八木アンテナの素子の長さについて

こんにちは。

アンテナ・シミュレーション・ソフトウェアのうち、現在、アマチュアの間で最も使われているシェアウェアはMMPCWINでしょう。詳細は以下に載っています。

http://members.jcom.home.ne.jp/ja1wxb/

私はMMPCWINのほか、別の有料のソフトウェアを検証に使っていますが、ほぼ同じ結果が出ますので、まず最初に使うのはMMPCWINが良いと思います。YSIMもいいですね。YSIMの基礎的な構築は私もお手伝いしました。

さて八木の動作原理を簡単に書いておきます。中心周波数ｆの波長をλとします。反射器、輻射器、導波器の3エレメントの八木を考えます。物理長と電気長という言葉が出てきますが、物理長はλ=300/fで得られる長さです。電気長は物理長に、個々のエレメントの表皮効果によって生じる波長短縮率を掛けたものなので、基本的には物理長を補正しただけ、と思ってよいでしょう。

輻射器が真ん中にあり、反射器と導波器が輻射器とおよそλ/4前後の間隔に設置されていると仮定します。電気長λ/2のエレメントは、その周波数の同調回路として働きます。エレメントの電気長がλ/2よりも長ければ、その周波数に対しては誘導性（インダクティブ）となり、エレメントに流れる信号の位相が遅れます。またλ/2よりも短かければ容量性（キャパシティブ）となり、位相が進みます。

ここで、反射器は輻射器から物理的にλ/4ほど離れた位置に設置してあるため、反射器の位置の電波は、輻射器と比較して、物理的な位相が90度前後遅れます。なおかつ、反射器の長さが電気長のλ/2よりも長いので誘導性になり、反射器に流れる電流の位相は、輻射器に対して最大で90度ほど遅れます。つまり反射器は、輻射器に比べて最大-180度=逆相の信号が乗り、輻射器から後方へ輻射される電波を打ち消します。名前は反射器ですが、反射ではありません。

導波器は、λ/2よりもやや短かめに作ってあるため、位相が進みます。導波器は輻射器から物理的にλ/4前後、前方に離れた位置に設置してあるため、輻射器から輻射された電波の物理的な位相は反射器と同じく90度前後遅れます。これは反射器と同じですが、導波器には、輻射器に比べて最大90度進んだ信号が流れます。つまり、導波器は輻射器に比べてほとんど0度、すなわち同相に近い位相信号が載り、輻射器から前方への電波を強めます。

導波器の各エレメントの物理的な位置は波長λとの関係によって決まり、最適なエレメントの長さは輻射器からの物理的な距離（位相）によって異なってくるので、デザインによって短かくなったり、長めになったり、位置も近くや遠くになります。

八木アンテナのミソは、輻射器からの物理的な距離による位相差と、エレメントの長短による誘導性と容量性による位相のずれをうまく組み合わせることで、後方は打ち消し、前方は強める働きを、輻射器以外には無給電で、単なる金属の棒を配置するだけで実現していることです。HB9CVのように、物理的な位置と強制的な位相給電を利用しているアンテナもあるにはありますね。

このような動作について発明者である八木先生と宇田先生が詳細まで解析できていたかどうかはわかりませんが、複雑な八木アンテナの動作シミュレーションが各家庭のPCでできる良い世の中となり、ほぼ、現実に沿った設計がすぐにできる世の中になりました。めでたし、めでたし。

ご参考まで。