Tアンテナ

T アンテナ、Tアンテナ、またはフラットトップ アンテナは、2 つの支持柱または建物の間に吊り下げられ、両端でそれらから絶縁された1 本以上の水平ワイヤで構成されるモノポール 無線アンテナです。 ^{[1] [2]}垂直ワイヤは水平ワイヤの中央に接続され、地面近くに垂れ下がり、送信機または受信機に接続されます。アンテナの形状は文字「T」に似ているため、この名前が付けられています。 送信機の電源は、垂直ワイヤの下部と接地接続の間に印加され、受信機が接続されます。^[1]

これによく似たアンテナに、逆 L アンテナがあります。これは T アンテナに似ていますが、垂直のフィーダー ワイヤが水平のトップロード ワイヤの中心に取り付けられるのではなく、一方の端に取り付けられています。この名前は、逆 L 字 (Γ) に似ていることに由来しています。T アンテナは全方向性アンテナで、すべての方位角方向に均等な無線電力を放射します。一方、逆 L アンテナは指向性が弱いアンテナで、フィーダーが取り付けられた端からトップロード ワイヤの方向に最大の無線電力が放射されます。

T型アンテナと逆L型アンテナは、通常、VLF、LF、MF、短波帯で使用され、^{[3] [4] : 578–579  [2]}アマチュア無線局の送信アンテナとして広く使用され、[5] 長波および中波^AM放送 局で も使用されています。また、短波受信用の受信アンテナとしても使用できます。これらは、容量性トップローディングを備えたモノポールアンテナとして機能します。このカテゴリの他のアンテナには、アンブレラアンテナ、トライアティックアンテナなどがあります。これらは、1920年より前の無線電信時代のラジオの最初の数十年間に発明されました。

「T」型アンテナは、次の 3 つの機能部分から構成されると最も簡単に理解できます。

トップロード

水平方向のワイヤ上部セクション (キャパシタンス ハットと呼ばれることもあります) は、コンデンサのプレートのように機能します。

ラジエーター

ベースにある給電点から上部に電流を運ぶ垂直ワイヤ。垂直セグメント内の不平衡電流によって放射される電波が生成されます。

地上システム

アンテナの下の地面に埋め込まれたワイヤ、または場合によっては地面から数フィート上に吊り下げられたワイヤ (カウンターポイズ) が、コンデンサのもう一方のプレートのように機能します。

トップ ロードのワイヤは対称的に配置されることが多く、トップ ハットの反対向きの対称ワイヤを流れる電流は互いの電界を打ち消し合うため、正味の放射は発生せず、同じ打ち消しが接地システムでも同じように発生します。原理的には、キャパシタンス ハット(トップ ハット) とその対応する接地システム(カウンターポイズ) は、互いに鏡像となるように構築できます。ただし、トップ ハットの水平ワイヤを垂直セクションの頂点の高い位置で支えるという実際的な課題とは対照的に、ワイヤを地面に敷設するか土壌から数フィート上に持ち上げるだけの容易さから、通常、トップ ハットはカウンターポイズほど大きく構築されません。さらに、カウンターポイズに遮られる前に地面に到達した電界は土壌を温めるエネルギーを浪費しますが、空中の高い位置にある漂遊電界は、最終的にトップ ハットのワイヤに到達する前に、損失のない開放空気中に少し広がるだけです。

上部と接地部分は、同じ高さの裸の垂直ワイヤの上端に沿って保存できる量よりも多くの過剰または不足の電子を蓄積するための、反対に帯電した貯蔵庫として効果的に機能します。蓄積された電荷が大きいほど、上部とベース間の垂直セグメントを流れる電流が増加し、垂直セグメントのその電流が T アンテナから放射される放射線を生成します。

T 字の上部を横切る水平のワイヤの左右のセクションには、等しいが逆向きの電流が流れている。そのため、アンテナから遠いところでは、各ワイヤから放射される電波は、もう一方のワイヤからの電波と 180° 位相がずれており、打ち消し合う傾向がある。地面から反射される電波も同様に打ち消し合う。したがって、水平のワイヤは (ほぼ) 電波を放射しない。^{[4] : 554}

