飲料アンテナ

ビバレッジアンテナまたは「ウェーブアンテナ」は、主に低周波および中周波無線帯域で使用される長いワイヤの受信アンテナであり、 1921年にハロルドH.ビバレッジによって発明されました^。[1]アマチュア無線家、短波リスナー、長波ラジオDXer、および軍事用途で 使用されます。

ビバレッジアンテナは、半波長から数波長（数十から数百メートル、短波では数ヤードから数キロメートル、長波ではマイル）の長さの水平ワイヤを地面から吊り下げたもので、一方の端には受信機への給電線が接続され、ワイヤのもう一方の端は抵抗器を介して接地されています。^{[2] [3]}このアンテナは、抵抗器で終端された端から空に向かって浅い角度でパターンのメインローブを持つ一方向性の放射パターンを持ち、電離層で反射された地平線の向こうの局からの長距離スカイウェーブ（スキップ）送信を受信するのに最適です。ただし、アンテナは、受信する送信機の方向にワイヤを向けるように構築する必要があります。

ビバレッジアンテナの利点は、優れた指向性、共振アンテナよりも広い帯域幅、遠方や海外の送信機を受信する強力な能力です。欠点は、物理的に大きく、かなりの土地面積が必要で、受信方向を変えるために回転できないことです。設置では、広い方位範囲を提供するために、複数のビバレッジアンテナを使用することがよくあります。

ハロルド・ビバレッジは1919年にオッタークリフス無線局でビバレッジアンテナに似た受信アンテナの実験を行った。^{[4] [5]}彼は1920年に、ほぼ双方向性の長いワイヤアンテナを損失のある地面の近くに置き、ワイヤの一端を抵抗器で終端すると、単方向性になることを発見した。 1921年、ビバレッジはアンテナの特許を取得した。その年、最長14km (9マイル) のビバレッジ長波受信アンテナが、大西洋横断無線電信トラフィック用のRCAのニューヨーク州リバーヘッド^[6] 、メイン州ベルファスト^[7]、ニュージャージー州ベルマー^[8]、マサチューセッツ州チャタム^[9]の受信局に設置された。おそらく最大のビバレッジアンテナは、長さ5km（3マイル）、幅3km（2マイル）の4つの位相ビバレッジアンテナ^{[10]のアレイで、}メイン州ホールトンのAT&Tによって構築され、1927年に開通した最初の大西洋横断電話システム^[11]のために構築されました。

ビバレッジアンテナは、波長の半分から数波長の長さの水平ワイヤで構成され、地面近くに吊り下げられ、通常3〜6メートル（10〜20フィート）の高さで、信号源の方向を向いています。^{[3] [2]} 信号源側の端は、伝送線路と見なされるアンテナの特性インピーダンス（通常400〜800オーム）とほぼ等しい値の抵抗器で接地終端されています。もう一方の端は、伝送線路で受信機に接続され、バランを介して線路をアンテナの特性インピーダンスに一致させます 。

ダイポールアンテナやモノポールアンテナなどの他のワイヤアンテナは共振器として機能し、無線電流が素子に沿って両方向に伝わり、定在波として両端の間で往復しますが、ビバレッジアンテナは進行波アンテナです。つまり、無線周波数電流はワイヤに沿って一方向、つまり無線波と同じ方向に進みます。^{[3] [2] [12]} 共振がないため、共振アンテナよりも広い帯域幅が得られます。垂直偏波の無線波を受信しますが、他の垂直偏波アンテナとは異なり、地面近くに吊り下げられており、機能するには地面の 抵抗が必要です。

ビバレッジアンテナは、その動作に「波の傾斜」を利用しています。^[13]低周波および中周波では、有限の地表導電率を持つ地表近くを移動する垂直偏波の無線周波数電磁波は損失を被り、波面が斜めに「傾く」ことになります。^{[3] [2] [12]} 電界は地面に対して垂直ではなく、斜めになっているため、地表と平行な電界成分が生成されます。水平のワイヤが地表近くに吊り下げられ、波の方向とほぼ平行になっている場合、電界はワイヤに沿って移動する振動 RF 電流波を生成し、波面と同じ方向に伝播します。ワイヤに沿って移動する RF 電流は、ワイヤの長さ全体にわたって位相と振幅を追加し、受信機が接続されているアンテナの遠端で最大の信号強度を生成します。

アンテナ線とその下の地面は、電波からエネルギーを吸収する「漏れやすい」伝送線路と考えることができる。 ^[12] アンテナ内の電流波の速度は、地面の影響で光速よりも遅くなる。また、アンテナ線に沿った波面の速度も、その角度の影響で光速よりも遅くなる。ある角度θ _maxでは、 2 つの速度は等しくなる。この角度ではアンテナのゲインが最大になるため、放射パターンはこの角度でメインローブを持つ。メインローブの角度は^{[14]である。}

