピーダンス*が自由空間のインピーダンスと一致する場合、アンテナから放射される電力は効果的に放射されます。
- *受信機アンテナ*の場合、アンテナの出力インピーダンスは受信機アンプ回路の入力インピーダンスと一致する必要があります。
- *送信機アンテナ*の場合、アンテナの入力インピーダンスは、送信ラインのインピーダンスとともに、送信機アンプの出力インピーダンスと一致する必要があります。
単位
インピーダンスの単位(Z)は*オーム*です。
VSWRおよび反射電力
標準的な定義によれば、「定在波における最大電圧と最小電圧の比は、電圧定在波比」として知られています。
アンテナ、伝送ライン、および回路のインピーダンスが互いに一致しない場合、電力は効果的に放射されません。 代わりに、電力の一部が反映されます。
主な機能は次のとおりです-
- インピーダンス不整合を示す用語は VSWR です。
- VSWR は、電圧定在波比の略です。 SWR とも呼ばれます。
- インピーダンスの不整合が大きいほど、 VSWR の値が高くなります。
- VSWRの理想値は、効果的な放射のために1:1でなければなりません。
- 反射電力は、順方向電力から浪費される電力です。 反射電力とVSWRの両方が同じことを示しています。
帯域幅
標準の定義によれば、「特定の通信用に指定された波長内の周波数帯域は、帯域幅」として知られています。
信号は、送信または受信されると、ある範囲の周波数で行われます。 この特定の周波数範囲は特定の信号に割り当てられているため、他の信号が送信に干渉することはありません。
- *帯域幅*は、信号が送信される高周波数と低周波数の間の周波数帯域です。
- 割り当てられた帯域幅は、他の人が使用することはできません。
- スペクトル全体が帯域幅に分割され、異なる送信機に割り当てられます。
先ほど説明した帯域幅は、*絶対帯域幅*とも呼ばれます。
帯域幅の割合
標準定義によると、「絶対帯域幅とその帯域幅の中心周波数の比は、パーセント帯域幅」と呼ばれます。
信号強度が最大になる周波数帯域内の特定の周波数は、*共振周波数*と呼ばれます。 帯域の*中心周波数(fC)*とも呼ばれます。
- 高い周波数と低い周波数は、それぞれ* f〜H〜およびf〜L〜*として示されます。
- 絶対帯域幅は、-* f〜H〜-f〜L〜*で与えられます。
- 帯域幅の広さを知るには、 fractional bandwidth または percentage bandwidth を計算する必要があります。
数式
- パーセント帯域幅*は、コンポーネントまたはシステムが処理できる周波数変動を知るために計算されます。
どこで
- $ \ {f _ \ {H}} $はより高い頻度です
- $ \ {f _ \ {L}} $は低頻度です
- $ \ {f _ \ {c}} $は中心周波数です
帯域幅の割合が高いほど、チャネルの帯域幅は広くなります。
放射強度
「*放射強度*は、単位立体角あたりのパワーとして定義されます」
特定の方向により強いアンテナから放射される放射は、そのアンテナの最大強度を示します。 可能な限り最大限の放射線の放出は、放射線強度に他なりません。
数式
放射強度は、放射されるパワーに放射距離の二乗を掛けることで得られます。
どこで
- U は放射強度
- r は半径方向の距離です
- * W〜rad〜*は放射される電力です。
上記の式は、アンテナの放射強度を表します。 半径距離の関数は*Φ*としても示されます。
単位
放射強度の単位は Watts/steradian または Watts/radian ^ 2 ^ です。
アンテナ理論-パラメーター
アンテナの放射強度は、集束するビームの方向とその方向に向かうビームの効率に密接に関連しています。 この章では、これらのトピックを扱う用語を見てみましょう。
指向性
標準の定義によると、「対象のアンテナの最大放射強度と、同じ総電力を放射する等方性アンテナまたは参照アンテナの放射強度の比は、*指向性*と呼ばれます。」
アンテナは電力を放射しますが、放射する方向は非常に重要です。 性能が観察されているアンテナは、*サブジェクトアンテナ*と呼ばれます。
その*放射強度*は、送信または受信中に特定の方向に焦点を合わせます。 したがって、アンテナはその特定の方向に*指向性*を持っていると言われています。
- アンテナからの特定の方向の放射強度と、すべての方向で平均化された放射強度の比は、指向性と呼ばれます。
- その特定の方向が指定されていない場合、最大強度が観測される方向は、そのアンテナの指向性と見なすことができます。
- 非等方性アンテナの指向性は、特定の方向の放射強度と等方性放射源の放射強度の比に等しくなります。
数式
放射電力は、角度位置と回路からの半径距離の関数です。 したがって、*θ*と*Ø*の両方の用語を考慮して表されます。
どこで
- $ \ {\ phi(\ theta、\ phi)_ \ {max}} $は、対象アンテナの最大放射強度です。
- $ \ {\ phi _ \ {0}} $は、等方性アンテナ(損失のないアンテナ)の放射強度です。
開口効率
標準定義によれば、「*アンテナの開口効率*は、開口の物理的面積に対する有効放射面積(または有効面積)の比率です。」
アンテナには、電力が放射される開口部があります。 この放射は、最小限の損失で効果的である必要があります。 放射の有効性は物理的にアンテナの開口部の面積に依存するため、開口部の物理的な面積も考慮する必要があります。
数式
開口効率の数式は次のとおりです-
どこで
- $ \ varepsilon _ \ {A} $は絞り効率です。
- $ \ {A _ \ {eff}} $は有効な領域です。
- $ \ {A _ \ {p}} $は物理的な領域です。
アンテナ効率
標準的な定義によれば、「*アンテナ効率*は、アンテナの放射電力とアンテナが受け入れる入力電力の比です。」
簡単に言えば、アンテナは、入力で与えられた電力を最小限の損失で放射することを意味します。 アンテナの効率は、伝送ラインでの損失を最小限に抑えながらアンテナがどれだけ効率的に出力を提供できるかを説明します。
これは、アンテナの*放射効率係数*とも呼ばれます。
数式
アンテナ効率の数式は以下のとおりです-
どこで
- $ \ eta _ \ {e} $はアンテナ効率です。
- $ \ {P _ \ {rad}} $は放射される電力です。
- $ \ {P _ \ {input}} $はアンテナの入力電力です。
Gain
標準的な定義によれば、「アンテナの*ゲイン*は、アンテナによって受け入れられる電力が等方的に放射された場合に得られる放射強度に対する特定の方向の放射強度の比率です。」
簡単に言えば、アンテナのゲインでは、アンテナの指向性とその効果的な性能が考慮されます。 アンテナによって受け入れられた電力が等方的に放射された場合(つまり、すべての方向に放射される場合)、得られる放射強度は参照として取得できます。
- 「アンテナゲイン」という用語は、ピーク放射の方向から等方性光源の方向に送信される電力の量を表します。
- ゲイン*は通常 *dB で測定されます。
- 指向性とは異なり、アンテナゲインでは発生する損失も考慮されるため、効率が重視されます。
数式
ゲインの式Gは、次のとおりです。
どこで
- G はアンテナのゲインです。
- $ \ eta _ \ {e} $はアンテナの効率です。
- D はアンテナの指向性です。
単位
ゲインの単位は*デシベル*または単に dB です。
アンテナ理論-近距離場と遠距離場
前の章で説明したアンテナパラメータの後、考慮すべきもう1つの重要なトピックは、アンテナの近距離領域と遠距離領域です。
アンテナの近くで測定した場合の放射強度は、アンテナから離れた場所とは異なります。 このエリアはアンテナから離れていますが、放射強度はまだ高いため、効果的であると見なされます。
ニアフィールド
アンテナに近いフィールドは、 near-field と呼ばれます。 誘導効果があるため、*誘導場*とも呼ばれますが、放射成分がいくつかあります。
ファーフィールド
アンテナから遠いフィールドは、*ファーフィールド*と呼ばれます。 この領域では放射効果が高いため、「放射フィールド」とも呼ばれます。 アンテナの指向性およびアンテナの放射パターンとともに、アンテナパラメータの多くは、この領域でのみ考慮されます。
フィールドパターン
場の分布は、場の強度の観点から定量化することができ、場のパターンと呼ばれます。 つまり、プロットされたときのアンテナからの放射電力は、電界E(v/m)で表されます。 したがって、それは*フィールドパターン*として知られています。 電力(W)で定量化される場合、*電力パターン*として知られています。
放射フィールドまたはパワーのグラフィカルな分布は、
- 遠距離場の空間角(θ、Ø)。
- 近距離場の空間角(θ、Ø)および半径距離(r)
近距離場と遠距離場の分布は、図を使用してよく理解できます。
フィールドパターンは次のように分類できます-
- 反応性近接場領域と放射近接場領域–両方とも近接場と呼ばれます。
- 放射遠距離領域–単に遠距離と呼ばれます。
アンテナに非常に近いフィールドは、*反応性近接フィールド*または*放射が支配的ではない*非放射フィールド*です。 その隣の領域は、放射が支配的であるため、*放射フィールド*または*フレネルフィールド*と呼ばれ、アンテナからの物理的な距離に依存します。
その隣の領域は、*放射遠距離*領域です。 この領域では、電界分布はアンテナからの距離に依存しません。 この領域で有効な放射パターンが観察されます。
アンテナ理論-放射パターン
放射は、アンテナでの波面の放射または受信を表すために使用される用語で、強度を指定します。 どの図でも、アンテナの放射を表すために描かれたスケッチは、*放射パターン*です。 放射パターンを見ると、アンテナの機能と指向性を簡単に理解できます。
アンテナから放射されるときの電力は、近距離および遠距離領域で効果があります。
- グラフィカルに、放射はアンテナからの*角度位置*および*放射距離*の関数としてプロットできます。
- これは、アンテナの放射特性の数学関数であり、球座標の関数E(θ、Ø)およびH(θ、Ø)として表されます。
放射パターン
アンテナから放射されるエネルギーは、アンテナの*放射パターン*で表されます。 放射パターンは、放射エネルギーの空間への分布を、方向の関数として図式的に表したものです。
エネルギー放射のパターンを見てみましょう。
上記の図は、ダイポールアンテナの放射パターンを示しています。 放射されるエネルギーは、特定の方向に描かれたパターンによって表されます。 矢印は放射の方向を表します。
放射パターンは、フィールドパターンまたはパワーパターンです。
- *フィールドパターン*は、電界と磁界の関数としてプロットされます。 それらは対数スケールでプロットされます。
- *電力パターン*は、電場と磁場の大きさの二乗の関数としてプロットされます。 これらは対数または一般的にdBスケールでプロットされます。
3Dの放射パターン
放射パターンは3次元の図形であり、球体座標系の中心を原点とする球体座標(r、θ、Φ)で表されます。 次の図のように見えます-
指定された図は、*オムニ指向性パターン*の3次元放射パターンです。 これは、3つの座標(x、y、z)を明確に示しています。
2Dの放射パターン
2次元パターンは、3次元パターンを水平面と垂直面に分割することで取得できます。 これらの結果のパターンは、それぞれ Horizontal pattern および Vertical pattern として知られています。
図は、上で説明したように、HおよびV平面での全方向性放射パターンを示しています。 Hプレーンは水平パターンを表し、Vプレーンは垂直パターンを表します。
ローブ形成
放射パターンの表現では、アンテナの「放射効率」を知るための主要な放射領域とマイナーな放射領域を示すさまざまな形状に遭遇することがよくあります。
理解を深めるために、ダイポールアンテナの放射パターンを表す次の図を検討してください。
ここで、放射パターンにはメインローブ、サイドローブ、バックローブがあります。
- より広い領域をカバーする放射フィールドの大部分は、*メインローブ*または*メジャーローブ*です。 これは、最大放射エネルギーが存在する部分です。 このローブの方向は、アンテナの指向性を示しています。
- 放射が側方に分布するパターンの他の部分は、*サイドローブ*または*マイナーローブ*として知られています。 これらは、電力が浪費される領域です。
- メインローブの方向とまったく反対のローブがあります。 それは back lobe としても知られていますが、これもマイナーローブです。 ここでもかなりの量のエネルギーが無駄になっています。
例
レーダーシステムで使用されるアンテナがサイドローブを生成する場合、ターゲットの追跡は非常に困難になります。 これは、これらのサイドローブによって誤ったターゲットが示されるためです。 実際のものを追跡し、偽物を識別するのは面倒です。 したがって、パフォーマンスを向上させてエネルギーを節約するには、これらの*サイドローブ*の*除去*が必要です。
療法
そのような形で浪費されている放射エネルギーを利用する必要があります。 これらの小さなローブが除去され、このエネルギーが一方向(つまり大きなローブの方向)に迂回されると、アンテナの*指向性*が増加し、アンテナのパフォーマンスが向上します。
放射パターンの種類
放射パターンの一般的なタイプは次のとおりです-
- 無指向性パターン(無指向性パターンとも呼ばれます):通常、パターンは3次元表示でドーナツ型になります。 ただし、2次元表示では、8の字のパターンを形成します。
- 鉛筆ビームパターン-ビームは鋭い指向性の鉛筆形のパターンを持っています。
- Fan-beam pattern-ビームには扇形のパターンがあります。
- 成形ビームパターン-不均一でパターンのないビームは成形ビームとして知られています。
これらすべてのタイプの放射の参照ポイントは、等方性放射です。 等方性放射は実用的ではありませんが、考慮することは重要です。
アンテナ理論-等方性放射
前の章では、放射パターンについて説明しました。 アンテナの放射に関するより良い分析を行うには、基準点が必要です。 等方性アンテナの放射がこの空間を埋めます。
定義
- 等方性放射*は、測定の方向に関係なく同じ強度で、すべての方向に均一に放射する点光源からの放射です。
アンテナの放射パターンの改善は、常にそのアンテナの等方性放射を使用して評価されます。 放射がすべての方向で等しい場合、*等方性放射*として知られています。
