菱形アンテナ

Rhombus-shaped antenna

菱形アンテナは、地面と平行に吊るされた4つの電線からなるダイヤモンド型、または「ひし形」の形状をしています。4辺の長さはそれぞれ同じで、1辺あたり約1/4波長から1波長です。給電端と遠端では約42°の角度で収束しますが、接触しません。長さはそれほど重要ではなく、通常は1～2波長（λ）ですが、長さと周波数に応じて最適な角度があります。水平菱形アンテナは、アンテナの先端から低い仰角で水平偏波の電波を放射します。

いずれかの尖端で抵抗器を介してセクションが接続されている場合、アンテナは抵抗器が向いている方向からのみ受信し、その方向へのみ送信します。他の種類のアンテナと比較した主な利点は、そのシンプルさ、高い順方向利得、広い帯域幅、そして幅広い周波数範囲で動作できることです。

説明

菱形アンテナは、地上に吊り下げられた1本から数本の平行線からなる「菱形」（ダイヤモンド）形状のアンテナです。長いタイプは通常、各頂点がポールまたはタワーで支えられ、各頂点に絶縁体で接続されています。4辺の長さはすべて同じです。長さはそれほど重要ではなく、通常は端から端まで1～2波長（λ）ですが、長さと周波数が一定であれば、各部分が交わる最適な鋭角が存在します。

水平菱形アンテナは、給電線とは反対側のアンテナ先端から、低仰角で水平偏波の電波を放射します。他の種類のアンテナと比較した主な利点は、そのシンプルさ、高い順方向利得、そして広い帯域幅、つまり幅広い周波数範囲で動作できることです。

通常、菱形アンテナは、平衡伝送線路、またはバラントランスを備えた同軸ケーブルを介して、2つの鋭角（より鋭い角度）の頂点のいずれかに給電されます。反対側の頂点で接続される電線の端は、オープン（未接続）のままにするか、無誘導抵抗器で終端されます。抵抗終端の場合、放射パターンは単方向性となり、メインローブは終端端から離れるため、アンテナのこの端は意図した受信局または受信地域に向けられます。終端されていない場合、菱形アンテナは2つの鋭角端から2つの反対のローブを持つ双方向性となりますが、完全な双方向性ではありません。

菱形アンテナは、動作周波数に対する地上からの高さと物理的構造に応じて、地平線に近い仰角から高い仰角まで放射することができます。同様に、ビーム幅は主に長さに応じて狭くも広くもできます。放射角が浅いため、短波の最長距離モードであるスカイウェーブ伝搬に適しています。スカイウェーブ伝搬では、地平線で上空に放射された電波は電離層の層で反射し、地平線をはるかに越えて地球に戻ります。

単方向性菱形アンテナの低い効率と利得は、終端抵抗を低損失の平衡共振スタブ伝送線路に置き換えることで改善できます。これにより、終端抵抗で無駄に消費されていた電力が正しい位相でアンテナに反射され、送信機からの励振が強化されます。この回路は、複雑さが増すという欠点はあるものの、送信アンテナの放射効率を70～80%程度まで向上させることができます。

歴史

菱形アンテナは1931年にエドモンド・ブルース^[1] とハラルド・フリス^[ 2]によって設計され、^{[ 3]主に}高周波(HF)または短波帯域の広帯域指向性アンテナとして広く使用されていました。

第二次世界大戦前は、菱形アンテナは最も一般的なポイントツーポイントの高周波アンテナアレイの 1 つでした。第二次世界大戦後、菱形アンテナは短波放送やポイントツーポイント通信作業では使用されなくなり、ログペリオディックアンテナとカーテンアレイに置き換えられました。より大きなログペリオディックアンテナは、菱形アンテナに匹敵するゲインでより広い周波数範囲を提供します。分散給電カーテンアレイまたは HRS カーテンアレイは、よりきれいなパターン、仰角と方位角でパターンを操作する機能、はるかに高い効率、より少ないスペースで大幅に高いゲインを提供しました。ただし、菱形アンテナは、高い順方向ゲイン (上記の損失にもかかわらず) と広い動作帯域幅の組み合わせを他の手段で達成できない場合、または指向性アンテナが必要であるが構築と設置のコストを低く抑える必要がある場合に使用されます。

