モノポールアンテナ

モノポールアンテナは、まっすぐな棒状の導体で構成される無線アンテナの一種で、多くの場合、グランドプレーンと呼ばれる何らかの導電性表面に垂直に取り付けられています。^{[1] [2] [3]}送信機 からの駆動信号は、モノポールの下端とグランドプレーンの間で適用され、受信アンテナの場合は受信機への出力信号が取得されます。アンテナ給電線の片側はモノポールの下端に接続され、もう片側はグランドプレーン（通常は地球）に接続されます。これは、 2本の同一の棒状導体で構成されるダイポールアンテナとは対照的です。ダイポールアンテナは、送信機からの信号がアンテナの2つの半分の間に適用されます。

モノポールは共振アンテナとしてよく使用されます。ロッドは電波の開放型共振器として機能し、その長さに沿って電圧と電流の定在波で振動します。したがって、アンテナの長さは、目的の電波の波長に基づいて決定されます。最も一般的な形式は、アンテナの長さが電波の波長の約 4 分の 1 である1/4 波長モノポールです。ただし、放送用モノポール アンテナでは、⁠5/8⁠波長も人気があります。これは、モノポールではこの長さによって放射器の軸に垂直に放射される電力が最大化され、垂直放射器では地上放送の効率が最適化されるためです。モノポールアンテナは、ラジオの先駆者であるグリエルモ・マルコーニによって1895年に発明されました。このため、マルコーニアンテナと呼ばれることもあります。^{[4] [5] [6]}

1/4波長モノポールの負荷インピーダンスは、ダイポールアンテナの半分、つまり37.5 オームです。

一般的なモノポールアンテナの種類は

モノポールアンテナは、無線のパイオニアであるグリエルモ・マルコーニが無線通信の歴史的な最初の実験中に1895年に発明し、1896年に特許を取得しました^{[7] 。彼は}、ハインリッヒ・ヘルツが発明した、先端が金属板で覆われた2本の同一の水平ワイヤで構成されるダイポールアンテナを使用することから始めました。彼は実験により、ダイポールの代わりに送信機と受信機の片側を頭上に吊るしたワイヤに接続し、もう片側を地面に接続すると、より長い距離を送信できることを発見しました。このため、モノポールはマルコーニアンテナとも呼ばれていますが^{[4] [5] [6]、}アレクサンダー・ポポフもほぼ同じ時期に独自に発明しています。^{[8] [9] [10] [11]}

垂直に吊り下げられたダイポールアンテナと同様に、モノポールは全方向性の 放射パターンを持ちます。つまり、アンテナに垂直なすべての方位方向に均等に放射します。放射電力は仰角によって変化し、アンテナ軸の天頂で放射はゼロに低下します。垂直偏波の電波を放射します。垂直半波長ダイポールは中心を地面から少なくとも 1/4 波長上に上げる必要がありますが、モノポールは地面に直接取り付ける必要があるため、モノポールの放射パターンは地中抵抗の影響をより大きく受け、仰角による放射パターンは本質的に異なります。

モノポールは、垂直ダイポールアンテナ(c)の下半分を、残りの半分に直角の導電面 (グランドプレーン) に置き換えることによって形成されるものとして視覚化できます (右) 。グランドプレーンが十分に大きい場合、グランドプレーンから反射されたダイポールの残りの上半分 (a) からの電波は、ダイポールの失われた半分を形成するイメージアンテナ(b) から来ているように見え、直接放射に追加されてダイポール放射パターンを形成します。したがって、完全に導電性のある無限グランドプレーンを持つモノポールのパターンは、ダイポールパターンの上半分と同一です。

半波長 ( ) の長さまでは、アンテナは単一のローブを持ち、アンテナ軸に垂直な水平方向に最大利得を持ちます。 1/4 波長 ( ) の共振より下では、放射パターンは長さに対してほぼ一定です。 より上 ( ) ではローブは平らになり、水平方向により多くの電力を放射します。 ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\lambda }$

半波長を超えると、パターンは水平方向のメインローブと、上空に 60 度の仰角で 2 番目の小さな円錐ローブに分かれます。ただし、水平方向のゲインは増加し続け、波長の 5/8 の長さで最大になります。(これは一般的な厚さのアンテナに有効な近似値で、無限に薄いモノポールの場合は で最大になります)。この長さで最大になるのは、2 つのローブからの逆位相の放射が破壊的に干渉し、高角度で打ち消し合い、より多くの電力を水平ローブに「圧縮」するためです。 ${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda =0.625\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {2}{\,\pi \,}}\lambda =0.637\lambda }$

少し上では、水平ローブは急速に小さくなり、高角度ローブは大きくなり、水平方向に放射される電力が減少し、したがってゲインが減少します。このため、0.625 波長以上の長さを使用するアンテナは多くありません。アンテナが長くなるにつれて、パターンはより多くのローブに分割され、その間にヌル(放射電力がゼロの方向) ができます。 ${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$${\displaystyle {\tfrac {5}{8}}\lambda }$

電気的に小さなグランドプレーンや不完全な導電性のアースグランドの一般的な影響は、最大放射の方向をより高い仰角に傾け、利得を低下させることです。^[12] 一般的な接地システムを備えた実際の1/4波長アンテナの利得は約2～3 dBiです。

