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アンテナ
(antenna)

アンテナは、電磁界の送信や受信に用いられるデバイスである。 無線分野では、空中線 (aerial) と呼ばれることもある。

代表的なアンテナ

EMC 試験で用いられる代表的なアンテナには、以下のようなものがある：

  1. ダイポール・アンテナ (dipole antenna)

    ２本の等しい長さのエレメントを反対側に伸ばしたもの。 対象とする周波数に合わせてエレメントの長さを調整できるように、 伸縮可能なエレメント (telescopic element と呼ばれる) を備えたものが多い。

    エレメントの全長が半波長となるように調整したもの (インピーダンスが実数部のみとなるように 若干短くして同調を取ることもある) は、 半波長ダイポール (half-wave dipole) と呼ばれる。 半波長ダイポールは、そのアンテナ係数をかなり正確に計算できることから、 標準アンテナとしても使われている。

  2. モノポール・アンテナ (monopole antenna)

    一本のエレメントを、グランド面の上に立てたもの。 ロッド・アンテナ (rod antenna) とも呼ばれる。 グランド面の代わりに、カウンターポイズ (counterpoise) が用いられることもある。

    EMC 測定用としては、アンプを内蔵したアクティブ・モノポール・アンテナが、 比較的低い周波数の電界の測定のために用いられている。

  3. バイコニカル・アンテナ (biconical antenna; 双円錐アンテナ)

    ダイポール・アンテナのエレメントを円錐状のもので置き換えた、広帯域アンテナ。

    実際には、金属のパイプを放射状に並べたエレメント (エレメントの先端も相互に接続され、カゴ状になっていることも多い) が用いられることが多い。 指向性はダイポール・アンテナと似ている。 しばしば「バイコニ」と呼ばれる。

  4. ログ・ペリオディック・アンテナ (log-periodic antenna; 対数周期アンテナ)

    長さの異なるダイポールを、向きを交互に入れ替えながら規則的に並べた、 広帯域アンテナ。 LPDA (log-periodic dipole array) と呼ばれることもある。

    しばしば「ログペリ」と呼ばれる。 低い周波数までカバーするためには長いエレメントが必要になるが、 その大きさを抑えるために、エレメントを折り曲げたり、 装荷 (loading) を行なったりしたものもある。 一見、テレビ受信などに用いられている 八木・宇田アンテナと似ているように見えるかも知れないが、 原理的には全く異なる。

  5. ハイブリッド・バイコニカル／ログ・ペリオディック・アンテナ

    バイコニカル・アンテナとログ・ペリオディック・アンテナを組み合わせることで、 全体の大きさを抑えながら、さらに広帯域化したもの。

    低い周波数ではバイコニカル・アンテナに、 高い周波数ではログ・ペリオディック・アンテナに似た特性を持つ。 円錐状のエレメントの代わりに、三角形のエレメントが用いられることも多い。 しばしば「バイログ」と呼ばれるが、 BiLog は米国における Chase Electronics の登録商標である。 他のメーカーでは、TRILOG、LOGBICON などの呼称が用いられていることもある。

  6. ホーン・アンテナ (horn antenna)

    概念的には、導波管の端を拡げ、電磁波を放射できるようにしたもの。

    外観から容易に想像できるように、強い指向性を持つ。 一般に、帯域はあまり広くない。 標準ゲイン・ホーンは、アンテナ係数をかなり正確に計算することができ、 マイクロ波帯用の標準アンテナとしても使われている。

  7. ダブルリッジド・ウェーブガイド・ホーン・アンテナ (double ridged waveguide horn antenna)

    ホーン・アンテナの内側にリッジ (ridge; 尾根、棟などの意) を付けたようなもの。

    概念的には、ダブルリッジ導波管の端を拡げたようなもので、 ホーン・アンテナよりも広帯域となる。

  8. ループ・アンテナ (loop antenna)

    導体をループ状にしたもの。 磁界成分を検出する。

    EMC 測定用としては、 電界を拾わないようにループをシールドしたものが用いられることが多い。 (写真のループ・アンテナで見えている金属の環はシールドのための金属管であり、 その中にループが納められている。) アンプを内蔵したものもある。

アンテナの特性

偏波

EMC試験で用いられるアンテナのほとんどは 直線偏波のものである。 アンテナの偏波はその構造から明白であることが多いので、 アンテナの説明書などを見ても偏波の向きは明記されていないことが多い。

