菱形アンテナとは何ですか？
菱形アンテナは、4つの導電素子を菱形構造に配置した指向性ワイヤアンテナです。これは、2つのV字型アンテナを端と端で接続したものと考えることができ、一方の鋭角頂点が給電点として使用され、反対側の頂点は通常、終端抵抗に接続されます。
共振ダイポールアンテナとは異なり、適切に終端された菱形アンテナは、主に進行波アンテナとして動作します。RF電流は給電点から4本のワイヤセクションに沿って終端負荷に向かって流れます。これらのセクションによって生成される電磁界が組み合わさって、菱形の長軸に沿って集中したビームが形成されます。
菱形アンテナは、広い周波数範囲、十分な前方利得、比較的安定した指向特性を提供できるため、長距離HF通信用アンテナとして広く知られるようになりました。しかし、その大きなサイズのため、コンパクトな通信プラットフォームよりも固定設置に適しています。
基本構造
一般的な菱形アンテナは、地上に吊り下げられた長さが等しい4本のワイヤーで構成されています。これらのワイヤーは、2つの鋭角と2つの鈍角を持つ水平な菱形を形成します。
アンテナの一端は給電され、反対側の端は非誘導性の終端抵抗器に接続されている。この抵抗器は、アンテナ構造の特性インピーダンスを近似し、残りの進行波エネルギーを吸収するように選択される。
主な設計パラメータは以下のとおりです。
- 各ワイヤーセクションの長さ
- ひし形の鋭角または頂点角
- 地上からの設置高さ
- 給電点インピーダンス
- 抵抗を終わらせる
- 導体直径
- 目標周波数範囲と伝搬経路
最適な角度は普遍的な固定値ではありません。それは、各辺の電気的長さと、主ビームの望ましい仰角および方位角の方向によって異なります。
図1．終端型水平菱形アンテナの基本構成。
菱形アンテナはどのように機能するのか？
菱形の各辺は、長線放射器として機能する。電流が導体に沿って流れるにつれて、各線材部分は方向性のある放射成分を生成する。
アンテナの寸法と角度が適切に選択されると、4つの側面から放射される電界は前方方向で互いに強め合います。他の方向では、電界成分の一部が部分的に打ち消し合います。その結果、菱形の長辺に沿った比較的狭い主ビームが得られます。
終端抵抗は重要な役割を果たします。終端抵抗は、遠端に到達したエネルギーを吸収することで、電流反射を低減し、導体上に強い定在波が発生するのを防ぎます。これにより、アンテナは比較的広い周波数範囲にわたって、より安定したインピーダンスと放射特性を維持することができます。
トレードオフとなるのは効率です。送信電力の一部は放射されるのではなく、終端抵抗器で熱に変換されます。したがって、アンテナ設計においては、指向性、帯域幅、インピーダンス安定性、放射効率のバランスを取る必要があります。
周波数範囲と電気的サイズ
従来型のフルサイズ菱形アンテナは、HF通信と最も密接に関連している。これらの周波数帯では、アンテナの側面はしばしば数波長の長さになり、構造的に大きな指向性利得を生み出すことができる。
菱形アンテナは、単一の固定周波数範囲によって定義されるものではありません。理論的には、異なる周波数に合わせて寸法を調整できますが、低周波数では構造が非常に大きくなり、高周波数ではより厳しい機械的公差が要求されます。
小型の菱形構造および菱形ループ構造は、VHF、UHF、またはマイクロ波周波数でも使用できます。ただし、これらの小型設計は、従来の終端型HF菱形アンテナとは給電特性、偏波特性、および放射特性が異なる場合があります。
図2．高周波受信用の小型菱形アンテナ構造の例。
終端処理された菱形アンテナと終端処理されていない菱形アンテナ
終端型菱形アンテナは通常、一方向性の放射パターンを示す。有効な放射の大部分は、給電点から終端端に向かって放射される。
終端抵抗を取り外すと、電流は開放端から反射される。するとアンテナはより強い定在波成分を生成し、互いに反対方向への主要な放射を伴う双方向パターンを生成できるようになる。