モノポールアンテナは、グランドプレーンの上の空間、つまりダイポールアンテナの半分の空間にのみ放射するため、完全に導電性のある無限グランドプレーン上のモノポールアンテナは、同様のダイポールアンテナの2倍の利得（3  dB大きい）を持ち、放射抵抗はダイポールの半分になります。半波長ダイポールの利得は2.19  dBi、放射抵抗は73オームなので、1/4波長（⁠ 1/ 4 ⁠ λ ) モノポールの利得は2.19 + 3.0 = 5.2 dBiで、放射抵抗は約 36.5 オームです。 ^[13]この長さでアンテナは共振するため、入力インピーダンスは純粋に抵抗性です。入力インピーダンスは、以下の容量性リアクタンスを持ちます⁠ 1/ 4 ⁠ λ および誘導リアクタンス⁠ 1/ 4 ⁠から⁠1/ 2 ⁠ λ .

このセクションで説明されているゲインは、アンテナが完全に導電性のある無限大のグランドプレーン上に設置されている場合にのみ達成されます。数波長よりも小さい一般的な人工グランドプレーンでは、水平放射電力の一部がプレーンの端の周りで下半分の空間に回折し、土壌に消散するため、ゲインは 1 ～ 3 dBi 低くなります。同様に、抵抗性アース グランド上では、地面に吸収される電力のためにゲインは低くなります。

長さが半波長に近づくにつれて（⁠1/ 2 ⁠  λ ) – 次の共振長 – では、利得はいくらか増加して 6.0  dBiになります。この長さでは、アンテナの給電点に電流ノードがあるため、入力インピーダンスは非常に高くなります。仮想的に極限まで薄いアンテナのインピーダンスは無限大になりますが、一般的なモノポールの有限の厚さでは、約 800～2,000 オームになります。これは高い値ですが、強力な昇圧トランスを通して給電することで対応可能です。

水平利得は、波長の8分の5の長さで最大約6.6 dBiまで増加し続けます 。 5/ 8 ⁠ λ これは、より大きなアンテナサイズが実現可能な周波数の地上波アンテナや地上通信アンテナでよく使われる長さです。入力インピーダンスはこの長さで約40オームに低下します。アンテナのリアクタンスは容量性です。 1/ 2 ⁠から⁠3/ 4 ⁠ λ .しかし、上記⁠ 5/ 8 ⁠ λ 2 番目のローブでは、高仰角で放射される電力が次第に大きくなるため、水平ゲインは急速に低下します。

20 MHz 未満の低周波数で動作するモノポール アンテナの場合、グランド プレーンは通常地球です。この場合、アンテナは地面から電気的に絶縁するために絶縁体の上に設置された垂直のマストです。給電線の片側はマストに接続され、もう片側はアンテナの基部のアースグランドに接続されます。送信アンテナでは、接地抵抗を減らすために、アンテナの基部近くの端子から外側に伸びる埋設ワイヤの放射状ネットワークがよく使用されます。この設計は、MFおよびLFバンドのラジオ放送に使用されるマスト ラジエーター送信アンテナに使用されます。低周波数では、アンテナ マストは電気的に短く、放射抵抗が非常に小さいため、効率と放射電力を高めるために、T アンテナやアンブレラ アンテナなどの容量性トップロード モノポールが使用されます。

VHFおよびUHF周波数では、必要なグランド プレーンのサイズが小さいため、人工グランド プレーンを使用してアンテナを地上に設置できます。^[14] これらの周波数でマストや構造物に取り付ける一般的なタイプのモノポール アンテナは、1/4波長のホイップ アンテナで構成され、グランド プレーンは、給電線のグランド側に接続されたベースから水平または斜めに放射する 1/4 波長の長さの 3 本または 4 本のワイヤまたはロッドで構成されます。これは、グランド プレーン アンテナと呼ばれます。ギガヘルツ周波数では、車の屋根や飛行機のボディの金属表面が適切なグランド プレーンになるため、車の携帯電話アンテナは屋根に取り付けられた短いホイップで構成されます。^{[14]また、航空機の通信アンテナは、胴体から突き出た空力フェア}リング内の短い導体で構成されることがよくあります。これはブレード アンテナと呼ばれます。^[13]

トランシーバーやポータブルFM ラジオなどの携帯無線機で使用される1/4波長ホイップアンテナやラバー ダッキー アンテナもモノポール アンテナです。これらのポータブル デバイスでは、アンテナに有効なグランド プレーンはなく、送信機のグランド側は回路基板のグランド接続に接続されているだけです。回路基板のグランドはアンテナよりも小さいことが多いため、アンテナとグランドの組み合わせはモノポール アンテナというよりも非対称ダイポール アンテナとして機能する可能性があります。アンテナを持っている人の手と体は、基本的なグランド プレーンとして機能する可能性があります。

無線機器や携帯電話では、逆Fアンテナと呼ばれるモノポールの変種が使用されています。^{[15]モノポール素子は}回路基板 上の接地領域と平行に曲げられているため、機器のケースに収納できます。通常、アンテナはプリント基板自体に銅箔で作られています。 ^{[15] [16]} この形状により、アンテナをベースで駆動した場合、非常に低いインピーダンスが得られます。給電回路（通常50 オームのインピーダンス）とのインピーダンス整合を改善するために、アンテナはシャント給電され、給電線は素子に沿った中間点に接続され、素子の端は接地されます。

• 「1/4波長モノポールの放射」。