八木アンテナの原理を水の波で実験できませんか

パラボラアンテナはイメージしやすいのですが、八木アンテナの動作原理のイメージが浮かびません。

物理の実験などで波動の性質を説明するとき、水の波で実験するときがありますが、この方法で八木アンテナの原理を再現するのはどうすればよいのでしょうか。

画像のURLを探しましたが、探し方が悪いのか見つけることができませんでした。

No.3 回答者： puyo3155 回答日時： 2016/02/25 22:51

難しそうですね。

八木アンテナの動作原理は、

①　半波長ダイポールが真ん中で輻射器となる。（ここで送受信をする）

この単純なアンテナに比べて、強い利得が得られるような仕組みとして、

②　指向性を出したい方向に、①より少し短い素子を置くと導波器となり、電波を指向性方向に通過させ強める働きをする。
③　指向性を出したい方向の反対側に、①より少し長い素子を置くと、反射器となり、電波を指向性方向に反射させ、強める働きをする。

ってことですね。しかし、なぜ反射したり、強めうように動作するかは、マクスウェルの方程式をもとに、完全に解析的に解くのは難しく、
経験とシミュレーションによっているというのが現実です。（多くのアンテナの動作も同じです。パラボラアンテナの反射も、実はそんなに単純ではありません。）

さて、水の波で何を知りたいかなのですが、

・八木アンテナのような素子を水の波に置いて、導波器や反射器の動作を想像したいなら、無理だと思います。そもそも、八木アンテナの素子が、電波を反射、透過、回折等をするのは、電磁波の現象なので、水の波に見立てても、わかりやすくならないのです。（単純な定在波はなぜ起きる？のような問題なら、それなりの見立ては出来るとは思いますが現象が限られます）

・　半波長ダイポールが、電波を受信する仕組み。これも、同じです。電磁波と金属の電気的現象なので、水の波では意味がないですね。

・　そうではなくて、①の輻射器の位置の水面の高さが、高まることを示したい。反射板と、波の足しあわせを起こすような板等（すいません、水の波の知識が疎く、思いつきません）を置くことで、水の波が強め合うことが見せられたら、な～んとなく動作の想像はつくかもしれません。

ただし、総論としては、電波を水の波に見立てて、何かの気づきをえるのは限界があります。電磁波は電磁波として感覚を植え付けるのが、急がば回れで結局は近道かと思います。

No.2 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2016/02/25 13:30

水中にレンズ(ラグビーボール)型のアクリル板を沈めて浅くします。

ダイポールの後ろは凹型のアクリル板を水面近くにする。
　波の速度は水深に比例しますので、レンズ型の部分で波が集まります。

　（) 　　　||　　てな感じ。うまく波面がレンズで寄せられるのがわかる。

No.1 回答者： rabbit_cat 回答日時： 2016/02/25 10:12

正直、八木アンテナの原理は、言葉で簡単に説明できません。

八木アンテナの原理を言葉で説明するのは、飛行機がなぜ飛ぶかを言葉で説明するよりも、ずっと難しいと思います。
なんかよくわからんけど、マクスウェルの式にしたがってシミュレーションすると、何故かそういう結果がでるというのが、専門家にとっても正直なところです。
実際に、現在でも八木アンテナの設計は、カンと経験に頼っています。

とにかく、半波長よりもちょっと長い金属棒は反射器、半波長よりちょっと短い金属棒は輻射器として働きます。なぜ？というのは少なくとも私は言葉では説明できないです。マクスウェルの式にしたがってシミュレーションするとそういう結果になります。

（完全に確証があるわけではないですが）おそらく、八木アンテナを、水の波で再現するのは無理だと思います。
八木アンテナをシミュレーションで再現するには、単に電波が波であるという性質だけでは不足で、マクスウェルの式まで戻らないと駄目なはずです。
したがって、水の波では、八木アンテナに相当するものは作れないはずです。