ループアンテナ

ループアンテナは、円形、正方形、または周囲長が波長よりわずかに長くなるようなその他の閉じた幾何学的形状にすることができます。アマチュア無線で最も一般的な形状は、クワッドアンテナ、または「クワッド」と呼ばれるもので、正方形の自己共振ループであり、支持用の×字型フレームに張られたワイヤーで構成できます。最初のループに平行に1つ以上の追加ループを「寄生」指向性または反射素子として積み重ねることができ、追加される寄生素子ごとにゲインが増加する単方向性アンテナアレイを形成します。この設計は、45度回転させて、 +字型フレームで支持されるひし形にすることもできます。三角形ループ（△字型）も、1本の支柱で支持できるため、垂直ループとして使用されています。^{[ 2 ]}幅の2倍の高さの長方形は、ゲインがわずかに増加し、単一素子として使用した場合、 50Ωに直接整合します。 ^{[ 2 ] : § 9.6.2}  

ダイポールアンテナとは異なり、共振ループアンテナの偏波はループ自体の向きからは明らかではなく、給電点の位置に依存します。^{[ e ]}垂直方向のループを下から給電すると、放射は水平偏波になります。側面から給電すると、垂直偏波になります。

第1共振ループアンテナの放射パターンは、ループ面に対して直角方向にピークを持つ。周波数が第2および第3共振に進むにつれて、垂直方向の放射は弱まり、ループ面付近に強いローブが現れる。^{[ 3 ]（p235）}

低短波周波数では、フルループは物理的にかなり大きくなり、実用的な設置方法は「平置き」のみで、ループの平面は地面と水平になり、アンテナ線は周囲に沿ってマストで同じ比較的低い高さで支えられます。^{[ 2 ]}これにより、最低高調波付近で垂直方向にピークを持つ水平偏波放射が発生します。このパターンは地域的なNVIS通信には適していますが、残念ながら大陸規模の通信を行うには一般的には役立ちません。

約10MHzを超える周波数帯では 、ループアンテナの 直径は約10メートルとなり、主ビームを水平方向に向けるために、ループアンテナを「垂直に」設置する（つまり、ループ面を垂直にする）方が実用的になります。周波数が十分に高ければ、ループアンテナを小型化してアンテナ回転装置に取り付け、希望の方向に回転させることも可能です。ダイポールアンテナや折り返しダイポールアンテナと比較すると、垂直方向の大型ループアンテナは、空や地面への放射電力の損失が少なく、好ましい水平方向2方向で約1.5dB 高い利得が得られます。

追加のゲイン（および単方向放射パターン）は、通常、駆動エンドファイアアレイまたは八木アンテナ構成のいずれかの方法で、このような素子のアレイによって得られます。八木アンテナ構成では、ループのうち1つだけが給電線によって駆動され、残りのループはすべて「寄生」反射器および指向器として機能します。後者は、アマチュア無線において「クワッド」構成で広く使用されています（写真参照）。

低周波の単波長ループアンテナを「横たわった状態」で使用して、近距離NVIS通信を行うことがあります。これは「レイジークワッド」と呼ばれることもあります。その放射パターンは、真上に向かう単一のローブで構成されます（地面に向かって放射された電波のうち、吸収されなかったものは反射されて上向きになります）。放射パターン、特に入力インピーダンスは、地面からの距離によって影響を受けます。

より高い周波数で給電する場合、アンテナの入力インピーダンスには一般的にリアクタンス成分と異なる抵抗成分が含まれるため、アンテナチューナーの使用が必要になります。周波数が第1高調波を超えると、放射パターンは複数のローブに分裂し、地平線に対してより低い角度でピークを持つようになります。これは、ループの第2高調波をはるかに超える周波数での長距離通信にとって改善となります。

VHF帯以上の周波数帯では、ハローの物理的な直径が十分に小さいため、移動体アンテナとして効果的に使用できる。

水平ハローアンテナの水平放射パターンは、3dB 以下の誤差でほぼ全方向性ですが、ループをわずかに小さくし、素子先端間の静電容量を増やすことで、この全方向性を均一化できます。これにより、ゲインが均一化されるだけでなく、VHF帯では通常宇宙空間への放射によって無駄になる上方放射も低減されます。

