となるとアンテナ人々が最も関心を持つ質問は、「放射は実際にどのように達成されるのか？」です。信号源によって生成された電磁場は、どのように伝送線路を通ってアンテナ内を伝播し、最終的にアンテナから「分離」して自由空間波を形成するのでしょうか。
1. 単線放射
図 1 に示すように、qv (クーロン/m3) で表される電荷密度が、断面積が a、体積が V の円形ワイヤ内に均一に分布していると仮定します。
図1
体積V内の全電荷Qは、Z方向に等速Vz（m/s）で移動します。導線の断面における電流密度Jzは次のように証明できます。
Jz = qv vz （1）
ワイヤが理想的な導体で作られている場合、ワイヤ表面の電流密度 Js は次のようになります。
Js = qs vz （2）
ここで、qsは表面電荷密度です。電線が非常に細い場合（理想的には半径が0）、電線に流れる電流は次のように表されます。
Iz = ql vz (3)
ここで、ql (クーロン/メートル) は単位長さあたりの電荷です。
ここでは主に細い電線を対象としており、結論は上記の3つのケースに当てはまります。電流が時間とともに変化する場合は、式(3)の時間微分は次のようになります。
（4）
azは電荷の加速度である。電線の長さをlとすると、(4)は次のように書ける。
（5）
式(5)は電流と電荷の基本的な関係であり、電磁放射の基本的な関係でもあります。簡単に言えば、放射を発生させるには、時間変化する電流、あるいは電荷の加速（または減速）が必要です。電流は通常、時間調和振動の応用において言及され、電荷は過渡現象の応用において最も頻繁に言及されます。電荷の加速（または減速）を発生させるには、電線を曲げたり、折り曲げたり、不連続にしたりする必要があります。電荷が時間調和振動すると、周期的な電荷の加速（または減速）、あるいは時間変化する電流も発生します。したがって、
1) 電荷が移動しなければ、電流も放射も発生しません。
2) 電荷が一定の速度で移動する場合:
a. 電線が直線で長さが無限である場合、放射は発生しません。
b. 図 2 に示すように、ワイヤが曲がっていたり、折り畳まれていたり、不連続であったりする場合は、放射が発生します。
3) 電荷が時間の経過とともに振動する場合、ワイヤがまっすぐであっても電荷は放射されます。
図2
放射メカニズムの定性的な理解は、図2(d)に示すように、開放端に負荷を介して接地できる開放端導線に接続されたパルス光源を観察することで得られます。導線に最初に通電すると、導線内の電荷（自由電子）は、光源によって生成された電界線によって運動を始めます。電荷は導線の光源端で加速され、終端で反射される際に減速（元の運動に対して負の加速度）されるため、導線の両端と残りの部分に沿って放射場が生成されます。電荷の加速は、電荷を運動させ、関連する放射場を生成する外部力源によって行われます。導線端における電荷の減速は、導線端に集中した電荷が蓄積することによって生じる誘導場と関連する内部力によって行われます。内部力は、導線端で電荷の速度がゼロに低下するにつれて、電荷の蓄積からエネルギーを得ます。したがって、電界励起による電荷の加速と、配線インピーダンスの不連続性または滑らかな曲線による電荷の減速が、電磁放射の発生メカニズムである。電流密度（Jc）と電荷密度（qv）はどちらもマクスウェル方程式のソースタームであるが、特に過渡電界においては、電荷の方がより基本的な量であると考えられている。この放射の説明は主に過渡状態において用いられるが、定常状態の放射の説明にも用いることができる。
RM-TCR406.4
RM-BCA082-4（0.8-2GHz)
RM-SWA910-22(9-10GHz)
2. 2線式放射
図3(a)に示すように、アンテナに接続された2導体伝送線路に電圧源を接続します。2導体伝送線路に電圧を印加すると、導体間に電界が発生します。この電界線は、各導体に接続された自由電子（原子から容易に分離できる）に作用し、それらを移動させます。電荷の移動によって電流が発生し、それが磁場を生成します。
図3
