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電磁波工学
柴田幸司
第9回 アンテナ
(基本性質、利得、インピーダンス整合、指向性、実効長)
講義ノート
アンテナとは
無線機器の信号(電磁波) を空間に効率よく放射した り、空間にある電磁波を無 線機器に導くための部品
→より長距離での通信の為
非共振型アンテナ
ホーン(ラッパ) パラボラ レンズ
非共振型アンテナの動作原理ホーンアンテナ
導波路がテーパ状に広がること
により反射させることなく開口面
まで伝搬させ、平面波に変換
パラボラアンテナ
パラボラの局面により光線的に
電磁波の伝搬方向を正面に向
けることにより平面波に変換
平面波・・・伝搬方向との直交面に位相がそろった電磁波
レンズアンテナ
レンズによる屈折および光路
長差により、電磁波を平面波
に変換
斜入射による屈折
→レンズ面を一方向に進む→利得大
入射角と反射角が等しい→すべて前方に進む鏡面
→幾何学的に理論値を計算(幾何光学近似)
特徴
・広帯域であるが、体積が大きい・高効率(開口面積あたりの利得が大きい)→細い電線やストリップなどに電流を流さないために電界が集中せず導体損や誘電体損が少ない
ホーンが
小さいの
でビーム
が広がっ
てしまう
共振型(定在波)アンテナ
モノポールダイポール 八木・宇田
マイクロストリップ マイクロストリップ・アレイ
金属
誘電体
金属パターン
ループ
共振を起こしているアン
テナは磁界になりやすい
共振型(定在波)アンテナの動作原理
20
2g
単一周波数において電線上に共振現象を起
こした電流が磁界となってアンテナから放射
単一周波数にて共振現象によりエネルギーの増大した
電磁界が磁流マイクロストリップの上下部から放射
空間を伝搬するに従い、平面波に変化していく
ダイポールアンテナ
マイクロストリップアンテナ電界・電圧オープン
(電界・電圧最大)
ショート
40
40
電界・電圧オープン実際には若干外側→端部効果{磁界ショート}→磁気壁
0
00 f
c
80 103 c [m/s]
f0 [GHz] λ0 [m]
0.33.0
30.0
1.00.10.01
共振型アンテナの特長:
狭帯域、体積が小さい
磁界[A/m]
40
電流 電圧オープンなので全反射
電界[V/m]
電圧ショートなので全反射
オープン
244ggg
20
電流ショート(I=0)
40
40
電流オープン(アンテナ先端からは開放されて見える)
共振状態(エネルギーが閉じ込められた状態)
磁界
電界 磁界
アンペアファラデー
アンペアマクスウエル
電流
基本特性
・利得[dBi]基準アンテナに対する電力の増加度(大きいほど遠くまで通信できる)
・放射パターン[dB]電磁波エネルギーの放射角度特性
・効率[単位なし]無損失を仮定した理論的な最大利得との比
ダイポール
:2.15dBi
ホーン
:20dBi
パラボラ
:30dBi
マイクロストリップアレイ
:20%
パラボラ
:50%
アイソトロピック(等方性)アンテナと絶対利得
微小電流素子の指向性
絶対利得(dBi)
i
ti P
PG 等方性アンテナとの比
相対利得(dBd)d
td P
PG ダイポールアンテナとの比
[dBi]152[dBi]0[dBd] .Gi
アイソトロピック
入力電力を球の表面積で割った値
小文字
と定義する。するとGiとGdとの間には
以下の関係がある
その方向への放射電力
まずアイソトロピックアンテナ自身の利得は
[dBi]011010 1010
log
PPlogG
i