ハローは、モノポールやダイポールに比べて、車両の点火ノイズなどの近くの電気火花干渉をあまり拾わない。 ^{[ 5 ]}

見た目は異なるものの、ハローアンテナは、円状に曲げられたダイポール（両端に高電圧とゼロ電流を持つ半波長放射部を持つ）として簡単に解析できます。ダイポールの結果を用いるだけで計算が大幅に簡略化され、ほとんどの特性はハローアンテナと同じです。ハローアンテナの性能は、同様の中規模「小型」送信ループに使用される手法でモデル化することもできますが、簡潔にするために、ループアンテナの入門記事ではこの複雑な解析は省略されることがよくあります（残念ながら、この典型的な省略により、知識豊富な人でも「大型」小型ループの特性を知らないままになってしまいます）。

ループアンテナの周囲長が、想定される動作波長よりもはるかに小さい場合（例えば、波長の 1/8 ～ 1/100 程度）、そのアンテナは小型受信ループと呼ばれます。これは、そのような小型のループアンテナは受信にのみ実用的であるためです。受信電力を含むいくつかの性能要因は、ループの面積に比例します。一定のループ面積の場合、周囲長が円形であれば導体の長さ（したがって、その正味損失抵抗）が最小になるため、円形は小型ループにとって最適な形状となります。小型受信ループは通常、人工ノイズと自然大気ノイズが支配的な 14 MHz 未満の周波数で使用されます。したがって、ループが過度に小さくない限り、受信信号の信号対雑音比は効率の低さによって悪影響を受けることはありません。 

「エアセンター」を備えた受信ループの一般的な直径は30～100cm （1～3.5フィート）です。ループ内の磁場を増大させ、効率を高めつつサイズを大幅に縮小するために、コイルはフェライト棒の磁気コアに巻き付けられることがよくあります。これはフェライトループアンテナと呼ばれます。このようなフェライトループアンテナは、AM放送受信機のほぼすべてで使用されていますが、AM帯のアンテナは金属製の車体シャーシの外側に設置する必要があるため、カーラジオは例外です。 

小型ループアンテナは、ループ軸に沿った非常にシャープで明確な「ヌル点」のおかげで、無線方向探知にも人気があります。ループ軸が送信機に直接向けられている場合、ターゲット信号は突然消滅します。^{[ 9 ]}

小型ループアンテナの放射抵抗 R rad は、ループを構成する導体による損失抵抗 R ℓoss よりも一般的にかなり小さいため、アンテナ効率_が低下します。_[ h ]^{その結果、}小型ループアンテナに供給される電力のほとんどは、電波を発信したり受信したりする有用な仕事に使われるのではなく、損失抵抗によって熱に変換されます。

送信アンテナにとって電力の浪費は望ましくないが、受信アンテナにとっては、約 15 MHz 以下の周波数では非効率性は重要ではない。これらの低周波数では、大気雑音（静電気）や人工雑音（干渉 ）のため、非効率なアンテナからの弱い信号でさえ、無線受信機の回路内で発生する内部熱雑音やジョンソン雑音よりもはるかに強いため、ループアンテナからの弱い信号は、信号対雑音比を劣化させることなく増幅できる。これは、両方とも同じ増幅率で増幅されるためである。^{[ 10 ]}

例えば、1  MHz では、人工ノイズが 熱雑音フロアより 55 dB 高い場合があります。小型ループアンテナの損失が 50  dB の場合 (アンテナに 50 dB の減衰器が含まれている場合 )、そのアンテナの電気的効率の悪さは受信システムの信号対雑音比にほとんど影響を与えません。一方、約 20  MHz 以上の比較的静かな周波数では、損失が 50 dB のアンテナは 受信信号対雑音比を最大 50  dB 低下させ、性能が著しく低下する可能性があります。

しかし、周波数が高くなっても、性能の低下に悩まされる必要はありません。より高く静かな周波数では、波長が十分に短くなるため、ハローアンテナは実用的に小型化できます。20 MHz では直径が8 フィート (2.4 m) 弱で、周波数が高くなるにつれて比例的に小さくなります。したがって、周波数が高くなるにつれて静かになればなるほど、小型の受信ループを、より大型ではあるものの比較的コンパクトなハローアンテナに置き換えるのが便利になります。これは、小型の受信ループの直接的な代替品として使用できますが、信号受信性能は優れています。^{[ i ]} 

