実用アンテナの構造 — マイクロストリップ・双ループ・スキュー

深掘り編「アンテナの図鑑」では、微小ダイポールを原器として線状アンテナ・広帯域アンテナ・開口面アンテナ・アレーまでを並べた。あれは方式を体系づけて覚えるための地図で、試験でも中心的な範囲である。ただし地図には載っていない場所がある。実際の放送局や基地局に据えられているアンテナのうち、平たい板でできたもの、輪を組み合わせたもの、鉄塔を取り囲むように配置されたものは、図鑑のどの欄にも収まっていない。

この講座で扱うのは次の3方式である。第2章と第3章の方形マイクロストリップアンテナは、プリント基板と同じ作り方で量産できる平面アンテナで、携帯端末や衛星測位の受信機に広く入っている。第4章の双ループアンテナは、円形の素子を2つ縦に並べて反射板を背負わせたもので、地上デジタル放送の送信素子として使われている。第5章のスキュー配置は、アンテナそのものというより据えつけ方の工夫で、太い鉄塔に邪魔されずに全方位へ電波を配るための配置である。

3方式に共通する読み方をひとつ先に置いておく。どんなアンテナでも「電流が流れている場所」か「電界が空間へ開いている場所」のどちらかが放射源であり、それ以外の部分は電力を運んでいるだけである。給電線が電波を出さないのは、往きと還りの電流が近接して打ち消し合うからだった。逆にアンテナが電波を出すのは、その打ち消しが成立しない形になっているからだ。以下の3方式も、この観点で構造を眺めれば「どこが放射しているのか」が見えてくる。

構造から始める。地板と呼ばれる導体板の上に、波長に比べて十分に薄い誘電体の板を置き、その上へ長方形の導体(放射板)を平行に密着させる。これだけである。厚みは基板1枚ぶん、数ミリに満たないことも多く、機器の外装の内側へ貼り付けられる。給電は地板の裏側から同軸ケーブルを通して行い、内部導体を誘電体を貫いて放射板へ、外部導体を地板へつなぐ。同軸の外側が接続される相手は誘電体ではなく地板である——ここは試験で正面から問われる。

さて、この構造のどこが放射しているのか。素直に考えれば、放射板と地板の間の誘電体に生じている電界がいちばん強いのだから、そこが放射源に思える。ところがこれは違う。上下を導体板に挟まれた電界は、平行平板コンデンサの内部と同じで、外へ出ていくことができない。閉じ込められた電界は電力を蓄えるだけで、放射には寄与しないのである。

放射しているのは、放射板の縁からはみ出した電界である。有限の大きさの導体板の端では、電気力線が真下の地板へ向かうだけでなく、外側へ膨らんで回り込む。この縁のはみ出し(漏れ電界、フリンジング電界)だけが導体に挟まれておらず、空間へ開いている。マイクロストリップ線路では同じ漏れが「放射損」という厄介者だったが、アンテナではこれこそが目的の放射源になる。同じ構造でも、線路として使うか放射体として使うかで、漏れの評価が正反対になる。

縁の漏れ電界をそのまま扱うと計算が面倒なので、等価的な磁流という量に置き換える。これは境界面上の電界分布を、それと同じ電磁界を外側に作る仮想的な波源で代表させる操作で、置き換えたあとは「磁流が並んでいるアンテナ」として指向性を計算できる。量としては電圧の次元を持ち、単位は〔V〕である。電流〔A〕ではないので、記号 M を電流と読み違えないよう注意したい。

こうして放射板の4辺に磁流が並ぶが、放射に効くのはそのうち2辺だけである。共振している放射板の上では、電界は長さ方向の両端で最大かつ互いに逆向きになる。この2辺の磁流を空間で見ると、電界の向きが逆であることと辺の外向き法線が逆であることが打ち消し合って、結局どちらも同じ向きを向く。同じ向きの2本が足し合わされて放射する。一方、幅の側の2辺では、1本の辺の中で磁流の向きが半分ずつ逆になっており、辺どうしでも向かい合って打ち消し合う。結果として放射には寄与しない。

