所長2019.05.20コピーしましたPR無線を扱う前に技術者が知っておくべき基本を3回の連載で解説する。前回は電波について、さまざまな解析方法で考えてみた。今回は、アンテナと伝送線路について説明する。ポイントになるのがグラウンドの扱いである。これを理解すると、アンテナ設計や雑音対策のコツを身に付けることができる。(本誌)今回は、アンテナと伝送線路について解説する。重要なのがグラウンドの理解である。グラウンドの本質が分かるようになると、アンテナ設計や雑音(ノイズ)対策のコツが見えてくる。アンテナの基本を押さえる電波(電磁波)を放射するアンテナ、そのアンテナに高周波電流を供給する給電線(以下、伝送線路と記す)、配線からの雑音の発生・対策を理解する前に知っておきたい基本は、「アンペールの法則」である(図1)。電線に電流が流れるとき、電線を軸として、磁界は電線の周りをくるくる右回転するように発生する。発生する磁界の強さは、電線を流れる電流の大きさに比例する。この法則を基に、アンテナと伝送線路について考えていく。アンペールの法則(出所:アンプレット通信研究所)[画像のクリックで拡大表示]アンテナと伝送線路には、いろいろな提案や事例があるが、ここでは2本の電線を用いた伝送線路である平行2線と、その平行2線を開いて一直線状に延ばしたダイポールアンテナを例に説明する。いずれも2本の電線に高周波電流(以下、電流と記す)を流すが、伝送線路は電線が発生する磁界(電磁波)の放射を抑えるように機能し、アンテナは電流により電磁波の放射を起こさせる(図2)。アンテナと伝送線路の回路モデル(出所:アンプレット通信研究所)[画像のクリックで拡大表示]ここで、電磁波の放射が起こるか起こらないかは、電線に電流が流れると右回転で磁界が発生するアンペールの法則から考えることができる。磁界が発生すると、そこから電磁波が放射される。電磁波を放射したくない場所では、電流が流れても磁界が発生しないように工夫すればよい。図2のモデル図には、無線通信システムの信号源(送信機)、平行2線伝送線路、ダイポールアンテナを示している。信号源は平衡電圧(同相と逆相の差動電圧)を出力する。この信号源から出力される平衡電圧を、平行な2本の電線から成る伝送線路に給電するとどうなるか。上側の電線に正(+)の電圧、下側の電線に負(-)の電圧が印加されると、上側の電線には左から右に電流が流れるとすれば、下側の電線にはその逆向きの右から左に電流が流れる。アンペールの法則によって、上側の電線に流れる電流によって発生する磁界と、下側の電線に流れる電流によって発生する磁界は、その回転方向が真逆になる。従って、磁界の発生が相殺され、結果として電磁波の放射は起こらない。これが伝送線路の基本的な動作である。それでは、伝送線路からつながるアンテナは、どうやって電磁波を放射させているのか。伝送線路の平行な2本の電線の右端を、図2のアンテナの領域で示すように、直角にそれぞれ逆方向に曲げ、一直線状にする。このアンテナの領域の上側にある電線に注目すると、伝送線路の領域では左から右に電流が流れ、アンテナの領域では下から上に向かって電流が流れる。下側の電線では、伝送線路の領域で右から左に電流が流れることから、アンテナの領域では電流は下から上に向かって流れる。従って、アンテナの領域にある一直線上の2本の電線に流れる電流は、上側も下側も、下から上に向かって流れているので、これらが発生する磁界の回転方向が一致し、電磁波の放射が起こる。これがアンテナの基本的な動作である。電流の流れとアンペールの法則を考えれば、電磁波を放射するアンテナなのか、放射しない伝送線路なのかが見えてくる。アンテナの長さは、アンテナに供給する高周波信号の周波数により決まる波長の1/2にするのが基本である。1/2波長の長さにすると、そのアンテナは高周波信号の周波数に共振し、電磁波が強く放射される。アンテナ設計における放射素子の基本形は、ダイポールアンテナと呼ばれる1/2波長の長さの電線(アンテナのエレメントという)になる。この記事は有料会員限定です「日経エレクトロニクス」定期購読者もログインしてお読みいただけます。プレイヤーなど各サービスの全貌、業界別の参入機会・可能性などを解説。Specialエレキあらゆるプロセスで顧客ニーズに対応セキュリティも万全な新IoT向けマイコン毎月更新。世界で戦える工場マネージャー養成講座(全2回セット)国内外を問わず工場のマネジメントを担う管理者に求められるスキルを体系的に学べる講座です。工場長や...世界で広がる自動車電源48V化の最新動向とポイントクルマの電動化が加速する中、実用化が進む自動車電源の48V化について、元トヨタ自動車で世界初の4...今後10年で倍増へ、半導体100兆円市場を制するのは誰か世界の半導体市場は、今後10年で100兆円規模に倍増する方向性が見えてきた。活用を考えているエンジニアを対象に、必要な基礎知識と深層学習の最新技術動向を解説します...工場のものづくり力を世界レベルに強化する世界で戦える工場マネージャー養成講座の第2回。産業用ロボット本体メーカーの角度から、中国ロボット市場の最新発展状況を徹底的に調査。自動車から電機、産業機械まで製造業が「世界No.1製品」をつくるために必要な開発設計プロセスの全...次世代電池2020EVから空飛ぶクルマ、IoT/センサーネットに広がる次世代電池技術を徹底解説デジタルヘルス未来戦略どの技術、どの市場を狙うのか、そして、どこと組むべきか。「デジタルヘルス」に挑むなら、今。事業戦...突き抜けるデザインマネジメント「デザインなんかで経営が変わるわけない」と思っている人にこそ読んでほしい本。