電磁波の周波数と指向性の関係

Question

よく知られているように、電磁波は周波数が上がるとその指向性も向上します。
以前はなんの抵抗もなくそういうものかと思っていたのですが、
最近ふと疑問に思い考えてみるとうまく説明できないことに気付きました。

『なぜ周波数が上がると指向性が出てくるのでしょうか？』

無理やり考えると、アンテナサイズが小型化できるので、
指向性を持たせたアンテナ設計が可能になるのでしょうか…？
しかし高周波電磁波そのものに指向性という性質が現れるとしか思えません。
（今まで出会ったものは、「周波数が上がる→指向性が上がる」
と当たり前のように書いてあるので、恐らく何かあるのではないかと・・・）

この疑問を解決して気持ちよく新年を迎えたいものですf^^;
ご存知の方、ご教授頂けると幸いです。
宜しくお願いします。

vq100mg · Accepted Answer

周波数が高くなるほど直進性や指向性が強くなるという文面は良く見かけます。しかし確かに漠然としていますね。前提条件の記載不備ではないでしょうか。

直進性すなわち影への回り込みに関しては、遮蔽物寸法と波長の比が同じであれば周波数に関わらず相似的な現象になる筈です。しかし暗黙の前提として地形や建物の大きさなど、人間の社会基盤に合わせて遮蔽物寸法が固定されれば、波長が短くなるにつれ回り込みの絶対寸法が減少する様を「直進性が強くなる」と表現することも無理ないように思えます。

指向性に関して「アンテナが同じ大きさであれば、周波数が高いほど指向性の強いものが作れる」と言うのは事実でしょうが、ご質問のニュアンスは「指向性が強くなる」、もっと必然的に「強くなってしまう」という感じかもしれません。そのような表現も、適当な前提を付加すれば可能です。「同一電界強度の場で同一受信電力を得る為には、周波数が高いほど指向性が強くならざるを得ない」と言えそうです。

例えば半端長ダイポールアンテナの指向性は波長によらず同一ですが、取り出せる受信電力は、そこに渡来する電力密度に実効面積(おおよそ 0.1 λ^2 )を乗じたもので、周波数と共に減少します。実効面積はしばしば性質的に、素子に沿った方向にλ/2、直角方向にλ/4の範囲として解釈されます。周波数が高くなれば小型にはなりますが、相応に感度が低下するわけです。受信機のS/N比はアンテナからの信号電力と初段増幅器の雑音で決まりますが、周波数が高いからといって雑音は容赦ありませんから、同じS/Nを保つ為には、アンテナからの電力を同様に確保せざるを得ません。つまり周波数が高いほど波長に比べて広い範囲(断面積)に渡来する電力を捕らえる必要があり、単なるダイポールアンテナでは用を成さなくなると考えられます。複数波長に及ぶ大きな面積の電波を合算するには、部分要素からの位相を合わせて正しく加算する必要があります。それを実現するアレイアンテナやパラボラアンテナ、八木アンテナは、いずれも強い指向性を持つものとなります。斜めからの入射に対して合算位相が合わなくなる傾向は、波長に対して全体構造が大きくなるほど強くなることは想像に難くないでしょう。

受信電力確保の点からは周波数が高くても無闇に小型化できません。そして複数波長に及ぶ電磁界電力の合算構造は、好むと好まざるに関わらず指向性を発生させてしまうと考えては如何でしょう。

tadys · Answer

“ホイヘンスの原理”で説明できます。

電波に限らず波の性質として、波がスリットを通過する時に
スリットの幅が波の波長に比べて小さい場合は円形の波になり
大きい場合は平面的な波になります。

スリットではなく障害物の場合には波長に比べて小さい障害物の場合は
その後ろにも波が届くのに対し大きな障害物の後ろには波が届きません。

周波数が高いと波長が短くなるので同じ障害物でも後ろに波が届きにくくなります。

参考ＵＲＬでスリット幅を変えたときの波の広がり方を見ることが出来ます。

参考URL：http://202.250.123.44/buturi/Huygens/default.html

debukuro · Answer

導波器や反射器の長さが波長と合わなくなるのでゲインが低下するのです
電波を導いたり反射させる機能が低下するのです

himara-hus · Answer

周波数と指向性の直接的関係は有りません。
私自身は、周波数が高いほど指向性が上がると言う言葉を聞いたことは有りません。
どういう場面で、どう言うふうに使われているかで、意味合いが変ります。
一つは、＃１さんが言われているように、アンテナが同じ大きさであれば、周波数が高いほど指向性の高いものが作れると言うことが有ります。
後は間接的な意味合いで、
二つ目は、周波数が高いほど回折が小さくなりますので、建物の影や中に届きにくいことから、指向性が高いという場合もあるかもしれません。
三つ目は、周波数が高いほど、波長が短くなるため、電波を使った測量などは周波数が高いほど細かく測定できると言う特長が有るため、このあたりのことかもしれません。

endlessriver · Answer

電磁方程式の解によると、指向特性はヘルツ双極子で sinθ、半波長空中線で　cos{(π/2)cosθ}/sinθ、θは角度・空間方向。

したがって、指向性に周波数は関係ありません。なお配列空中線などでも周波数には関係しないようです。

私にはわかりませんが指向性というより、直進性の問題ではないですか？

debukuro · Answer

アンテナの大きさが同じなら波長が短いほうが指向性が強くなる
ということでアンテナと波長の両方が関係します

指向性アンテナは指向性を持たせる電波の波長にあわせて設計するので波長がずれると短波長長波長ともに指向性は低下しますというかゲインが低下します
テレビのアンテナがその例

レーダーでは同じ波長でも大きいアンテナほど指向性が強いです
６フィートアンテナは約１度３フィートアンテナは約２度です
波長は３ｃｍ

電磁波の周波数と指向性の関係

周波数が高くなるほど直進性や指向性が強くなるという文面は良く見かけます。

“ホイヘンスの原理”で説明できます。

導波器や反射器の長さが波長と合わなくなるのでゲインが低下するのです

周波数と指向性の直接的関係は有りません。

電磁方程式の解によると、指向特性はヘルツ双極子で sinθ、半波長空中線で cos{(π/2)cosθ}/sinθ、θは角度・空間方向。

アンテナの大きさが同じなら波長が短いほうが指向性が強くなる

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