- 点光源は等方性放射体の例です。 ただし、すべてのアンテナがある程度の指向性でエネルギーを放射するため、この等方性放射は実際には不可能です。
- 等方性放射は、*全方向性放射*に他なりません。
- 3Dで見るとドーナツ型のパターンになり、2Dで見ると8の字型になります。
上記の図は、等方性または全方向性パターンの放射パターンを示しています。 図1は3Dのドーナツ型パターンを示し、図2は2Dの8の字型パターンを示しています。
Gain
等方性ラジエーターにはユニティゲインがあります。つまり、すべての方向でゲインファクターが1です。 dBの観点では、0dBゲイン(ゼロロス)と呼ぶことができます。
等価等方性放射電力
標準の定義によれば、「最大アンテナゲインの方向で観測されるピーク電力密度を生成するために等方性アンテナが放射する電力の量は、 Equivalent Isotropic Radiated Power と呼ばれます。」
アンテナの放射エネルギーが片側または特定の方向に集中するように作られている場合、放射はそのアンテナの等方性放射電力に相当し、そのような放射はEIRPと呼ばれます。 等価等方性放射電力。
Gain
等方性放射は架空のものですが、アンテナが提供できる最高の放射です。 このようなアンテナのゲインは3dBiになります。3dBは2倍で、「i」は等方性条件の係数を表します。
放射が特定の角度に集中している場合、EIRPはアンテナゲインとともに増加します。 アンテナのゲインは、アンテナを特定の方向に集中させることで最適に達成されます。
有効放射電力
等方性アンテナではなく、半波ダイポールを基準として放射電力を計算する場合、* ERP(Effective Radiated Power)*と呼ぶことができます。
EIRPが既知の場合、ERPは上記の式から計算できます。
アンテナ理論-ビームと偏波
この章では、アンテナの放射ビームのパラメータについて説明します。 これらのパラメータは、ビームの仕様を知るのに役立ちます。
ビーム面積
標準の定義によれば、「ビーム領域は、P(θ、Ø)がΩ〜A〜にわたって最大値を維持し、他の場所でゼロであった場合にアンテナから放射されるすべての電力が流れる立体角です。」
アンテナの放射ビームは、立体角として知られるアンテナの角度から出てきます。この角度では、電力放射強度が最大になります。 この*ソリッドビーム角*は*ビーム面積*と呼ばれます。 *Ω〜A〜*で表されます。
放射強度P(θ、Ø)は、ソリッドビーム角Ω〜A〜全体で一定かつ最大に維持される必要があり、その値は他の場所ではゼロです。
ビーム角は、メインローブの半分のパワーポイント間の角度のセットです。
数式
ビーム面積の数式は
どこで
- $ \ Omega _ \ {A} $はソリッドビームの角度です。
- $ \ theta $は角度位置の関数です。
- $ \ Phi $は、半径距離の関数です。
単位
ビーム面積の単位は*ワット*です。
ビーム効率
標準的な定義によれば、「*ビーム効率*は、放射される総ビーム面積に対するメインビームのビーム面積の比率を示します。」
アンテナから放射されるときのエネルギーは、アンテナの指向性に従って投影されます。 アンテナがより多くの電力を放射する方向の効率は最大になりますが、エネルギーの一部はサイドローブで失われます。 ビームが放射する最大損失は、損失が最小で、「ビーム効率」と呼ばれます。
数式
ビーム効率の数式は次のとおりです-
どこで、
- $ \ eta _ \ {B} $はビーム効率です。
- $ \ Omega _ \ {MB} $はメインビームのビーム領域です。
- $ \ Omega _ \ {A} $は、ソリッドビームの合計角度(ビーム領域)です。
アンテナの偏波
アンテナは、要件に応じて分極できます。 直線偏光でも円偏光でもかまいません。 アンテナの偏波のタイプによって、受信または送信時のビームと偏波のパターンが決まります。
直線偏光
波が送信または受信されると、異なる方向で実行される場合があります。 アンテナの直線偏波は、他のすべての方向を避けて、特定の方向に波を維持するのに役立ちます。 この直線偏光が使用されますが、電界ベクトルは同じ平面にとどまります。 したがって、この直線偏波を使用して、アンテナの*指向性*を改善します。
円偏光
波が円偏光している場合、電界ベクトルは回転しているように見え、その成分はすべて方向を失います。 回転のモードも時々異なる場合があります。 ただし、円偏波*を使用すると、マルチパスの効果が低下するため、 *GPS などの衛星通信で使用されます。
水平偏光
地表面からの反射が波に影響するため、水平偏光は波を弱くします。 通常、1GHz未満の低周波数では弱くなります。 水平偏波*は、 TV信号*の送信に使用され、より良い信号対雑音比を実現します。
垂直偏光
低周波の垂直偏波は、地上波伝送に有利です。 これらは、水平偏光のような表面反射の影響を受けません。 したがって、*垂直偏光*は*モバイル通信*に使用されます。
各タイプの偏光には、それぞれ利点と欠点があります。 RFシステムの設計者は、システム要件に応じて、偏波のタイプを自由に選択できます。
アンテナ理論-ビーム幅
この章では、アンテナの放射パターンのもう1つの重要な要素である*ビーム幅*について説明します。 アンテナの放射パターンでは、メインローブはアンテナのメインビームで、アンテナから放射される最大かつ一定のエネルギーが流れます。
ビーム幅*は、ほとんどのパワーが放射される開口角です。 このビーム幅の2つの主な考慮事項は、ハーフパワービーム幅(HPBW)と最初のヌルビーム幅(FNBW)*です。
半出力ビーム幅
標準的な定義によれば、「放射パターンの大きさがメインビームのピークから50%(または-3dB)減少する角度間隔は、ハーフパワービーム幅」です。
つまり、ビーム幅は、ほとんどの電力が放射される領域であり、ピーク電力です。 *半出力ビーム幅*は、アンテナの有効放射フィールドにおいて、相対電力がピーク電力の50%を超える角度です。
HPBWの徴候
放射パターンの原点と両側の主ローブの半分のパワーポイントの間に線を引くと、これら2つのベクトル間の角度は HPBW 、半分のパワービーム幅と呼ばれます。 これは、次の図の助けを借りてよく理解できます。
この図は、メジャーローブとHPBWのハーフパワーポイントを示しています。
数式
半出力ビーム幅の数式は-
どこで
- $ \ lambda $は波長です(λ= 0.3/周波数)。
- D は直径です。
単位
HPBWの単位は*ラジアン*または*度*です。
最初のヌルビーム幅
標準定義によると、「メインローブに隣接する最初のパターンヌル間の角度スパンは、*最初のヌルビーム幅*と呼ばれます。」
簡単に言えば、FNBWは、主ローブから放射パターンのヌルポイントの間に描画されるメインビームから離れて引用される角度分離です。
FNBWの徴候
放射パターンの原点から開始して、メインビームに接する両側に接線を描きます。 これらの2つの接線間の角度は、最初のヌルビーム幅*(FNBW)*として知られています。
これは、次の図の助けを借りてよりよく理解できます。
上記の画像は、ハーフローブとメジャーローブとともに放射パターンでマークされたハーフパワービーム幅と最初のヌルビーム幅を示しています。
数式
First Null Beam Widthの数式は
どこで
- $ \ lambda $は波長です(λ= 0.3/周波数)。
- Dは直径です。
単位
FNBWの単位は*ラジアン*または*度*です。
有効長と有効面積
アンテナパラメーターの中で、有効長と有効面積も重要です。 これらのパラメータは、アンテナの性能を知るのに役立ちます。
有効長
アンテナの有効長は、アンテナの偏波効率を決定するために使用されます。
定義-「*有効長*は、アンテナの分極の同じ方向における、受信アンテナの開放端子の電圧の大きさと入射波面の電界強度の大きさとの比です。」
入射波がアンテナの入力端子に到達すると、この波にはある程度の電界強度があり、その大きさはアンテナの偏波に依存します。 この分極は、受信端末の電圧の大きさと一致する必要があります。
数式
有効長の数式は-
どこで
- $ l _ \ {e} $は有効な長さです。
- $ V _ \ {oc} $は開回路電圧です。
- $ E _ \ {i} $は、入射波の電界強度です。
有効面積
定義-「*有効面積*は、受信アンテナの領域であり、受信波面からの電力の大部分を吸収し、波面にさらされるアンテナの全領域に到達します。」
受信中のアンテナの全領域は、入ってくる電磁波に直面しますが、アンテナの一部のみが、*有効領域*として知られる信号を受信します。
波の一部は散乱し、一部は熱として放散されるため、受信した波面の一部のみが利用されます。 したがって、損失を考慮せずに、実際の面積に対して得られた最大電力を利用する面積を「有効面積」と呼ぶことができます。
有効面積は$ A _ \ {eff} $で表されます。
アンテナ理論-相反性
アンテナは、送信アンテナと受信アンテナの両方として使用できます。 その使用中に、動作モードが変更されるとアンテナのプロパティが変更される可能性があるかどうかという質問に遭遇する場合があります。 幸いなことに、それについて心配する必要はありません。 変更できないアンテナのプロパティは、*相互関係*のプロパティと呼ばれます。
相互関係のプロパティ
相反性を示す送受信アンテナの特性は次のとおりです-
- 指向性パターンの平等。
- 指向性の平等。
- 有効長の平等。
- アンテナインピーダンスの等価性。
これらの実装方法を見てみましょう。
指向性パターンの平等
受信アンテナ2に送信する送信アンテナ1の*放射パターン*は、アンテナ2が送信し、アンテナ1が信号を受信する場合、アンテナ2の放射パターンに等しくなります。
指向性の平等
- 指向性の値が両方のケースで同じである場合、指向性は送信アンテナと受信アンテナの両方で同じです。 送信アンテナの電力から計算しても受信アンテナの電力から計算しても、指向性は同じです。
有効長の同等
最大有効口径の値は、送信アンテナと受信アンテナの両方で同じです。 波長の値に応じて、送信アンテナと受信アンテナの両方の*長さ*の*同等性*が維持されます。
アンテナインピーダンスの平等
効果的な通信では、送信アンテナの出力インピーダンスと受信アンテナの入力インピーダンスは等しくなります。
同じアンテナを送信機または受信機として操作しても、これらの特性は変わりません。 したがって、*相互性のプロパティ*が続きます。
アンテナ理論-ポインティングベクトル
アンテナは、情報を送信または受信するために電磁エネルギーを放射します。 したがって、*エネルギー*および*電力*という用語はこれらの電磁波に関連付けられており、それらについて議論する必要があります。 電磁波には電場と磁場の両方があります。
両方のベクトルで見ることができる任意の瞬間の波を考慮してください。 次の図は、電磁波の電界成分と磁界成分の表示を示しています。
電波はEM波の伝播に対して垂直に存在し、磁気波は水平に位置しています。 両方のフィールドは互いに直角です。
ポインティングベクトル
ポインティングベクトルは、任意の時点での単位面積あたりの単位時間あたりのEM波のエネルギーを表します。 *ジョン・ヘンリー・ポインティング*は1884年にこのベクターを最初に導出したため、彼にちなんで命名されました。
定義-「ポインティングベクトルは単位面積あたりのエネルギー伝達率を与える」
or
「単位面積あたりの単位時間あたりの波のエネルギーは、ポインティングベクトルによって与えられます。」
ポインティングベクトルは*Ŝ*で表されます。
単位
ポインティングベクトルのSI単位は W/m ^ 2 ^ です。
数式
電磁波に関連付けられた電力を記述するために使用される量は、瞬間* Poyntingベクトル*であり、次のように定義されます。
どこで
- $ \ hat \ {S} $は、瞬間的なポインティングベクトル*(W/m ^ 2 ^)*です。
- $ \ hat \ {E} $は瞬間的な電界強度*(V/m)*です。
- $ \ hat \ {H} $は瞬間的な磁場強度*(A/m)*です。
ここで注意すべき重要な点は、EM波内でEの大きさがHよりも大きいことです。 ただし、どちらも同じエネルギー量を提供します。 は、方向と大きさの両方を持つベクトルです。 Ŝの方向は、波の速度と同じです。 その大きさはEとHに依存します。
ポインティングベクトルの導出
ポインティングベクトルについて明確なアイデアを得るために、このポインティングベクトルの導出をステップごとに見ていきましょう。
EM波が、波が移動するX軸に垂直な領域(A)を通過すると想像してみましょう。 Aを通過する間、無限時間(dt)で、波は距離(dx)を進みます。
どこで
したがって、面積(A)あたりの時間(dt)で転送されるエネルギーは-
から
から
- Ŝ*はポインティングベクトルを示します。
上記の式は、任意の瞬間における単位時間あたりの単位面積あたりのエネルギーを示します。これは*ポインティングベクトル*と呼ばれます。
アンテナ理論-アンテナの種類
アンテナは、物理構造と機能をより明確に理解するために分類する必要があります。 アプリケーションのアプリケーションに応じて、多くの種類のアンテナがあります。
Type of antenna | Examples | Applications |
---|---|---|
Wire Antennas | Dipole antenna, Monopole antenna, Helix antenna, Loop antenna | Personal applications, buildings, ships, automobiles, space crafts |
Aperture Antennas | Waveguide (opening), Horn antenna | Flush-mounted applications, air-craft, space craft |
Reflector Antennas | Parabolic reflectors, Corner reflectors | Microwave communication, satellite tracking, radio astronomy |
Lens Antennas | Convex-plane, Concave-plane, Convex-convex, Concaveconcave lenses | Used for very highfrequency applications |
