折り畳み式ユニポールアンテナ

折り畳み式ユニポールアンテナは、主にAM ラジオ放送局の中波帯の送信アンテナとして使用されるモノ ポールマスト放射 アンテナの一種です。垂直の金属棒またはマストが取り付けられ、その基部が埋設ワイヤで構成される接地システムに接続されています。マストは、マストの上部またはその近くに電気的に接続された垂直ワイヤの「スカート」に囲まれています。スカートワイヤはマスト基部近くの金属リングに接続され、送信機から電力を供給する給電線はリングと地面の間に接続されます。

これは、米国やその他の国で中波 AM放送局の塔の改修に多く使用されています。AMラジオ局がFM放送アンテナなどの他のアンテナと塔を共有する場合、折り畳み式ユニポールは多くの場合良い選択です。塔の基部が接地システムに接続されているため、基部が高電圧になっている通常のマストラジエーター塔とは異なり、塔に取り付けられたアンテナへの伝送線や航空機の照明電力線は、アイソレータを必要とせずに塔の側面に配線できます。^[1]

折り畳み式ユニポールアンテナは、アメリカのラジオ放送の先駆者でありコンサルタントエンジニアでもあったジョン・H・ムラニーによって放送用に初めて考案されました。^{[2]これは、既存の}中波（MW）、周波数変調（FM）、振幅変調（AM）放送アンテナ設備 のいくつかの困難な問題を解決するために設計されました。

折り畳み式ユニポールは、古い放送アンテナの改修に最もよく使用されるため、以下の最初のサブセクションでは、出発点として使用される一般的なモノポール アンテナについて説明します。次のサブセクションでは、周囲のスカート ワイヤを追加して、通常の放送塔を折り畳み式ユニポールに変換する方法について説明します。

右の写真は、既存の三角形のモノポール タワーから構築された小型の折り畳み式ユニポール アンテナを示しています。このアンテナの「スカート」を構成するのは 3 本の垂直ワイヤだけです。

AMラジオ局の典型的なモノポール送信アンテナは、直列給電式のマスト ラジエーター、つまり通電されて電波を放射する垂直の鉄格子マストです。送信機からアンテナに電力を供給する給電線の片側はマストに接続され、もう片側はマストの基部の隣にある端子から放射する埋設電線で構成される接地(電気)システムに接続されます。マストは厚いセラミック絶縁体で支えられており、これによって電気的に地面から絶縁されています。 米国 FCC規制では、接地システムに少なくとも 1/4 波長の長さの埋設銅線またはリン青銅放射状電線を 120 本必要としており、通常、タワーのすぐ近くに接地スクリーンがあります。腐食を最小限に抑えるため、接地システムのすべてのコンポーネントは、通常、ろう付けまたはコイン銀 はんだを使用して互いに接合されます。

マストには、地面のコンクリート アンカーに固定された斜めの支線が取り付けられ、支線を支えています。支線には、マストから電気的に分離して高電圧が地面に伝わるのを防ぐための張力絶縁体が内蔵されています。導電性の支線がアンテナの放射パターンを乱すのを防ぐため、支線に追加の張力絶縁体が挿入され、支線を電気的に独立した短いセグメントに分割して、すべてのセグメントが動作周波数で共振しないほど短くなるようにすることがあります。

米国では、連邦通信委員会(FCC) は、単一の直列給電タワーの送信機電力測定値を、この給電点で計算し、給電点インピーダンスの抵抗部分を電流の二乗に乗じて求めることを義務付けています。

${\displaystyle \P=I^{2}\R\}$

電気的に短いモノポールアンテナは、抵抗が低く、容量性（負）リアクタンスが高い。受信先や周囲の地形、特に広い水域の場所によっては、アンテナが長くなると、アンテナの電気的高さが約⁠ を超えるまで、ますます有利な方向に信号を送信する傾向がある。5/ 8 ⁠ 波長の高さ。

