八木宇田アンテナ

八木宇田アンテナ（やぎうだアンテナ、または単に八木アンテナ）は、2つ以上の並列共振アンテナ素子をエンドファイアアレイ状に配置した指向性アンテナである。^[1]これらの素子は、ほとんどの場合、半波長ダイポールとして機能する金属棒（またはディスク）である。^[2]八木宇田アンテナは、伝送線路を介して無線送信機または受信機（またはその両方）に接続された単一の駆動素子と、電気的に接続されていない追加のパッシブラジエータ（通常は1つのいわゆる反射器と任意の数のディレクターを含む）で構成される。^{[2] [3] [4]}これは1926年に日本の東北帝国大学の宇田新太郎によって発明され、^{[5]彼の上司である}八木秀次も小さな役割を果たした。^{[5] [6]}

反射器要素（通常は 1 つだけ使用）は駆動ダイポールよりわずかに長く、駆動要素の後ろ、意図した送信方向と反対に配置されます。一方、導波器はやや短く、駆動要素の前方、意図した方向に配置されます。[ ^4]これらの寄生要素は通常、オフチューンされた短絡ダイポール要素であり、つまり、給電点での中断（駆動要素など）の代わりに、固体ロッドが使用されます。これらは駆動​​要素からの電波を受信して​​再放射しますが、正確な長さによって決まる異なる位相で再放射します。その効果は、駆動要素の放射パターンを変更することです。複数の要素からの波が重なり合って干渉し、単一方向の放射を増強して、その方向のアンテナの利得を増加させます。

ビームアンテナ^[4]やパラサイトアレイとも呼ばれる八木アンテナは、HF、VHF、UHF帯の指向性アンテナとして広く使用されています。[ 3 ] [ 4 ]使用する^素子数に応じて最大20  dBi ^[3]の中程度から高いゲインと、最大20 dBの前後比を備えています。直線偏波^[3]の電波を放射し、通常は水平偏波または垂直偏波のいずれかで取り付けられます。比較的軽量で安価で、組み立ても簡単です。^[3]八木アンテナの帯域幅、つまりゲインと給電点インピーダンスを維持する周波数範囲は狭く、中心周波数の数パーセントにすぎません。ゲインが高いモデルでは帯域幅が狭くなるため^{[3] [4] 、}固定周波数の用途に最適です。最も大きく、最もよく知られている用途は屋上の地上テレビアンテナであるが、^[3]ポイントツーポイントの固定通信リンク、^[2]レーダー、^{[4]放送局や}アマチュア無線家による長距離短波通信にも使用されている。^[2]

このアンテナは1926年に東北帝国大学の宇田新太郎^[5]によって発明され、八木秀次^{[6] [7]}も若干の役割を果たした 。

しかし、八木の名前の方がよく知られるようになり、そのアイデアを実際に応用したり、実験で概念を確立した宇田の名前は省略されることが多い。これは、宇田の事前発表^[5]を八木がベースにし、八木が先に発表した吸収現象の原理を発展させたためと思われる^[8] 。八木は、この新しいアイデアについて、宇田の名前を入れずに日本で特許出願し、後に英国のマルコーニ社に特許を譲渡した^[9] 。ちなみに、米国では、特許はRCA社に譲渡された^[10]。

八木アンテナは、第二次世界大戦中に日本、ドイツ、イギリス、アメリカのレーダーシステムに初めて広く使用されました。 ^[7] 戦後、八木アンテナは家庭用テレビアンテナとして広範囲に開発されました。

八木宇田アンテナは、通常、それぞれが約半波長の長さの平行な細いロッド要素の数で構成されています。まれに、要素がロッドではなくディスクであることもあります。多くの場合、要素は中心に沿って垂直なクロスバーまたは「ブーム」で支えられています。^[2] 通常、伝送線路の片側に接続された2つの共線ロッドで構成される単一のダイポール駆動要素と、可変数の寄生要素、片側の反射器、およびオプションで反対側の1つ以上の導波器があります。 ^{[2] [3] [4]} 寄生要素は伝送線路に電気的に接続されておらず、パッシブラジエーターとして機能し、電波を再放射して放射パターンを変更します。^[2] 要素間の一般的な間隔は、特定の設計に応じて、波長の約1 ⁄ 10から1 ⁄ 4まで異なります。導波器は駆動要素よりわずかに短く、反射器はわずかに長いです。^[4] 放射パターンは一方向性で、主ローブは素子面内の素子に垂直な軸に沿って、導波器の端から外れた位置にある。^[3]