Micro strip Antennas | Circular-shaped, Rectangularshaped metallic patch above the ground plane | Air-craft, space-craft, satellites, missiles, cars, mobile phones etc. |
Array Antennas | Yagi-Uda antenna, Micro strip patch array, Aperture array, Slotted wave guide array | Used for very high gain applications, mostly when needs to control the radiation pattern |
次の章で、上記のタイプのアンテナについて詳しく説明します。
アンテナ理論-ワイヤー
ワイヤーアンテナは、アンテナの基本的なタイプです。 これらはよく知られ、広く使用されているアンテナです。 これらのワイヤアンテナのより良いアイデアを得るために、最初に伝送ラインを見てみましょう。
伝送ライン
ワイヤまたは*伝送ライン*にはある程度の電力があり、一端から他端まで移動します。 伝送ラインの両端が回線に接続されている場合、情報はこれら2つの回線間でこのワイヤを使用して送信または受信されます。
このワイヤの一端が接続されていない場合、その中の電力は逃げようとします。 これは無線通信につながります。 ワイヤの一端が曲がると、エネルギーは以前よりも効率的に伝送ラインから逃げようとします。 この意図的な脱出は、*放射*として知られています。
放射が効果的に行われるためには、伝送ラインの開放端のインピーダンスが自由空間のインピーダンスと一致する必要があります。 四分の一波長サイズの伝送ラインを考えてみましょう。 それの遠端は開いたままにされ、高インピーダンスを提供するために曲げられます。 これは、*半波ダイポールアンテナ*として機能します。 すでに、伝送ラインの一端で低インピーダンスになっています。 インピーダンスが高い開放端は、より良い放射を提供するために自由空間のインピーダンスと一致します。
ダイポール
このような曲がったワイヤを介して行われるエネルギーの放射は、そのような伝送ラインの端は*ダイポール*またはダイポールアンテナと呼ばれます。
入力インピーダンスのリアクタンスは、ダイポールの半径と長さの関数です。 半径が小さいほど、リアクタンスの振幅は大きくなります。 波長に比例します。 したがって、ダイポールの長さと半径も考慮する必要があります。 通常、そのインピーダンスは約72Ωです。
これは次の図の助けを借りてよりよく理解されます。
図は、伝送ラインに接続された通常のダイポールの回路図を示しています。 ダイポールの電流は、中心で最大になり、端で最小になります。 電圧は中央で最小、両端で最大です。
ワイヤアンテナのタイプには、半波ダイポール、半波折り返しダイポール、全波ダイポール、短ダイポール、および無限ダイポールが含まれます。 これらすべてのアンテナについては、以降の章で説明します。
アンテナ理論-半波ダイポール
ダイポールアンテナは、効果的な放射のために切断および曲げられています。 ダイポールとして使用されているワイヤ全体の長さは、波長の半分に等しくなります(つまり、l =λ/2)。 このようなアンテナは「半波ダイポールアンテナ」と呼ばれます。 これは、その利点から最も広く使用されているアンテナです。 *ヘルツアンテナ*とも呼ばれます。
周波数範囲
半波ダイポールが動作する周波数の範囲は、約3KHz〜300GHzです。 これは主にラジオ受信機で使用されます。
半波ダイポールの構築と動作
これは通常のダイポールアンテナで、動作周波数は*波長の半分*です。 したがって、半波ダイポールアンテナと呼ばれます。
ダイポールのエッジには最大電圧があります。 この電圧は、本質的に交流(AC)です。 電圧の正のピークでは、電子は一方向に移動する傾向があり、負のピークでは、電子は他の方向に移動します。 これは以下の図で説明できます。
上記の図は、半波ダイポールの動作を示しています。
- 図1は、誘導された電荷が正の半サイクルにあるときの双極子を示しています。 現在、電子は電荷に向かって移動する傾向があります。
- 図2は、負の電荷が誘導された双極子を示しています。 ここでの電子は双極子から離れる傾向があります。
- 図3は、次の正の半サイクルの双極子を示しています。 したがって、電子は再び電荷に向かって移動します。
これの累積効果は、その上で生成された同じパターンで放射されるさまざまな電界効果を生成します。 したがって、出力は出力電圧パターンのサイクルに続く有効な放射になります。 したがって、半波ダイポールは*効果的に放射します*。
上の図は、半波ダイポールの電流分布を示しています。 半波ダイポールの指向性は2.15dBiであり、かなり良好です。 ここで、「i」は等方性放射を表します。
放射パターン
この半波ダイポールの放射パターンは、H面で*全方向*です。 移動体通信、無線受信機などの多くのアプリケーションに適しています。
上の図は、H面とV面の両方での半波ダイポールの放射パターンを示しています。
この双極子の長さは半波であり、最初の共振長であるため、双極子の半径はこの半波双極子の入力インピーダンスに影響しません。 アンテナは、その共振長で発生する*共振周波数*で効果的に機能します。
利点
以下は、半波長ダイポールアンテナの利点です-
- 入力インピーダンスは敏感ではありません。
- 伝送ラインのインピーダンスとよく一致します。
- 長さが妥当です。
- アンテナの長さは、サイズと指向性と一致します。
デメリット
以下は、半波長ダイポールアンテナの欠点です-
- 単一要素のためあまり効果的ではありません。
- 組み合わせた場合にのみうまく機能します。
アプリケーション
- 無線受信機で使用されます。
- テレビ受信機で使用されます。
- 他のアプリケーションで使用される場合、さまざまなアプリケーションに使用されます。
アンテナ理論-半波折り返しダイポール
折り返しダイポールは、2つの導体が両側に接続されたアンテナで、折り畳まれて円筒形の閉じた形状を形成し、中央に給電されます。 ダイポールの長さは波長の半分です。 そのため、「半波折り返しダイポールアンテナ」と呼ばれます。
周波数範囲
半波折り返しダイポールが動作する周波数の範囲は、約3KHz〜300GHzです。 これは主にテレビ受信機で使用されます。
半波折り返しダイポールの構築と動作
このアンテナは、一般に、アレイ型アンテナとともに使用して、給電抵抗を増加させます。 最も一般的に使用されるのは、八木宇田アンテナです。 次の図は、半波長折り返しダイポールアンテナを示しています。
このアンテナは、以前のダイポールアンテナと比較すると、余分な導電性要素(ワイヤまたはロッド)を使用します。 これは、アレイタイプのアンテナに、絶縁体を挟んで並列に少数の導電性エレメントを配置することにより継続されます。
次の図は、励起を備えた半波長折り返しダイポールアンテナの動作を説明しています。
主導体と折り返しダイポールの直径が同じ場合、アンテナの給電インピーダンスが4倍(2倍の2倍)増加します。 給電インピーダンスのこの増加は、この折り返しダイポールアンテナの一般的な使用の主な理由です。 ツインリードのため、インピーダンスは約300Ωになります。
放射パターン
半波折り返しダイポールの放射パターンは、半波ダイポールアンテナの放射パターンと同じです。 次の図は、半波折り返しダイポールアンテナの放射パターンを示しています。これは*全方向*パターンです。
最適な電力伝送が必要な場合、および大きなインピーダンスが必要な場合は、半波折り返しダイポールアンテナが使用されます。
この折り畳まれたダイポールは、*八木宇田アンテナ*の主要な要素です。 次の図は、後で調査する*八木宇田アンテナ*を示しています。 ここで使用される主な要素はこの折り返しダイポールで、アンテナフィードが与えられます。 このアンテナは、過去数十年にわたってテレビ受信に広く使用されてきました。
利点
以下は、半波長折り返しダイポールアンテナの利点です-
- 平衡信号の受信。
- 品質を損なうことなく、周波数帯域から特定の信号を受信します。
- 折り返しダイポールは、信号強度を最大化します。
デメリット
以下は、半波長折り返しダイポールアンテナの欠点です-
- アンテナの変位と調整は面倒です。
- アンテナのサイズが大きくなると、屋外管理が困難になる場合があります。
アプリケーション
以下は、半波長折り返しダイポールアンテナのアプリケーションです-
- 主に八木アンテナ、パラボラアンテナ、ターンスタイルアンテナ、対数周期アンテナ、フェーズドアレイ、リフレクターアレイなどの給電素子として使用されます。
- 一般的にラジオ受信機で使用されます。
- テレビ受信機のアンテナで最も一般的に使用されています。
アンテナ理論-全波ダイポール
ダイポールの長さ、つまり 総ワイヤは、全波長*λ*に等しく、*全波ダイポール*と呼ばれます。 全波長ダイポールが送信または受信のいずれかに使用される場合、放射がどのようになるかを見てみましょう。
全波ダイポールの構築と動作
電圧と電流の分布を備えた全波ダイポールを以下に示します。 波の正と負の両方のピークは、それぞれ正と負の電圧を誘導します。 ただし、誘導電圧は互いに打ち消し合うため、放射の問題はありません。
上図は、長さが*λ*の全波ダイポールの電圧分布を示しています。 2つの半波ダイポールが結合して全波ダイポールを形成していることがわかります。
正の電荷と負の電荷を同時に誘導するときの電圧パターンは、図に示すように互いに相殺します。 誘導された電荷はキャンセルされるため、それ以上放射を試みることはありません。 全波伝送ダイポールの場合、出力放射はゼロになります。
放射パターン
放射パターン、指向性、ゲインがないため、全波ダイポールがアンテナとして使用されることはほとんどありません。 つまり、アンテナは放射しますが、それは単なる熱放散であり、電力の浪費です。
デメリット
以下は、全波ダイポールアンテナの欠点です。
- 熱放散
- 権力の浪費
- 放射パターンなし
- 指向性もゲインもない
これらの欠点により、全波ダイポールはほとんど使用されません。
アンテナ理論-短いダイポール
- 短いダイポール*は単純なワイヤーアンテナです。 その一端は開回路で、もう一端にはAC電源が供給されます。 このダイポールは、その長さから名前をつけられました。
周波数範囲
短いダイポールが動作する周波数の範囲は、約3KHz〜30MHzです。 これは主に低周波受信機で使用されます。
ショートダイポールの構築と動作
- ショートダイポール*は、ワイヤの長さが波長より短いダイポールアンテナです。 電圧源が一方の端に接続されている間、双極子の形状が作られます。
長さLの短いダイポールの回路図を示します。 アンテナの実際のサイズは重要ではありません。 アンテナにつながるワイヤは、波長の10分の1未満でなければなりません。 あれは
どこで
- L は、短いダイポールのワイヤの長さです。
- *λ*は波長です。
別のタイプの短い双極子は無限長双極子で、その長さは波長よりもはるかに短いです。 その構造はそれに似ていますが、コンデンサプレートを使用します。
無限小双極子
長さが波長よりはるかに短い双極子は、*無限双極子*です。 このアンテナは実際には実用的ではありません。 ここで、ダイポールの長さは、波長の50分の1未満です。
ダイポールの長さ、Δl<<λ。 ここで、λは波長です。
したがって、名前が示すとおり、これは無限に小さな双極子です。
これらの双極子の長さが非常に短いため、ワイヤ内の電流はdIになります。 これらのワイヤは一般に、相互結合を低くする必要がある両側のコンデンサプレートで使用されます。 コンデンサプレートのため、電流の均一な分布が存在すると言えます。 したがって、ここでは電流はゼロではありません。
コンデンサプレートは、単純に導体または同等のワイヤにすることができます。 放射状電流によって放射される場は、遠方場で互いに打ち消し合う傾向があるため、コンデンサプレートアンテナの遠方場は、微小ダイポールで近似できます。
放射パターン
短いダイポールと無限小ダイポールの放射パターンは、半波ダイポールに似ています。 ダイポールが垂直の場合、パターンは円形になります。 放射パターンは、2次元パターンで見ると、「 figure of eight 」パターンの形をしています。
次の図は、短いダイポールアンテナの放射パターンを示しています。これは*全方向性パターン*です。
利点
以下は、短いダイポールアンテナの利点です-
- 小型のため、構造が簡単
- 電力消費効率が高い
デメリット
以下は、短いダイポールアンテナの欠点です-
- 高抵抗損失
- 高い消費電力
- 低い信号対雑音比
- 放射線が少ない
- それほど効率的ではない
アプリケーション
以下は、短いダイポールアンテナのアプリケーションです-
- 狭帯域アプリケーションで使用されます。
- チューナー回路のアンテナとして使用されます。
この章では、一般的で最も広く使用されているショートワイヤアンテナについて説明しました。 ロングワイヤアンテナについては、次の章で説明します。
アンテナ理論-ロングワイヤ
さまざまなタイプのショートワイヤアンテナを使用しました。 次に、長いワイヤアンテナを見てみましょう。 長いワイヤーアンテナ*は、いくつかのダイポールを使用して形成されます。 これらのタイプのアンテナのワイヤの長さは *n 倍*λ/2 *です
どこで、
- L はアンテナの長さです。
- n は要素の数です。
- *λ*は波長です
「n」が増えると、方向特性も増えます。
ロングワイヤアンテナのタイプ
長いワイヤアンテナは、2つのタイプ、すなわち-*共振アンテナ*および*非共振アンテナ*に分けられます。
共振アンテナ
共振アンテナは、放射電力の鋭いピークが特定の周波数でアンテナによって遮断され、定在波を形成するアンテナです。 放射波の放射パターンは、このタイプのアンテナの負荷インピーダンスと一致しません。
共振アンテナは本質的に周期的です。 放射波は2方向に移動するため、双方向進行波アンテナとも呼ばれます。つまり、ここでは入射波と反射波の両方が発生します。 これらのアンテナでは、アンテナの長さと周波数は互いに比例しています。
非共振アンテナ
非共振アンテナは、共振周波数が発生しないアンテナです。 波は順方向に移動するため、定在波を形成しません。 放射波の放射パターンは、非共振アンテナの負荷インピーダンスと一致します。
これらの非共振アンテナは、本質的に非周期的です。 放射波は順方向にのみ移動するため、単方向進行波アンテナとも呼ばれます。つまり、入射波のみが存在します。 周波数が増加すると、アンテナの長さが減少し、逆もまた同様です。 したがって、周波数と長さは互いに反比例します。
