ループアンテナとは何ですか？
ループアンテナは、1つまたは複数の導電性素子を閉じた経路に配置し、その構造体に高周波信号を供給することによって形成される。ループの形状は、円形、正方形、長方形、三角形、楕円形など、特定の機械的および電気的要件を満たすように設計することができる。
主に電流素子と関連付けられる従来のダイポールアンテナとは異なり、電気的に小さなループアンテナは磁気ダイポールアンテナとほぼ同様の挙動を示します。その動作は電磁波の磁場成分と密接に関係しているため、ループアンテナは受信、方向探知、近距離場センシング、RFID、電磁計測システムなどで特に有用です。
ループアンテナは単一の周波数範囲に限定されません。その動作周波数は、波長に対するループの円周、巻数、導体の寸法、負荷部品、給電構造、および周囲の設置環境によって決まります。そのため、ループアンテナの設計は、低周波受信システムからUHFおよびマイクロ波アプリケーションまで幅広く利用されています。
基本構造と動作原理
高周波電流が導電ループを流れると、ループの平面にほぼ垂直な磁場が発生する。受信動作においては、ループを通過する変化する磁場によって、ループの端子に電圧が誘起される。
受信信号の強度は、いくつかの要因によって決まります。
ループエリア
ターン数
動作周波数
入射場に対する向き
導体抵抗
ネットワークのチューニングとマッチング
遮蔽物および近隣の金属構造物
電気的に小さなループの場合、電流の大きさと位相は導体の周囲でほぼ均一であるとみなすことができます。この近似は、円周が大きくなるにつれて精度が低下します。共振する大きなループでは、電流分布は構造の周囲で大きく変化し、小さな磁気ループとは異なる放射特性を生み出します。
小型ループアンテナ
小型ループアンテナの円周は、動作波長よりもはるかに小さい。一般的に用いられる工学的近似式は以下のとおりである。
C≤0.1λ
ここで、Cはループの円周、λは波長である。
小型ループアンテナは電気的に小さいため、一般的に放射抵抗が低い。そのため、導体損失が入力抵抗の大部分を占める可能性があり、アンテナを送信に使用する際の放射効率を低下させる。
小型ループアンテナは誘導性が高く、多くの場合、同調コンデンサまたは整合回路が必要となります。共振状態に同調させると、十分な受信感度が得られますが、Q値が高いため、動作帯域幅が比較的狭くなる可能性があります。
これらの特性は、小型ループアンテナを劣ったアンテナにするものではありません。むしろ、小型サイズ、磁場応答、指向性ヌル点、狭帯域選択性などが、高い放射効率よりも重要な用途に特に適しています。
大型ループアンテナ
大きなループ（共振ループとも呼ばれる）は、電気的に小さくない円周を持つ。一般的な設計では、円周を波長に近い値にする。
C≈λ
この場合、電流はループ全体で均一ではなく、導体に沿って振幅と位相が変化するため、より複雑な電界分布が生じる。
電気的に小型のループアンテナと比較して、共振ループアンテナは通常、より高い放射抵抗と優れた送信効率を提供します。インピーダンス、偏波、放射パターンは、円周、形状、給電位置、設置環境に大きく依存しますが、実用的な送受信アンテナとして使用できます。
円形および正方形の全波ループは一般的な構成です。正方形ループは製造および設置が容易である一方、円形ループは滑らかで対称的な形状を提供します。両者の電気的円周が類似している場合、インピーダンスやパターン特性は異なりますが、全体的な性能は同等になる可能性があります。
図1．円形および正方形ループアンテナの構成例。
放射パターン
電気的に小さなループの放射パターンは、理想的な磁気双極子の放射パターンと類似している。放射はループ面に垂直な軸方向で最小となり、ループ面に近い方向で最も強くなる。
3次元空間では、理想的なパターンはループ軸を囲むトーラスに似ている。小さなループを垂直に取り付けると、水平面における応答は通常、ループ面に垂直な方向に2つの深いヌル点を持つ8の字型になる。
これらのヌル点は、方向探知や干渉抑制に役立ちます。受信信号が最小になるまでアンテナを回転させることで、オペレーターは信号源に向かう、あるいは信号源から離れる方向の線を特定できます。
最大応答方向、ヌル深度、および偏波は、ループの向き、給電配置、設置高さ、導体の形状、および周囲の構造物によって決まります。したがって、偏波は給電点の位置のみに基づいて記述されるべきではありません。