水平方向の配線は放射する代わりに、アンテナ上部の静電容量を増加させます。RF振動サイクル中にこの追加された静電容量を充放電するには、垂直方向の配線にさらに多くの電流が必要です。 ^{[6] [4] : 554} 垂直方向の配線の電流の増加（右の図を参照）により、アンテナの放射抵抗が効果的に増加し、放射されるRF電力が増加します。^[6]

上部負荷容量はワイヤが追加されるにつれて増加するため、垂直ワイヤが取り付けられている中央で一緒に接続された複数の平行な水平ワイヤが使用されることがよくあります。^[5]各ワイヤの電界は隣接するワイヤの電界に衝突するため、追加されたワイヤによる追加容量は減少します。^[5]

水平トップロードワイヤは、 与えられたベース電流に対して放射電力を2～4倍（3～6dB）増加させることができます。[ ^6]その結果、「T」アンテナは同じ高さの単純な垂直モノポールよりも多くの電力を放射できます。同様に、受信Tアンテナは、同じ高さの垂直アンテナよりも、同じ受信電波信号強度からより多くの電力を傍受できます。

600kHz付近またはそれ以下の周波数用に作られたアンテナ^[b]では、アンテナのワイヤセグメントの長さは通常、1/4波長よりも短くなります^[c] [ ⁠ 1 /4⁠  λ ≈ 125 m (410 フィート) ^[c] 600 kHz ^[b] ]、共振を達成する無負荷の直線ワイヤの最短の長さ。 ^[5] この状況では、「T」アンテナは、容量的にトップロードされ、電気的に短い垂直モノポールです。 ^{[4] : 578–579}

短い垂直アンテナよりも改善されているにもかかわらず、典型的な「T」アンテナは、フルハイトのアンテナほど効率的ではありません。 1 /4⁠  λ ^[c]垂直モノポール^[5]であり、Qが高く、したがって帯域幅が狭くなります。 'T' アンテナは、通常、フルサイズの 1/4 波長高垂直アンテナを構築することが現実的ではない低周波数で使用され、^{[2] [7]} 垂直放射ワイヤは電気的に非常に短いことがよくあります。波長のほんの一部だけです。⁠1/10⁠ λ以下。電気的に短いアンテナは容量性のベースリアクタンスを持ち、上部の容量性負荷によってベースでの容量性リアクタンスは減少しますが、通常はいくらかの残留容量性リアクタンスが残ります。送信アンテナの場合、負荷コイルからの誘導性リアクタンスを追加して調整する必要があるため、アンテナに効率的に電力を供給できます。

垂直のワイヤが実際の放射素子であるため、アンテナは垂直偏波の電波を全方位 放射パターンで放射し、すべての方位角に等しい電力を放射します。^[8] 水平ワイヤの軸はほとんど違いはありません。電力は水平方向または浅い仰角で最大になり、天頂でゼロに減少します。これにより、垂直偏波の地上波として伝播するLFまたはMF周波数で優れたアンテナになりますが、より高い仰角でも十分な電力を放射するため、スカイ ウェーブ(「スキップ」) 通信にも役立ちます。地面の導電性が悪いと、通常、パターンが上向きに傾き、仰角が高いほど信号強度が最大になります。

T型アンテナが一般的に使用されるより長い波長範囲では、アンテナの電気的特性は現代の無線受信機にとって一般的に重要ではありません。受信は受信アンテナによって集められた信号電力ではなく、自然ノイズによって制限されます。^[5]

送信アンテナはそれぞれ異なり、給電点インピーダンス^[d] が重要です。アンテナ給電点のリアクタンスと抵抗の組み合わせは、給電線、さらに送信機の出力段のインピーダンスと一致する必要があります。一致しない場合、送信機からアンテナに送られた電流はアンテナから給電線に反射し、線上に定在波と呼ばれる状態を作り出します。これにより、アンテナから放射される電力が減少し、最悪の場合、送信機が損傷する可能性があります。