これらの長いワイヤアンテナは、V字型アンテナまたは菱形アンテナの構築の基本要素です。
アンテナ理論-Vアンテナ
ロングワイヤアンテナのより良いバージョンは、* V-アンテナ*です。 このアンテナは、長いワイヤをV字型に配置して形成されています。 エンドワイヤは脚と呼ばれます。 このアンテナは、双方向共振アンテナです。
周波数範囲
Vアンテナの動作周波数範囲は、約 3〜30 MHz です。 このアンテナは高周波数範囲で動作します。
Vアンテナの構築と作業
2本の長いワイヤをVの形に接続して、* Vアンテナ*を作成します。 2本の長いワイヤは、180°位相がずれて励起されます。 これらのワイヤの長さが増加すると、ゲインと指向性も増加します。
次の図は、伝送ラインインピーダンスがzで、ワイヤの長さがλ/2で、軸と角度Φ〜m〜を形成するVアンテナを示しています。これは*頂点角度*と呼ばれます。
Vアンテナによって達成される*ゲイン*は、通常のシングルロングワイヤアンテナよりも高くなります。 このV形成のゲインは、Vアンテナの脚に等しい長さを持つ単一の長いワイヤアンテナと比較して*ほぼ2 *です。 広範囲の放射を実現する場合、頂点の角度は、各脚のλ/2の数に関して、より高い周波数とより低い周波数の間の平均値を持つ必要があります。
放射パターン
Vアンテナの放射パターンは*双方向*です。 各伝送ラインで得られた放射は、結果の放射パターンを得るために加算されます。 これは、次の図で説明されています-
図は、Vアンテナの放射パターンを示しています。 Vパターンを形成する2つの伝送ラインは、AA 'とBB’です。 個々の伝送ラインのパターンと結果のパターンを図に示します。 結果のパターンは、軸に沿って表示されます。 このパターンは broad-side array に似ています。
別のVアンテナがこのアンテナに追加され、90°の位相差が供給されると、結果のパターンは end-fire になり、電力ゲインが2倍になります。 Vアンテナのアレイを追加することにより、指向性がさらに向上します。
利点
以下は、Vアンテナの利点です-
- 構造は簡単です
- 高ゲイン
- 低製造コスト
デメリット
以下は、Vアンテナの短所です-
- 定在波が形成される
- 発生したマイナーローブも強い
- 固定周波数操作にのみ使用されます
アプリケーション
以下は、Vアンテナのアプリケーションです-
- 商用目的で使用
- 無線通信で使用
アンテナ理論-逆Vアンテナ
前の章では、Vアンテナについて学習しました。 その動作周波数は制限されています。 これは、非共振アンテナまたは進行波アンテナである別のアンテナを使用して変更できます。 前述のように、進行波アンテナは定在波を生成しません。
周波数範囲
逆V型アンテナ(またはVアンテナ)の動作周波数範囲は、約 3〜30 MHz です。 このアンテナは高周波数範囲で動作します。
倒立Vアンテナの構築と動作
高周波帯域で使用される進行波アンテナは、*逆Vアンテナ*です。 この逆Vアンテナは、非導電性マストに簡単に取り付けられます。
次の画像をご覧ください。 屋根の上に取り付けられた逆Vアンテナを示しています。
逆Vアンテナの最大放射は中心にあります。 半波ダイポールアンテナに似ています。 アンテナは逆V字型に配置され、2本の伝送線または脚が地面に向かって曲がり、それらの間に120°または90°の角度があります。 アンテナの中心は、λ/4を超えないようにしてください。
脚の1つがアンテナの軸となす角度は、*傾斜角*と呼ばれ、*θ*で表されます。
放射パターン
ここでは定在波が形成されないため、逆Vアンテナの放射パターンは*単方向パターン*です。 以下に示す放射パターンから明確に理解できます。
図は、逆Vアンテナの放射パターンを示しています。 上図の傾斜角が120˚と90˚の場合、一次放射フィールドはフィールドとともに表示されます。 ゲインと指向性は、アンテナのアレイを持つことにより改善されます。
利点
以下は、逆Vアンテナの利点です-
- 横置きが少ない
- 定在波は形成されません
- 高ゲイン
デメリット
以下は、逆Vアンテナの欠点です-
- かなりの望ましくないマイナーローブがあります
- マイナーローブは水平偏波を生成します
アプリケーション
以下は、逆Vアンテナのアプリケーションです-
- 調整回路アプリケーションで使用
- 無線通信で使用
- 商用アプリケーションで使用
Vアンテナと逆Vアンテナの後、もう1つの重要な長いワイヤアンテナは*菱形アンテナ*です。 2つのVアンテナの組み合わせです。 これについては、次の章で説明します。
アンテナ理論-菱形
- 菱形アンテナ*は、等辺平行四辺形のアンテナです。 一般に、2つの正反対の鋭角があります。 傾斜角θは、90°から主ローブの角度を引いた値にほぼ等しくなります。 菱形アンテナは、進行波放射体の原理の下で機能します。 それは菱形またはダイヤモンドの形で配置され、地球の表面の上に水平に吊り下げられています。
周波数範囲
菱形アンテナの動作周波数範囲は、約 3MHz〜300MHz です。 このアンテナは、 HF および VHF の範囲で動作します。
菱形アンテナの構築
菱形アンテナは、端から端まで接続されて鈍角を形成する2つのV字型アンテナと見なすことができます。 そのシンプルさと構築の容易さにより、多くの用途があります-
- HF送信および受信
- 商用のポイントツーポイント通信
菱形アンテナの構造は、図に示すように菱形です。
菱形の両側は、2線式伝送ラインの導体と見なされます。 このシステムが適切に設計されると、放射の主軸に沿って放射が集中します。 実際には、電力の半分はアンテナの終端抵抗で消費されます。 残りの電力は放射されます。 無駄な力はマイナーローブに貢献します。
図1は、昔のポイントツーポイント通信用の*菱形アンテナ*の構造を示しています。 図2は、最近使用されているテレビ受信用の*菱形UHFアンテナ*を示しています。
菱形アンテナからの最大ゲインは主軸の方向に沿っており、主軸は給電点を通過して自由空間で終端します。 水平菱形アンテナから得られる偏波は、水平である菱形の平面にあります。
放射パターン
菱形アンテナの放射パターンを次の図に示します。 結果として得られるパターンは、アンテナの4本の脚すべてでの放射の累積効果です。 このパターンは*単方向*ですが、終端抵抗を削除することで双方向にできます。
菱形アンテナの主な欠点は、メインローブと結合しない放射の部分により、水平および垂直の両方の偏波を持つかなりのサイドローブが生じることです。
利点
以下は、菱形アンテナの利点です-
- 入力インピーダンスと放射パターンは比較的一定です
- 複数の菱形アンテナを接続できます
- シンプルで効果的な伝送
デメリット
以下は、菱形アンテナの欠点です-
- 終端抵抗器の電力の浪費
- 大きなスペースの要件
- 伝送効率の向上
アプリケーション
以下は、菱形アンテナのアプリケーションです-
- HF通信で使用
- 長距離の空波の伝播に使用されます
- ポイントツーポイント通信で使用
長いワイヤを使用する別の方法は、ワイヤを曲げてループ形状のパターンにし、その放射パラメータを観察することです。 このタイプのアンテナは、*ループアンテナ*と呼ばれます。
アンテナ理論-ループ
RF電流搬送コイルはループに1回転するだけで、*ループアンテナ*と呼ばれるアンテナとして使用できます。 このループアンテナを流れる電流は同相になります。 磁場は、電流を流すループ全体に対して垂直になります。
周波数範囲
ループアンテナの動作周波数範囲は、約300MHz〜3GHz です。 このアンテナは *UHF 範囲で動作します。
ループアンテナの構築と動作
ループアンテナは、無線周波数の電流を運ぶコイルです。 設計者の都合に応じて、円形、長方形、三角形、正方形、六角形など、どのような形状でもかまいません。
ループアンテナには2つのタイプがあります。
- 大型ループアンテナ
- 小型ループアンテナ
大型ループアンテナ
大きなループアンテナは、*共振アンテナ*とも呼ばれます。 それらは高い放射効率を持っています。 これらのアンテナの長さは、目的の波長にほぼ等しくなります。
どこで、
- L はアンテナの長さです
- *λ*は波長です
このアンテナの主なパラメータは、周囲の長さです。これは、約波長であり、閉ループでなければなりません。 サイズを小さくするためにループを蛇行させることはお勧めできません。容量効果が増加し、効率が低下するためです。
小型ループアンテナ
小さなループアンテナは、*磁気ループアンテナ*とも呼ばれます。 これらはあまり共鳴していません。 これらは主に受信機として使用されます。
これらのアンテナは、波長の10分の1のサイズです。
どこで、
- L はアンテナの長さです
- *λ*は波長です
小さなループアンテナの特徴は次のとおりです-
- 小さなループアンテナは、放射抵抗が低いです。 マルチターンフェライトコア構造を使用すると、高い耐放射線性を実現できます。
- 損失が大きいため、放射効率が低くなります。
- その構造はシンプルで、サイズと重量が小さくて済みます。
リアクタンスが高いため、インピーダンスをトランスミッタと一致させるのは困難です。 ループアンテナが送信アンテナとして機能する必要がある場合、このインピーダンスの不一致は間違いなく問題になります。 したがって、これらのループアンテナは、*受信機アンテナ*としてより適切に動作します。
頻繁に使用されるループ
小さなループアンテナは主に2種類あります-
- 円形ループアンテナ
- スクエアループアンテナ
これら2種類のループアンテナは、主に広く使用されています。 他のタイプ(長方形、デルタ、楕円形など)も設計者の仕様に従って作成されます。
上記の画像は、*円形および正方形ループアンテナ*を示しています。 これらのタイプのアンテナは、高いS/N比のため、AMレシーバーとして主に使用されます。 また、無線受信機のQタンク回路で簡単に調整できます。
ループの分極
ループアンテナの偏波は、給電位置に応じて垂直または水平偏波になります。 ループアンテナの形状に応じて、垂直偏波は垂直辺の中心に与えられ、水平偏波は水平辺の中心に与えられます。
通常、小さなループアンテナは*直線偏波*アンテナです。 このような小さなループアンテナが、出力がメーターに接続されているポータブルレシーバーの上部に取り付けられている場合、優れた方向探知機になります。
放射パターン
これらのアンテナの放射パターンは、短い水平ダイポールアンテナの放射パターンと同じです。
小型で高効率のループアンテナの*放射パターン*を上の図に示します。 ループのさまざまな角度の放射パターンも図に明確に示されています。 0°の接線は垂直偏光を示し、90°の線は水平偏光を示します。
利点
以下は、ループアンテナの利点です-
- コンパクトサイズ
- 高い指向性
デメリット
以下は、ループアンテナの欠点です-
- インピーダンス整合は常に良いとは限りません
- 非常に高い共振品質係数を持っています
アプリケーション
以下は、ループアンテナのアプリケーションです-
- RFIDデバイスで使用
- MF、HF、短波受信機で使用
- 方向探知のために航空機の受信機で使用されます
- UHFトランスミッターで使用
アンテナ理論-ヘリカル
- ヘリカルアンテナ*はワイヤーアンテナの例であり、それ自体がらせんの形状を形成します。 これは、ブロードバンドVHFおよびUHFアンテナです。
周波数範囲
ヘリカルアンテナの動作周波数範囲は、約 30MHz〜3GHz です。 このアンテナは、 VHF および UHF の範囲で動作します。
ヘリカルアンテナの構築と動作
- ヘリカルアンテナ*またはヘリカルアンテナは、導線がヘリカル状に巻かれ、給電線で接地板に接続されているアンテナです。 これは最も単純なアンテナで、*円偏波*を提供します。 衛星中継などが関与する地球外通信で使用されます。
上の画像は、衛星通信に使用されるヘリカルアンテナシステムを示しています。 これらのアンテナには、より広い屋外スペースが必要です。
これは、接地板と呼ばれる平らな金属板と組み合わせてアンテナとして使用されるねじ山の形状に巻かれた太い銅線またはチューブのらせんで構成されています。 らせんの一端はケーブルの中心導体に接続され、外部導体は接地板に接続されます。
アンテナパーツの詳細を示すヘリカルアンテナの画像を上に示します。
ヘリカルアンテナの放射は、ヘリックスの直径、ターン間隔、およびピッチ角に依存します。
- ピッチ角*は、らせんワイヤに接する線とらせん軸に垂直な平面との間の角度です。
どこで、
- D はらせんの*直径*です。
- S は*ターン間隔*(中心から中心)です。
- *α*は*ピッチ角*です。
動作モード
ヘリカルアンテナの主要な動作モードは次のとおりです-
- *通常*または放射の垂直モード。
- *アキシャル*またはエンドファイアまたはビームモードの放射。
それらについて詳しく説明しましょう。
ノーマルモード
放射の通常モードでは、放射フィールドはらせん軸に垂直です。 放射波は円偏光しています。 この放射モードは、らせんの寸法が波長と比較して小さい場合に得られます。 このヘリカルアンテナの放射パターンは、短いダイポールアンテナとループアンテナの組み合わせです。
上の図は、ヘリカルアンテナの通常モードの放射の放射パターンを示しています。
それは、らせんの直径の値 D とその回転間隔 S に依存します。 この動作モードの欠点は、放射効率が低く、帯域幅が狭いことです。 したがって、ほとんど使用されません。
軸モード
放射の*軸モード*では、放射はらせん軸に沿ったエンドファイア方向にあり、波は円またはほぼ円偏光します。 この動作モードは、円周を1波長*(λ)*および約*λ/4 *の間隔に上げることで得られます。 放射パターンは広く、軸方向のビームに沿って指向性があり、斜めの角度で小さなローブを生成します。
図は、ヘリカルアンテナの放射の軸モードの放射パターンを示しています。
このアンテナが右回りの円偏波用に設計されている場合、左回りの円偏波を受信できません。逆の場合も同様です。 この操作モードは非常に簡単に生成され、実際に使用されます。
利点
以下は、ヘリカルアンテナの利点です-
- シンプルなデザイン
- 最高の指向性
- より広い帯域幅
- 円偏光を実現できます
- HFおよびVHFバンドでも使用可能
デメリット
以下は、ヘリカルアンテナの欠点です-
- アンテナが大きく、より多くのスペースが必要
- ターン数とともに効率が低下します
アプリケーション
以下は、ヘリカルアンテナのアプリケーションです-
