アンテナフィード

無線送信機または受信機は、電波を放射または受信するアンテナに接続されます。アンテナ給電システムまたはアンテナ給電は、送信機または受信機をアンテナに接続し、2つのデバイスに互換性を持たせるケーブルまたは導体、およびその他の関連機器です。 ^{[1] [2]} 無線送信機では、送信機が無線周波数の交流電流を生成し、給電システムが電流をアンテナに給電し、アンテナが電流の電力を電波に変換します。無線受信機では、入ってくる電波がアンテナに微小な交流電流を励起し、給電システムがこの電流を受信機に送り、受信機が信号を処理し

無線周波数電流を効率的に伝送するには、送信機または受信機をアンテナに接続する給電線を伝送線路と呼ばれる特殊なタイプのケーブルにする必要があります。マイクロ波周波数では、電波を運ぶ中空の金属管である導波管がよく使用されます。パラボラアンテナでは、給電には通常、電波を放射または受信する給電アンテナ (給電ホーン)も含まれると定義されます。特に送信機では、給電システムは、アンテナ、給電線、送信機 のインピーダンスを整合させる重要なコンポーネントです。これを実現するために、給電システムには、アンテナと給電線の間、および給電線と送信機の間のアンテナチューニングユニットまたは整合ネットワークと呼ばれる回路も含まれる場合があります。^[3] アンテナでは、給電点とは、給電線が接続されている駆動アンテナ要素上の点です。

送信機では、アンテナ給電部は送信機の最終増幅器とアンテナの給電点の間のすべての部品とみなされます。^{[3]受信機では、アンテナと受信機の入力端子の間のすべての部品とみなされます。パラボラアンテナなどの場合には、}給電アンテナや給電ホーンも含まれると定義されます。

トランシーバーやポータブルFMラジオに搭載されているホイップアンテナ、無線ルーターのスリーブダイポールアンテナ、携帯電話のPIFAアンテナなど、一部の無線機ではアンテナが送信機または受信機に直接取り付けられています。この場合、給電システムはアンテナと送信機または受信機の間のインピーダンス整合回路（必要な場合）のみで構成され、アンテナのインピーダンスを無線機に整合させます。^[3]

その他の場合では、アンテナは送信機や受信機とは別に配置されており、住宅の屋根に設置されたテレビ放送アンテナや衛星放送用パラボラアンテナ、携帯電話基地局のセルタワーのセクターアンテナ、空港の回転式レーダーアンテナ、ラジオ局やテレビ局のアンテナタワーなどがその例です。^[3]この場合、アンテナは給電線と呼ばれるケーブルで送信機や受信機に接続されます。無線周波数(RF) 電流を効率的に運ぶために、給電線は伝送線と呼ばれる特殊なケーブルで作られています。伝送線の利点は、特性インピーダンスが均一であるため、無線エネルギーが線路に沿って後方に反射する原因となる急激なインピーダンスのステップを回避できることです。伝送線路の主な種類は、平行線路 (ツインリード)、同軸ケーブル、マイクロ波用導波管です。

無線アンテナにおいて、給電線（フィードライン）またはフィーダは、アンテナを無線送信機または受信機に接続するケーブルまたはその他の伝送線路です。送信アンテナでは、給電線は送信機からアンテナに無線周波数（RF）電流を供給し、電流のエネルギーは電波として放射されます。受信アンテナでは、給電線は電波によってアンテナに誘導された微小な RF 電圧を受信機に転送します。RF電流を効率的に伝送するため、給電線は伝送線路と呼ばれる特殊なタイプのケーブルで作られています。最も広く使用されている給電線のタイプは、同軸ケーブル、ツインリード、ラダーライン、およびマイクロ波周波数では導波管です。

