放射とアンテナ

加速する電荷と振動する電流は電磁エネルギーを放射し、これがアンテナや波の散乱の基礎となります。

Definition

時間依存の電荷および電流分布が、エネルギーを無限遠まで運ぶ伝播する電磁場をどのように生成するか、また、その放射を放出、受信、および再指向するための工学的な構造（アンテナ）と散乱プロセスに関する研究。

Scope

この分野は、時間変動する発生源による電磁放射の生成を扱います。具体的には、遅延ポテンシャル、加速する電荷の場、双極子および多極子放射、アンテナおよびアレーの設計と解析、放射抵抗とパターン、そして物体による電磁波の散乱が含まれます。これは、マクスウェル方程式を実用的な放射および受信システムに結びつけるものであり、導波伝搬は電磁波の項目で扱われます。

Sub-topics

• Antenna Theory and Arrays
• Dipole and Multipole Radiation
• Retarded Potentials and Radiation
• Scattering of Electromagnetic Waves

Core questions

• 加速する電荷と振動する電流はどのように放射を生成するのでしょうか？
• 発生源の放射パターンと電力は何によって決定されるのでしょうか？
• アンテナはどのように特性評価され、アレーに結合されるのでしょうか？
• 物体は入射する電磁波をどのように散乱させるのでしょうか？

Key concepts

• 遅延ポテンシャル
• 放射場
• ラーモアの公式
• 電気双極子放射
• 放射パターン
• 利得と指向性
• アンテナアレー
• 散乱断面積

Key theories

遅延ポテンシャルと放射場

時間変動する発生源のポテンシャルは、より早い遅延時間における発生源に依存します。発生源から遠く離れると、場は距離に反比例して減衰し、放射としてエネルギーを運び去ります。

双極子放射

振動する電気双極子は、周波数の4乗に比例する電力を、特徴的な角度パターンで放射します。これは、ほとんどの放射システムの原型となります。

アンテナ理論

アンテナは、放射パターン、利得、指向性、放射抵抗、およびインピーダンスによって特性評価され、アレーは素子を結合して放射ビームを整形および操向します。

Clinical relevance

放射とアンテナの原理は、ラジオ、テレビ、モバイルおよび衛星通信、レーダーとリモートセンシング、電波天文学、そして磁気共鳴画像法（MRI）で使用される高周波コイルと被ばく評価を可能にします。

History

ヘルツは1887年から1888年にかけて最初の意図的な放射および受信システムを構築し、マクスウェルの波を実証しました。ラーモアは1897年に加速する電荷によって放射される電力を導出し、マルコーニは1900年頃に放射を実用的な長距離無線通信へと発展させました。

Key figures

• Heinrich Hertz
• Joseph Larmor
• Guglielmo Marconi

Seminal works

• jackson1998
• balanis2016

Frequently asked questions

電荷が放射するために何が必要ですか？

一定速度で移動する電荷は放射しません。放射には加速が必要であるため、振動または加速する電荷と時間変動する電流が電磁波の発生源となります。

良いアンテナとはどのようなものですか？

アンテナの有用性は、そのサイズが波長に適合しているか、およびその放射パターン、利得、給電部へのインピーダンス整合に依存します。素子のアレーを用いることで、技術者はビームを整形し、操向することができます。