- 単一のヘリカルアンテナまたはそのアレイを使用して、VHF信号を送受信します。
- 衛星および宇宙探査機の通信によく使用されます
- 地球局の弾道ミサイルおよび衛星との遠隔測定リンクに使用
- 月と地球間の通信を確立するために使用
- 電波天文学への応用
アンテナ理論-開口
端に開口部があるアンテナは、*開口部アンテナ*と呼ばれます。 導波管は、開口アンテナの例です。 伝送線の端は、開口部で終端すると、エネルギーを放射します。 開口であるこの開口部は、*開口*アンテナになります。
開口アンテナの主なタイプは次のとおりです-
- 導波管アンテナ
- ホーンアンテナ
- スロットアンテナ
これらのタイプのアパーチャアンテナを見てみましょう。
導波管アンテナ
*Waveguide* は、一端が励起され他端が開くとエネルギーを放射できます。 導波管内の放射は、2線式伝送ラインよりも大きくなります。
周波数範囲
導波管の動作周波数範囲は、約 300MHz〜300GHz です。 このアンテナは、 UHF および EHF の周波数範囲で動作します。 次の画像は、導波管を示しています。
終端のあるこの導波管は、アンテナとして機能します。 しかし、エネルギーのわずかな部分のみが放射され、その大部分は開回路に反射されます。 VSWR (電圧定在波比、基本パラメーターの章で説明)値が増加することを意味します。 導波管周囲の回折により、放射が弱く、無指向性の放射パターンが得られます。
放射パターン
導波管アンテナの放射は弱く、パターンは無指向性であり、全方向性を意味します。 *無指向性*パターンは、特定の指向性はありませんが、すべての方向に放射するパターンです。したがって、*無指向性放射パターン*と呼ばれます。
上の図は、無指向性パターンの上部断面図を示しています。これは、*無指向性パターン*とも呼ばれます。 すでにご存じのように、2次元表示は8の字のパターンです。
利点
以下は、開口アンテナの利点です-
- 放射は2線式伝送ラインよりも大きい
- 放射は全方向性です
デメリット
以下は、開口アンテナの欠点です-
- VSWRの増加
- 放射線不足
アプリケーション
以下は、開口アンテナのアプリケーションです-
- マイクロ波アプリケーション
- 表面探索レーダーアプリケーション
導波管アンテナは、パフォーマンスを向上させるためにさらに変更する必要があり、その結果*ホーンアンテナ*が形成されます。
アンテナ理論-ホーン
ビームの放射効率と指向性を改善するには、ウェーブガイドに拡張アパーチャを設けて、ウェーブの急激な不連続性を徐々に変換する必要があります。 そのため、順方向のすべてのエネルギーが放射されます。 これは Flaring と呼ばれます。 今、これはホーンアンテナを使用して行うことができます。
周波数範囲
ホーンアンテナの動作周波数範囲は、約300MHz〜30GHz です。 このアンテナは、 *UHF および SHF 周波数範囲で動作します。
ホーンアンテナの構築と動作
ゆっくりと放射に変換されるときのビームのエネルギー、損失が減少し、ビームの集束が改善されます。 *ホーンアンテナ*は*フレアアウト導波路*と見なすことができ、これにより指向性が改善され、回折が低減されます。
上の画像はホーンアンテナのモデルを示しています。 ホーンのフレアがはっきりと示されています。 ホーン構成にはいくつかありますが、そのうち3つの構成が最も一般的に使用されています。
扇状角
このタイプのホーンアンテナは、一方向にのみ広がっています。 Electricベクトルの方向にフレアすると、*断面のEプレーンホーン*が生成されます。 同様に、磁気ベクトルの方向にフレアすると、*断面のH平面ホーン*が生成されます。
ピラミッドホーン
このタイプのホーンアンテナは、両側にフレアがあります。 矩形導波管のEとHの両方の壁でフレアリングが行われると、*ピラミッドホーンアンテナ*が生成されます。 このアンテナは、角錐台の形をしています。
コニカルホーン
円形導波管の壁がフレア状になっている場合、「円錐ホーン」として知られています。 これは、円形導波管の論理的な終端です。
上記の図は、前述のホーン構成のタイプを示しています。
フレアリングは、アンテナインピーダンスを自由空間インピーダンスと一致させて、放射を改善するのに役立ちます。 定在波比を回避し、より大きな指向性とより狭いビーム幅を提供します。 フレア導波管は、技術的に*電磁ホーンラジエーター*と呼ぶことができます。
ホーンアンテナのフレア角*Φ*は、考慮すべき重要な要素です。 これが小さすぎる場合、結果の波は平面ではなく球面になり、放射ビームは指向性になりません。 したがって、フレア角には最適な値が必要であり、その長さに密接に関連しています。
組み合わせ
ホーンアンテナを放物面反射器アンテナと組み合わせて、特殊なタイプのホーンアンテナを形成することもできます。 これらは-
キャスホーンアンテナ
ホグホーンまたは三重に折り畳まれたホーンリフレクター
*Cass-horn antenna* では、電波は放物線状に湾曲し、45°の角度で上向きに反射される大きな底面で収集されます。 上面に当たった後、焦点に反射されます。 これらのゲインとビーム幅は放物面反射器のようです。
- ホグホーン*アンテナでは、放物線の円柱が角錐ホーンに結合され、ビームがホーンの頂点に到達します。 低ノイズのマイクロ波アンテナを形成します。 ホグホーンアンテナの主な利点は、アンテナがその軸を中心に回転しているにもかかわらず、受信ポイントが移動しないことです。
放射パターン
ホーンアンテナの放射パターンは球面波面です。 次の図は、ホーンアンテナの*放射パターン*を示しています。 波は開口部から放射され、波の回折を最小限に抑えます。 フレアにより、ビームの焦点が維持されます。 放射ビームには高い指向性があります。
利点
以下は、ホーンアンテナの利点です-
- 小さな小葉が形成される
- インピーダンス整合は良好です
- より高い指向性
- 狭いビーム幅
- 定在波は回避されます
デメリット
以下は、ホーンアンテナの欠点です-
- フレア角の設計、指向性の決定
- フレアの角度とフレアの長さは非常に小さくしないでください
アプリケーション
以下は、ホーンアンテナの用途です-
- 天文学研究に使用
- マイクロ波アプリケーションで使用
アンテナ理論-スロット
- スロットアンテナ*は、開口アンテナの例です。 長方形のスロットが導電シートに作成されます。 これらのスロットアンテナは、表面に切り込みを入れるだけで形成できます。
周波数範囲
スロットアンテナのアプリケーションに使用される周波数範囲は、 300 MHz〜30 GHz です。 UHF および SHF 周波数範囲で動作します。
スロットアンテナの構築と動作
スロットアンテナの使用は、その動作原理からよく理解されています。 スロットアンテナの構造を見てみましょう。
無限の導電性シートが長方形にカットされ、フィールドが開口部(スロットと呼ばれる)で励起される場合、*スロットアンテナ*と呼ばれます。 これは、スロットアンテナの画像を観察することで理解できます。 次の図は、スロットアンテナのモデルを示しています。
スロットアンテナの動作は、Babinetの光学原理を通して簡単に理解できます。 この概念は、スロットアンテナの概要を示しています。
バビネの原理
バビネの原則では、「開口部のあるスクリーンの背後のフィールドが相補構造のフィールドに追加されると、合計はスクリーンがない場合のフィールドと等しくなります」と述べられています。
上記の画像は、原理を明確に説明しています。 ビームと同一線上にないすべての領域で、図1と2の上の2つのスクリーンは同じ回折パターンを生成します。
- ケース1 *-光源とスクリーンの前に開口部がある導電面(フィールド)を考えます。 光は不透明な領域を通過せず、開口部を通過します。
- ケース2 *-光源と、スクリーンに対して保持されている前のケースの開口部の大きさの導電面を考慮してください。 光は平面を通過せず、残りの部分を通過します。
- ケース3 *-両方のケースのこれら2つの導電面を組み合わせて、光源の前に置きます。 結果の組み合わせを観察するための画面は配置されていません。 画面の効果は無効になります。
スロットアンテナの動作
この光学の原理は、電磁波が放射されるために電磁波に適用されます。 伝導面の狭いスロットにHF電界が存在する場合、エネルギーが放射されるのは事実です。
この画像はスロットアンテナを示しており、その動作についてよく説明しています。
無限平面の導電性スクリーンを取り、所望の形状とサイズの開口部で穴を開けると、これがスロットアンテナのスクリーンになります。 別のスクリーンは、開口部とスクリーン領域の場所を交換するものと考えられ、これは補完的なスクリーンです。
これらの2つのスクリーンは、完全な無限金属スクリーンになるため、「相補的」であると言われています。 これがスロットアンテナになります。 放射には終端インピーダンスが非常に望ましいです。
放射パターン
スロットアンテナの放射パターンは、半波ダイポールアンテナのように*全方向*です。 次の図をご覧ください。 それぞれ水平面と垂直面に描かれたスロットアンテナの放射パターンを示しています
利点
以下は、スロットアンテナの利点です-
- それは、金属製のオブジェクト内で製造および隠蔽することができます
- 小型の送信機と密かに通信できる
デメリット
以下は、スロットアンテナの欠点です-
- より高い交差偏光レベル
- より低い放射効率
アプリケーション
以下は、スロットアンテナのアプリケーションです-
- 通常、レーダー航法目的
- ウェーブガイドによって供給される配列として使用
アンテナ理論-マイクロストリップ
マイクロストリップアンテナは薄型アンテナです。 誘電体を介して地面に取り付けられた金属パッチは、*マイクロストリップ*または*パッチアンテナ*を構成します。 これらは、放射が少ない非常に小さいサイズのアンテナです。
周波数範囲
パッチアンテナは、 100MHz を超える周波数の低プロファイルアプリケーションで一般的です。
マイクロストリップアンテナの構築と動作
- マイクロストリップアンテナ*は、誘電体を介してグランドプレーンに配置された非常に薄い金属ストリップで構成されています。 放射素子と給電線は、誘電体材料をフォトエッチングするプロセスによって配置されます。 通常、パッチまたはマイクロストリップは、分析と製造を容易にするために、正方形、円形、または長方形の形状を選択します。 次の画像は、マイクロストリップまたはパッチアンテナを示しています。
金属パッチの長さはλ/2です。 アンテナが励起されると、誘電体内で生成された波は反射を受け、エネルギーは金属パッチのエッジから放射されますが、これは非常に低い値です。
放射パターン
マイクロストリップアンテナまたはパッチアンテナの放射パターンは*広範囲*です。 放射電力が低く、周波数帯域幅が狭い。
マイクロストリップまたはパッチアンテナの*放射パターン*を上に示します。 指向性が低くなります。 指向性を高めるために、これらのパッチアンテナを使用してアレイを形成できます。
利点
以下は、マイクロストリップアンテナの利点です-
- 軽量
- 低価格
- インストールのしやすさ
デメリット
以下は、マイクロストリップアンテナの欠点です-
- 非効率的な放射
- 狭い周波数帯域幅
アプリケーション
以下は、マイクロストリップアンテナの用途です-
- 宇宙船アプリケーションで使用
- 航空機アプリケーションで使用
- ロープロファイルアンテナアプリケーションで使用
アンテナ理論-レンズ
これまで説明してきたアンテナは、平面を使用していました。 レンズアンテナは、送信と受信の両方に曲面を使用します。 *レンズアンテナ*はガラス製で、レンズの収束および発散特性に従います。 レンズアンテナは、高周波アプリケーションに使用されます。
周波数範囲
レンズアンテナの使用周波数範囲は 1000 MHz から始まりますが、その使用は* 3000 MHz以上でさらに大きくなります*。
レンズアンテナをよりよく理解するには、レンズの動作原理を知っておく必要があります。 通常のガラスレンズは、屈折の原理で機能します。
レンズアンテナの構築と動作
レンズから焦点距離にあるレンズの焦点に光源があると想定される場合、光線は平面波面上の平行光線または平行光線としてレンズを通過します。
レンズの中心を通過する光線は、レンズの端を通過する光線よりも屈折が少なくなります。 すべての光線は、平面波面に平行に送信されます。 このレンズの現象は「発散」と呼ばれます。
同じレンズの右側から左側に光線を送ると、同じ手順が逆になります。 次に、ビームは屈折し、レンズから焦点距離で焦点と呼ばれる点で合流します。 この現象は*収束*と呼ばれます。
同じことは、次の図を観察することでよりよく理解することができます-
光線図は、光源からレンズまでの焦点と焦点距離を表します。 得られた平行光線は、平行光線とも呼ばれます。
上の図では、レンズから焦点距離にある焦点の光源は、平面波面でコリメートされます。 この現象は逆になります。つまり、光が左側から送られた場合、レンズの右側で収束します。
同じ相反性のため、レンズはアンテナとして使用できます。これは、同じ現象が送信と受信の両方に同じアンテナを使用するのに役立つためです。
レンズアンテナのモデルの画像を示します。
より高い周波数で集束特性を実現するには、屈折率を1より小さくする必要があります。 屈折率に関係なく、レンズの目的は波形をまっすぐにすることです。 これに基づいて、EプレーンおよびHプレーンレンズが開発され、波面も遅延または高速化されます。
レンズアンテナの種類
レンズアンテナの次のタイプが利用可能です-
- 誘電体レンズまたはH面金属板レンズまたは遅延レンズ(進行波はレンズ媒体によって遅延します)
- Eプレーン金属板レンズ
- 非金属誘電体レンズ
- 金属または人工誘電体タイプのレンズ
利点
以下は、レンズアンテナの利点です-
- レンズアンテナ、フィードおよびフィードサポートでは、開口部を塞がないでください。
- 設計の許容範囲が広くなっています。
- 放物面反射鏡よりも大量の波を処理できます。
- ビームは軸に対して角度を持って移動できます。
デメリット
以下は、レンズアンテナの欠点です-
- レンズは、特に低周波数では重くてかさばります
- 設計の複雑さ
- 同じ仕様のリフレクターと比較して高価
アプリケーション
以下は、レンズアンテナの用途です-
- 広帯域アンテナとして使用
- 特にマイクロ波周波数アプリケーションに使用
レンズアンテナの収束特性は、衛星通信で広く使用されている放物面反射器アンテナとして知られる高レベルのアンテナの開発に使用できます。 次の章でそれらについて議論します。
