クワッドアンテナ

クワッドアンテナは、 HF帯およびVHF帯で使用される指向性ワイヤー無線アンテナの一種です。クワッドアンテナは、ダイポールアンテナの代わりにループ素子で構成された八木・宇田アンテナ（「八木アンテナ」）です。駆動素子と1つ以上の寄生素子から構成されますが、クワッドアンテナでは、各ループ素子の形状は正方形、円形、またはその他の形状をとることができます。HF帯およびVHF帯のアマチュア無線において、アマチュア無線家によって使用されています。

クワッドアンテナは、いくつかの発明を発展させたものである。

• 1924年、モーゼス・ジェイコブソンは菱形のループアンテナの特許を取得した。^{[ 1 ]}
• 1938年、ジョージ・ブラウンらは菱形形状で四分の一波長の辺を持つループアンテナの特許を取得した。^{[ 2 ]}
• 1951年、キリスト教宣教師でありHCJB （アンデス山脈の高地にある短波宣教ラジオ局）のエンジニアであったクラレンス・C・ムーアは、 「クワッド」と名付けた2ターンループアンテナを開発し、特許を取得しました^{[ 3 ]} 。彼は、高地の薄い空気中でビームアンテナを使用する際に発生する大きなコロナ放電による問題を解決するためにこのアンテナを開発しました。ムーアは、このアンテナを「引き伸ばされた折り畳みダイポール」と表現しています。ムーアの特許の主なポイントは、今日「クワッド」と呼ばれるアンテナとは異なる2ターンシングルループ設計でしたが、特許には2素子の単方向「クワッド」についての言及と図が含まれており、全波ループの概念が開発された時期についても説明されています。

本発明のさらなる目的は、各巻線に1つ以上の波長の長さの偶数個の巻線を有するループアンテナであって、実質的に電圧成分が存在せず、存在する電圧は隣接するループ間のインピーダンスによるもののみであるアンテナを提供することである。

「1942年の夏、エクアドルのポソラハへの短い休暇に、私たちは約100ポンドの工学参考書を持参し、神の助けがあれば問題を解決できると決意しました。竹でできた小屋の床に、持参した参考書をすべて広げ、何時間もかけて基本的なアンテナ設計に取り組みました。私たちの祈りは聞き届けられたに違いありません。作業を進めるにつれて、素子に端がなく、比較的高い送信インピーダンスと高い利得を組み合わせたループアンテナという新しい概念とともに、四角形のアンテナの構想が徐々に膨らんでいきました。」^{[ 4 ]}

ムーアの設計は、コロナ放電による干渉を排除した。その素子には端がないため、通常のダイポールアンテナを用いた八木アンテナでコロナ放電を引き起こす「端面効果」が、ループ（クワッド）で構成された八木アンテナには存在しない。しかし、他にも利点があった。上記の引用にあるようにインピーダンスが高いということは、電流が低くなり、伝送線路の損失が小さくなることを意味し、利得はダイポール八木アンテナよりも高くなる。

• 1957年、ジェームズ・シェリフ・マッケイグは、私たちが「立方体型」（2素子）マルチバンドクワッドアンテナとして知っているものの特許を取得しました。^{[ 5 ]}
• 1960年、ルドルフ・バウムガルトナーはスイスクワッドの特許を取得しました^{[ 6 ] [ 7 ]。}
• 1969年、ヴェルナー・ボルトはDJ4VMクワッドを発明した。^{[ 8 ]}
• 1971年、ハンス・F・ルッカートは「モノループ・トライバンド・キュービカル・クワッド」を発明した。^{[ 9 ]}

ループ八木宇田（クワッド）アンテナの厳密なテストにより、ダイポールで作られたダイポールベースの八木宇田アンテナに比べて以下の利点があることが示されています。^{[ 10 ]}

分極

給電点を変えることで、垂直偏波から水平偏波へ簡単に変更できます。

マルチバンドアンテナ

マルチバンド八木アンテナよりも、マルチバンドクワッドアンテナの設計の方が容易である。

より高いゲイン

2エレメントのクワッドアンテナは、3エレメントの八木アンテナとほぼ同じゲインを持ち、 ダイポールアンテナよりも約7.5dB高い。同様に、3エレメントのクワッドアンテナは、3エレメントの八木アンテナよりもゲインが高い。しかし、クワッドアンテナのエレメント数を増やしても、得られる効果は逓減していく。