ロンビックアンテナは、前述のようにシンプルで効果的な送信アンテナとしてだけでなく、優れた利得と指向性を備えたHF受信アンテナとしても使用できます。例えば、BBCモニタリングのクロウズリーパーク受信局には、37度、57度、77度の方位で受信できるように3つのロンビックアンテナが設置されています。

メリットとデメリット

ロンビックアレイの低コスト、シンプルさ、信頼性、構築の容易さは、他のより複雑なアレイが提供するパフォーマンス上の利点を上回ることがあります。^[4]^[5]^[6]

利点

ロンビックの入力インピーダンスと放射パターンは、2:1の周波数範囲にわたって比較的一定です。インピーダンスは4:1以上の周波数範囲にわたって比較的一定に保たれ、順方向利得は1オクターブあたり6dB増加します。
複数の菱形アンテナを端から端まで接続することで、MUSA（Multiple Unit Steerable Antenna：複数ユニット可動アンテナ）を構成できます。MUSAアレイは、長距離、短波、水平偏波の下降波を受信できます。
菱形は、ポイントツーポイント回線を介した持続的な長距離通信のための最も単純な中利得オプションの 1 つです。^[要出典]
ロンビックでは、本質的に均一な電圧と電流の分布があるため、かなりの送信電力も処理できます。

デメリット

菱形アンテナは、特に、さまざまな距離や方向にあるさまざまな地理的領域にサービスを提供するため、または大幅に異なる周波数をカバーするために複数のアンテナを設置する場合には、広い土地を必要とします。
菱形アンテナは、アンテナ直下の接地損失、電力を浪費するスプリアスローブ、終端損失、そして導体全体にわたって定電流を維持できないことなどにより、効率の問題を抱えています。典型的な放射効率は40～50%程度です。
効率が低いため、同じビーム幅の他のアレイと比較した場合、所定のメインローブビーム幅での利得が大幅に減少します。^[7]

参考文献

^ US 2285565、ブルース、エドモンド、「指向性アンテナ」、1942年6月9日発行
^ US 2041600A、Friis, Harald T.、「無線システム」、1936年5月19日発行
^ “ハラルド・T・フリス”. IEEE GHN.org。 2019年12月4日。
^ EC Jordan; KG Balmain.電磁波と放射システム. Prentice-Hall EEシリーズ（第2版）. McGraw-Hill.
^ Kraus, J.アンテナ. McGraw-Hill EEシリーズ. McGraw-Hill. pp. 408– 412.^{[全文引用が必要]}
^ Laport, EA (1952). 無線アンテナ工学. McGraw-Hill. pp. 315– 334.
^ Kuecken, J.アンテナと伝送線路。^{[全文引用が必要]}

ロンビックアレイサイト

[BrucePatent-1] US 2285565、ブルース、エドモンド、「指向性アンテナ」、1942年6月9日発行

[FriisPatent-2] US 2041600A、Friis, Harald T.、「無線システム」、1936年5月19日発行

[3] “ハラルド・T・フリス”. IEEE GHN.org。 2019年12月4日。

[4] EC Jordan; KG Balmain.電磁波と放射システム. Prentice-Hall EEシリーズ（第2版）. McGraw-Hill.

[5] Kraus, J.アンテナ. McGraw-Hill EEシリーズ. McGraw-Hill. pp. 408– 412.^{[全文引用が必要]}

[6] Laport, EA (1952). 無線アンテナ工学. McGraw-Hill. pp. 315– 334.

[7] Kuecken, J.アンテナと伝送線路。^{[全文引用が必要]}