⁠より短いモノポールアンテナ 1 /4⁠ 波には容量性リアクタンスがあります。波が短いほど、リアクタンスが高くなり、送信機に向かって反射される給電電流の割合が大きくなります。短い送信アンテナに電流を効率的に流すには、上部が共振（リアクタンスフリー）になっていない場合は、共振させる必要があります。容量は通常、追加された負荷コイルまたはそれに相当するものによって相殺されます。負荷コイルは、通常、アクセスしやすいようにアンテナのベースに配置され、アンテナと給電線の間に接続されます。

T型アンテナの水平上部セクションは、高さが約 ⁠ の垂直セクションの代わりに、給電点の容量性リアクタンスを低減することもできます。 2 /3⁠ その長さ; ^[9] 十分に長ければ、リアクタンスは完全に除去され、給電点に 負荷コイルを設置する必要がなくなります。

中低周波では、アンテナの静電容量が高く、負荷コイルのインダクタンスが高いため、短いアンテナの放射抵抗が低いため、負荷アンテナは高Q同調回路のように動作し、帯域幅が狭くなり、伝送線路との整合性が保たれます。  1 /4⁠  λモノポール。^[c]

広い周波数範囲で動作させるには、負荷コイルを調整可能にする必要があり、周波数が変更されたときには送信機に反射される電力を制限するために調整する必要があります。また、高いQはアンテナに高い電圧を引き起こし、水平ワイヤの端の電流ノードで最大になり、駆動点電圧のおよそQ倍になります。端の絶縁体はこれらの電圧に耐えられるように設計する必要があります。高出力送信機では、出力電力はワイヤからのコロナ放電の開始によって制限されることがよくあります。 ^[10]

放射抵抗は、アンテナからの電波の放射による等価抵抗です。全長 1/4 波長モノポールの放射抵抗は約 25 オームです。^[要出典]動作波長に比べて短いアンテナは、長いアンテナよりも放射抵抗が低くなります。場合によっては、T アンテナによって得られる最大の性能向上をはるかに超える悲惨な結果になることもあります。そのため、低周波数では、T アンテナでも放射抵抗が非常に低く、多くの場合 1 オーム未満になります。^{[5] [11]} そのため、効率はアンテナと接地システムの他の抵抗によって制限されます。入力電力は、放射抵抗と、主にコイルとグランドであるアンテナ + 接地回路の「オーム」抵抗に分割されます。コイル、特に接地システムの抵抗は、それらの間で消費される電力を最小限に抑えるために非常に低く抑える必要があります。

低周波では、負荷コイルの設計が困難になる可能性があることがわかります。^[5]負荷コイルは、送信周波数で高いインダクタンスを持ちながらも損失が非常に低く（高いQ）、高電流を流し、接地されていない端で高電圧に耐え、調整可能でなければなりません。^{[7]多くの場合、}リッツ線で作られています。^[7]

低周波では、アンテナの効率を上げるために、低抵抗の良好な接地が必要です。RF 接地は、通常、垂直ワイヤのベースから伸びて中央で一緒に接続され、約 30 cm (1 フィート) 地中に埋め込まれた多数の放射状銅ケーブルの星型として構築されます。放射状ケーブルは、アンテナ付近の変位電流領域を超えて伸びるのに十分な長さであるのが理想的です。VLF 周波数では、土壌の抵抗が問題になるため、放射状接地システムは通常、カウンターポイズを形成するために、地面から絶縁された状態で地面から数フィート上に持ち上げられて取り付けられます。

電気的に短い垂直アンテナ、たとえば T アンテナによって放射 (または受信) される電力は、アンテナの有効高さの 2 乗に比例するため、 ^[5]アンテナはできるだけ高くする必要があります。水平ワイヤがない場合、垂直ワイヤの RF 電流分布はほぼ直線的に減少し、上部でゼロになります (上の図「a」を参照)。有効高さはアンテナの物理的高さの半分になります。理想的な「無限容量」のトップ ロード ワイヤの場合、垂直ワイヤの電流はその長さに沿って一定になり、有効高さは物理的高さに等しくなります。したがって、同じ給電電圧で放射電力が 4 倍になります。したがって、T アンテナによって放射 (または受信) される電力は、同じ高さの垂直モノポールからその 4 倍までの範囲になります。