電界線は正電荷で始まり、負電荷で終わると理解されています。もちろん、正電荷で始まり無限遠で終わる場合もあれば、無限遠で始まり負電荷で終わる場合もあり、あるいは電荷で始まりも終わりもない閉ループを形成する場合もあります。磁力線は、物理学では磁荷が存在しないため、常に電流を流す導体の周囲に閉ループを形成します。いくつかの数式では、等価磁荷と磁流が導入され、電力源と磁気源を含む解の双対性を示しています。
2本の導体間に描かれる電界線は、電荷の分布を示すのに役立ちます。電圧源が正弦波であると仮定すると、導体間の電界も正弦波となり、その周期は電圧源の周期と等しいと予想されます。電界強度の相対的な大きさは電界線の密度で表され、矢印は相対的な方向（正または負）を示します。導体間に時間変化する電界と磁界が発生することで、図3(a)に示すように、伝送線路に沿って伝播する電磁波が形成されます。この電磁波は、電荷とそれに対応する電流とともにアンテナに入ります。図3(b)に示すように、アンテナ構造の一部を除去すると、電界線の開放端（点線で示す）を「接続」することで自由空間波を形成できます。この自由空間波も周期的ですが、位相が一定である点P0は光速で外側に移動し、半周期でλ/2の距離（P1まで）を移動します。アンテナ近傍では定位相点P0は光速よりも速く移動し、アンテナから遠い地点では光速に近づきます。図4は、λ/2アンテナのt = 0、t/8、t/4、3T/8における自由空間電界分布を示しています。
図4 t = 0、t/8、t/4、3T/8におけるλ/2アンテナの自由空間電界分布
誘導波がアンテナから分離され、最終的に自由空間を伝播する波として形成される仕組みは解明されていません。誘導波と自由空間波は、静かな水面に石を落としたり、その他の原因で発生したりする水波に例えることができます。水中で擾乱が始まると、水波が発生し、外側へ伝播し始めます。擾乱が止まっても、波は止まらず前方へ伝播し続けます。擾乱が続くと、新たな波が絶えず発生し、これらの波の伝播は他の波よりも遅れます。
電気的擾乱によって生成される電磁波についても同様です。発生源からの最初の電気的擾乱が短時間であれば、生成された電磁波は伝送線路内を伝播し、アンテナに入り、最終的には励起がなくなったにもかかわらず（水面の波とそれが生成した擾乱のように）、自由空間波として放射されます。電気的擾乱が連続的であれば、図 5 に示すバイコニカル アンテナのように、電磁波は継続的に存在し、伝播中に擾乱のすぐ後ろを追従します。電磁波が伝送線路やアンテナ内にある場合、その存在は導体内の電荷の存在に関係しています。しかし、波が放射される場合、電磁波は閉ループを形成し、存在を維持するための電荷は存在しません。このことから、次の結論が導き出されます。
場を励起するには電荷の加速と減速が必要ですが、場を維持するには電荷の加速と減速は必要ありません。
図5
3. 双極子放射
電界線がアンテナから離れて自由空間波を形成するメカニズムを説明するために、ダイポールアンテナを例に挙げます。簡略化した説明ではありますが、自由空間波の発生を直感的に理解することができます。図 6(a) は、周期の最初の 1/4 で電界線が λ/4 外側に移動したときに、ダイポールの 2 つのアームの間に生成される電界線を示しています。この例では、生成される電界線の数が 3 本であると仮定します。周期の次の 1/4 では、元の 3 本の電界線がさらに λ/4 (開始点から合計 λ/2) 移動し、導体上の電荷密度が減少し始めます。これは、周期の前半の終わりに導体上の電荷を打ち消す反対電荷の導入によって形成されたと考えられます。反対電荷によって生成される電界線は 3 本で、λ/4 の距離を移動します。これは図 6(b) の点線で表されています。
最終的な結果として、最初のλ/4距離には下向きの電界線が3本、次のλ/4距離には同数の上向きの電界線が存在します。アンテナには正味電荷がないため、電界線は導体から強制的に分離され、再び結合して閉ループを形成します。これは図6(c)に示されています。後半では、同じ物理的プロセスが繰り返されますが、方向が逆であることに注目してください。その後、このプロセスが繰り返され、無限に継続し、図4と同様の電界分布を形成します。
図6
アンテナの詳細については、以下をご覧ください。
投稿日時: 2024年6月20日
