放射パターン

アンテナ設計の分野では、放射パターン（またはアンテナパターン、遠距離場パターン）という用語は、アンテナまたは他のソースからの電波の強度の方向（角度）依存性を指します。 ^{[1] [2] [3]}

特に光ファイバー、レーザー、集積光学の分野では、放射パターンという用語は、近接場パターンまたはフレネルパターンの同義語としても使用されることがあります。^[4]これは、光源の近接場またはフレネル領域における電磁場の位置依存性を指します。近接場パターンは、光源の前にある平面、または光源を囲む円筒形または球形の表面上で定義されるのが最も一般的です。^{[1] [4]}

アンテナの遠方場パターンは、アンテナ範囲で実験的に決定することも、または近傍場パターンを近傍場スキャナを使用して見つけ、計算によって放射パターンを推測することもできます。^{[1]遠方場放射パターンは、} NECなどのコンピュータプログラムを使用してアンテナの形状から計算することもできます。HFSSなどの他のソフトウェアでも、近傍場を計算できます。

遠方場放射パターンは、一定の（大きな）半径における電界強度（振幅パターンまたは電界パターン）、単位立体角あたりの電力（電力パターン）、指向性利得など、いくつかの関連変数の 1 つのプロットとしてグラフィカルに表すことができます。多くの場合、相対振幅のみがプロットされ、アンテナのボアサイト上の振幅または総放射電力のいずれかに正規化されます。プロットされた量は、線形スケールまたはdBで示されます。プロットは通常、3 次元グラフ（右のように）として、または垂直面と水平面の別々のグラフとして表されます。これは、しばしば極図として知られています。

アンテナの基本的な特性として、受信に使用したときのアンテナの受信パターン(方向の関数としての感度) は、送信に使用したときのアンテナの遠距離場放射パターンと同一です。これは電磁気学の相反定理の結果であり、以下で証明されています。したがって、放射パターンの議論では、アンテナは、より便利な方を送信または受信として見ることができます。

相互性には限界があります。相互性はパッシブアンテナ要素にのみ適用されます。増幅器やその他の個別に電源が供給されるコンポーネントを組み込んだアクティブアンテナは相互性がありません。また、アンテナがパッシブ要素のみで構成されている場合でも、相互性はアンテナによって放射および傍受される波にのみ適用されます。相互性は、傍受された波によって生成されるアンテナの各部の電流分布や、放射された波を生成する電流には適用されません。遠方場の波は同じ経路に沿って内向きおよび外向きに放射され、全体的なパターンは同じで、方向が逆であるにもかかわらず、アンテナの電流プロファイルは通常、受信と送信で異なります。

電磁放射は双極子放射であるため、そのような仮想的な等方性アンテナがアンテナ利得を計算するための基準として使用されますが、すべての方向に均等にコヒーレントに放射するアンテナを構築することはできません。

最も単純なアンテナであるモノポール アンテナとダイポール アンテナは、共通の軸に沿った 1 本または 2 本のまっすぐな金属棒で構成されています。これらの軸対称アンテナは、同様の対称性を持つ放射パターンを持ち、全方向性パターンと呼ばれます。アンテナに垂直なすべての方向に等しい電力を放射し、電力は軸に対する角度によってのみ変化し、アンテナの軸上ではゼロになります。これは、アンテナの形状が対称であれば、その放射パターンも同じ対称性を持つという一般原則を示しています。

ほとんどのアンテナでは、アンテナのさまざまな部分からの放射がいくつかの角度で干渉します。アンテナの放射パターンは干渉パターンと考えることができます。このため、さまざまな部分からの電波が位相外れで到着する特定の角度では放射が最小またはゼロになり、 電波が位相同調で到着する他の角度では放射が極大になります。したがって、ほとんどのアンテナの放射プロットは、さまざまな角度で「ローブ」と呼ばれる最大値のパターンを示し、それらは放射がゼロになる「ヌル」で区切られます。波長に比べてアンテナが大きいほど、ローブの数が多くなります。

特定の方向に電波を放射することを目的とする指向性アンテナでは、アンテナは、目的の方向に向けられたローブでその電力のほとんどを放射するように設計されています。したがって、放射プロットでは、このローブは他のローブよりも大きく表示されます。これは、「メインローブ」と呼ばれます。メインローブの中心を通過する最大放射の軸は、「ビーム軸」または「照準軸」と呼ばれます。スプリットビームアンテナなどの一部のアンテナでは、複数のメジャーローブが存在する場合があります。メインローブの横にあるローブは、他の方向への不要な放射を表し、マイナーローブと呼ばれます。メインローブに対して角度をなすマイナーローブは、「サイドローブ」と呼ばれます。メインローブから反対方向 (180°) にあるマイナーローブは、「バックローブ」と呼ばれます。

マイナー ローブは通常、望ましくない方向への放射を表すため、指向性アンテナの設計目標は通常、マイナー ローブを減らすことです。サイド ローブは通常、マイナー ローブの中で最大です。マイナー ローブのレベルは通常、問題のローブの電力密度とメジャー ローブの電力密度の比として表されます。この比率は、サイド ローブ比またはサイド ローブ レベルと呼ばれることがよくあります。多くのアプリケーションでは、-20 dB 以上のサイド ローブ レベルは望ましくありません。-30 dB 未満のサイド ローブ レベルを達成するには、通常、非常に注意深い設計と構築が必要です。たとえば、ほとんどのレーダー システムでは、サイド ローブによる誤ったターゲット表示を最小限に抑えるために、サイド ローブ比を低くすることが非常に重要です。