「20個または30個の寄生ディレクタを持つ寄生ビームは効率的で高利得のアンテナであるが、クワッドアレイの寄生ループ素子の実用的な最大数は4個または5個に制限されると思われる。」— Wm. Orr ^{[ 11 ]}

耐放射線性

放射抵抗は、地上からのアンテナ高さ、素子間隔、および環境条件によって影響を受けます。ただし、その値は八木アンテナよりも高く、50Ω 同軸給電線により近い値となります。

ブームの高さを下げる

「エレメントが地上わずか35フィートの高さに設置された2エレメント3バンドクワッドアンテナは、 トライバンド八木アンテナではうまく機能しない状況でも優れた性能を発揮します。」^{[ 12 ]}

ブームが短い

Orr (1996) ^{[ 13 ]}は、ブームの長さが 6 フィート10 インチの 10、15、20 メートルの 2 エレメント クワッドを示しています。

内部で積み重ね可能

マルチバンドクワッドのアンテナ間の相互作用は、単一の給電線で給電した場合でも非常に低いため、^{[ 14 ]}高周波（小さい）クワッドループを低周波（大きい）クワッドループの中に入れ子にすることができ、入れ子になったループの数だけバンドで動作することができます。

下方放射角

Root (2008) ^{[ 15 ]}によると、クワッドアンテナは「バンドをより早く開く」という誤った主張が 50 年間も続いており、これはクワッドアンテナが八木アンテナよりも低い放射角を示すことを示唆しているが、コンピュータモデリングではそのような違いは示されていない。Root は、各エレメントの垂直面が実際に低角度成分を放射している可能性があると提案している。^{[ 15 ]}

帯域幅

最大利得となるように調整した場合、3素子クワッドアンテナの帯域幅は制限されます。設計周波数からずれると、寄生素子の共振近傍状態のバランスが崩れてしまうためです。しかし、ディレクタ素子を長くすることで、約1dBの 利得を犠牲にすれば、はるかに広い帯域幅を実現できます。

メンテナンス

クワッドアンテナは3 次元アンテナであるため、メンテナンスが難しい場合があります。傾斜式タワーであっても、高いはしごやバケットトラックが必要になることがあります。キュービカルクワッドアンテナ、ローテーター、またはタワーの作業には、タワーを地面に傾けることができるロック機構があります。この機構は、マストを下げるとアンテナが回転して邪魔にならないようにすることで機能します。マストを運用位置に戻すと、アンテナは所定の位置にロックされます（ロック機構は重力によって作動します）。

2008年、ダニエル・ミルズは、クワッド設計よりも改良されたアンテナを設計した。^{[ 16 ]}彼のEZOアンテナは、電気素子を支えるために、剛性のポールではなく柔軟な誘電体チューブを使用している。彼は、ほぼ円形の形状のため、クワッドよりもわずかに高いゲインがあると主張している。

外部バンド素子に対する誘電体効果の主張された大きさは驚きであり、最適な素子長は実験によって決定された。参照文献は見つからなかった。Jefferies & Koulouris (2003)は「我々の知る限り、ループアンテナを誘電体で覆う研究は報告されていない」と述べている。 ^{[ 17 ]}

• Michael, Dean J. (2021年5月19日). 「クワッドアンテナの構築」 . computer7.com . 2023年10月7日取得。
• EA1DDO。「アンテナ・キュービカス」。EA1DDO.es (スペイン語)。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) — EA1DDO によるクワッドアンテナ情報ページ。
• EA1DDO。「Antenas cubicas – クアッド アンテナ」。ガレリア。EA1DDO.es (スペイン語)。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) — EA1DDO が収集した300 枚以上の写真を含むクワッドアンテナの写真ギャラリー。 
• N8PPQ。「EZOアンテナ」。アンテナ。N8PPQ.net。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク) — N8PPQの円形クワッドアンテナ
• N6ACH。「キュービカルクワッドアンテナ計算機」。calc.N6ACH.com 。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
• WA2OOO。「立方体四角形の利点と寸法に関するガイド、および計算機」。wa2ooo.com 。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
• 「キュービカルクワッドチュートリアル」。アンテナと伝搬に関する記事。electronics -notes.com。