直線偏波のアンテナは、直交する偏波の電磁波を排除する能力の指標となる、 交差偏波識別度 (cross polarization) と呼ばれるパラメータを持つ。

ゲイン

アンテナのゲイン (gain; 利得)とは、放射が最大になる放射角における放射エネルギーの強さの、 基準となるアンテナのそれに対する比を示すものである。 アンテナはエネルギーを増やすことはできないが、 放射エネルギーを狭い範囲に集中させることによって その方向に放射されるエネルギーの密度を増やすように設計することができ、 これがそのアンテナのゲインとなる。 単純に言うと、高いゲインを持つアンテナとは、 電磁波を鋭いビームとして放射するものである (放射効率が等しい場合)。

通常、ゲインの基準としては 等方性アンテナ (isotropic antenna; 完全に無指向性の、理論上のもの) を用い、 そのゲインは dBi という単位で表現される。 基準として半波長ダイポール・アンテナを用いることもあり、 そのゲインは dBd と表記される。 半波長ダイポール・アンテナは、2.15dBi 程度のゲインを持つ。

実効面積

アンテナの実効面積 (effective area) は、 電磁波にさらされた受信アンテナから取り出すことのできる電力と 電磁波の電力密度との比率である。

ゲイン G (dBi) のアンテナの 実効面積 Ae [m2] は、 波長を λ [m] として、

Ae = λ2 G / 4π
となる。

アンテナ係数

アンテナを用いて電磁波の強度を測定する場合には、 アンテナ係数 (antenna factor) と呼ばれるパラメータが必要となる。 これは、アンテナが受ける電界強度と アンテナが出力する電圧との関係を示す係数であり、 通常、dB(1/m) で表現される。

概念的には、アンテナ係数は、自由空間中、無限遠方における値として定義することができ、 このようなアンテナ係数は自由空間アンテナ係数 (free-space antenna factor) と呼ばれる。

だが、地面や他の導電性の物体が近くにある場合には、 アンテナ係数はその他の物体との相互作用によって変化する。 このため、地面からの高さ、アンテナ間の距離、水平／垂直などの条件に応じた、 時に geometric antenna factor と呼ばれるアンテナ係数が用いられることもある。

ゲインとアンテナ係数の関係

50Ω 系においては、メインローブの方向から入射する電磁波に対する 自由空間アンテナ係数 AF (dB(1/m)) と ゲイン G (dBi) とは、周波数を f (MHz) として、
AF = 20 log f − G − 29.77
の関係を持つ。
ゲイン G のアンテナの実効面積 Ae [m2] は、 波長を λ [m] として、
Ae = λ2 G / 4π
自由空間で、電界強度 E [V/m]、 電力密度 Pd = E2 / 120π [W/m2] の電磁波にさらされた、 実効面積 Ae [m2] のアンテナから 取り出せる電力 P [W] は、
P = Pd ⋅ Ae = (E2 / 120π) ⋅ (λ2 G / 4π) = (E2 λ2 / 480π2) ⋅ G
一方、Z = 50Ω の系の上での、 電力 P [W] と電圧 V [V] の関係は、
P = V2 / Z = V2 / 50
上の2つの式をまとめると、
V2 / 50 = (E2 λ2 / 480π2) ⋅ G
V2 = (E λ / 9.7339)2 ⋅ G
周波数を f [MHz] とすると、 波長 λ = 299.792458 / f であるので、
V = ( E ⋅ ( 299.792458 / f ) / 9.7339 ) ⋅ √G = 30.798 E √G / f
アンテナ係数 AF [1/m] = E / V であるので、
AF = E / V = f / ( 30.798 √G )
これをデシベルに変換すると、
AFdB = 20 log f − 10 log G − 29.77

放射パターン (指向性)

アンテナから放射した電磁波の強度をアンテナからある程度離れた場所で測定した時、 その位置によって測定される強度が変化する。 このパターンはアンテナの形状によって異なり、また周波数によっても変化する。

この放射パターンの上で、放射が最大となるビームをメインローブ (main lobe)、 その他のものをサイドローブ (side lobe)、 メインローブ以外のものの中で最も大きいもの (メインローブの反対側に出ることが多い) を バックローブ (back lobe) と呼ぶ。 また、メインローブのピークの -3dB になる点のあいだの角度を、 3dB ビーム幅 (半電力ビーム幅; 3dB beamwidth / half-power beamwidth) と呼ぶ。

次に、代表的なアンテナの放射パターンの概要を示す。

VSWR

EMC 用のアンテナの場合、 その測定器側のインピーダンスは 50Ω に整合していることが望ましいが、 ある種のアンテナは、非常に高い VSWR (低いリターン・ロス) を持つ。 エミッション測定においては、 この不整合に伴う問題の軽減のためにも、アンテナと測定器のあいだに アッテネータを入れることが多い。

by T.Sato, 2008-06-14

Photo: Schwarzbeck Mess-Elektronik; licensed under Creative Commons Attribution ShareAlike 2.0