アンテナ：種類、原理、歴史、主な用途

原理と主な特性

アンテナは基本的に、電磁界を生じさせ、その電磁界が構造物から離れて伝搬するような電流と電圧を支えることで働く。アンテナの挙動は、いくつかの重要な特性によって表される。

• 放射パターン：放射または受信する電力の空間的な分布であり、多くの場合、ローブとヌルによって示される。
• 利得と指向性：等方性放射源と比べて、特定の方向へエネルギーをどれほど集中できるかを示す尺度である。
• 偏波：電界の向きであり、水平偏波、垂直偏波、円偏波などがある。送信機と受信機の整合に影響する。
• インピーダンスと整合：反射と電力損失を抑えるには、アンテナの入力インピーダンスを伝送線路に整合させる必要がある。
• 帯域幅：アンテナが許容できる性能を発揮する周波数範囲である。

一般的な種類と構造

アンテナは、異なる要求を満たすため、多様な形状と大きさで作られる。代表的な分類には次のものがある。

• ワイヤアンテナ：単純なダイポールやモノポールで、放送や基本的な通信に長く用いられてきた。
• ループおよび折り返し素子：設置空間が限られる場合や、特定のインピーダンスが求められる場合に使われることの多い、小型の設計である。
• 八木・宇田アンテナ：放射器に反射器と導波器を加えた指向性アレイで、テレビ受信や対向通信に用いられる。
• パッチ（マイクロストリップ）アンテナ：平面で薄型の放射器であり、携帯機器や無線ネットワークで広く使われる。
• 放物面反射器：衛星通信や深宇宙通信向けに高い利得をもたらすパラボラアンテナである。
• フェーズドアレイ：可動部なしにビーム方向を変えられる電子走査式のシステムで、現代のレーダーや電気通信に使われる。

歴史と用語

アンテナの実用的な発展は、ハインリヒ・ヘルツなどの先駆者による電磁波の初期実験に続くものであった。現代に広く使われる名称「アンテナ」は、19世紀後半に垂直なポールを無線信号用に用いたグリエルモ・マルコーニの実験以後、一般的になった。「antenna」と、より古い用語である「aerial」はいずれも用いられている。英語では複数形として「antennas」と「antennae」の両方が見られるが、技術的な文脈では「antennas」がより一般的である。

用途と例

アンテナは至る所で使われている。放送と双方向音声通信は、単純なモノポールやダイポールに依存している。高精度の測位（GPS）、衛星通信、電波天文学では、高性能なパラボラ型およびアレイ型の設計が用いられる。携帯電話と無線LANは、機器に組み込まれた小型アンテナを使用する。レーダーシステムには、パルスの送受信に適合させた専用アンテナが必要である。相反性の概念によれば、ある周波数で良好に送信できるアンテナは、通常、同じ周波数で良好に受信もできる。

実用上の考慮点と注目すべき事項

アンテナを設置する際、設計者は環境、取り付け方法、調整、規制上の制限を考慮する。性能は近くにある物体、地面との近さ、設置高の影響を受ける。安全規則では、高出力送信機の近くにおける強い電磁界への曝露を扱う。基礎物理や実用的な設計手法については、入門書や技術資料のほか、電波、テレビジョンシステム、レーダー技術などに関する資料を参照できる。

アンテナの種類と用途は幅広いため、技術者はシステム要件を満たすよう、寸法、コスト、帯域幅、指向性の釣り合いを考慮して設計を選ぶ。単純な屋根上のマスト、小型の携帯端末用放射器、大型の衛星通信用パラボラアンテナのいずれであっても、アンテナは電気回路と電磁環境を結ぶ不可欠な接点であり続ける。