放射に効く磁流が2本に絞れたので、指向性も決まる。長さ方向に間隔をあけて並ぶ同相の波源2つ、というのは2素子アレーそのもので、間隔が半波長より狭いこともあって、放射板の真正面で完全に同相で足し合わされる。したがって最大放射方向は放射板の面に垂直な向き、つまり地板と反対側の法線方向になり、単一指向性を示す。地板が後ろを塞いでいるので、裏側へはほとんど出ない。

次は寸法である。放射板が共振するのは、その長さが誘電体内での波長のちょうど半分になったときである。ここで使う波長が自由空間の波長ではないところが要点で、誘電体の中では電波の進む速さが遅くなり、波長は比誘電率の平方根ぶんだけ短くなる。比誘電率4の基板なら波長は半分になり、したがって放射板も半分の寸法で共振する。平面アンテナが小さく作れるのは、この短縮のおかげである。

実際に数値を通してみる。周波数3000MHz、比誘電率4.0の基板を使う場合を考える。自由空間の波長は300を3000で割って0.100m。誘電体内の波長はこれを4.0の平方根、すなわち2.0で割って0.050m。放射板の長さはその半分で0.025m、つまり25mmとなる。同じ周波数の半波長ダイポールは0.050m必要だから、ちょうど半分の寸法に収まったことになる。

寸法が決まったところで、性能の話に移る。マイクロストリップアンテナの弱点は帯域が狭いことである。放射板と地板の間隔が波長に比べて極端に小さいため、内部に蓄えられるエネルギーに対して外へ放射されるエネルギーの割合が小さく、共振が鋭くなってしまう。共振が鋭いということは、設計周波数から少しずれただけで整合が崩れるということで、薄い基板では使える帯域は数パーセント程度にとどまる。

これを広げる方向は2つある。誘電体を厚くすることと、放射板の幅を広くすることである。厚くすれば蓄積されるエネルギーに対する放射の割合が上がり、幅を広げれば放射のしやすさそのものが増す。どちらも「共振を緩やかにする」向きに働き、結果として広帯域になる。素子が太いほど比帯域幅が広いという線状アンテナでの関係と、理屈は同じである。

最後に給電点の位置である。共振している放射板の上では、場所によって電圧と電流の比が変わる。長さ方向の端に近いほど電圧が高く電流が小さいので入力インピーダンスは高く、中央へ寄るほど低くなる。したがって給電線の特性インピーダンスに合わせたい値になる位置を選んで給電することになる。給電点を中央から少しずらした位置に取るのは、この整合のためである。

地上デジタル放送の送信塔に据えられている素子のひとつが、双ループアンテナである。名前のとおり2つの輪(ループ)を縦に並べ、その間を給電線で結び、背後に反射板を置いた構造をしている。輪の形をしているのに水平偏波を出し、しかも指向性はダイポールを4本並べたものと等価になる。この「輪がダイポールに化ける」ところが理解の山場である。

まずループ1個を見る。このループは、円周の長さがおよそ1波長になるように作られている。給電点から輪を左右に分ければ、それぞれが半波長ぶんの導体になるから、輪の上には半波長の導体2本と同じ定在波が立つ。電流が最大になる腹の位置は、給電点と、その真向かいにあたる対向点の2か所である。輪をたどる向きで見れば対向点の電流は逆符号だが、その位置では導体の向き自体も逆を向いているので、空間から見れば2つの電流は同じ方向に流れていることになる。

つまりループ1個は、直径ぶんだけ離れて並んだ同相の半波長ダイポール2本と同じように振る舞う。直径は円周を円周率で割った値だからおよそ0.32波長で、ちょうど素子を密に並べたアレーの間隔にあたる。これを2つ縦に重ねているので、双ループアンテナ全体では半波長ダイポール4本ぶんとして働く。ここに反射板が加わるので、指向性は反射板付き4ダイポールアンテナと等価になる。

次に反射板である。素子から後方へ出た電波は反射板で折り返して戻ってくるが、このとき素子と反射板の間隔を約4分の1波長にしておくと、往復で半波長ぶん、位相にして180度の遅れが生じる。さらに導体面での反射そのものが位相を180度反転させるので、合わせて360度、すなわち一周して元に戻る。反射してきた波は前方で直接波とぴったり同相になり、強め合う。後方へは打ち消されて出ていかない。