放射パターンと偏光

驚くべきことに、小さなループの放射および受信パターンは、大きな自己共振ループ（周囲が波長に近い）の放射および受信パターンと垂直です。ループは波長よりもはるかに小さいため、任意の瞬間の電流は円周全体でほぼ一定です。対称性により、垂直信号がループ軸に到達すると、ループの反対側のループ巻線に誘起される電圧が互いに打ち消し合うことがわかります。したがって、その方向にはヌルがあります。 ^{[ 11 ]}その代わりに、放射パターンはループの平面内にある方向にピークを持ちます。これは、その平面内のソースから受信される信号が、ループの近側と遠側への波の到達の位相差のために完全に打ち消し合わないためです。ループのサイズを大きくしてこの位相差を大きくすると、放射抵抗と結果としてアンテナ効率が不釣り合いに大きく増加します。

小さなループをアンテナとして捉える別の方法は、アンペールの法則に従って、コイルの平面に垂直な方向の磁場に結合する誘導コイルとして単純に考えることです。次に、その平面に垂直な方向に伝搬する電波を考えます。自由空間における電磁波の磁場（および電場）は横方向（伝搬方向の成分がない）であるため、この磁場と小さなループアンテナの磁場は直角になり、結合しないことがわかります。同じ理由で、ループの平面内で伝搬し、その磁場がその平面に垂直な電磁波は、コイルの磁場と結合します。伝搬する電磁波の横方向の磁場と電場は直角であるため、そのような波の電場もループの平面内にあり、したがってアンテナの偏波（常に磁場ではなく電場の方向として指定される）はその平面内にあると言えます。

したがって、ループを水平面に設置すると、水平偏波の無指向性アンテナが生成されます。ループを垂直に設置すると、垂直偏波の弱い指向性アンテナが生成されますが、ループの軸に沿って非常に鋭いヌルが得られます。 ^{[ j ]}周囲長が 1/4 波長以下のループを好むサイズ基準により、ループの受信ヌルの鋭さが保証されます。送信を目的とした小型ループ(下記参照) は、限界放射抵抗を改善するために可能な限り大きく設計され、周囲長を 1/3 から 1/2波長まで大きくすることで鋭いヌルを犠牲にします。

ループの周囲長が約 1/4波長以下に保たれている限り、小型ループアンテナの指向性応答は、ループの平面に垂直な方向に鋭いヌル点を持つため、小型ループは長波長用のコンパクトな無線方向探知アンテナとして好まれます。 

手順としては、ループアンテナを回転させて信号が消失する方向、つまり「ヌル」方向を見つける。ヌルはループ軸に沿って互いに反対の2つの方向で発生するため、ヌル信号がアンテナのどちら側にあるかを判断するには別の方法を用いる必要がある。一つの方法は、別の場所に設置された2つ目のループアンテナを利用するか、受信機をその別の場所に移動させて三角測量を利用することである。

三角測量の代わりに、2つ目のダイポールアンテナまたは垂直アンテナをループアンテナまたはループスティックアンテナと電気的に組み合わせることができます。これをセンスアンテナと呼び、接続して整合させることで、合成された放射パターンがカーディオイドに変化し、ヌル点は1つの方向（精度は劣る）のみに現れます。センスアンテナを使用して送信機の概略方向を特定し、センスアンテナを切り離すと、ループアンテナのパターンに鋭いヌル点が戻り、正確な方位を特定できます。

小型ループアンテナは送信には損失が大きく効率が悪いが、中波帯（520～1710kHz ）以下の放送帯では実用的な受信アンテナとなり得る。この帯域では波長サイズのアンテナは大きすぎて実用的ではなく、大気ノイズ が多いためアンテナの効率の悪さは問題にならない。

AM放送受信機（および消費者市場向けのその他の低周波ラジオ）は、FM受信用に伸縮式アンテナが取り付けられている場合でも、通常は小型ループアンテナを使用します。^{[ 12 ]}ループに接続された可変コンデンサは共振回路を形成し、そのコンデンサが主チューニングに追従することで受信機の入力段もチューニングします。マルチバンド受信機は、ループアンテナを広範囲の異なる周波数にチューニングするために、ループ巻線に沿ってタップポイントを備えている場合があります。

20世紀半ばにフェライトが発明される以前に製造されたAMラジオでは、アンテナはラジオの背面壁に取り付けられた数十巻きのワイヤー（平面らせんアンテナ）またはワイヤーがループ状に巻かれた回転可能な家具サイズの別個のラック（フレームアンテナ）で構成されていた。