便利なことに、ダイポール無給電素子は中心にノード（ RF 電圧ゼロの点）を持っているため、その点で導電性金属支持体に取り付けることができ、絶縁の必要がなく、電気的動作を妨げることもありません。 ^[4]これらは通常、アンテナの中央支持ブームにボルトまたは溶接されています。^[4]駆動素子の最も一般的な形式は、中央で給電されるもので、そのため、ブームが支持する部分の2つの半分は絶縁する必要があります。

利得は使用される寄生素子の数に応じて増加する。^[4]反射器を追加しても利得の向上は小さいため、通常は1つの反射器のみを使用するが、帯域幅を広げるなどの他の理由で反射器をさらに使用することもある。八木アンテナは40個の導波器^[3]以上で構築されている。^[11]

アンテナの帯域幅とは、ある定義によれば、最大利得の 3 dB (電力の半分) 以内の利得を持つ周波数帯域の幅です。八木宇田アレイの基本形態は、中心周波数の 2 ～ 3 パーセントの狭い帯域幅を持っています。^[4]利得と帯域幅の間にはトレードオフがあり、より多くの要素が使用されるほど帯域幅は狭くなります。^[4]地上テレビなどのより広い帯域幅を必要とするアプリケーションでは、八木宇田アンテナは、VHF および UHF 帯域の関連部分をカバーするために、一般的に三角反射鏡とより大きな直径の導体を備えています。^[12]以下に説明するように、「トラップ」を使用することで、より広い帯域幅を実現することもできます。

アマチュア無線で使用される八木宇田アンテナは、複数のバンドで動作するように設計されている場合があります。これらの精巧な設計により、各エレメント (両側) に沿って電気的ブレークが作成され、その時点で並列LC (インダクタとコンデンサ) 回路が挿入されます。このいわゆるトラップは、高周波数帯域でエレメントを切り詰める効果があり、長さが約半分の波長になります。低周波数では、エレメント全体 (トラップによる残りのインダクタンスを含む) が半波長共振に近くなり、別の八木宇田アンテナが実装されます。2 つ目のトラップ セットを使用すると、「トライバンド」アンテナは 3 つの異なるバンドで共振できます。タワーの上にアンテナとローテーターシステムを設置する関連コストを考慮すると、3 つのアマチュア バンドのアンテナを 1 つのユニットに組み合わせることは実用的なソリューションです。ただし、トラップの使用には欠点がないわけではありません。トラップにより、個々のバンドでのアンテナの帯域幅が狭くなり、アンテナの電気効率が低下し、アンテナが追加の機械的考慮事項 (風荷重、水、昆虫の侵入) にさらされることになります。

ここに示すように、反射器、駆動素子、および単一の導波器で構成される八木宇田アンテナを考えてみましょう。駆動素子は通常、1 ⁄ 2 λダイポールまたは折り畳みダイポールであり、直接励起される（給電線に電気的に接続される）構造の唯一の要素です。その他のすべての素子は寄生素子と見なされます。つまり、駆動素子から受信した電力を再放射します。また、それらは相互に作用しますが、この相互結合は、遠方場条件に適用される次の簡略化された説明では無視されます。