終端抵抗を用いない構成では、終端抵抗による電力損失を回避できますが、入力インピーダンスと放射パターンは一般的に周波数によって大きく変化します。また、前後比が悪く、広帯域特性の予測も難しくなる場合があります。
放射パターンと偏光
終端菱形アンテナの放射パターンは、前方主ローブと複数のサイドローブによって特徴づけられます。正確なビーム方向とビーム幅は、辺の長さ、菱形の角度、設置高さ、動作周波数、および地盤条件によって異なります。
電気長を長くすると指向性は向上するが、同時にサイドローブも発生する可能性がある。これらの不要なローブは、意図しない方向にエネルギーを放射し、主ビームの実用的な利点を損なう可能性がある。
水平に設置された菱形アンテナは、主放射方向において主に水平偏波となる。しかしながら、完全な三次元パターンには、特にサイドローブや主軸から離れた方向において、垂直偏波成分が含まれる場合もある。
図3．終端菱形アンテナの代表的な一方向放射パターン。
給電とインピーダンス整合
菱形アンテナは通常、比較的高い入力インピーダンスを持つ平衡構造である。給電には平衡伝送線路を用いるか、適切なインピーダンス変換器とバランを用いることが多い。
同軸ケーブルを使用する場合、不平衡給電線と平衡アンテナ間の接続部は慎重に設計する必要があります。接続が不十分だと、反射電力が増加したり、コモンモード電流が発生したり、意図した放射パターンが歪んだりする可能性があります。
エンジニアは以下を評価する必要があります。
- 入力インピーダンス
- リターンロスとVSWR
- 抵抗を終わらせる
- 前進ゲイン
- 前後比
- ビーム方向
- サイドローブレベル
- 分極
- 電力処理能力
高出力送信システムの場合、終端抵抗は相当量の高周波電力を安全に放散できるものでなければならない。
利点
菱形アンテナの主な利点は以下のとおりです。
- 比較的広い動作帯域幅
- 有用な指向性ゲイン
- 適切に終端処理すれば、インピーダンスは安定する。
- シンプルなワイヤー構造
- 長距離HF通信に適しています
- 適切な部品を使用すれば、高出力の送信機にも対応可能
- 複数の菱形アンテナを配置することで、より広い範囲をカバーしたり、方向を切り替えたりすることができます。
制限事項
主な制約事項は以下のとおりです。
- 広い設置スペースが必要です
- 複数の高い支柱構造物が必要
- RF電力の一部は終端抵抗で失われる。
- 顕著なサイドローブを生成できる
- 性能は高さと地面の状態によって影響を受ける。
- 機械のメンテナンスは大変な作業になることがある
- ほとんどの小型プラットフォームやモバイルプラットフォームには適していません
代表的な用途
菱形アンテナは、歴史的に以下の用途に使用されてきました。
- 長距離HF通信
- 固定ポイントツーポイント無線リンク
- 短波受信局
- 電離層通信と電離層電波通信
- 国際通信ネットワーク
- 無線監視および信号情報
- 長線アンテナおよび進行波アンテナに関する研究
現代の通信システムでは、対数周期アンテナ、広帯域アレイアンテナ、反射鏡アンテナ、電子制御アンテナシステムなどが頻繁に用いられるが、菱形アンテナはアンテナ理論において依然として重要な例である。
これは、導体の長さ、進行波電流、幾何学的角度、および電界の重ね合わせを利用して、アンテナの指向性と帯域幅を制御する方法を明確に示している。
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。菱形アンテナなどの古典的なアンテナ構造を理解することで、エンジニアは周波数範囲、利得、偏波、ビーム幅、VSWR、サイドローブレベル、放射効率といった重要なパラメータ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24日