特に送信アンテナの場合、給電線は、アンテナおよび送信機で正しく動作するように調整しなければならない重要なコンポーネントです。伝送線路の種類ごとに、固有の特性インピーダンスがあります。アンテナに電力を効率的に伝送するには、この特性インピーダンスをアンテナおよび送信機のインピーダンスと一致させる必要があります。これらのインピーダンスが一致していないと、給電線上に定在波と呼ばれる状態が発生し、RF エネルギーが送信機に向かって反射され、エネルギーが浪費され、送信機が過熱する可能性があります。この調整は、送信機内のアンテナ チューナーと呼ばれるデバイスを使用して、場合によってはアンテナのマッチング ネットワークを使用して行います。給電線とアンテナ間の不整合の程度は、線路上の定在波比(SWR) を測定するSWR メーター(定在波比メーター)と呼ばれる機器で測定されます。

ツインリードは、 FM ラジオやテレビ受信機をアンテナに接続するために使用されますが、後者の用途では同軸ケーブルに大きく置き換えられ、アマチュア無線送信機などの低電力送信機の給電線としても使用されています。ツインリードは、一定の間隔で互いに平行に走る 2 本の導線で構成され、平らなリボン状のケーブル内にポリエチレン 絶縁材で成形されています。2 本の導線間の距離は、導線で伝送されるRF 信号の波長に比べて小さいです。一方の導線のRF電流は、もう一方の導線の RF 電流と大きさが等しく、方向が反対です。したがって、導線から遠い場所では、一方の導線から放射される電波は位相が逆になり、もう一方の導線から放射される電波を打ち消します。

同じ理由で、ツインリードは、両方のワイヤが大きな金属物や他の平行ワイヤから等距離に保たれている限り、無線ノイズや無線周波数干渉(RFI) の影響をほとんど受けません。不要な外部無線波は、両方のワイヤに同じ方向 (同位相) に同じ大きさの電流を誘導します。受信機の入力がバランスが取れている限り、差動 (反対) 電流にのみ応答するため、ノイズ電流は打ち消されます。

ツイン リードは一般に「バランス ライン」の一種と呼ばれますが、これは常識的に考える必要があります。平行線または同軸ケーブルのいずれのタイプでも、バランスのとれた電流を流すことができますが、すべてが不平衡電流を流すことができ、放射します。このため、すべてのタイプの給電線を「バランス」にするには注意が必要であり、怠ると「不平衡」になる可能性があります。すべてにバランスのとれた電流を供給し、電流タイプのバラン(または「ライン アイソレータ」) を介してライン上のいくつかのポイントに接続して、不平衡電流としてもたらされるノイズを除去する必要があります。

同軸ケーブルは、おそらく最も広く使用されているタイプの給電線で、マイクロ波( SHF ) 範囲未満の周波数で使用されます。同軸ケーブルは、ワイヤの中心導体と、それを囲む編組または固体の金属「シールド」導体 (通常は銅またはアルミニウム)で構成されます。中心導体は、通常はプラスチックフォームなどの誘電体によって外側のシールドから分離されており、2 つの導体間の距離を正確に一定に保っています。シールドは外側のプラスチック絶縁ジャケットで覆われています。テレビ送信機などの高電力送信アプリケーションに使用されるハード同軸ケーブルでは、シールドは窒素などの圧縮ガスを含む剛性または柔軟性のある金属パイプであり、内部導体は周期的なプラスチックスペーサーによって中心に保持されます。

同軸ケーブルは、シールド導体が通常電気接地に接続されているため、 「不平衡線」と呼ばれますが、中心導体に沿って流れる電流は、シールドの内面を流れる反対方向の電流によって平衡が保たれます。同軸シールドの外面を流れる電流だけが実際に不平衡です。その電流を遮断できれば、同軸ケーブルは「平衡線」になります。同軸ケーブルの大きな利点は、ケーブルを囲むシールド導体がケーブルの内部電流を外部の電磁場から隔離することです。外面を流れる電流が遮断されれば、同軸ケーブルは近くの金属物体の影響を受けなくなり、干渉を受けなくなります。