アンテナ理論-パラボラ反射器
- パラボラ反射器*はマイクロ波アンテナです。 これらのアンテナをよりよく理解するには、放物面反射器の概念を検討する必要があります。
周波数範囲
放物面反射器アンテナの用途に使用される周波数範囲は、 1MHz 以上です。 これらのアンテナは、無線および無線アプリケーションに広く使用されています。
動作原理
放物線の標準的な定義は次のとおりです。-点の軌跡。固定点からの距離( focus と呼ばれる)と直線( directrix と呼ばれる)からの距離が一定になるように移動します。
次の図は、放物面反射鏡の形状を示しています。 ポイント F はフォーカス(フィードが指定されている)であり、 V は頂点です。 FとVを結ぶ線は対称軸です。 PQは反射光線です。ここで、 L は、反射点が存在する線の直進線を表します(同一線上にあると言います)。 したがって、上記の定義に従って、FとLの間の距離は、集束される波に関して一定です。
反射波は、放物線形状からコリメート波面を形成します。 「f over D ratio」*として知られている焦点距離とアパーチャサイズの比(f/D)は、放物面反射器の重要なパラメータです。 その値は *0.25から0.50 の範囲です。
反射の法則は、入射角と反射角が等しいと述べています。 この法則は、放物線と一緒に使用すると、ビームの焦点合わせに役立ちます。 の形
放物線は、波の反射の目的で使用される場合、放物線のいくつかの特性を示し、反射された波を使用してアンテナを構築するのに役立ちます。
パラボラの特性
- 焦点から発生するすべての波は、放物線軸に反射します。 したがって、開口部に到達するすべての波は同位相です。
- 波が同相であるため、放物線軸に沿った放射ビームは強く集中します。
これらのポイントに続いて、放物面反射器は狭いビーム幅で高い指向性を生成するのに役立ちます。
放物面反射鏡の構築と動作
放物面反射器アンテナが信号の送信に使用される場合、フィードからの信号はダイポールまたはホーンアンテナから出て、放物線に波の焦点を合わせます。 つまり、波は焦点から出て放物面反射鏡に当たります。 前述のように、この波は*コリメート波面*として反射され、送信されます。
同じアンテナが受信機として使用されます。 電磁波が放物線の形状に当たると、波は給電点に反射されます。 ダイポールまたはホーンアンテナは、フィードで受信機アンテナとして機能し、この信号を受信して電気信号に変換し、受信機回路に転送します。
次の図は、放物面反射器アンテナを示しています。
放物面のゲインは、開口率*(D/λ)の関数です。 アンテナの実効放射電力(ERP)*は、アンテナに供給される入力電力とその電力ゲインの乗算です。
通常、導波管ホーンアンテナは、放物面反射器アンテナの給電ラジエーターとして使用されます。 この手法とともに、カセグレンフィードと呼ばれる、放物面反射器アンテナに与えられる別のタイプのフィードがあります。
カセグレン飼料
キャセグレインは、リフレクターアンテナに供給される別のタイプのフィードです。 このタイプでは、放物面反射器とは異なり、フィードは放物面の頂点にあります。 双曲面として機能する凸形状の反射器は、アンテナのフィードの反対側に配置されます。 また、「セカンダリ双曲面反射鏡」または「サブ反射鏡」としても知られています。 焦点の1つが放物面の焦点と一致するように配置されます。 したがって、波は2回反射されます。
上の図は、キャセグレン飼料の作業モデルを示しています。
カセグレンアンテナの動作
アンテナが送信アンテナとして機能する場合、フィードからのエネルギーはホーンアンテナを介して双曲線凹面反射鏡に放射され、再び放物面反射鏡に戻ります。 信号はそこから空間に反射されます。 したがって、電力の浪費が抑制され、指向性が向上します。
同じアンテナを受信に使用すると、電磁波は反射器に当たり、凹面双曲面に反射し、そこからフィードに到達します。 導波管ホーンアンテナがこの信号を受信するためにそこに存在し、増幅のために受信機回路に送信します。
次の画像をご覧ください。 カセグレンフィードを備えた放物面反射器を示しています。
利点
以下は、放物面反射器アンテナの利点です-
- マイナーローブの削減
- 無駄な電力が削減されます
- 同等の焦点距離が達成されます
- フィードは、私たちの都合に応じて、任意の場所に配置できます
- ビームの調整(ナローイングまたはワイドニング)は、反射面を調整することにより行われます
不利益
以下は、放物面反射器アンテナの欠点です-
- 放物面反射鏡から反射されるパワーの一部は妨害されます。 これは、小さな寸法の放物面では問題になります。
アプリケーション
以下は、放物面反射器アンテナの用途です-
- カセグレンフィード放物面反射器は、主に衛星通信で使用されます。
- 無線通信システムでも使用されます。
放物面反射器のグレゴリオ式フィードと呼ばれる他のタイプのフィードを見てみましょう。
グレゴリオ飼料
これは、使用される別のタイプのフィードです。 アンテナの寸法を固定したまま、フィードビーム幅を徐々に大きくする特定の構成が2つあります。 このようなタイプの飼料は、グレゴリオ飼料として知られています。 ここでは、カッセグレンの凸形状の双曲面が凹形状の放物面反射器に置き換えられていますが、これはもちろんサイズが小さくなっています
これらの*グレゴリアンフィード*タイプのリフレクターは4つの方法で使用することができます-
- 焦点F1で反射楕円体サブリフレクターを使用するグレゴリオシステム。
- 焦点F2で反射楕円体サブリフレクターを使用するグレゴリオシステム。
- 双曲面サブリフレクター(凸)を使用したカセグレンシステム。
- 双曲面副反射鏡を使用したカセグレンシステム(凹面だが、フィードは非常に近くにあります。)
これらは人気がなく、広く使用されていないため、すべて言及するだけです。 彼らには限界があります。
この図は、すべてのタイプのリフレクターの動作パターンを明確に示しています。 以下のような放物面反射器には他のタイプがあります-
- カット放物面
- 放物線シリンダー
- ピルボックス放物面
しかし、それらのすべてが彼らの労働条件にある制限と不利な点のためにめったに使用されません。
したがって、すべてのタイプの反射器アンテナの中で、単純な放物面反射器とカセグレン給電放物面反射器が最も一般的に使用されています。
アンテナ理論-アンテナアレイ
アンテナは、個別に特定の方向に一定量のエネルギーを放射できるため、より効率的な出力を生成するために、要素を追加しない場合の伝送を改善します。 *アンテナアレイ*の発明に至ったのはまさにこの考えです。
アンテナアレイは、次の画像を観察することでよりよく理解できます。 アンテナアレイの接続方法を確認します。
- アンテナアレイ*は、個別の放射器と要素で構成される放射システムです。 このラジエーターはそれぞれ、機能している間、独自の誘導場を持っています。 要素は非常に近くに配置されているため、各要素は隣接する誘導フィールドに存在します。 したがって、それらによって生成される放射パターンは、個々のベクトルの合計になります。 次の図は、アンテナアレイの別の例を示しています。
これらのアンテナを設計する際には、波長に応じたエレメント間の間隔とエレメントの長さにも留意する必要があります。
アンテナは個別に放射し、アレイ内ですべての要素の放射が合計されると、放射ビームが形成されます。放射ビームは、損失が最小限で、高いゲイン、高い指向性、優れた性能を備えています。
利点
以下は、アンテナアレイを使用する利点です-
- 信号強度が増加します
- 高い指向性が得られます
- マイナーローブは大幅に削減されます
- 高い信号対雑音比を実現
- 高いゲインが得られます
- 消費電力が削減されます
- より良いパフォーマンスが得られます
デメリット
以下は、アレイアンテナの欠点です-
- 抵抗損失が増加します
- 取り付けとメンテナンスが難しい
- 巨大な外部スペースが必要です
アプリケーション
以下は、アレイアンテナの用途です-
- 衛星通信で使用
- ワイヤレス通信で使用
- 軍事レーダー通信で使用
- 天文学研究で使用
配列のタイプ
配列の基本的なタイプは-
- 共線配列
- ブロードサイドアレイ
- エンドファイアアレイ
- 寄生アレイ
- 八木宇田アレイ
- 対数ペロイド配列
- ターンスタイルアレイ
- スーパーターンスタイルアレイ
これらの配列については、今後の章で説明します。
アンテナ理論-コリニアアレイ
- コリニアアレイ*は、2つ以上の半波ダイポールで構成され、端から端まで配置されます。 これらのアンテナは、平行または同一直線上にある共通の線または軸に配置されます。
これらのアレイの最大放射は広い側面であり、アレイのラインに垂直です。 これらの配列は、 broad cast または Omni-directional array とも呼ばれます。
周波数範囲
コリニアアレイアンテナが動作する周波数範囲は、 VHF および UHF 帯域に属する 30 MHz〜3GHz です。
配列の構築
これらのコリニアアレイは、高ゲインの*単方向アンテナ*です。 このアレイの主な目的は、他の方向の電力損失を回避することにより、放射される電力を増やし、高い指向性ビームを提供することです。
上の画像は、共線配列の写真を示しています。 図1では、折り畳まれた双極子を使用して共線配列が形成され、図2では、通常の双極子によって共線配列が形成されていることがわかります。 どちらのタイプも、一般的に使用される半波ダイポールです。
放射パターン
これらの共線配列の放射パターンは単一の双極子の放射パターンと似ていますが、双極子の数が増える配列パターンが違いを生みます。
それぞれ2つの要素、3つの要素、および4つの要素を使用して作成された場合の共線配列の放射パターンを上記の図に示します。
- ブロードサイドアレイ*にも同じパターンがあり、最大放射の方向はアンテナのラインに垂直です。
利点
以下は、コリニアアレイアンテナの利点です-
- アレイを使用すると、広い範囲が減少し、指向性が向上
- マイナーローブは最小化されます
- 無駄な電力が削減されます
デメリット
以下は、コリニアアレイアンテナの欠点です-
- これらのアンテナの変位は難しい作業です
- 屋外エリアでのみ使用
アプリケーション
以下は、コリニアアレイアンテナの用途です-
- VHFおよびUHFバンドに使用
- 双方向通信で使用
- 放送目的にも使用
アンテナ理論-ブロードサイドアレイ
最も単純な形のアンテナアレイは、直線または軸に沿って等間隔に配置された同一サイズの多数の要素を持ち、同一線源からの同一位相のすべての双極子で*ブロードサイドアレイ*を形成する共線点を形成します。
周波数範囲
コリニアアレイアンテナが動作する周波数範囲は、 VHF および UHF 帯域に属する 30 MHz〜3GHz です。
ブロードサイドアレイの構築と動作
標準的な定義によれば、「放射の主方向がアレイ軸とアレイ要素を含む平面に垂直な配置」は、「ブロードサイドアレイ」と呼ばれます。 したがって、アンテナの放射パターンは、アレイが存在する軸に垂直です。
次の図は、広い側面のアレイをそれぞれ正面図と側面図で示しています。
ブロードサイドアレイは、アレイの平面に対して直角に強く指向します。 ただし、中心を結ぶ方向の相殺により、平面内の放射は非常に少なくなります。
λ/4間隔のブロードサイドアレイの図を以下に示します。
ブロードサイドアレイの一般的なアンテナ長は、2〜10波長です。 典型的な間隔は、λ/2またはλです。 ダイポールの給電点は、図に示すように結合されます。
放射パターン
このアンテナの放射パターンは双方向で、平面に対して直角です。 ビームは非常に狭く、ゲインが高くなっています。
上の図は、ブロードサイドアレイの放射パターンを示しています。 ビームは少し広くなり、これによりマイナーローブが大幅に減少します。
アンテナ理論-エンドファイアアレイ
- エンドファイアアレイ*の物理的な配置は、ブロードサイドアレイのそれと同じです。 各要素の電流の大きさは同じですが、これらの電流には位相差があります。 このエネルギーの誘導は各要素で異なり、次の図で理解できます。
上の図は、エンドファイアアレイをそれぞれ上面図と側面図で示しています。
キャンセルのため、アレイの平面に対して直角に放射はありません。 1番目と3番目の要素は位相がずれているため、互いの放射をキャンセルします。 同様に、2番目と4番目は位相をずらして、キャンセルされます。
通常のダイポール間隔は、λ/4または3λ/4になります。 この配置は、アンテナプレーンに垂直な放射を避けるのに役立つだけでなく、放射エネルギーがアレイ全体の放射の方向にそらされるのにも役立ちます。 したがって、小ローブが回避され、指向性が向上します。 ビームは、要素が増えると狭くなります。
放射パターン
エンドファイアアレイの放射パターンは*単方向*です。 最大放射が存在する一方の端に大きなローブが発生し、一方、小さなローブは損失を表します。
この図は、エンドファイアアレイの放射パターンを説明しています。 図1は単一のアレイの放射パターンであり、図2、3、および4は複数のアレイの放射パターンを表しています。
エンドファイアアレイとブロードサイドアレイ
両方のアレイを調査しました。 エンドファイアとブロードサイドアレイ、およびそれらの特性を比較してみましょう。
図は、エンドファイアアレイとブロードサイドアレイの放射パターンを示しています。
- エンドファイアアレイとブロードサイドアレイはどちらも線形であり、共振素子で構成されているため共振します。
- 共振により、両方のアレイはより狭いビームと高い指向性を示します。
- これらのアレイは両方とも伝送目的で使用されます。
- いずれの種類の受信にも周波数範囲をカバーする必要があるため、どちらも受信には使用されません。
アンテナ理論-寄生アレイ
上記のアンテナアレイは、ゲインと指向性の改善に使用されます。
- 寄生要素*は、他のフィードに依存する要素です。 独自のフィードはありません。 したがって、このタイプのアレイでは、間接的に放射を増加させるのに役立つこのような要素を採用しています。
これらの寄生要素は、フィードに直接接続されていません。
上の画像は、寄生アレイの例を示しています。 写真に見られるメッシュ構造は、リフレクターのセットにすぎません。 これらのリフレクターは電気的に接続されていません。 ビームの指向性を高めることにより、信号強度を高めます。
寄生アレイの構築と動作
寄生アレイの重要な部分とその機能を見てみましょう。
主な部分は-
- 駆動要素