完全な証明については、相互性 (電磁気学)の記事を参照してください。ここでは、均質な媒体内で、アンテナのサイズに比べて大きな距離で離れた 2 つのアンテナの近似に限定された、一般的な簡単な証明を示します。最初のアンテナは、パターンを調査するテスト アンテナです。このアンテナは、任意の方向に向けることができます。2 番目のアンテナは、最初のアンテナを固定的に指す参照アンテナです。

各アンテナは、特定のソース インピーダンスを持つ送信機と、同じ入力インピーダンスを持つ受信機に交互に接続されます (インピーダンスは 2 つのアンテナ間で異なる場合があります)。

2 つのアンテナは十分に離れているため、送信アンテナの特性は受信アンテナの負荷の影響を受けないと想定されます。その結果、送信機から受信機に転送される電力量は、送信アンテナの指向特性と受信アンテナの指向特性に依存する 2 つの独立した要素の積として表すことができます。

送信アンテナの場合、利得の定義により、アンテナからの 距離における放射電力密度（つまり、単位面積を通過する電力）は${\displaystyle G}$${\displaystyle r}$

${\displaystyle \mathrm {W} (\theta ,\Phi )={\frac {\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$。

ここで、角度と はアンテナからの方向への依存性を示し、 は送信機が整合負荷に供給する電力を表します。 利得は、アンテナ利得（電力の方向性再配分）、放射効率（アンテナの抵抗損失を考慮）、最後にアンテナと送信機の不整合による損失という3つの要素に分けられます。 厳密には、不整合を含めるには実現利得と呼ぶ必要がありますが、^[4]これは一般的な用法ではありません。 ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \Phi }$${\displaystyle P_{t}}$${\displaystyle G}$

受信アンテナの場合、受信機に供給される電力は

${\displaystyle P_{r}=\mathrm {A} (\theta ,\Phi )W\,}$。

ここで、は入射放射の電力密度、はアンテナの開口またはアンテナの有効面積（観測された捕捉電力を傍受するためにアンテナが占有する必要がある面積）です。方向の引数は受信アンテナを基準としており、ここでも抵抗損失と不整合損失が含まれるものとみなされます。 ${\displaystyle W}$${\displaystyle A}$${\displaystyle A}$

これらの式をまとめると、送信機から受信機に伝達される電力は

${\displaystyle P_{r}=A{\frac {G}{4\pi r^{2}}}P_{t}}$、

ここで、およびはそれぞれ送信アンテナと受信アンテナの方向に依存する特性である。基準アンテナ（2）から試験アンテナ（1）への送信の場合、 ${\displaystyle G}$${\displaystyle A}$

${\displaystyle P_{1r}=\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi ){\frac {G_{2}}{4\pi r^{2}}}P_{2t}}$、

逆方向の伝送の場合

${\displaystyle P_{2r}=A_{2}{\frac {\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}{4\pi r^{2}}}P_{1t}}$。

ここで、アンテナ 2 の利得と有効面積は固定されています。これは、このアンテナの向きが最初のアンテナに対して固定されているためです。 ${\displaystyle G_{2}}$${\displaystyle A_{2}}$

アンテナの配置が与えられた場合、相互性定理により、電力伝送は各方向で等しく効果的であることが要求されます。つまり、

${\displaystyle {\frac {P_{1r}}{P_{2t}}}={\frac {P_{2r}}{P_{1t}}}}$、

どこから

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}={\frac {A_{2}}{G_{2}}}}$。

しかし、この式の右辺は固定されています（アンテナ2の向きが固定されているため）。

${\displaystyle {\frac {\mathrm {A_{1}} (\theta ,\Phi )}{\mathrm {G_{1}} (\theta ,\Phi )}}=\mathrm {constant} }$、

つまり、（受信）有効開口の方向依存性と（送信）利得は同一です（QED）。さらに、比例定数はアンテナの性質に関わらず同じであり、したがってすべてのアンテナで同じでなければなりません。特定のアンテナ（ヘルツダイポールなど）の解析により、この定数は であることが示されます。ここで は自由空間波長です。したがって、どのアンテナでも利得と有効開口は次のように関係付けられます。 ${\displaystyle {\frac {\lambda ^{2}}{4\pi }}}$${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \mathrm {A} (\theta ,\Phi )={\frac {\lambda ^{2}\mathrm {G} (\theta ,\Phi )}{4\pi }}}$。

受信アンテナの場合でも、有効開口を指定するよりも利得を記述する方が一般的です。したがって、受信機に供給される電力は、次のように記述されるのが一般的です。

${\displaystyle P_{r}={\frac {\lambda ^{2}G_{r}G_{t}}{(4\pi r)^{2}}}P_{t}}$

(リンク バジェットを参照)。ただし、有効開口は、アンテナの実際の物理的サイズと比較する上で重要です。

• コンピュータシミュレーションによって受信アンテナのパターンを決定する場合、すべての入射角について計算を実行する必要はありません。その代わりに、アンテナの放射パターンは 1 回のシミュレーションによって決定され、受信パターンは相互性によって推測されます。
• 測定によってアンテナのパターンを決定する場合、アンテナは受信または送信のいずれかの都合の良い方になります。
• 実用的なアンテナでは、サイドローブレベルは最小限に抑え、最大の指向性を持つ必要がある。^[5]

• アンテナモデリング
• E面とH面

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。

• アンテナ放射パターンの理解と使用方法 著者: Joseph H. Reisert
• 「双方向ビーム幅」という用語の説明