に関して言えばアンテナ人々が最も関心を寄せているのは、「放射は実際にどのように実現されるのか？」という疑問です。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やアンテナ内部を伝搬し、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、電荷密度qv（クーロン/m3）が断面積a、体積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内の総電荷Qは、z方向に一定速度Vz（m/s）で移動する。導線の断面における電流密度Jzは、以下の式で表されることが証明できる。
Jz = qv vz （1）
導線が理想的な導体でできている場合、導線表面の電流密度 Js は次のようになります。
Js = qs vz （2）
ここで、qsは表面電荷密度である。導線が非常に細い場合（理想的には半径が0の場合）、導線内の電流は次のように表される。
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ある。
我々は主に細い電線に関心があり、結論は上記の３つのケースに当てはまります。電流が時間的に変化する場合、式（３）の時間に関する微分は次のようになります。
（４）
azは電荷の加速度である。導線の長さをlとすると、（4）式は次のように書き換えられる。
（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。簡単に言うと、放射を発生させるには、時間的に変化する電流、または電荷の加速（または減速）が必要です。電流は通常、時間調和的な応用で言及され、電荷は過渡的な応用で最もよく言及されます。電荷の加速（または減速）を発生させるには、ワイヤを曲げたり、折り畳んだり、不連続にしたりする必要があります。電荷が時間調和運動で振動すると、周期的な電荷の加速（または減速）または時間的に変化する電流も発生します。したがって、次のようになります。
1) 電荷が移動しない場合、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. 導線が直線で長さが無限である場合、放射は発生しない。
b. 図2に示すように、ワイヤーが曲がったり、折り畳まれたり、途切れたりすると、放射線が発生します。
3) 電荷が時間とともに振動する場合、導線がまっすぐであっても電荷は放射される。
図2
放射機構の定性的な理解は、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線に接続されたパルス源を調べることで得られる。線が最初に通電されると、線内の電荷（自由電子）は、電源によって生成された電界線によって運動を開始する。電荷は線源側で加速され、線端で反射されて減速（元の運動に対して負の加速度）すると、線端と線全体に沿って放射場が生成される。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の力源によって行われる。線端での電荷の減速は、線端に集中した電荷の蓄積によって引き起こされる誘導場に関連する内部力によって行われる。内部力は、線端で電荷の速度がゼロに減少するにつれて、電荷の蓄積からエネルギーを得る。したがって、電場励起による電荷の加速と、ワイヤ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、電磁放射発生のメカニズムである。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項であるが、特に過渡的な電場においては、電荷の方がより基本的な量であると考えられる。この放射の説明は主に過渡状態に適用されるが、定常状態の放射の説明にも適用できる。
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本の導体からなる伝送線路に電圧源を接続します。2本の線路に電圧を印加すると、導体間に電界が発生します。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電子）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、それが磁場を発生させます。
図3
電場線は正電荷で始まり負電荷で終わると私たちは受け入れてきました。もちろん、正電荷で始まり無限遠で終わる場合や、無限遠で始まり負電荷で終わる場合、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、物理学には磁荷が存在しないため、電流が流れる導体の周りに常に閉ループを形成します。いくつかの数式では、電力源と磁気源を含む解の間の双対性を示すために、等価磁荷と磁気電流が導入されます。
2本の導体間に描かれた電界線は、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、電圧源と同じ周期の正弦波になると予想されます。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。導体間に時間的に変化する電界と磁界が発生すると、図3(a)に示すように、伝送線に沿って伝搬する電磁波が形成されます。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射します。図3(b)に示すように、アンテナ構造の一部を取り除くと、電界線の開いた端（点線で示されている）を「接続」することで自由空間波を形成できます。自由空間波も周期的ですが、定位相点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。アンテナ付近では、位相が一定の点P0は光速よりも速く移動し、アンテナから遠い点では光速に近づきます。図4は、t = 0、t/8、t/4、および3T/8におけるλ/2アンテナの自由空間電界分布を示しています。
図4 λ/2アンテナの自由空間電界分布（t = 0、t/8、t/4、3T/8）
導波路波がアンテナからどのように分離され、最終的に自由空間を伝搬するように形成されるのかは不明である。導波路波と自由空間波は、静かな水面に石を落としたり、その他の方法で発生する水面波に例えることができる。水面に擾乱が生じると、水面波が発生し、外側に向かって伝搬し始める。擾乱が止まっても波は止まらず、前方に伝搬し続ける。擾乱が続くと、新しい波が絶えず発生し、これらの波の伝搬は他の波の伝搬に遅れる。
電気的擾乱によって発生する電磁波についても同様です。発生源からの初期電気的擾乱が短時間であれば、発生した電磁波は送電線内を伝搬し、アンテナに入り、励起がもはや存在しない場合でも、最終的には自由空間波として放射されます（水面波とその擾乱と同様です）。電気的擾乱が連続的であれば、電磁波は連続的に存在し、図5に示す双円錐アンテナのように、伝搬中も擾乱に密接に追随します。電磁波が送電線やアンテナ内に存在する場合、その存在は導体内部の電荷の存在と関連しています。しかし、波が放射される際には、閉ループを形成し、その存在を維持する電荷は存在しません。このことから、次の結論が得られます。
電場を発生させるには電荷の加速と減速が必要だが、電場を維持するには電荷の加速と減速は必要ない。
図5
3. 双極子放射
アンテナから電界線が分離し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とります。これは簡略化された説明ですが、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、サイクルの最初の四分の一で電界線がλ/4だけ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、形成される電界線の数は3本とします。次の四分の一では、元の3本の電界線がさらにλ/4だけ移動し（開始点から合計λ/2）、導体上の電荷密度が減少し始めます。これは、サイクルの前半の終わりに導体上の電荷を打ち消す反対の電荷が導入されたことによって形成されたと考えることができます。反対の電荷によって生成される電界線は3本で、λ/4だけ移動し、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の距離には3本の下向きの電界線があり、2番目のλ/4の距離には同じ数の上向きの電界線があります。アンテナには正味の電荷がないため、電界線は導体から分離され、結合して閉じたループを形成する必要があります。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実行されますが、方向が逆であることに注意してください。その後、このプロセスが繰り返され、無限に継続して、図4と同様の電界分布が形成されます。
図6
アンテナについてさらに詳しく知りたい場合は、以下をご覧ください。
投稿日時：2024年6月20日