このようなアンテナの動作について考える方法の 1 つは、寄生素子を、中心で給電され、給電点を短絡した有限直径の通常のダイポール素子と見なすことです。負荷をかけた受信アンテナの電流の主要部分は、中心駆動アンテナの場合と同様に分布します。受動ダイポールが正確にその共振周波数で励起されている場合、電流はアンテナの有効長に比例し、入射電界と同位相になります。 ^[13]ここで、電流をアンテナの (短絡された) ポートの電力波のソースとして想像します。伝送線路理論でよく知られているように、短絡は入射電圧を 180 度位相がずれて反射します。したがって、寄生素子の動作は、電力を受信して​​伝送線路を経由して整合負荷に送信するダイポール素子と、同じ量の電力を伝送線路を経由してアンテナ素子に返す送信機の重ね合わせとしてモデル化することもできます。送信された電圧波がその時点で受信された波と 180 度位相がずれていた場合、2 つの電圧波を重ね合わせると電圧がゼロになり、給電点でダイポールを短絡させるのと同じになります (そのままでは固体要素になります)。ただし、逆波の電流は入射波の電流と同相です。この電流が (受動) ダイポール要素の再放射を駆動します。ある距離では、再放射された電界は、ダイポール アンテナの放射電界の遠方場成分によって表されます。その位相には、伝搬遅延 (電流に関連) と追加の 90 度の位相遅れオフセットが含まれます。したがって、再放射された電界は、入射電界に対して 90 度の位相遅れを持つと考えられます。

八木・宇田アンテナに含まれる寄生素子は、厳密には共振せず、1 ⁄ 2 λよりいくぶん短い（または長い）ため、素子の電流の位相は、駆動素子からの励起に対して修正されます。 いわゆる反射器素子は、 1 ⁄ 2 λより長いため、誘導性リアクタンスを持ちます。つまり、その電流の位相は、受信フィールドによって誘導される開回路電圧の位相より遅れます。したがって、位相遅延は 90 度より大きくなり、反射器素子を十分に長くすると、位相遅延は 180 度に近づくと考えられるため、入射波と反射器によって再放射された波は、順方向（つまり、駆動素子から受動素子に向かって）に破壊的に干渉します。一方、導波器素子は、 1 ⁄ 2 λより短いため、電圧位相が電流位相より遅れる容量性リアクタンスを持ちます。^[14]したがって位相遅延は90度より小さく、導波器要素を十分に短くすると位相遅延がゼロに近づくと考えられ、入射波と反射器によって再放射された波は前方方向に建設的に干渉します。

干渉は逆方向にも発生します。この干渉は駆動素子と受動素子の間の距離によって影響を受けます。これは、入射波 (駆動素子から受動素子へ) と再放射波 (受動素子から駆動素子へ) の伝播遅延を考慮する必要があるためです。この影響を説明するために、導波器と反射器の再放射の位相遅延をそれぞれ 0 度と 180 度と仮定し、駆動素子と受動素子の間の距離を 1/4 波長と仮定します。これらの条件下では、導波器によって再放射された波は、駆動素子によって逆方向 (受動素子から遠ざかる方向) に放射された波と破壊的に干渉し、反射器によって再放射された波は建設的に干渉します。

実際には、パッシブ ダイポール素子の位相遅延は、0 度と 180 度の極端な値には達しません。したがって、素子には正しい長さと間隔が与えられ、駆動素子によって放射された電波と無給電素子によって再放射された電波がすべて同位相でアンテナの前面に到達し、重なり合って加算され、順方向の信号強度が増大します。言い換えると、反射素子からの順方向波の波頭は、波の波頭が駆動素子から放射されたのとちょうど同時にその素子に到達します。これらの波は、波の波頭がその素子から放射されたのとちょうど同時に最初の導波素子に到達し、以下同様に続きます。逆方向の波は、互いに干渉して打ち消し合うため、逆方向に放射される信号強度は小さくなります。したがって、アンテナは、アンテナの前面 (導波器側) から一方向の電波ビームを放射します。

上記の定性的な説明は、寄生素子が駆動素子の放射を一方向で増強し、他の方向を犠牲にする方法を理解するのに役立ちますが、再放射波の位相シフトがさらに 90 度 (進みまたは遅れ) になるという仮定は有効ではありません。通常、受動素子の位相シフトははるかに小さくなります。さらに、受動ラジエーターの効果を高めるには、受動素子を駆動素子の近くに配置して、一次放射の大部分を収集して再放射できるようにする必要があります。