- 寄生素子
- リフレクター
- ディレクター
- Boom
駆動要素
アンテナは個別に放射し、アレイ内ではすべての要素の放射が合計されて放射ビームを形成します。 配列のすべての要素をフィードに接続する必要はありません。 フィードに接続されているダイポールは、*駆動素子*として知られています。
寄生要素
追加されるエレメントは、駆動エレメントまたはフィードへの電気的接続を持ちません。 それらは、被駆動要素の誘導場に位置するように配置されます。 したがって、それらは*寄生要素*として知られています。
リフレクター
被駆動要素よりも5%長い寄生要素の1つが被駆動要素の近くに配置されている場合、それは凹面鏡として機能し、自身の方向ではなく放射パターンの方向にエネルギーを反射しますしたがって、*リフレクター*として知られています。
ディレクター
寄生素子は、エネルギーを受け取る駆動素子よりも5%短く、それ自体の方向の放射を増加させる傾向があるため、収束凸レンズのように動作します。 この要素は、 director と呼ばれます。 指向性を高めるために、多数のディレクターが配置されています。
Boom
これらすべてが配置される要素は、 boom と呼ばれます。 絶縁を提供するのは非金属構造であるため、アレイの他の要素間に短絡はありません。
これらはすべて、放射線に寄与する主要な要素です。 これは図の助けを借りてよりよく理解できます
上記の画像は寄生アレイのイメージで、駆動エレメント、ダイレクタ、リフレクターなどの寄生アレイの一部を示しています。 フィードはフィーダーを介して与えられます。
アレイは、 2MHz から*数GHz *の範囲の周波数で使用されます。 これらは、特に高い指向性を得るために使用され、*単方向*でより良いフォワードゲインを実現します。 このタイプのアレイの最も一般的な例は、*八木宇田アンテナ*です。 別の例として、クワッドアンテナも引用できます。
アンテナ理論-八木宇田アンテナ
- 八木宇田アンテナ*は、過去数十年間で最も一般的に使用されているテレビ受信用のアンテナです。 高いゲインと指向性で有名な、パフォーマンスが向上した最も人気のある使いやすいタイプのアンテナです。
周波数範囲
八木宇田アンテナが動作する周波数範囲は、 VHF および UHF 帯域に属する 30 MHz〜3GHz です。
八木宇田アンテナの建設
八木宇田アンテナは、過去数十年間、ほぼすべての家の上に見られました。 寄生要素とダイポールが一緒になってこの八木宇田アンテナを形成します。
図は、*八木宇田アンテナ*を示しています。 アンテナの指向性を高めるために配置された多くのディレクターがあることがわかります。 フィーダーは折り返しダイポールです。 反射板は構造の端にある長い要素です。
この図は、八木宇田アンテナの明確な形を示しています。 要素が取り付けられている中央の棒のような構造は、ブーム*と呼ばれます。 太い黒のヘッドが接続されている要素は、その黒いスタッドを通して伝送ラインが内部で接続されている*被駆動要素*です。 駆動される要素の背面にある単一の要素は*リフレクタ*で、すべてのエネルギーを放射パターンの方向に反射します。 駆動要素の前にある他の要素は *directors であり、ビームを目的の角度に向けます。
設計中
このアンテナを設計するには、次の設計仕様に従う必要があります。
彼らは-
ELEMENT | SPECIFICATION |
---|---|
Length of the Driven Element | 0.458λ to 0.5λ |
Length of the Reflector | 0.55λ to 0.58λ |
Length of the Director 1 | 0.45λ |
Length of the Director 2 | 0.40λ |
Length of the Director 3 | 0.35λ |
Spacing between Directors | 0.2λ |
Reflector to dipole spacing | 0.35λ |
Dipole to Director spacing | 0.125λ |
上記の仕様に従えば、八木宇田アンテナを設計できます。
放射パターン
八木宇田アンテナの指向性パターンは、以下の図に示すように*非常に指向性*です。
アンテナにディレクタを追加することにより、マイナーローブが抑制され、メジャーローブの指向性が向上します。
利点
以下は八木宇田アンテナの利点です-
- 高ゲインが達成されます。
- 高い指向性が実現します。
- 取り扱いとメンテナンスのしやすさ。
- 無駄に消費される電力が少なくなります。
- 周波数のより広い範囲。
デメリット
以下は八木宇田アンテナの欠点です-
- ノイズが発生しやすい。
- 大気の影響を受けやすい。
アプリケーション
以下は八木宇田アンテナの用途です-
- 主にテレビ受信に使用されます。
- 単一周波数アプリケーションが必要な場所で使用されます。
アンテナ理論-対数周期アンテナ
八木宇田アンテナは主に家庭用に使用されます。 ただし、商用目的で使用し、周波数範囲を調整するには、 Log-periodic antenna と呼ばれる別のアンテナが必要です。 対数周期アンテナは、そのインピーダンスが周波数の対数周期的関数です。
周波数範囲
対数周期アンテナが動作する周波数範囲は、 VHF および UHF 帯域に属する 30 MHz〜3GHz です。
対数周期アンテナの構築と動作
対数周期アンテナの構造と動作は、八木宇田アンテナの構造と動作に似ています。 このアンテナの主な利点は、所望の動作周波数範囲にわたって一定の特性を示すことです。 耐放射線性は同じであるため、SWRも同じです。 ゲインと前後比も同じです。
この画像は、対数周期アンテナを示しています。
動作周波数が変化すると、アクティブ領域が要素間でシフトするため、すべての要素が単一の周波数でのみアクティブになるわけではありません。 これが*特別な特性*です。
対数周期アンテナには、平面、台形、ジグザグ、Vタイプ、スロット、ダイポールなど、いくつかのタイプがあります。 主に使用されるのは、対数周期ダイポールアレイ、略してLPDAです。
対数周期配列の図を上に示します。
物理構造と電気特性は、観察されると、本質的に反復的です。 アレイは、長さと間隔が異なるダイポールで構成され、2線式伝送ラインから給電されます。 この線は、隣接する各双極子間で転置されます。
双極子の長さと分離は、式によって関連付けられています-
どこで
- тは設計比であり、т<1
- Rはフィードとダイポール間の距離です
- lは双極子の長さです。
得られた指令利得は低から中程度です。 放射パターンは、*単方向または双方向*です。
放射パターン
対数周期アンテナの放射パターンは、対数周期構造に応じて単方向または双方向にすることができます。
- 単方向の対数周期アンテナ*では、より短い要素への放射はかなりの量ですが、順方向では、それは小さいかゼロです。
単方向の対数周期アンテナの放射パターンは上記のとおりです。
- 双方向対数周期アンテナ*の場合、最大放射は広い側面にあり、アンテナの表面に垂直です。
上記の図は、双方向の対数周期アンテナの放射パターンを示しています。
利点
以下は、対数周期アンテナの利点です-
- アンテナ設計はコンパクトです。
- ゲインと放射パターンは、要件に応じて異なります。
デメリット
以下は、対数周期アンテナの欠点です-
- 外部マウント。
- 設置コストが高い。
アプリケーション
以下は、対数周期アンテナのアプリケーションです-
- HF通信に使用されます。
- 特定の種類のテレビ受信に使用されます。
- 高周波数帯域でのすべてのラウンド監視に使用されます。
アンテナ理論-ターンスタイルアンテナ
- Turnstileアンテナ*は、別のタイプのアレイアンテナです。 この配列の形状は、いくつかの場所の入り口で使用される回転式改札口を象徴しています。 このアンテナには、さまざまな軍事用途があります。
周波数範囲
ターンスタイルアンテナが動作する周波数範囲は、 VHF および UHF 帯域に属する 30 MHz〜3GHz です。
ターンスタイルアンテナの構築と動作
2つの同一の半波ダイポールが互いに直角に配置され、同相で給電されます。 これらの双極子は互いに位相が90°ずれて励起されます。 ターンスタイルアレイは、*交差ダイポールアレイ*とも呼ばれます。
上の画像は、回転式アンテナを示しています。
高い指向性を提供するために、いくつかのターンスタイルを垂直軸に沿って積み重ね、上図に示すように位相調整します。 これらのターンスタイルアンテナの偏波は、動作モードに依存します。
頻繁に積み重ねられるこのような双極子のペアは、 BAY として知られています。 上記の図では、2つのベイが半波長*(λ/2)*離れて配置されており、対応する要素に同位相で給電されています。 ベイの組み合わせによって生成される放射により、指向性が向上します。
動作モード
以下は、ターンスタイルアンテナの動作モードです。
ノーマルモード
通常の動作モードでは、アンテナは軸に垂直な*水平偏波*波を放射します。
軸モード
軸動作モードでは、アンテナは軸に沿って*円偏波*波を放射します。 その軸に平行。
円偏波の場合、右円偏波で放射する送信機には同じ右円偏波の受信機が必要です。逆も同様です。 トランスミッタとは異なり、左円偏波の場合、ゲインが大幅に低下します。
スーパーターンスタイルアンテナ
ターンスタイルアンテナの場合、放射電力は、同じ電力を放射する半波長ダイポールの最大放射より3dB低くなります。 したがって、この欠点を克服するために、*スーパーターンスタイルアンテナ*が組み込まれています。
ターンスタイルの単純な双極子要素は、スーパーターンスタイルの4つのフラットシートに置き換えられます。 スーパーターンスタイルアレイの設計では、1つのマストに1〜8個のベイを構築できます。 スーパーターンスタイルアンテナの別の名前は、*バトウィングアンテナ*です。
上の画像は、スーパーターンスタイルアンテナを示しています。 図1は、赤い点をフィードポイントとするスーパーターンスタイルアレイの配置を示しています。 図2は、衛星通信で使用されるスタック式ターンスタイルアレイを示しています。
放射パターン
放射パターンは、2つのスーパーインポーズされた双極子の放射パターンに似ています。 全方向のパターンに近いですが、クローブの葉のようなパターンを残します。
上の図は、ターンスタイルアレイの放射パターンを示しています。 典型的な8の字型パターンを組み合わせて、ほぼ円形のパターンを作成しました。
- 図Aは、組み合わされる個々のパターンを示しています。
- 図Bは、単一のベイの垂直パターンと、4つのベイの組み合わせパターンを示しています。
- 図Cは、より良い指向性を示す4つのベイの合成パターンを示しています。
利点
以下は、ターンスタイルアンテナの利点です-
- スタッキングにより高ゲインを実現
- スーパーターンスタイルは高ゲイン出力を生成します
- より良い指向性が達成されます
不利益
以下は、ターンスタイルアンテナの欠点です-
- 放射電力は、同じ電力を放射する半波長ダイポールの最大放射より3dB低くなります。
アプリケーション
以下は、ターンスタイルアンテナのアプリケーションです-
- VHF通信に使用
- FMおよびTV放送に使用
- 軍事通信で使用される
- 衛星通信で使用
アンテナ理論-スペクトルと伝送
地球の大気では、波の伝播は波の特性だけでなく、環境の影響と地球の大気の層にも依存します。 環境内で波がどのように伝播するかを理解するために、これらすべてを研究する必要があります。
信号の送信または受信が行われる*周波数スペクトル*を見てみましょう。 動作する周波数範囲に応じて、さまざまなタイプのアンテナが製造されます。
電磁スペクトル
無線通信は、電磁波のブロードキャストと受信の原理に基づいています。 これらの波は、周波数(f)と波長(λ)ラムダによって特徴付けられます。
次の図に、電磁スペクトルの図を示します。
低周波帯域
低周波数帯域は、スペクトルの無線、マイクロ波、赤外線、および可視部分で構成されます。 それらは、波の振幅、周波数、または位相を変調することにより、情報伝送に使用できます。
高周波帯域
高周波帯域は、X線とガンマ線で構成されます。 理論的には、これらの波は情報の伝播に適しています。 しかし、これらの波は変調が困難であるため実際には使用されず、波は生物に有害です。 さらに、高周波は建物内をうまく伝搬しません。
周波数帯域とその用途
次の表は、周波数帯域とその用途を示しています-
Band Name | Frequency | Wavelength | Applications |
---|---|---|---|
Extremely Low Frequency (ELF) | 30 Hz to 300 Hz | 10,000 to 1,000 KM | Power line frequencies |
Voice Frequency (VF) | 300 Hz to 3 KHz | 1,000 to 100 KM | Telephone Communications |
Very Low Frequency (VLF) | 3 KHz to 30 KHz | 100 to 10 KM | Marine Communications |
Low Frequency (LF) | 30 KHz to 300 KHz | 10 to 1 KM | Marine Communications |
Medium Frequency (MF) | 300 KHz to 3 MHz | 1000 to 100 m | AM Broadcasting |
High Frequency (HF) | 3 MHz to 30 MHz | 100 to 10 m | Long distance aircraft/ship Communications |
Very High Frequency(VHF) | 30 MHz to 300 MHz | 10 to 1 m | FM Broadcasting |
Ultra High Frequency (UHF) | 300 MHz to 3 GHz | 100 to 10 cm | Cellular Telephone |
Super High Frequency (SHF) | 3 GHz to 30 GHz | 10 to 1 cm | Satellite Communications, Microwave links |
Extremely High Frequency (EHF) | 30 GHz to 300 GHz | 10 to 1 mm | Wireless local loop |