${\displaystyle \theta _{\text{max}}=\arccos {\biggl (}1-{\frac {\lambda }{2L}}{\biggr )},}$

どこ

${\displaystyle L}$アンテナ線の長さ、

${\displaystyle \lambda}$波長です。

アンテナには単方向の受信パターンがあります。これは、反対方向、つまりワイヤの受信端から到着する RF 信号が、終端端に向かって伝播する電流を誘導し、終端抵抗器によって吸収されるためです。

ビバレッジアンテナは指向性に優れていますが、損失の多い大地に近いため絶対利得は得られません。利得は通常 -20 ～ -10 dBi です。アンテナは大気の無線ノイズが高い周波数で使用されるため、これが問題になることはほとんどありません。これらの周波数では、受信機のノイズではなく大気のノイズが信号対雑音比を決定するため、効率の悪いアンテナを使用できます。アンテナからの弱い信号は、大きなノイズを発生させることなく受信機で増幅できます。アンテナは送信アンテナとして使用されません。送信アンテナとして使用すると、駆動電力の大部分が終端抵抗で無駄になるからです^[15]

指向性はアンテナの長さとともに増加します。指向性はわずか 0.25 波長の長さで現れ始めますが、1 波長で指向性がより顕著になり、アンテナの長さが約 2 波長に達するまで着実に改善されます。2 波長よりも長い場合、アンテナ内の電流が電波と同位相を維持できないため、指向性は増加しません。

単線式ビバレッジアンテナは、通常、波長の半分から2倍の長さの1本の直線銅線で、希望する信号の方向に地表と平行に伸びています。この銅線は、地上の絶縁された支柱によって吊り下げられています。 ^[16]銅線の特性インピーダンスにほぼ等しい非誘導性抵抗器（約400～600オーム）が、銅線の遠端から接地棒に接続されています。銅線のもう一方の端は、受信機への給電線に接続されています。 ^[17]

デュアルワイヤのバリエーションは、後方ヌルステアリングや双方向スイッチングに使用されることがあります。アンテナは、ブロードサイド、エンドファイア、スタッガード構成で 2 ～ 128 個以上の要素のアレイとして実装することもでき、これらの周波数では通常達成が非常に難しい指向性を大幅に改善します。4 要素のブロードサイド/スタッガード ビーバレッジ アレイは、メイン州ホールトンの AT&T の長波電話受信機サイトで使用されました。64 要素以上の非常に大規模なフェーズド ビーバレッジ アレイは、地平線を越​​えるレーダーシステムの受信アンテナとして実装されています。^[要出典]

アンテナの駆動インピーダンスは、ワイヤの接地に対する特性インピーダンスに等しく、ワイヤの高さに応じて 400 ～ 800 オームの範囲です。通常、受信機とアンテナのエンドポイントを接続するには、50 オームまたは 75 オームの同軸ケーブルを使用します。このような低インピーダンスの伝送線とアンテナの 470 オームの高インピーダンスの間には、マッチングトランスを挿入する必要があります。^[18]

• アンテナ（無線）
• ハロルド・ビバレッジ

• 米国特許 1,381,089 1921年6月7日 ラジオ受信システム - 飲料アンテナ
• 米国特許 1,434,984 1922年11月7日 ラジオ受信システム - 双方向ビバレッジアンテナ
• 米国特許 1,434,985 1922年11月7日 ラジオ受信システム - 複数の受信機を備えた飲料用アンテナを使用
• 米国特許 1,434,986 1922年11月7日 ラジオ受信システム - 隣接波長からの干渉を排除する選択回路を備えた飲料用アンテナ
• 米国特許 1,487,308 1924年3月18日 ラジオ受信システム - 飲料アンテナの指向性の改善
• 米国特許 1,556,122 1925年10月6日 ラジオ受信システム - 飲料アンテナの指向性の改善
• 米国特許 1,658,740 1928年2月7日 ラジオ受信システム - 指向性を向上させるための2つ以上のビーバレッジアンテナのブロードサイド位相調整
• 米国特許 1,768,239 飲料用アンテナのサイドローブを介して受信される干渉の低減
• 米国特許 1,816,614 ウェーブアンテナ - 飲料アンテナの指向性の改良
• 米国特許 1,821,402 スタッガード ビバレッジ アンテナおよび位相スタッガード ビバレッジ アンテナ

• アンテナ理論と設計、Warren L. Stutzman、Gary A. Thiele、John Wiley & Sons、2012 年 5 月 22 日