• 
  アンテナの仕組み。各エレメントからの電波は位相遅延を伴って放射されるため、順方向(上方向)に放射される個々の波は同位相ですが、逆方向の波は位相がずれています。したがって、順方向の波は加算され (建設的干渉)、その方向の電力が強化されますが、逆方向の波は部分的に打ち消し合い (破壊的干渉)、その方向に放射される電力が減少します。
• 
  駆動素子 (左) と導波器 (右) のみを使用した 2 素子 Yagi-Uda アレイの順方向ゲインの図。駆動素子からの波 (緑) は受動導波器の電流を励起し、特定の位相シフトを持つ波 (青) を再放射します (本文の説明を参照してください。寸法は本文の数字と比例していないことに注意してください)。これらの波の追加 (下) は順方向では増加しますが、逆方向では部分的にキャンセルされます。

添付の図には、駆動素子と導波器だけを使用した八木宇田アレイのより現実的なモデルが示されています。駆動素子 (緑) によって生成された波は、順方向と逆方向の両方に伝播します (他の方向も同様ですが、図示されていません)。導波器は、わずかに遅れてその波を受信します (約 45° の位相遅延になります。これは、後で逆方向の計算を行う際に重要になります)。導波器の長さが短いため、導波器で生成された電流は、入射場に対して位相が進み (約 20°)、電磁場を放出します。電磁場は、この電流より 90° 遅れます (遠距離場の条件下で)。この特定の設計では、正味の効果として、導波器 (青) によって放出される波は、駆動素子 (緑) からの波に対して約 70° (20° - 90°) 遅れています。これらの波が組み合わさって、個々の波よりもいくらか振幅が大きい正味の順方向波 (右下) が生成されます。

一方、逆方向では、2 つの要素間の間隔 (2 回通過した約 45° の位相遅延) によるディレクター (青) からの波の追加遅延により、駆動要素 (緑) からの波との位相が約 160° (70° + 2 × 45°) ずれます。これら 2 つの波を追加した場合 (下、左) の正味の効果は、部分的なキャンセルです。ディレクターの位置と短い長さの組み合わせにより、駆動 (半波長ダイポール) 要素のみの双方向応答ではなく、一方向応答が得られます。

パッシブ・ラジエータを駆動ダイポールの近く（1/4波長未満の距離）に配置すると、近傍場と相互作用しますが、この近傍場 では、遠方場の場合のように位相と距離の関係が伝搬遅延によって決まりません。したがって、駆動素子と受動素子間の振幅と位相の関係は、一次放射素子から完全に切断された波の連続的な収集と再放射のモデルでは理解できません。代わりに、2つのアンテナ素子は結合システムを形成し、たとえば、駆動素子の自己インピーダンス（または放射抵抗）は受動素子によって強く影響されます。このようなシステムを完全に解析するには、ダイポール素子間の相互インピーダンスを計算する必要があります^[15]。この計算では、素子間の有限間隔と近傍場結合効果による伝搬遅延が暗黙的に考慮されます。素子番号j を、中央に給電点があり、電圧V _jと電流I _{j が}そこに流入するものとモデル化します。このような2つの要素を考慮するだけで、相互インピーダンスZ _{ij を}使用して、各給電点の電圧を電流で表すことができます。

${\displaystyle V_{1}=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}}$

${\displaystyle V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}}$

Z ₁₁とZ _{22 は}、単にダイポールの通常の駆動点インピーダンスであり、したがって半波長素子の場合は 73 + j43 オームです (または、駆動素子に通常必要な、わずかに短い素子の場合は純粋な抵抗)。素子の長さが異なるため、Z ₁₁とZ _{22 は}実質的に異なるリアクタンス成分を持ちます。相互性により、Z ₂₁ = Z _{12であることがわかります。ここで難しい計算は、数値解を必要とする相互インピーダンス}Z ₂₁を決定することです。これは、添付のグラフでさまざまな間隔で 2 つの正確な半波長ダイポール素子について計算されています。

システムの解は次のようになります。駆動要素を 1 と指定し、V ₁とI _{1 は}送信機によって供給される電圧と電流とします。寄生要素は 2 と指定され、その「フィードポイント」で短絡されているため、V ₂  = 0 と記述できます。上記の関係を使用して、I ₁ に関してI ₂を解くことができます。