Infrared | 300 GHz to 400 THz | 1 mm to 770 nm | Consumer Electronics |
Visible Light | 400 THz to 900 THz | 770 nm to 330 nm | Optical Communications |
スペクトル割り当て
電磁スペクトルは誰でもアクセスできる一般的なリソースであるため、スペクトル内のさまざまな周波数帯域の使用に関していくつかの国内および国際的な合意がなされています。 各国政府は、AM/FMラジオ放送、テレビ放送、携帯電話、軍事通信、政府の使用などのアプリケーションにスペクトルを割り当てています。
世界的には、International Telecommunications Union Radio Communication (ITU-R) *Bureau of World Administrative Radio Conference (WARC)*の機関は、さまざまな国家政府によるスペクトル割り当てを調整し、複数のデバイスで動作できる通信デバイス国を製造することができます。
伝送の制限
電磁波伝送に影響を与える4つのタイプの制限は-
減衰
標準的な定義によると、「信号の品質と強度の低下は*減衰*として知られています。」
信号の強度は、伝送媒体上の距離とともに低下します。 減衰の程度は、距離、伝送媒体、および基礎となる伝送の周波数の関数です。 他の障害のない自由空間でも、送信される信号は、信号がますます大きな領域に広がっているという理由だけで、距離にわたって減衰します。
ねじれ
標準的な定義によれば、「信号の周波数成分または信号の振幅レベル間の基本的な関係を変更する変更は、*歪み*として知られています。」
信号の歪みとは、信号の特性に乱れを引き起こし、信号の品質に影響する不要な成分を追加するプロセスです。 これは通常、FMレシーバーで発生し、受信信号は時々完全に乱れ、出力としてブザー音がします。
分散
標準的な定義によれば、「*分散*は、電磁波の伝播速度が波長に依存する現象です。」
分散*は、伝播中に電磁エネルギーのバーストが広がる現象です。 これは、光ファイバーなどの有線伝送で特に普及しています。 急速に送信されるデータのバーストは、分散のためにマージされる傾向があります。 ワイヤの長さが長いほど、分散の影響は深刻になります。 分散の効果は、RとLの積を制限することです。 *'R' は*データレート*で、 'L' は*距離*です。
ノイズ
標準的な定義によると、「必要な信号の適切で簡単な受信と再生を妨げる傾向があるエネルギーの不要な形式は、ノイズと呼ばれます。」
ノイズの最も一般的な形態は、*熱ノイズ*です。 多くの場合、加法ガウスモデルを使用してモデル化されます。 熱雑音は、電子の熱攪拌によるものであり、周波数スペクトル全体に均一に分布しています。
ノイズの他の形態には、次のものがあります-
- 相互変調ノイズ-搬送周波数の和または差である周波数で生成される信号によって引き起こされます。
- クロストーク-2つの信号間の干渉。
- インパルスノイズ-外部の電磁妨害によって引き起こされる高エネルギーの不規則なパルス。 インパルスノイズは、アナログデータに大きな影響を与えません。 ただし、デジタルデータには顕著な影響があり、バーストエラーが発生します。
アンテナ理論-伝播の種類
この章では、電波の特性、電波の伝播、種類など、さまざまな興味深いトピックを見ていきましょう。
電波
電波は簡単に生成でき、建物を通過して長距離を移動できるため、屋内と屋外の両方の通信に広く使用されています。
主な機能は次のとおりです-
- 無線伝送は本質的に*全方向性*であるため、送信機と受信機を物理的に調整する必要はありません。
- 電波の周波数は、伝送の特性の多くを決定します。
- 低周波では、波は障害物を簡単に通過できます。 ただし、それらのパワーは、距離に関して逆二乗関係で低下します。
- より高い周波数の波は雨滴によって吸収されやすく、障害物によって反射されます。
- 電波の送信範囲が長いため、送信間の干渉は対処する必要がある問題です。
VLF、LF、およびMFバンドでは、*地上波*とも呼ばれる波の伝播が地球の曲率に従います。 これらの波の最大伝送範囲は、数百キロメートルのオーダーです。 これらは、振幅変調(AM)ラジオ放送などの低帯域幅伝送に使用されます。
HFおよびVHFバンドの送信は、地球の表面近くの大気に吸収されます。 ただし、*スカイウェーブ*と呼ばれる放射の一部は、上層大気の電離層に向かって外向きに放射されます。 電離層には、太陽の放射により形成されたイオン化粒子が含まれています。 これらのイオン化された粒子は、空の波を反射して地球に戻ります。 強力な空波は、地球と電離層の間で数回反射される場合があります。 空波は、アマチュア無線通信事業者や軍事通信に使用されます。
電波伝搬
- 無線通信システム*では、チャネルとして無線電磁波を使用します。 さまざまな仕様のアンテナをこれらの目的に使用できます。 これらのアンテナのサイズは、送信される信号の帯域幅と周波数に依存します。
大気中および自由空間内の電磁波の伝搬モードは、次の3つのカテゴリに分類することができます-
- 見通し線(LOS)の伝搬
- 地上波の伝播 *空波の伝播
ELF(超低周波)およびVLF(超低周波)周波数帯域では、地球と電離層が電磁波伝播の導波路として機能します。
これらの周波数範囲では、通信信号は実際に世界中に伝播します。 チャネル帯域幅が小さい。 したがって、これらのチャネルを介して送信される情報は速度が遅く、デジタル送信に限定されます。
見通し線(LOS)の伝播
伝搬モードの中で、この見通し内伝搬がよく知られています。* 見通し内通信*では、名前が示すように、波は最短距離を移動します。 つまり、肉眼で見える距離まで移動します。 では、その後はどうなりますか? ここでアンプ兼トランスミッターを使用して、信号を増幅して再度送信する必要があります。
これは、次の図の助けを借りてよりよく理解されます。
図は、この伝播モードを非常に明確に示しています。 伝送路に障害物がある場合、見通し内の伝搬はスムーズではありません。 このモードでは信号はより短い距離にしか移動できないため、この送信は*赤外線*または*マイクロ波送信*に使用されます。
地上波の伝播
波の地上波伝播は、地球の輪郭に沿っています。 このような波は「直接波」と呼ばれます。 波は時々地球の磁場のために曲がり、受信機に反射されます。 このような波は「反射波」と呼ばれます。
上の図は、地上波の伝播を示しています。 地球の大気中を伝播するときの波は、*地上波*として知られています。 直接波と反射波が一緒になって、受信局の信号に寄与します。 波が最終的に受信機に到達すると、遅延は相殺されます。 さらに、信号は歪みを避けるためにフィルタリングされ、明瞭な出力のために増幅されます。
スカイウェーブの伝播
空の波の伝播は、波がより長い距離を移動する必要がある場合に適しています。 ここで、波は空に投影され、再び反射して地球に戻ります。
- 空波の伝播*は上の写真によく描かれています。 ここでは、1つの場所から送信され、多くの受信者が受信する場所に波が示されています。 したがって、それは放送の一例です。
送信機アンテナから送信される波は、電離層から反射されます。 これは、地表から30〜250マイルの高度にある荷電粒子のいくつかの層で構成されています。 送信機から電離層へ、そしてそこから地球上の受信機への波のこのような移動は、 Sky Wave Propagation として知られています。 電離層は、地球の大気の周りのイオン化された層であり、空波の伝播に適しています。
アンテナ理論-ロノスフィアとその層
地球の大気にはいくつかの層があります。 これらの層は、無線通信で重要な役割を果たします。 これらは主に3つの層に分類されます。
対流圏
これは地球の層で、地面のすぐ上にあります。 私たち、動植物はこの層に住んでいます。 ここでは、地上波の伝搬とLOSの伝搬が行われます。
成層圏
これは地球の層であり、対流圏の上にあります。 鳥はこの地域で飛ぶ。 飛行機はこの地域を旅します。 オゾン層もこの地域に存在します。 ここでは、地上波の伝搬とLOSの伝搬が行われます。
電離層
これは、地球の大気の上の層であり、イオン化が認められます。 太陽から放射されるエネルギーは、この領域を加熱するだけでなく、陽イオンと陰イオンを生成します。 太陽は絶えず紫外線を放射し、気圧が低いため、この層は粒子のイオン化を促進します。
電離層の重要性
電離層は、次の理由により、波の伝播のフェーズで非常に重要な考慮事項です-
- 電離層の下の層は、空気粒子の量が多く、UV放射が少ない。 このため、より多くの衝突が発生し、粒子のイオン化は最小であり、一定ではありません。
- 電離層の上の層は空気粒子の量が非常に少なく、イオン化の密度も非常に低いです。 したがって、イオン化は適切ではありません。
- 電離層は、UV放射の良好な組成とイオン化に影響しない平均空気密度を持っています。 したがって、このレイヤーは、スカイウェーブの伝播に最も影響を与えます。
電離層には、さまざまな圧力のさまざまなガスがあります。 異なるイオン化剤は、これらを異なる高さでイオン化します。 さまざまなレベルのイオン化が各レベルで行われ、異なるガスを含むため、電離層には異なる特性を持つ層はほとんど形成されません。
電離層の層は、次の図から調べることができます。
レイヤーの数、高さ、曲げられるスカイウェーブの量は、日ごと、月ごと、年ごとに異なります。 そのような各層には、周波数があり、それを超えると、波が垂直に上向きに送信されると、それは層を貫通します。
これらのレイヤーの機能は、時刻、つまり昼と夜に依存します。 昼間のE、F1、F2の3つの主要な層があります。 E層の下にあるD層と呼ばれる別の層があります。 この層は、対流圏の50〜90km上にあります。
次の図は、地球の大気中の昼間と夜間の両方に存在するレイヤーを示しています。
このD層は、HF波の昼間の減衰を担当します。 夜間には、このD層はほとんど消滅し、F1層とF2層が結合してF層を形成します。 したがって、*夜間*には2つの*レイヤーEおよびF *のみが存在します。
アンテナ理論-波動伝播の用語
波の伝播の過程で、非常に頻繁に出くわす用語はほとんどありません。 これらの用語について1つずつ説明しましょう。
仮想高さ
波が屈折すると、波は徐々に曲げられますが、鋭くは曲げられません。 ただし、入射波と反射波の経路は、この層のより高い位置にある表面から反射される場合は同じです。 このような高さのことを仮想高さと呼びます。
この図は、仮想の高さ(波の高さ、反射されることになっている)と*実際の高さ*(屈折した高さ)を明確に区別しています。 仮想高さがわかれば、入射角を見つけることができます。
臨界周波数
レイヤーの臨界周波数は、送信機によって放射された後、そのレイヤーによって地球に直接空に戻される最高周波数を決定します。
イオン化密度の割合は、レイヤーを介して便利に変更されると、波は下向きに曲げられます。 曲がって最小の減衰で受信局に到達する最大周波数は、クリティカル周波数*と呼ばれます。 これは f〜c〜*で示されます。
マルチパス
30 MHzを超える周波数では、空波の伝播が存在します。 信号のマルチパスは、スカイ波を通過する電磁波の伝播に共通する問題です。 電離層から反射される波は、*ホップ*または*スキップ*と呼ばれます。 電離層と地表から何度も前後に移動する可能性があるため、信号には多くのホップがあります。 このような信号の移動は、*マルチパス*と呼ばれます。
上の図は、マルチパス伝播の例を示しています。 マルチパス伝播とは、信号が宛先に到達するために移動する複数のパスを表す用語です。 これらのパスには、いくつかのホップが含まれます。 パスは、反射、屈折、または回折の結果である場合があります。 最後に、このような異なるパスからの信号がレシーバーに到達すると、伝搬遅延、追加のノイズ、位相差などが伝達され、受信出力の品質が低下します。
フェージング
信号の品質の低下は「フェージング」と呼ばれます。 これは、マルチパスによる大気効果または反射のために発生します。
フェージングとは、時間/距離に関する信号強度の変動を指します。 ワイヤレス伝送で広く普及しています。 ワイヤレス環境におけるフェージングの最も一般的な原因は、マルチパスの伝播とモビリティ(オブジェクトと通信デバイスの)です。
スキップ距離
電離層から反射された信号が最小のホップまたはスキップで受信機に到達できる送信機から受信機までの地球の表面上の測定可能な距離は、*スキップ距離*として知られています。
最大使用周波数(MUF)
- 最大使用可能周波数(MUF)*は、送信機の出力に関係なく、送信機によって配信される最高周波数です。 電離層から受信機に反射される最高周波数は、*臨界周波数fc *と呼ばれます。
最適動作周波数(OWF)
特定の送信に主に使用され、パス上で特定の期間に使用されると予測された周波数は、*最適動作周波数(OWF)*と呼ばれます。
シンボル間干渉
シンボル間干渉(ISI)は、通信システムでより一般的に発生します。 これが信号マルチパスの主な理由です。 信号が異なる伝播経路を介して受信局に到着すると、それらは互いに相殺します。これは「信号フェージング」現象として知られています。 ここで、信号はベクトル形式でキャンセルされることに注意してください。
皮膚の深さ
電磁波は水中伝搬には適していません。 ただし、伝播の頻度を非常に低くすれば、水中で伝播できます。 水中の電磁波の減衰は、表皮の深さで表されます。 皮膚の深さ*は、信号が1/e減衰する距離として定義されます。 これは、EM波が浸透できる深さの尺度です。 皮膚の深さは*δ(デルタ)で表されます。
ダクトの伝播
対流圏から約50メートルの高さに、現象が存在します。温度は高さとともに増加します。 対流圏のこの領域では、高周波数またはマイクロ波周波数は、反射するために電離層に入射するのではなく、地球の大気に屈折して戻る傾向があります。 これらの波は、1000kmの距離まで地球の曲率の周りを伝播します。
この屈折は対流圏のこの領域で続きます。 これは、*超屈折*または*ダクト伝搬*と呼ばれます。
上の画像は、 Duct Propagation のプロセスを示しています。 ダクト形成の主な要件は、温度の反転です。 温度の低下ではなく、高さによる温度の上昇は、温度反転現象として知られています。
波動伝播で遭遇する重要なパラメーターについて説明しました。 より高い周波数の波は、この波伝播技術を使用して送受信されます。