リアクタンスは、 ⁠よりわずかに短い塔の場合のみゼロになります。1/ 4 ⁠ 波長ですが、湿度、ほこり、塩分を含んだ泡、または塔やその給電線に集まる氷に応じて、リアクタンスはいずれにしても上昇または下降します。 高さに関係なく、アンテナ給電システムには、塔の基部にある小さな小屋（「チューニング小屋」または「結合小屋」または「らせん小屋」と呼ばれる）に収容されたインピーダンス整合システムがあります。整合ネットワークは、アンテナのインピーダンスを、送信機に接続する給電線の特性インピーダンスに結合するように調整されます。 塔が周波数に対して短すぎる（または高すぎる）場合、アンテナの容量性（または誘導性）リアクタンスは、整合ネットワークによって反対のリアクタンスでキャンセルされ、アンテナの給電点抵抗が給電線の特性インピーダンスと一致するように上げたり下げたりします。整合ネットワーク、接地線、および塔の制限が組み合わさると、システムの帯域幅が狭くなる可能性があります。極端な場合には、狭帯域幅の影響が深刻になり、ラジオ放送の音声忠実度が損なわれる可能性があります。

電気的に短いアンテナは放射抵抗が低いため、システムの他の部分での通常の損失は、放送電力の損失という点で比較的大きな損失となります。地上システム、マッチングネットワーク、給電線、およびタワーの構造における損失はすべて、アンテナ給電電流と直列になっており、それぞれが放送電力の一部を無駄にして、タワー内の土壌または金属を加熱します。

経験的に、ユニポールの外側のスカート線は、すべて並列に配線された、いくつかの高くて狭い単巻コイルの接続セグメントとして考えることができ、中央のマストが各巻線の最後の側を完成させます。 ^{[引用が必要]}同様に、各スカート線は平行なワイヤ スタブを形成し、マストはもう一方の平行な「ワイヤ」です。スカートがマストに接続するスタブ上部の閉じた端は、伝送線スタブインダクタを形成します。どちらにしても、スカート線の効果はアンテナ マストに誘導性リアクタンスを追加することであり、これは短いマストの容量性リアクタンスを中和するのに役立ちます。 ^{[引用が必要]}

短いモノポールの通常のケースでは、周波数が低下すると、スカート ワイヤによって導入される誘導性リアクタンスが減少し、裸のマストの容量性リアクタンスが増加します。周波数が増加すると、スカートが 1/4 波長の周波数まで、誘導性リアクタンスが増加し、容量性リアクタンスが減少します。したがって、短いアンテナの場合、リアクタンスの大きさは周波数と反対の方法で増加および減少するため、スカートのインダクタンスとマストの容量は単一の周波数でのみキャンセルできます。

アンテナマストが長く、少なくとも 1/4 波長の高さであれば、リアクタンスをより精巧に構成できます。つまり、反対のリアクタンスを、少なくとも部分的に、複数の周波数で互いに打ち消し合い、ほぼ同じ量だけ増減するようにできます。反対のリアクタンスがほぼバランスすると、周波数が下がった (または上がった) ときにアンテナ全体の総リアクタンスが減り、アンテナの低リアクタンス帯域幅が広がります。^{[1] [a]}ただし、アンテナが長いほど低リアクタンス帯域幅が広くなるという点については、特に注目すべき点はありません。

不平衡無線電流の大部分をマストではなくスカートワイヤに流すことができれば、スカートワイヤの外側のリングによってマストの電気幅も効果的に増加し、ユニポールの不平衡電流が「ケージアンテナ」のように機能することで帯域幅も向上します。

通常、折り畳み式ユニポールは既存のモノポールアンテナを改造して構築されますが、すべてのモノポールでユニポールのすべての可能な改良を実現できるわけではありません。

• 最初の方法は、ベース絶縁体（ある場合）を短絡させることにより、タワーのベースを接地システムに直接接続します。
• 次に、一連の垂直ワイヤー（通常は 4 本から 8 本）が、タワーの上部またはその近くの取り付け部から設置されます。これらのワイヤーはタワーを囲み、「スカート」と呼ばれます。
• スカート線は絶縁された「スタンドオフ」構造部材によって塔から一定の距離に保たれ、同じく絶縁スタンドオフに取り付けられた塔の基部を囲む電気的に絶縁された導体リングに結合されている。^{[1] [3]}
• 新しいアンテナ給電部は、接地システムの共通ポイントとスカートワイヤの下部にあるリングの間を接続します。

マストを包むスカートは、タワーの上部、または上部近くの中間点と、タワーの基部を囲む隔離された導電リングにのみ接続されます。スカートのワイヤは、その全長にわたって他のすべての点でマストから絶縁されたままです。^{[1] [3]}

平衡電流と不平衡電流はアンテナを理解する上で重要です。不平衡電流は常に放射しますが、近接した平衡電流は決して放射しないからです。ユニポール アンテナの動作を別々に示す次の図では、アンテナを流れる平衡電流と不平衡電流を別々に考慮しています。この 2 つの電流の合計が、1 つの導体に見られる実際の電流です。