${\displaystyle 0=V_{2}=Z_{21}I_{1}+Z_{22}I_{2}}$

など

${\displaystyle I_{2}=-{Z_{21} \over Z_{22}}\,I_{1}}$。

これは、駆動素子の電流I ₁によって寄生素子に誘導される電流です。また、前述の式を使用して、駆動素子の給電点における 電圧V _{1を求めることもできます。}

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{1}&=Z_{11}I_{1}+Z_{12}I_{2}=Z_{11}I_{1}-Z_{12}{Z_{21} \over Z_{22}}\,I_{1}\\&=\left(Z_{11}-{Z_{21}^{2} \over Z_{22}}\right)I_{1}\end{aligned}}}$

ここで、 Z ₁₂ = Z ₂₁としています。この点における電圧と電流の比が、2素子八木の 駆動点インピーダンスZ _dpです。

${\displaystyle Z_{dp}=V_{1}/I_{1}=Z_{11}-{Z_{21}^{2} \over Z_{22}}}$

駆動素子のみが存在する場合、駆動点インピーダンスは単純にZ ₁₁になりますが、寄生素子の存在によって変更されています。そして、 上で計算したI ₁に対するI ₂の位相（および振幅）がわかれば、これら 2 つの素子に流れる電流による放射パターン（方向の関数としてのゲイン）を決定できます。2 つ以上の素子を持つこのようなアンテナの解法も同じ方法で、駆動素子以外のすべての素子についてV _j  = 0 に設定し、各素子の電流（および給電点の電圧V ₁）を解きます。^[16]一般に、相互結合によって一次放射器のインピーダンスが低下する傾向があるため、折り返しダイポールアンテナは放射抵抗が大きいため頻繁に使用されます。放射抵抗は受動素子との結合によって通常 50 ～ 75 オームの範囲に低下します。

八木宇田アンテナの設計には、次のような物理的パラメータ間の複雑な関係のため、単純な公式は存在しない。

• 要素の長さと間隔
• 要素直径
• 性能特性: ゲインと入力インピーダンス

ただし、上記のような反復解析を使用すると、特定のパラメータ セットのパフォーマンスを計算し、それらを調整してゲインを最適化できます (おそらくいくつかの制約を受けます)。n 要素の八木宇田アンテナでは、調整するパラメータが 2 n − 1 個 (要素の長さと相対間隔) あるため、この反復 解析 方法は簡単ではありません。上にプロットされた相互インピーダンスはλ /2長さの要素にのみ適用されるため、精度を高めるにはこれらを再計算する必要がある可能性があります。

実際のアンテナ素子に沿った電流分布は、古典的な定在波の通常の仮定によって近似的に与えられるだけであり、他の導体を考慮したハレンの積分方程式の解が必要です。前述のすべての相互作用を考慮すると、このような完全で正確な分析は非常に困難であり、使用可能なアンテナを見つける過程では近似が避けられません。したがって、これらのアンテナは、試行錯誤の要素を使用した経験的な設計であることが多く、多くの場合、直感に従って変更された既存の設計から始まります。結果は、直接測定またはコンピューターシミュレーションによって確認される場合があります。

後者のアプローチでよく使われる参考文献は、米国国立標準局（NBS）（現在の国立標準技術研究所（NIST））が発行した報告書で、400MHzで行われた測定から得られた6つの基本設計と、これらの設計を他の周波数に適応させる手順を示しています。^[17]これらの設計と、それらから派生した設計は、「NBSヤギ」と呼ばれることもあります。

隣接する導波器間の距離を調整することで、放射パターンのバックローブを減らすことができます。

八木・宇田アンテナは1926年に東北帝国大学の宇田新太郎^[5]が同じく東北帝国大学の八木秀次[ ^6]の指導のもと発明した。八木と宇田は電波投射型指向性アンテナに関する最初の報告書を発表した。八木は概念実証を行ったが、従来のシステムよりも技術的な問題が困難であることが判明した。^[18]

八木は1928年に日本の短波研究に関する調査論文でこのアンテナに関する最初の英語文献を発表し、このアンテナは彼の名前と結び付けられるようになった。しかし、当初は漠然とした表現であった構想を宇田に提供した八木は、現在では実用化として認識される設計に対する宇田の主な貢献を常に認めており、新規性を考慮しなければ、このアンテナの正しい名前は上記のように八木宇田アンテナ（またはアレイ）である。

