📡️ ヘリカルアンテナ計算機

ヘリカルアンテナは、絶縁パイプの周囲にワイヤをコルク抜き状に巻いた構造のアンテナです。軸モードで動作させると、ヘリックスの軸方向に円偏波のビームを放射します。そのため、アマチュア衛星通信や気象衛星（NOAA）のダウンリンク受信、長距離WiFiリンクなどで定番の給電方式として使われています。巻き線の円周C＝πD、隣り合う巻きの間隔を示すピッチS、ピッチ角α＝tan&supmin;¹(S/C)、そして巻き数Nが形状を決める4つの基本量です。

軸モードで安定して動作させるには、円周をほぼ1波長に保つのが原則です。実用的には0.75〜1.1λ程度の範囲に収めます。2.4GHz帯の自作アンテナでは、巻き数8〜14回、円周を約0.95λ、ピッチ角12〜14°とするのが標準的な組み合わせで、滑らかな円偏波ビームとおよそ10〜13dBiの利得が得られます。この計算機は、周波数を入力するだけで波長と推奨コイル径、円周、ピッチ、さらに経験式G ≈ 8.8＋10·log₁₀(Cλ²N·S)による自由空間利得の推定値までまとめて算出します。リンク全体のバジェットを詰めたいときはFriis伝搬損失計算ツールと組み合わせてご利用ください。

まず周波数fから自由空間波長λ＝c/fを求めます。続いて、波長基準の円周係数（既定値0.95）からコイル直径D＝C/πを導出し、指定したピッチ角を使ってピッチS＝C·tanαを計算します。ヘリックスの全長はN×Sです。利得の推定には、すべての長さを波長で規格化した軸モードの経験式を用います。

算出されるヘリックス全長は支持パイプを調達する際の目安になり、波長と周波数の照合は半田付け前に巻き形状を確認するのに役立ちます。周波数と波長の相互換算が必要なときは周波数・波長換算ツールもあわせてご覧ください。

1. 動作周波数をMHzで入力します（例：WiFiなら2400、NOAA気象衛星なら137）。
2. 円周係数を設定します（軸モードなら0.95が標準）。
3. ピッチ角を度で指定します（目安は12〜14°）。
4. 巻き数を入力します（2.4GHz帯の自作では8〜14回）。
5. 推奨コイル直径・ピッチ・全長・推定利得を確認します。
6. 必要に応じて周波数を変え、寸法がどう変わるか確かめます。

なぜヘリカルアンテナの円周は1波長に近づける必要があるのですか？

軸モードの放射は、1巻きあたりの位相進みに依存します。円周がほぼ1波長のとき、巻き上の電流位相が伝搬方向と一致し、電界がヘリックス軸方向に強め合います。この条件から外れるとノーマルモードに移行し、短いダイポールのように放射するようになります。

実際に期待できる利得はどのくらいですか？

巻き数10回、C＝0.95λ、α＝13°の条件では、経験式から約12dBiと予測されます。SWRを追い込んで反射板を付ければ、実測値は通常この前後1〜2dBに収まります。

WiFiで円偏波にする価値はありますか？

ポイントツーポイントの固定リンクなら直線偏波で十分で、構成も簡単です。円偏波が効くのはマルチパス反射が多い環境や、移動・回転する局が相手のときです。衛星ダウンリンクではファラデー回転による深いフェージングを避けるため、ほぼ必須と考えてください。

別の周波数にスケールできますか？

できます。すべての寸法は波長に比例するため、915MHz用の設計は2.4GHz用のちょうど2400/915≈2.62倍の大きさになります。周波数を変えるだけでどのバンドにも流用できるのがこのアンテナの利点です。

グランドプレーンや反射板はどのように作ればよいですか？

直径0.8〜1.2λの金属円盤か、同等サイズの4本スポーク型ラジアルを、ヘリックス端から0.1〜0.2λ後方に置きます。後方ローブが抑えられ、前方利得が1〜2dB向上します。

ワイヤの太さは性能に関係しますか？

電気的には帯域幅と効率にわずかな影響がある程度です。むしろ重要なのは機械的な剛性で、ピッチが数%以内で一定に保てる太さを選んでください。

軸モードの放射パターンをきれいに保つには、円周を0.9〜1.0λに保ちましょう。0.75λを下回ると横方向への放射が始まります。後方放射を抑えるには、直径が0.8λ以上のグランドプレーンか反射板をヘリックス後方に設置します。ワイヤはピッチがずれない程度の剛性が必要で、柔らかい銅管や2〜3mmの単線銅線が扱いやすいでしょう。衛星受信では円偏波が大きな武器になります。電離層のファラデー回転によるフェージングを受けにくいためです。可能ならネットワークアナライザで確認しましょう。正常なヘリックスは設計周波数付近に幅広いSWRディップを示します。鋭い単一共振のノッチしか見えない場合は作り直しのサインです。