Antenna / Electromagnetic Wave / Polarization
アンテナは、どうやって
電波を送り、受けるのか。
ダイポールアンテナでは、導体中の電荷が交流で上下に振動します。
加速する電荷は時間変化する電場と磁場を作り、その揺れが空間へ広がって電磁波になります。受信側では、その到来した電場が電子を揺らし、微小な交流電流が生じます。
青は電場 E、桃は磁場 B、緑は電流またはエネルギーの向きを表します。受信アンテナを横向きにすると偏波がずれて信号が弱くなります。
Core Idea
加速する電荷が電磁波を放射し、到来した電場が受信側の電流を生む。
送信と受信は別現象ではなく、同じ電磁場の揺れを逆向きに見ているだけです。アンテナの向きと長さが合うほど、その揺れをうまく出し入れできます。
Model
このページで計算していること
送受信の本質を見やすくするために、ダイポールアンテナを単純化した模式モデルを使っています。
01
交流電流で電荷が上下に振動する
送信アンテナでは電流が正負に反転し、電荷分布も周期的に入れ替わります。加速度を持つ電荷が時間変化する電場を作ります。
02
電場と磁場の揺れが右へ進む
青の波を電場 E、桃の波を磁場 B として表示し、互いに直交する成分が空間へ進んでいく様子を模式化しています。
03
受信側では到来電場が電子を揺らす
受信アンテナの交流信号は、到来した電場の向きとアンテナ軸の一致度に応じて強くなったり弱くなったりします。
04
半波長に近い長さで効率が上がる
このページでは、アンテナ長が半波長に近いほど共振度が高くなるガウス型の簡易モデルを使って、送受信効率の変化を示しています。
Observations
動かすと見えやすい観察ポイント
同じアンテナでも、周波数、長さ、向きのどれをずらすかで、受信の強さが別の理由で落ちます。
偏波が合うと強く受信する
受信アンテナを電場と平行にすると、到来した電場が電子を最も大きく揺らせます。横向きに近づくほど信号は弱くなります。
長さが半波長から外れると効率が落ちる
アンテナ長が波長の半分に近いと、電流分布がうまく立ちやすくなります。長すぎても短すぎても共振度が下がります。
周波数を上げると波長は短くなる
周波数を上げると波の間隔が詰まり、同じアンテナ長でも半波長条件とのずれ方が変わります。周波数と長さはセットで見ないと判断できません。
出力は波の振幅を押し上げる
送信出力を上げると、空間へ出ていく電場・磁場の振幅が増え、受信側の誘導電流も大きくなります。ただし向きや長さの不一致は別問題として残ります。
Next Steps
次に広げるなら
アンテナの送受信を入口にすると、場、波、通信、加熱のページが自然につながります。