フェライトループアンテナ

フェライトループアンテナは、フェライトロッドの周りに細いワイヤーを巻き付けて作られます。AM放送受信機ではほぼ普遍的に使用されています。^{[ 12 ] (p23) [ d ]}このタイプのアンテナは、ループスティック、フェライトロッドアンテナまたはアンテナ、フェロセプター、フェロッドアンテナとも呼ばれます。中波および低短波周波数では、表皮効果損失を低減するために、リッツ線が巻線に使用されることがよくあります。コイルの巻線間容量を低減し、ループの自己共振が動作周波数より十分に高くなるようにするために、すべての周波数で複雑な「バスケット織り」パターンが使用され、これにより、チューニングコンデンサと共振できる電気インダクタとして機能し、結果としてループのQ値が向上します。

磁気透過性コアを含めることで、小型ループの放射抵抗が増加し、^{[ 1 ]}オーム損失による非効率性が軽減されます。すべての小型アンテナと同様に、このようなアンテナは実効面積に比べて非常に小さいです。フェライトに巻かれた典型的なAM放送ラジオループアンテナの断面積は、理想的な（損失のない）アンテナの実効面積が数億倍になる周波数で、わずか1 cm ^{2 (} 0.16平方インチ)です。フェライトロッドアンテナの抵抗損失を考慮しても、その実効受信面積はループの物理的面積の100倍を超える可能性があります。^{[ 13 ]}   

小型送信ループは、波長全体と比較すると「小さい」ものの、小型受信専用ループよりはかなり大きい。通常、14～30MHzの周波数帯で使用される。受信ループとは異なり、小型送信ループは、放射抵抗が 使用できないほど低くなるのを防ぐため、波長が長くなるにつれてサイズを大きくする必要がある。サイズが大きくなると、小型受信ループが本来提供する非常にシャープなヌル点がぼやけたり、消えたりする。

サイズ、形状、効率、パターン

送信ループは通常、大径導体の1ターンで構成されます。一般的には、一定の周囲長に対して囲まれた面積を最大化するために円形または八角形であり、放射抵抗を最大化します。これらのループのうち小さいものは、フルサイズの自己共振ループの並外れた性能^{[ 14 ]}や、モノポール、ダイポール、ハローの中程度の効率に比べてはるかに効率が低いですが、フル波長ループまたは半波長ダイポールのためのスペースが利用できない場合、小さなループは低効率ではあるものの許容範囲内の効率で十分な通信を提供できます。^{[ 15 ] [ 16 ]}

波長の 10% 以下の周長を持つ小型送信ループアンテナは、導体に沿って比較的均一な電流分布を持ち、^{[ 1 ]}主ローブはループの平面にあるため、小型受信ループの放射パターンでおなじみのヌルを示しますが、1/10 波長未満の方向探知ループで示される完全な信号損失ではなく、信号の減衰に近いものとなります。周長が波長の 10% から 30% の間、円周がほぼ正確に 50% までのサイズであれば、直列コンデンサを使用して共振するように構築および調整できますが、不均一な電流により、小型ループのパターンヌルが減少または消失します。半波長未満の円周にはコンデンサが必要であり、半波長より大きく全波長未満のループにはインダクタが必要です。

小型送信ループのサイズ範囲のループは、非常に小さなループのような均一な電流も、大きなループのような正弦波電流も持たないため、小型受信ループや全波長ループアンテナに有効な仮定を使用して解析することはできません。性能は、NEC 解析を使用して最も簡単に決定できます。このサイズ範囲のアンテナには、ハロー (上記参照) と G0CWT (エジントン) ループが含まれます。簡潔にするために、小型ループアンテナの入門記事では、円周が 1/10 波長よりも小さいループに議論を限定することがあります。これは、円周が 1/10波長よりも大きいループの場合、ループ全体に均一な電流が流れるという単純化された仮定が維持できないほど不正確になるためです。より大きなハローも簡単な解析が可能であるため、中サイズの小型ループアンテナとその複雑な解析はしばしば省略され、そうでなければ十分な知識を持つ多くのアンテナ製作者が、中サイズのループで得られる性能について知らないままになっています。