図2．異なる仰角におけるループアンテナの放射パターンの例を示す。
給電、チューニング、インピーダンス整合
ループアンテナの入力インピーダンスは、その電気的サイズに大きく依存する。
小型ループアンテナは通常、誘導性リアクタンスと低い放射抵抗を示します。可変または固定コンデンサを接続することで、必要な周波数で共振回路を形成できます。また、トランス結合、ガンマ整合、容量結合、またはアクティブアンプ回路を使用して、アンテナを受信機または50オームRFシステムに接続することも可能です。
送信用途においては、導体損失、コンデンサ損失、および電流処理能力を慎重に検討する必要がある。入力電力が中程度に見えても、同調ループでは大きな循環電流が発生する可能性がある。
大型共振ループは放射抵抗が高いものの、適切な給電配置とインピーダンス変換が必要となる。給電ケーブルが放射系の一部とならないように、平衡給電またはバランが必要となる場合がある。
ループの形状と回転数
ループアンテナは必ずしも完全な円形である必要はありません。円形、正方形、長方形のループが最も一般的ですが、これは計算や製造が比較的容易であるためです。
巻数を増やすと、誘導される受信電圧とインダクタンスは増加します。しかし、同時に導体損失、分布容量、自己共振効果も増加します。巻数を増やしても、必ずしも広帯域性能が向上するわけではありません。
フェライト棒または磁性コアは、小型のMFおよびAM受信アンテナによく使用されます。磁性材料が巻線を通して磁束を集中させることで、物理的に小さな構造でも十分な受信感度が得られます。
高周波域では、プリントループ、マイクロストリップループ、集積ループ構造を、RFID、無線センシング、通信端末、RF測定装置用の回路基板上に直接製造することができる。
ループアンテナの利点
ループアンテナには、いくつかの実用的な利点があります。
- コンパクトな機械構造
- 複数の形状と設置形式が可能
- 有用な磁場感度
- 小ループ設計における深い方向性ヌル
- 方向探知および干渉除去に適しています
- チューニング回路やアクティブ回路との容易な統合
- LF、HF、VHF、UHF、マイクロ波設計に対応可能
設計上の制約
重要な制限事項は以下のとおりです。
- 電気的に小型な設計における低放射線耐性
- 導体損失が大きい場合、伝送効率が低下する。
- 高Q値に同調したループにおける狭帯域幅
- 近くの金属物体に対する感度
- 高い循環電流と電圧が発生する可能性がある
- 慎重なインピーダンス整合が必要
- 給電ケーブルや設置構造物によって生じるパターン歪み
代表的な用途
ループアンテナは、以下のような用途で広く使用されています。
- AM、MF、HF、短波受信機
- 無線方向探知装置
- RFIDおよび近距離無線通信システム
- EMIおよびEMCの磁場測定
- スペクトルモニタリングと電界強度試験
- 誘導通信およびワイヤレス電力システム
- 携帯型および車両搭載型受信プラットフォーム
- プリントRFおよびマイクロ波回路
- アンテナの研究、校正、測定
EMIおよび電界強度測定において、校正済みのループアンテナは、RF環境の磁場成分を評価する必要がある場合に特に有用です。通信および監視システムでは、その指向性ヌル点が干渉を低減したり、未知の信号の方向を特定したりするのに役立ちます。
工学的意義
ループアンテナは、電気的サイズ、電流分布、磁場結合、インピーダンス整合がアンテナ性能にどのように影響するかを示す好例である。
物理的に類似したループは、その円周と動作周波数に応じて、小型磁気受信アンテナ、狭帯域共振センサー、全波送信アンテナ、または近接場結合素子として機能する可能性がある。
RF MISOは、RFテスト、通信、レーダー、アンテナ測定、システム統合向けに、アンテナおよびマイクロ波コンポーネントソリューションを提供しています。ループアンテナなどの基本的な構造を理解することで、エンジニアはアンテナシステムの選定や開発時に、周波数範囲、利得、偏波、インピーダンス、帯域幅、放射効率、指向性応答などを評価することができます。
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：2026年7月31日