電気的な重ね合わせの原理により、アンテナに流れる全電流は、独立した平衡電流と不平衡電流の合計に分割されると考えられる。アンテナ電流の平衡部分と不平衡部分が加算されて「真の」電流プロファイルが形成される。同様に、マストを流れる「真の」電流を測定し、 スカートワイヤで測定されたすべての「真の」電流の合計（対称性によりすべて同じであると仮定）と呼ぶと、「真の」電流の平衡部分と不平衡部分は次のようになる。 ${\displaystyle \ I_{\mathsf {mast}}\ ,}$${\displaystyle \ I_{\mathsf {スカート}}\ }$

${\displaystyle \ I_{\mathsf {balnc}}={\tfrac {1}{2}}\left(I_{\mathsf {mast}}-I_{\mathsf {skirt}}\right)\ ,}$そして

${\displaystyle \ I_{\mathsf {unbal}}={\tfrac {1}{2}}\left(I_{\mathsf {mast}}+I_{\mathsf {skirt}}\right)~.}$

逆に言えば、マストとスカート内の「真の」流れは、概念上のバランスのとれた流れとバランスのとれていない流れから、

${\displaystyle \ I_{\mathsf {mast}}=I_{\mathsf {unbal}}+I_{\mathsf {balnc}}\ ,}$そして

${\displaystyle \ I_{\mathsf {skirt}}=I_{\mathsf {unbal}}-I_{\mathsf {balnc}}~.}$

したがって、例として、単純化された観点から、アンテナとその給電線の違いは、平衡電流が給電線内を反平行に流れ、放射せず、アンテナ内の不平衡なベクトル平行経路に再流されて放射することです。

スカートとマストの電気的動作は、同軸給電線に似ていると考えられます。スカートは同軸の外側シールドに相当し、マストはコアワイヤ、つまり中心導体として機能します。スカートとマストの上部の接続は、仮想同軸の端で短絡として機能し、設計上、「同軸」は接続点で 1/4 波長未満の長さであるため、実質的に誘導性短絡スタブです。スカートとマストの構成サイズと間隔 (平衡電流から見たインピーダンスを決定する) に関係なく、スカートとマストを循環する給電電流は、上部とスカート給電点の間、および上部とグランド プレーンの間に、給電点とグランド間の電圧差の半分 (非常に小さな変動がある可能性があります) の電圧差を生成します。

これまで検討した電流は平衡型のみです。スカート ワイヤを上昇する給電電流の合計は、マストを通って地上レベルの給電点に流れ (またはその逆)、(平衡型) 給電線を通って戻り、電気的に閉回路を形成します。上昇する電流の磁場は下降する電流と等しく反対方向であるため、磁場は (ほぼ) すべて打ち消され、結果として平衡型電流は (ほとんど) 放射しません。したがって、平衡型給電電流だけを考慮した場合のアンテナの状況は、アンテナ上部とグランドプレーンの間に電圧差が生じるだけで、電波に関しては何も生じないということになります。この電圧差は、不平衡電流の電気的励起子として機能します。

次に、アンテナを、潜在的な不平衡電流の「観点」から別々に検討すると、マストの上部近くの接続ポイントとアンテナ ベースのグランド プレーンの間に不平衡電圧が発生します。(RF 分析では、給電点から無線への逆方向の経路は、平衡給電電流を無視して、グランドへの仮想経路として扱われます。) 自己キャンセルされた平衡電流は、不平衡電流に電気的に影響を与えません (すべてに共通の電圧差を作成する以外)。ただし、アンテナの「真の」電流プロファイルを作成するために追加されます。

不平衡電流が上部と下部の電圧差に応じて取る経路には、マストを通って下向き（または上向き）に流れるか、スカート ワイヤを通って下向き（または上向き）に流れるかの 2 つがあります。各経路の電流は同じ電圧で駆動されるため、同じ方向に流れます。電流は、各経路のグランドへのアドミタンス（相互インピーダンス）に比例して分割されます。各経路の電流量は、各経路のワイヤのサイズと数、およびある程度は隣接する導体（マスト ワイヤとスカート ワイヤ）の相互インピーダンスとそれらのワイヤに流れる電流（隣接するワイヤの平行電流は互いの磁場を押しのけるため、電流を押し通すのが難しくなります）によって決まります。すべての不平衡電流は放射します。複数のベクトル平行電流経路からの放射はすべて加算されます。