導波管は、他のタイプの給電線では電力損失が過度となるマイクロ波( SHF ) 周波数で使用されます。導波管は中空の金属導体またはパイプです。断面は円形または正方形です。導波管は、湿気を防ぐために窒素ガスで加圧されることがよくあります。RF 信号は、音が管内を伝わるのと同じようにパイプ内を伝わります。金属壁は、信号がエネルギーを外に放射するのを防ぎ、干渉が導波管に入るのを防ぎます。導波管のコストとメンテナンスのため、マイクロ波アンテナでは、送信機の出力段または受信機のRF フロントエンドがアンテナに配置されていることが多く、同軸ケーブルを使用して、より低い周波数で送信機または受信機の残りの部分に信号が供給されます。導波管は、不平衡伝送線路と見なされます。

特に送信アンテナの場合、アンテナ給電部はアンテナおよび送信機と互換性を持って機能するように調整しなければならない重要な部品です。^[3]送信機出力端子、伝送線路、アンテナはそれぞれ特定の特性インピーダンスを持ちます。これはデバイスの端子における電圧と電流の比です。送信機とアンテナの間で最大の電力を伝送するには、送信機と給電部をアンテナにインピーダンス整合させる必要があります。 ^[1]つまり、送信機とアンテナは同じ抵抗と、等しいが反対のリアクタンスを持つ必要があります。給電部も送信機にインピーダンス整合させる必要があります。^[4]この条件が満たされると、アンテナは給電部から供給される電力をすべて吸収します。ラインの両端のインピーダンスが一致しない場合、給電線上に「定在波」（高VSWR）と呼ばれる状態が発生します。この状態では、RF 電力の一部がアンテナから放射されずに送信機に向かって反射され、エネルギーが浪費され、送信機が過熱する可能性があります。ほとんどの送信機は、50 オームの標準出力インピーダンスを備えており、50 オームの同軸ケーブルに給電するように設計されています。

送信機は、アンテナチューナー、アンテナチューニングユニット、またはマッチングネットワークと呼ばれるデバイスによって給電線にマッチングされます。これらのデバイスは、送信機内の回路である場合もあれば、送信機と給電線の間に接続された別の機器である場合もあります。 ^{[3] [1]}アンテナと給電線の間には、給電線をアンテナにマッチングさせるための別のマッチングネットワークがある場合もあります。^[4] 固定周波数で動作する民生用ワイヤレスデバイスでは、マッチングネットワークは調整できず、デバイスのケースに収められています。放送局などの大型送信機や、短波放送局のように異なる周波数で動作する送信機では、アンテナチューナーは調整可能です。送信機周波数の変更や、送信機の出力段やアンテナの調整は、通常、インピーダンスを変えるため、送信機やアンテナに作業を行った後は、SWRをチェックしてマッチングネットワークを調整する必要があります。マッチング ネットワークを調整するために、給電線とアンテナ間の不整合の度合いを測定する最も簡単な機器は、SWR メーター(定在波比メーター) と呼ばれ、ライン上の定在波比(SWR) を報告します。これは、ライン上の隣接する最大電圧または電流と最小電圧または電流の比です。1:1 の比率はインピーダンス整合を示し、負荷が完全に抵抗性であるため、すべての電力が吸収され、反射されないことを意味します。比率が高いほど、不整合と反射電力を示します。マッチング ネットワークは、SWR が許容限度を下回るまで調整されます。その他のより高度な機器には、インピーダンス ブリッジとアンテナ アナライザーがあります。

インピーダンス整合された送信機では、送信機のソース抵抗は給電線のインピーダンスおよびアンテナ負荷抵抗と等しく、給電線上で両者が直列に接続され、等しい電力を消費するため、アンテナに供給できる最大電力は送信機の出力電力の 50% です。残りの 50% は送信機の出力段の抵抗によって熱として消費されます。(整合された給電線は小さな抵抗を通じて少量の電力を消費しますが、その見かけの抵抗インピーダンスの大部分は、給電線の誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスを克服するために必要な電圧にすぎず、それ自体は損失を引き起こしません。)

