八木アンテナ設計：数式とパラサイトエレメントで精密な性能を実現

アンテナは電子信号を送受信するデバイスです。周波数放射を使用するすべてのデバイスはアンテナを使用します。指向性アンテナ、全方向性アンテナ、スロットアンテナ、八木宇田アンテナなど、非常に多くの種類があります。本記事では八木アンテナ設計式について詳しく議論します。この記事でアンテナの動作と、自分で設計する方法を正確に理解できるでしょう。

八木アンテナとは？

八木宇田型アンテナは半球面アンテナの一種ですが、他の多くと同様にFM信号の送信用に設計されています。このアンテナ形式の考案者は宇田新太郎とその友人八木秀次です。したがって八木宇田アンテナと呼ばれます。

八木宇田アンテナは、RF電力1Wで最大5kmの距離をカバーできる長距離伝送が可能なため、FM信号に適しています。他のアンテナと異なりサイズが小さく、その結果ゲイン能力が深いです。また、パラサイトエレメントと呼ばれるロッドのグループのみで構成されます。これらのパラサイトエレメントがアンテナの効率を保証し、リフレクタエレメント、単数または複数のディレクタエレメント、ダイポールエレメントが含まれます。これらの要素の配置は正確でなければならず、単一アンテナにはない指向性パターンを与えるためです。

(衛星アンテナ近くの八木宇田アンテナ.)

八木アンテナ設計式

八木宇田アンテナタイプを設計する際、特定の物理パラメータを考慮すべきです。特に、アンテナロッドの長さと間隔をアンテナ構築の最優先事項とすべきです。八木アンテナは設計者が指定した様々な周波数信号を収集できます。また、波長で測定された長さと間隔を使用して、特定周波数用のアンテナを設計できます。使用する周波数がサイズと帯域幅絞り込みを決定します。

(よく設計されたアンテナ)

リフレクタ（反射器）

他の2要素の後ろに位置することが多いです。通常、アクティブな駆動要素（ダイポール）より5%長くします。駆動要素とリフレクタの間隔は0.1λ〜0.25λが適切です。この範囲外の距離は信号強度を損ないます。また、この間隔は周波数-帯域幅比とサイドローブパターン仕様に依存することもあります。帯域幅、ゲインdB、フィードインピーダンス、フロントツーバック比は、八木アンテナ開発で考慮すべき重要仕様であり、八木アンテナ計算機への入力値にもなります。

ダイポール（駆動素子）

駆動要素の中心にフィードポイントがあります。フィードポイントはこのアンテナ部品の別名です。送信機のフィードラインと受信機のフィードラインが合流するためフィードポイントと呼びます。このフィードラインが送信機からアンテナへの周波数伝送を助けます。時折、これらのアンテナは折り畳みダイポールを持ちます。この特徴はフィードインピーダンスを増加させます。しかし、電気的長さが周波数波長の約半分になると、アンテナは共振周波数を発生させます。

(アンテナアイコンセット)

ディレクタ（指向器）

すべての要素の中で最短なのでディレクタは識別しやすいです。アクティブな駆動要素より5%短い長さに配置します。ディレクタエレメントの主目的は、電磁界内にあるときに電磁周波数を受信することです。しかし、ディレクタは駆動要素より高い共振周波数を持ちます。また、ディレクタは指向性パターンと所望のゲイン達成を助けます。この特性により八木宇田アンテナは指向性アンテナとして機能します。前述の通り、八木宇田アンテナは1つ以上のディレクタを持てます。複数ディレクタはアンテナの利点の1つです。ディレクタ間の間隔は0.1λ〜0.5λの範囲です。ただし、ディレクタの数がゲインを決定するのではなく、アンテナアレイの長さが決定します。

例えば、200MHzの超高周波数フィールドでは、八木アンテナ計算機からの要素概略寸法は以下の通りです：

• リフレクタ長 = 150/f = 150/200 = 0.075m
• 駆動要素長 = 138/f = 138/200 = 0.69m
• ダイポール長
• ダイポール-ディレクタ間隔
• リフレクタ-ダイポール間隔
• 第1ディレクタ長 = 140/f = 140/200 = 0.7m
• 第2ディレクタ長 = 136/f = 136/200 = 0.68m
• ブーム長

(アンテナコレクション)

八木アンテナ設計ソフトウェア

このアンテナ設計を支援する様々なソフトウェアがあります。本記事では八木デザイナー2.0とMS-DOSアンテナメーカーについて語ります。八木デザイナー2.0は八木アンテナ計算機で、多くの機能を表示します。これらのアンテナ特性には、水平放射パターン、垂直放射パターン、Eプレーン、Hプレーン、フィードポイント抵抗とリアクタンス、アンテナゲイン考慮F/B比などが含まれます。一方、MS-DOSソフトウェアはより速く正確な寸法計算が可能です。

(送信機の写真.)

八木アンテナの設計方法

動作周波数300MHz、単一ディレクタを使用して、八木宇田アンテナの完全な構築を行います。積分方程式を用いて手動計算することも、ソフトウェアに入力することもできます。ただし、ソフトウェアまたは八木アンテナ計算機には、初期データを提供して事前の詳細最適化を経る必要があります。

速度v = 180,000,000 m/s、周波数f = 300MHzを使用。λ = v/f で計算し、約1.67を得ます。リフレクタ長 0.495λ、ダイポール長 0.473λ、ディレクタ長 0.440λ、リフレクタ-ダイポール間隔 0.125λを初期値としてソフトウェアまたは八木アンテナ計算機に入力します。すると、3要素八木アンテナ計算機またはソフトウェアが計算を行い、v/fを先の式から約1.67で置き換えます。これらの式を使えば、正しいアンテナパラメータ要素長を容易に見つけられます。正確な寸法配分はアンテナ性能向上に不可欠です。アルミパイプを使ったこの基本アンテナは、測定さえ正しければ自宅で簡単に設計できます。

(複数ディレクタを持つアンテナ.)

八木アンテナの用途

• 八木アンテナは無線波ビームを送信するRFアンテナの一形態
• 偏波により半球面アンテナに分類。電波天文学でこれらのアンテナが必要

まとめ

八木宇田アンテナは市場で最も優秀かつ一般的に使用されるアンテナの1つです。小型で効率的なため、家庭やオフィスでよく見かけます。本記事がアンテナについて学ぶ助けになれば幸いです。ウェブサイトの他の記事もご覧ください。ご質問やサポートが必要なら、お気軽にお問い合わせください！