ti
放射電界強度
微小電流切片の場合
1
1
11
i
ti P
PG
110
i
ti P
PG
[dBi]011log10 10
iG
[dBi]101
10log10 10
iG
0110 10 log
電流の振幅
指向性の計算法
放射指向性放射電界強度と放射指向性との間
には
なる関係があるので、入力電力Pin についても
と変形される。
θ
利得と開口能率(効率)および寸法との関係
アンテナの開口利得(開口面積に対する理想的な利得)はL1
L2
21 LL A なる面積について
20
4
AGt となり、対数で表せば
tGlogG 100 10 となる。
これより、24GHzにおける開口能率に対する利得は
L1 [mm] L2 [mm]G0 [dBi](100%)
200 200 35.08100 100 29.06
となる。
G0 [dBi](50%)
32.0726.05
G0 [dBi](20%)
28.0922.07
mm.m. 512012501024
1039
8
0
なので
開口面積: opening space
面積に比例
波長の2乗に反比例λ0
λ0
λ0×λ0 =λ02
各種アンテナの実効面積
実効面積が大きいほど多くの平面波を取り込むことができる
ループダイポール マイクロストリップ
マイクロストリップアレイ ホーン パラボラ
ローブの定義 携帯電話基地局の垂直面内指向特性
E面
0dB
0
-3dB
半値角
H面
0dB -3dB
ダイポールアンテナの指向特性
E面
0dB
0
-3dB半値角
H面
ホーンアンテナの指向特性
0dB
0
-3dB
半値角
上下方向ヌル点(先端の電流0)
横方向に最大(根元の電流最大)
等方向
アンペア一様磁界
アンテナの放射抵抗と入力インピーダンス
ダイポールアンテナ
1200Ω
2g
共振周波数にて
75Ω2
0
終端オープンのマイクロストリップ線路
2g
300Ωマイクロストリップアンテナ
電磁波が空間に放射時において、空間のインピーダンスとは異なる値のアンテナ自身の抵抗値(特性インピーダンス)を持つ
→その給電線の取り付け部から見たインピーダンスを入力インピーダンスと呼ぶ
モノポールアンテナ
金属インピーダンス半分
ストリップ幅が狭い場合
ストリップ幅が広い場合
入力インピーダンスの決まり方~マイクロストリップ・アンテナの場合~
ある線路の幅に対して線路インピーダンスが決定(幅が広いほど低インピーダンス)
2g
基板内部の電界強度
は両端で最大(イン
ピーダンスも最大)
Ref
その給電端からみたインピーダンス(抵抗値)が入力インピーダンス
幅が狭いほど、端部での入力インピーダンスは高くなる。
アンテナの給電と整合
Zo β
RL =75Ω
負荷抵抗
75Ω75Ω
Z0 =75Ω
アンテナ・給電線共に75Ωの場合
00
0
ZRZR
L
L
Zo β
RL =75Ω
負荷抵抗
75Ω50Ω
Z0 =50Ω
給電線が50Ωの場合
2050755075
0
0 .ZRZR
L
L
アンテナから電磁波を放射させるためエネルギーを供給する給電線の取り付けが
必要
g 2
において 20%が
反射
アンテナの整合法
RL =75ΩZ0 =50Ω
Zo β RL =75Ω
負荷抵抗Z0 =50Ω
61.24Ω
4g
Zt β
Zt
=61.24Ω
Lt RZZ 0
4g
Ref2 Ref2
スミスチャートによるインピーダンス整合
Z=∞ΩZ=0Ω
電源方向
負荷方向
50Ω 75Ω
まず、61.24Ωから75Ωを見た
規格化インピーダンスは
2212461
75 ..