無線受信機では、アンテナとのインピーダンス不整合により、受信機に到達するアンテナからの信号エネルギーも同様に減少します。この減少も、傍受された信号の電力の最大 50% であり、回線が不整合で SWR が高い場合は、受信機に供給される電力ははるかに少なくなります。ただし、10 ～ 20 MHz 未満の周波数での損失は、受信機の熱雑音フロアが信号にすでに組み込まれている大気雑音よりもはるかに低いため、あまり問題にはなりません。そのため、アンテナからの弱い信号を受信機で増幅するだけで、不整合による電力損失を補うことができ、ノイズで目立った汚染は発生しません。20 MHz を超える周波数では、大気雑音は空間に自由に放射されるため、受信信号では受信機自体の内部生成雑音のレベルに近づくほど低くなります。これらのVHFおよびUHF周波数では、増幅によって信号対雑音比が低下するため、受信信号のインピーダンス整合は微弱な信号を受信する上で重要な問題となります。

伝送線路とその接続部品は、平衡型（ダイポールアンテナや平行線路など）と不平衡型（ラインの片側がグランドに接続されている）に分類できます。^[5] 平衡部品と不平衡部品を接続するには、バランと呼ばれる2ポートデバイスを使用します。バランは、平衡型と不平衡型の伝送線路部品間を結合する変圧器です。たとえば、同軸ケーブルなどの不平衡給電線からダイポールアンテナに給電するには、給電線をバランを介してアンテナに接続します。バランがないと、電流の不平衡部分が同軸ケーブルシールドの外側を流れ、シールドの外面がアンテナとして機能します。

より複雑なフィードには、フィードラインとマッチング ネットワーク以外のコンポーネントが含まれる場合があります。

長い給電線を持つ受信アンテナには、給電線での減衰を補うために弱い無線信号の電力を増幅する 低雑音増幅器(LNA) と呼ばれる増幅器がアンテナに備わっている場合があります。

マイクロ波周波数では、通常の伝送線路では電力損失が大きすぎるため、損失を低く抑えるには、電波を伝導する中空の金属管である導波管を使ってマイクロ波を伝送する必要があります。コストが高く、メンテナンスも必要になるため、導波管を長くすることは避けられ、マイクロ波周波数で使用されるパラボラアンテナでは、受信機のRF フロントエンドまたは送信機の一部がアンテナに配置されていることがよくあります。たとえば、衛星放送受信アンテナでは、マイクロ波を収集するアンテナのフィードホーンは、低ノイズ ブロック ダウンコンバータ (LNB または LNC) と呼ばれる回路に接続されています。この回路は、高いマイクロ波周波数を低い中間周波数に変換し、より安価な同軸ケーブル フィードラインを使用して建物内に伝送できるようにします。

レーダーや衛星通信アンテナは、複数の周波数と偏波の電波を扱うことができ、送信アンテナと受信アンテナの両方として使用される可能性があるため、給電システムは双方向に移動する無線信号を運びます。したがって、これらのアンテナには、次のような特殊なコンポーネントを含むより複雑な給電部が備わっていることがよくあります。

• 方向性結合器は、一方向に移動する電波を結合し、他の方向には移動させず、受信信号と送信信号を分離します。
• 片方の偏波の電波を通過させる偏波器
• 異なる偏波の無線信号を結合または分離する直交モードトランスデューサー
• 2つの異なる周波数を結合または分離するダイプレクサ
• 位相シフターは電波の位相を変える
• 導波管スイッチ
• 導波管ロータリージョイント

アレイアンテナまたはアンテナアレイは、単一の送信機または受信機に接続された複数のアンテナで構成され、これらのアンテナが連携して電波を発信または受信します。アレイアンテナの給電システムは、当然のことながら単一のアンテナよりも複雑です。給電ネットワークは、送信電力をアンテナ間で均等に分割する必要があります。平面波を発信するには、送信アレイの個々のアンテナ(要素)に特定の位相関係で電流を供給しなければなりません。同様に、受信アレイでは、各要素からの電流を位相シフトして、受信機で同位相に結合する必要がある場合があります。これには、各要素で位相シフトネットワークが必要になる場合があります。フェーズドアレイアンテナは、ビームを電子的にさまざまな方向に操縦できるタイプのアレイアンテナで、各アンテナ要素には、コンピューターで制御されるプログラム可能な位相シフタを介して電流が供給されます。

• 定在波比
• アンテナチューナー