電力制限とRF安全性

送信アンテナとして小型ループを用いる際の実際的な問題点の一つは、送信ループには非常に大きな電流が流れるだけでなく、送信電力がわずか数ワットであっても、コンデンサの両端に非常に高い電圧（通常は数千ボルト）が発生することです。ループの長さ（波長）が短いほど、電圧は高くなります。そのため、誘電損失を最小限に抑える（通常はエアギャップコンデンサ、あるいは真空可変コンデンサが必要となる）だけでなく、高い耐圧を持つ、かなり高価で物理的に大型の共振コンデンサが必要となります。

ループの直径を大きくすると、ギャップ電圧が低下し、効率も向上します。しかし、その他の効率改善策はすべてギャップ電圧の上昇につながります。例えば、ループの導体を太くすることで効率を高めることができます。導体の損失抵抗を下げる他の方法としては、はんだ付けではなく溶接やろう付けによる接続などが挙げられます。しかし、損失抵抗を下げるとアンテナのQ値が高くなるため、効率向上の結果として、ループのギャップにおけるコンデンサの両端電圧はさらに高くなります。特定の周波数においては、小型のループは大型のループよりも危険であり、逆に、比較的効率の良い小型送信ループは、効率の悪い小型送信ループよりも危険です。

小型ループの容量負荷によって引き起こされる高周波火傷やショックの問題は、短いホイップアンテナやダイポールアンテナの誘導負荷の場合よりも深刻です。[ l ]アンテナの高電圧^は、一般的にホイップアンテナの負荷コイルの上端でのみ問題となります。これは、高電圧が長いコイルの長さに広がっているためです。一方、ループアンテナのコンデンサプレートの高電圧は、（理想的には）プレート表面全体で最大になります。さらに、モノポールアンテナやダイポールアンテナの高電圧の先端は通常、高い位置に設置され、手の届かないところにあるため、高周波火傷の機会が制限されます。対照的に、小型ループ/「磁気」アンテナは地面近くに設置しても問題が少なく、^{[ m ]}高電圧部分を含むループアンテナのすべての部分が、より簡単に手が届く範囲にあることがよくあります。

要約すると、高Q値による高電圧は、他のほとんどの小型アンテナよりも小型ループアンテナにおいてより大きな脅威となり、非常に低い送信電力であっても、より一層の注意が必要となる。

ガンママッチなどの一般的なインピーダンス整合技術に加えて、小型の受信ループと送信ループは、メインループに囲まれた領域内のさらに小さなフィーダーループに給電線を接続することによってインピーダンス整合されることがあります。接地システムを介して接続される場合もありますが、これによりメインループは送信機への他の直流接続がなくなります。 ^{[ 16 ]}フィーダーループとメインループは実質的に変圧器の一次コイルと二次コイルであり、近傍界の電力は給電ループからメインループに誘導結合され、メインループ自体は共振コンデンサに接続され、信号電力の大部分を放射します。

メインループとフィーダーループの両方がシングルターンの場合、入れ子になったループのインピーダンス変換比は、2 つのループの面積の比、またはそれらの直径の比の 2 乗にほぼ等しくなります (形状が同じであると仮定した場合)。一般的なフィーダーループは、アンテナのメインループの 1/8 ～ 1/5のサイズで、変換比はそれぞれ 64:1 ～ 25:1になります。フィーダーループとメインループの近接度と角度を調整したり、フィーダーの形状を歪ませたりすると、変換比に小～中程度の変化が生じ、給電点インピーダンスの微調整が可能になります。中波周波数でよく使用される、複数のターンを持つメインループの場合、フィーダーループはメインループのターンと同じフレーム上に 1 または 2 ターンになることができ、この場合、インピーダンス変換比は各ループのターン数の比の 2 乗に非常に近くなります。

誘導加熱システム、IH調理器、RFIDタグおよびリーダーはすべて、遠距離電磁波ではなく近距離磁気誘導によって相互作用します。したがって、厳密に言えば、これらは無線アンテナではありません。

これらは無線アンテナではありませんが、無線周波数で動作し、業界で「アンテナ」と呼ばれる小型の磁気コイルを使用します。ただし、これらは緩く結合された変圧器の巻線のアナログとして考える方がより適切です。これらの誘導システムの磁気コイルは、前述の小型ループアンテナと区別がつかないように見えることがありますが、このようなデバイスは短距離でしか動作せず、特に電波の送受信を避けるように設計されています。誘導加熱システムとRFIDリーダーは近距離交流磁場のみを使用するため、その性能基準は、この記事で説明した遠距離無線アンテナとは異なります。