となるから、これに相当する0.25分波数を電源方向に回すと0.818となる。
Z=∞Z=0
電源方向
負荷方向
1 1.22
Z=∞Z=0
電源方向
負荷方向
1 1.220.818
一方、50Ωの給電線から61.24Ωの方向(つまり負荷方向)を見た規格化イン
ピーダンスはRef1点において
223150
2461 .. なので、この点の入力規格化インピーダンス0.818はRef2点にて
不連続によって変換され、0.818×1.223=1.00となり、中心に戻る。つまり整合さ
れる。
集中定数による変成器1
Zo=75Ω
R=50Ω負荷抵抗
Ref
L
L
C
図に示す回路において、特性インピーダ
ンスがZ0である平行2線と負荷インピー
ダンスがRのアンテナとを整合させるの
に必要なLおよびCの値を求めよ。ここで
Z0 >Rとする。
図において、Refから負荷側をみたインピーダンスをZ1とすると
CjLjR
Z
1
12
11
1
より
CjLjR
Z
21
11 だから、これを整理する
ために、まず分子・分母
にR+jωLを掛けて
方針1 Refから負荷側を見た入力インピーダンスを求め
方針2 それがZ0と等しい条件より方程式を作り
方針3 その方程式の実部、虚部が等しいという条件より
2つの方程式を抽出する。
方針4 LまたはCを消去して一方を求め、この値を他方に代入してL,Cが決定
2個のLと1個のCにより整合
となる。一方、Refから電源方向みたインピーダンスはZ 0 =75Ωだから
02 )21(2 Z
CRjLCLjR
となる方程式を得る。(2)式について、C,Lを求めるために実部と虚部とに整理すれば
CRjLCZLjR 20 212
・・・(2)
より
CRjZLCZZLjR 02
00 22 ・・・(3)
を得る。(3)式を満足するために両辺の実部と虚部とがそれぞれ等しいとおけば
LCZZR 200 2
・・(4)
および CRjZLj 02
・・(5)CRZL 02 RZLCZ 02
0 2
より、これらを整理して
および なる2つの方程
式を得る。
CRjLCLjR
LCjCRjLjR
LjRCjLjRZ
2221 212
212
212
・・・(1)
RZCCRZZ 002
0 22 より RZRCZ 0
2220 ・・(6)
となる。ここで、C>0であるから、Cについて整理すれば
RZRZC
220
02
より
RRZ
ZRZRZC
0
022
0
0 1
を得る。次に、Lを求めるためには(7)式を(5)式に代入すれば
・・(7)
RRZR
RRZRR
RRZ
ZZL
0200
00
112
RZR
01
となるので RZRL
021
[F]
[H]
・・(8)を得る。よって、図において(7)、(8)を式を満足する式の素子値を選べば良い。
そこで(5)式を(4)式に代入すれば
集中定数による変成器2
R=75ΩZo=50Ω
平衡・不平衡の変換も兼ね備えた回路
具体的な定数は
安達宏,“空中線および電波伝搬”,東京電機大学出版局,pp69-70. 参照
2L1
2L1
C1 22L
22L
2C1
2C1
マイクロストリップアンテナの整合
Lt RZZ 0
Z0
4g
交流電圧源
電源抵抗R0
RL =300Ω
負荷抵抗
Zt
50Ω
300Ω
であるから、Z0 =50Ωでは
5.12230050tZ となる。
アンテナの実効長
4
h
電流分布たとえば、高さがλ/4の垂直接地空中線
(アンテナ)には、図に示すような波高値Iの 電流が分布する。そこで、この電流分布を平
均化させた時の高さを実効長と定義してみる。
h=0
A B
C
x=0
4
xxI
2cos
モノポールアンテナの場合を例にこれを求めてみよう。x=0からx=λ/4にかけて
の余弦の面積をまず求めると
0
42
22
22 ABC 余弦の面積
4
0
4
0sinsinIxsinIdxxcosI
//
20)(1
20
42
2IIsinsinI
となる。
よって、アンテナの実効長はこの面積を電流の波高値であるIで割ることによって
A B
C
x=0
4
xxI
2cos
I
IABC余弦の面積
eh
により求めることが出来る。すなわち、
eh
2I
2I
eh であって、λとhには
4
h なる関係があるから、与式に h4 を代入すれば
hhhe
242
を得る。
問題150Ωの同軸線路に75Ωのアンテナを損失無く接続するための整合回路は何Ω
にすれば良いか?
問題250Ωの同軸線路に75Ωのアンテナを接続した時の反射係数Γを求めよ
問題3パラボラアンテナに入射する平面波について、その後の波の軌跡を書き、動作
原理を説明せよ
問題424GHzにおける、図の寸法のアンテナの理想的および各開口能率に
対する利得を求めよ
アンテナの開口利得(開口面積に対する理想的な利得)はL1
L2
21 LL A なる面積について
20
4
AGt となり、対数で表せば
tGlogG 100 10 となる。
これより、24GHzにおける開口能率に対する利得は
L1 [mm] L2 [mm]G0 [dBi](100%)
200 200 35.08100 100 29.06
となる。
G0 [dBi](50%)
32.0726.05
G0 [dBi](20%)
28.0922.07
mm.m. 512012501024
1039
8
0
なので
面積に比例
波長の2乗に反比例λ0
λ0
λ0×λ0 =λ02