非常に大きな上部負荷容量を持つ理想的なTアンテナの放射抵抗は^[6]

${\displaystyle R_{\mathsf {R}}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,}{\lambda }}\right)^{2}\,}$

放射される電力は

${\displaystyle P=R_{\mathsf {R}}I_{0}^{2}\approx 5\left({\frac {\,4\pi \,h\,I_{0}\,}{\lambda }}\right)^{2}}$

どこ

h はアンテナの高さ、

λは 波長であり、

I _{0 はアンペア単位の}RMS入力電流 です。

この式は、放射電力がベース電流と有効高さの積に依存することを示しており、所定の放射電力量を達成するために必要な メートルアンペア数を決定するために使用されます。

アンテナ（負荷コイルを含む）の等価回路は、アンテナの容量性リアクタンス、負荷コイルの誘導性リアクタンス、放射抵抗、アンテナ接地回路のその他の抵抗の直列接続です。したがって、入力インピーダンスは

${\displaystyle Z=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}+j\omega L_{\mathsf {\ell .c.}}-{\frac {1}{\,j\omega C_{\mathsf {ant.}}\,}}~,}$

どこ

R _{C は}アンテナ導体のオーム抵抗（銅損）です。

R _{D は}等価直列誘電損失である。

R _ℓ.c.は負荷コイルの直列抵抗である。

R _{G は}接地システムの抵抗である

R _Rは放射線抵抗である

C _ant.は、入力端子におけるアンテナの見かけの静電容量である。

L _{ℓ.c. は}負荷コイルのインダクタンスです。

共振時にはアンテナの容量性リアクタンスは負荷コイルによってキャンセルされるため、共振時の入力インピーダンスZ ₀はアンテナ回路の抵抗の合計となる^[12]。

${\displaystyle Z_{0}=R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}$

共振時のアンテナ効率ηは、給電線からの入力電力に対する放射電力の比である。放射または熱として消費される電力は抵抗に比例するため、効率は次のように表される。

${\displaystyle \eta ={\frac {R_{\mathsf {R}}}{\,R_{\mathsf {C}}+R_{\mathsf {D}}+R_{\mathsf {\ell .c.}}+R_{\mathsf {G}}+R_{\mathsf {R}}\,}}}$

放射抵抗は通常非常に低いため、最大の効率を得るためにアンテナ接地システムの他の抵抗を低く保つことが設計上の主な課題であることがわかります。^[12]

多重同調フラットトップアンテナは、地上電力損失を減らすために高出力低周波送信機で使用される「T」アンテナの変形です。^[7]これは、数マイルに及ぶこともある一連の送信塔によって支えられた複数の平行ワイヤからなる長い容量性トップロードで構成されています。トップロードから複数の垂直放射ワイヤが垂れ下がり、それぞれが負荷コイルを介して独自の接地に接続されています。アンテナは、放射ワイヤの1つで駆動されるか、またはより一般的にはトップロードのワイヤを送信機まで斜めに引き下げることで、トップロードの一端で駆動されます。^[7]

垂直のワイヤは離れているが、それらの間の距離はLF波の長さに比べて小さいため、それらの電流は同位相であり、1つの放射体と見なすことができます。アンテナ電流は1つではなくN個の並列の負荷コイルと接地を介して地面に流れ込むため、等価の負荷コイルと接地抵抗、したがって負荷コイルと接地で消費される電力は⁠に減少します。1/ いいえ ⁠単純な「T」アンテナのようなものです。^{[7]このアンテナは}無線電信時代の強力なラジオ局で使用されていましたが、複数の負荷コイルの費用がかかることから人気がなくなりました。

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