同じ 2 本の導体を通る平衡電流と比較すると、不平衡電流の流れに対抗する 電気インピーダンスは非常に高く、約 500～600 Ω以上で、主にワイヤの直径に依存しますが、隣接するワイヤの電流が近いか大きいほど高くなります。平衡電流の流れに対するインピーダンスは、約 300～500  Ω以下で、主にワイヤ間の間隔に依存しますが、ワイヤの間隔が狭いほど低くなります。その結果、平衡電流の流れは不平衡電流の流れよりも大きくなる傾向があり、導体の間隔が狭いほどその差は大きくなります。

ユニポール アンテナの電気設計では、放射を最大化し、給電線にリアクタンスのない平衡給電点インピーダンスを提供するために、スカート ワイヤのサイズと数、長さ、および (可能な場合は) 中央マストのサイズを選択します。(材料費や組み立ての容易さなどのその他の設計上の考慮事項により、電気性能にとって最適ではない選択が行われる場合があります。)

他のアンテナ タイプと比較して、多数の自由な設計パラメータがあるため、極めて多様なユニポール アンテナを作成でき、そのパフォーマンスはすべて異なります。単純なダブレットなどの一般的に使用されるアンテナとは異なり、「一般的なユニポール」のパフォーマンス数値はありません。ただし、以下で説明するフィールド テストでは、アンテナ効率だけを考慮すると、ユニポールに供給される電力あたりの放射電力は、同じ高さの通常のモノポールアンテナとほぼ同じであることが示されています。フィード ポイント インピーダンスを調整できるという利点以外に、基本的なモノポールと比較して、ユニポールに固有の優れたパフォーマンスはないようです。ユニポール設計の唯一の利点は、精巧に構成可能な組み込みのフィード ポイントインピーダンス マッチングシステムを備えていることです。

よくできた折り畳み式ユニポールアンテナを、老朽化し​​たアンテナや元々の設計が悪かったアンテナと交換すると、当然ながら性能が向上しますが、突然の向上により、設計が優れていると誤って推測される可能性があります。

実験では、折り畳み式ユニポールの性能は他のモノポール設計と同じであることが示されています。折り畳み式ユニポールと、同じ高さで、すべてよく作られており、ほぼ同等の放射幅を持つ従来の垂直アンテナを直接比較すると、Rackley、Cox、Moser、King (1996) ^[4]および Cox と Moser (2002) による実際の測定で、放射パターンに本質的に違いがないことがわかりました。^[5]

予想されたより広い帯域幅は、いくつかの折り畳み式ユニポールアンテナのアンテナ範囲テストでも検出されませんでした。^{[4] [5]}

最も一般的には、折り畳み式ユニポール設計は、シャント給電アンテナ（接地ベースを備えた別の放送アンテナ設計）の代替として使用される。「シャント給電」（または「傾斜ワイヤ」）アンテナは、傾斜した単線給電線の上部がマストの一点に接続された接地タワーで構成され、傾斜した給電線のもう一方の端で必要なインピーダンスとほぼ一致する。^{[1] [b] [c]}

よくできた折り畳み式ユニポールアンテナを、古くなった斜め給電式アンテナに代えれば、放送局の技術者はパフォーマンスの顕著な向上に気づくだろう。^[要出典]このような向上により、折り畳み式ユニポールアンテナには電力利得やその他の素晴らしい特性があるという推測が引き起こされたかもしれないが、これらの推測は無線工学の計算では裏付けられていない。

地上設置型モノポールアンテナの設置場所では、景観維持が必要です。アンテナのグランドプレーンの配線を覆う雑草や草をできるだけ短く保ちます。アンテナタワーとアンテナのグランドシステムの間にある緑の植物は、そこを通過する電波の電力を消費し、アンテナの効率を低下させるからです。折り畳み式モノポールアンテナの設置場所は、他のモノポールアンテナ設計で減衰を引き起こすグランド配線の上の雑草や長い草の影響を受けにくいと言われていますが、測定ではそのような利点は示されていません。^{[4] [5]}

基本的な折り畳み式ユニポールアンテナの改良案として考えられるのは、米国特許6,133,890号に記載されている「自己共振」ユニポールアンテナです。^[d]

折り畳み式ユニポールのもう 1 つの改良点は、米国特許 4,658,266に記載されています。これは、すべてのモノポール タイプ (折り畳み式ユニポールも含む) で使用するために、より慎重に設計されたグランド プレーンの形状に関するものです。

• 駆動要素