反射板がなければ、素子は前後どちらへも同じように放射するので、指向性は前後対称の8字形になる。反射板を置いた時点で後方成分は消え、単一指向性へ変わる。試験では「8字特性」と「単一指向性」が選択肢に並ぶが、問題文が反射板付きと断っているなら答えは単一指向性である。反射板の有無が指向性の形を決める、という対応で覚えておけばよい。

数値も一度通しておく。600MHzで設計するとすれば、波長は300を600で割って0.500mである。ループの円周は約1波長だから0.500m、その直径は円周率で割って約0.159m。反射板と素子の間隔は4分の1波長で0.125m、2つのループを結ぶ給電線の長さは約半波長で0.250mとなる。地上デジタル放送のUHF帯であればこの程度の寸法感で、人の手で扱える大きさに収まる。

最後は、アンテナそのものではなく据えつけ方の工夫である。放送用の送信アンテナは、原則として水平面内のどの方位にも同じように電波を配りたい。ところが鉄塔の幅が波長に比べて非常に大きいと、鉄塔そのものが電波を遮ってしまい、素子を1か所に付けただけでは反対側の方位へ届かない。すでに別のアンテナが場所を占めていて、望ましい位置に新しく取り付けられないという事情もある。この2つの場合に用いられるのがスキュー配置である。

やり方はこうである。単一指向性を持つ素子を複数個用意し、鉄塔の中心と同じ中心を持つ円の円周上に、対称になるよう配置する。素子が4個なら90度おきに置くことになる。各素子からは円の接線方向へ電波を放射させ、これらが空間で合成された結果として、水平面内でほぼ円形状の指向性が得られるようにする。1個ずつでは特定の方位しか照らせなくても、方位を分担させて重ね合わせれば全周を覆えるという発想である。

ここで効いてくるのが、素子を配置する円の半径である。素子は円周上のそれぞれ違う位置にあるから、遠方の同じ方位へ届くまでの距離にわずかな差(行路差)が生じる。行路差は円の半径に比例して大きくなるので、半径を連続的に変えていくと、方位ごとの強め合いと弱め合いの条件が一定の間隔で巡ってくる。したがって水平面内の指向性は、半径に対して不規則にではなく周期的に変化する。設計では、円形にいちばん近くなる半径を選ぶことになる。

水平面が円くなったとして、垂直面はどうか。放送では電波を空へ逃がしても仕方がないので、垂直面内では地上のサービスエリアへ向けて絞りたい。これは同じ素子を上下方向に複数段重ね、各段へ供給する電波の振幅と位相を調整することで作る。段数を増やせばビームは鋭くなり、位相に傾斜をつければビームを水平から少し下向きに傾けられる。振幅に重みをつければ、真下付近が無サービスになるのを防ぐこともできる。

なお、この配置に使う単一指向性の素子として、地上デジタル放送では第4章の双ループアンテナが用いられている例がある。反射板付きで単一指向性を持ち、水平偏波であるという性質が、そのまま円周配置の素子としての要件に合っているからだ。3方式のうち2つが、実際の設備の上ではこうして組み合わされていることになる。

この講座で扱った3方式は、いずれも「構造の名前と、性質の向き」を組み合わせて問う形式で出題される。計算はほとんど求められず、共振長の算出が唯一の数値問題らしい数値問題である。したがって暗記量は多くないのだが、選択肢が似た語で作られているため、構造を思い浮かべられないと取り違えやすい。逆に言えば、断面図や配置図を1枚描ければ、選択肢のほとんどはその場で判断できる。

覚え方の芯を3つに絞るなら、次のようになる。マイクロストリップアンテナは「放射しているのは縁だけ」。双ループアンテナは「円周1波長の輪はダイポール2本」。スキュー配置は「水平面は半径、垂直面は上下」。これらから、放射に寄与する磁流の組も、等価となるアンテナの本数も、半径を変えたときの振る舞いも導ける。数値の向き(厚いほど広帯域、広いほど広帯域)だけは別に覚える必要があるが、どちらも同じ向きに揃っているので負担は小さい。