□ H16年12月期 B-04  Code:[HH0902] : 短縮形アンテナの電流分布とローディングコイルの位置、容量冠
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2019年
12/18 12月期問題頁掲載
09/02 08月期問題頁掲載
04/13 04月期問題頁掲載
H1612B04 Counter
無線工学 > 1アマ > H16年12月期 > B-04
B-04 次の記述は、アンテナの電流分布及び短縮形アンテナについて述べたものである。[ ]内に入れるべき字句を下の番号から選べ。
(1) 1/4波長垂直接地アンテナの電流分布は、アンテナ基部において[ア]、頂部(先端部)において[イ]となり、頂部付近は電波の放射にはあまり役立たない。
(2) このため、頂部に容量冠や[ウ]を挿入して、実際の高さを低くし、実効高をあまり低下させずに効率良く電波を放射する[エ]形アンテナが用いられている。
(3) また、アンテナの基部にローディングコイルを挿入した[オ]形アンテナや、アンテナの中央部にローディングコイルを挿入した短縮形アンテナなども用いられている。
延長コイル センタローディング トップローディング 逆L形
最大 短縮コンデンサ ボトムローディング ループ 10 T形

 λ/4垂直接地アンテナの電流分布と、コイルやコンデンサによる短縮・延長の原理を復習しておきましょう。

[1]λ/4垂直接地アンテナの電流分布

 まず、1/4波長垂直接地型(いわゆるλ/4バーチカル)の電流分布をλ/2ダイポールアンテナのそれとの比較で見ておきましょう。Fig.HH0902_aがその説明図です。
λ/4垂直接地アンテナは、早い話がλ/2ダイポールアンテナを垂直に立てて、片方の極を接地したものと考えます。この時、大地を理想的な導体と仮定すると、地面の下に、長さも電流分布も同じの導線が仮想的に現れます。これを「電気影像」といいます。
 このようにして、片側を地球に持たせたダイポールアンテナとして動作するλ/4垂直接地アンテナは、その電流分布の形もλ/2ダイポールの片側と同じです。
(ただし、インピーダンスは片側がGNDと「ショート」状態のため、λ/2ダイポールの半分の約36 [Ω]となります。)
Fig.HH0902_a λ/4垂直接地アンテナの電流分布
Fig.HH0902_a
λ/4垂直接地アンテナの電流分布
 λ/2ダイポールの電流分布は、給電点で最大で、先の方に行くほど電流が減少するような分布ですから、λ/4バーチカルも先端では電流がゼロになります。つまり、電波は主にアンテナの低いところから放射されていることを意味します。

[2]長いアンテナエレメントを短縮する方法

 波長が長いと、高さが高くなって扱いづらいので、トップには容量冠(キャパシティハット)を付けます。中波の放送局などによく見られます。これは、大地との間に容量分を多く持たせることで、(この後に述べる)アンテナの等価回路上のキャパシタンス分を増やし、共振周波数を下げるものです。
 我々アマチュアではエレメントの途中には延長コイル(ローディングコイル)を入れます。アンテナのエレメントの等価回路は、一般に、電波を放射する「抵抗R」分と、共振周波数を与えるインダクタンス(コイル)のL分、それにキャパシタンス(コンデンサ)のC分が直列になった、直列共振回路で表されます。
 このうち、延長コイルはインダクタンス分を増やして、共振周波数を下げる働きをしますから、長いエレメントに替えたのと同じ効果を持ちます。つまり、短いエレメントを低い周波数で使う場合に用いますコイルに損失(抵抗分)がなければ、エレメントのどの部分に挿入しても効果は同じはずですが、実際にはコイルには抵抗分があるので、その位置によって得失が出てきます
 Fig.HH0902_bに種々のアンテナの短縮方法と電流分布のイメージを示します。
Fig.HH0902_b 長いエレメントの短縮方法
Fig.HH0902_b
長いエレメントの短縮方法
 コイルの持つ抵抗分(=電力損失)をを避けるため、電流が少ない頂点付近に付ける(トップローディング)のが電気的には有利ですが、エレメントが細いと頭が重くなってフラフラするので、しっかりしたエレメントが必要になります。
 一方、給電点付近にコイルを付ければ(ボトムローディング)、構造は安定ですが、電流が最大の場所にコイルを入れることになるので、エレメントの高い部分からの放射が減ってしまうとともに、抵抗分で高周波エネルギーが熱になってしまいます。センターローディングはその中間です。
 いずれの方法においても、程度の差はあれ、フルサイズよりは実効高が低くなってしまいますので、その分利得が低下してしまうことは避けられません。

それでは、解答に移ります。
 …λ/4垂直接地アンテナの電流分布は、基部において6最大です
 …λ/4垂直接地アンテナの電流分布は、頂部において1零です
 …頂部に容量環や2延長コイルを挿入して、実効高を稼ぎます
 …頂部にコイルを入れたアンテナは、4トップローディングです
 …基部にコイルを入れたアンテナは、8ボトムローディングです
となります。