八木アンテナは、その単純さと指向性から、第二次世界大戦中に航空機搭載用レーダー装置として初めて広く使用された。 ^{[18] [19]}八木アンテナは日本で発明されたが、陸軍と海軍の対立もあって、戦争末期まで多くの日本のレーダー技術者はその設計を知らなかった。日本軍当局が初めてこの技術に気付いたのは、シンガポールの戦いの後、イギリスのレーダー技術者が「八木アンテナ」について言及したメモを入手したときだった。日本の諜報員は、この文脈で八木アンテナが日本の名前であることさえ認識していなかった。質問されると、技術者は日本の教授にちなんで名付けられたアンテナであると答えた。^{[20] [21] [N 1]}

水平偏波アレイは、第二次世界大戦時の航空機の多くの異なるタイプ、特に海上哨戒に従事するタイプや夜間戦闘機で見られ、通常は各翼の下面に装備されています。このような装置をよく搭載していた2つのタイプは、米国海軍の艦載機であるグラマン TBF アベンジャーと、長距離哨戒水上機であるコンソリデーテッド PBY カタリナです。垂直偏波アレイは、 P-61の頬部と多くの第二次世界大戦時の航空機のノーズコーン、特にドイツのユンカース Ju 88 R-1戦闘爆撃機のリヒテンシュタイン レーダー装備例、イギリスのブリストル ボーファイター夜間戦闘機、ショート サンダーランド飛行艇に見られます。実際、後者は、機首と尾部、そして車体上部の強力な砲塔式防御武装に加えて、背面に非常に多くのアンテナ素子を配置していたため、ドイツ人飛行士から「空飛ぶヤマアラシ」というあだ名が付けられました。[ ^22] 1943年から1944年にかけてのモルゲンシュテルンの実験的なドイツAI VHF帯レーダーアンテナは、6つの個別のダイポール素子から形成された90°角度の八木アンテナのペアからなる「ダブル八木」構造を使用しており、航空機の機首にある円錐形のゴムで覆われた合板レドーム内にアレイを収めることができました。モルゲンシュテルンのアンテナ素子の先端はレドームの表面から突き出ており、戦争後期には航空団のスタッフフライトのNJG 4 Ju 88 G-6がリヒテンシュタインSN-2 AIレーダーに使用しました。^[23]

第二次世界大戦後、テレビ放送の出現により、八木・宇田設計は、VHF帯域 (後にUHFテレビ) の屋上テレビ受信用として、また辺境地域のFM ラジオアンテナとして広範囲に採用されるようになりました。八木アンテナの大きな欠点は、本質的に帯域幅が狭いことでしたが、最終的には広帯域ログ周期ダイポールアレイ(LPDA) の採用により解決されました。しかし、LPDA と比較して八木アンテナの利得が高いため、辺境受信には最適であり、複雑な八木アンテナの設計と他のアンテナ技術との組み合わせが開発され、広いテレビ帯域での動作が可能になりました。

八木・宇田アンテナは1995年にIEEEマイルストーンに認定されました。 ^[10]

• アンテナ（無線）
• アンテナアレイ
• 数値電磁気コード
• 無線方向探知機
• 無線方向探知

引用

文献

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• S. 宇田、「半メートル波による無線電信と無線電話」。IRE議事録、第 18 巻、pp. 1047–1063、1930 年 6 月。
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• 川西冬馬 (2020年4月7日). 「工学を科学として概念化する：工学研究の推進者としての八木秀次」.科学哲学史研究. 14 (14). 京都大学科学哲学史: 1–24. doi :10.14989/250442.
• グリフィス、ヒュー（2022年1月1日）。「八木アンテナ」。IEEE航空宇宙および電子システムマガジン。37 （1）。IEEE：4〜5。doi ： 10.1109 / MAES.2021.3127141。S2CID 245708628。2022年12月12 日閲覧。

ウィキメディア・コモンズには、八木宇田アンテナに関連するメディアがあります。

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• 八木宇田アンテナ。八木宇田アンテナの基本設計、プロジェクト、測定に関する簡単な情報。2008
• 八木宇田アンテナ www.antenna- Theory.com
• 八木アンテナ計算機とコンピュータ設計 2020"