アンテナ（無線）

アンテナ

携帯電話基地局の上に複数のパッチ（長方形）アンテナが見つかった
タイプ	トランスデューサー
動作原理	電磁放射
発明家	ハインリヒ・ヘルツ
発明年	1888年; 136年前 （1888年）
電子シンボル
ダイポールアンテナとループアンテナ

無線工学において、アンテナ（アメリカ英語）または空中線（イギリス英語）は、交流電流を電波（送信）に変換する、または電波を電流（受信）に変換する電子機器である。 ^{[1] [2]} アンテナは、空間を伝播する電波と金属導体内を移動する電流との間のインターフェースであり、送信機または受信機で使用される。^[1]送信では、無線送信機がアンテナの端子に電流を供給し、アンテナは電流からのエネルギーを電磁波（無線波）として放射する。受信では、アンテナは無線波の電力の一部を傍受して端子に電流を発生させ、それが受信機に適用されて増幅される。アンテナはすべての無線機器に不可欠なコンポーネントである。 ^[3]

アンテナは、受信機または送信機に電気的に接続された導体(素子)の配列です。アンテナは、すべての水平方向に均等に電波を送受信するように (無指向性アンテナ)、または特定の方向に優先的に電波を送受信するように (指向性アンテナ、高利得アンテナ、または「ビーム」アンテナ ) 設計できます。アンテナには、送信機に接続されていないコンポーネント、パラボラ反射鏡、ホーン、または寄生素子が含まれる場合があり、これらは電波をビームまたはその他の目的の放射パターンに向ける役割を果たします。半波長よりもはるかに小さい寸法のアンテナでは、送信時に強い指向性と優れた効率を実現するのは困難です。

最初のアンテナは、1888年にドイツの物理学者ハインリッヒ・ヘルツによって、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの1867年の電磁気学理論によって予測された電磁波の存在を証明するための先駆的な実験で作られました。ヘルツは、送信と受信の両方のためにパラボラ反射鏡の焦点にダイポールアンテナを配置しました。^[4] 1895年から、グリエルモ・マルコーニは長距離無線電信に実用的なアンテナの開発を開始し、1909年のノーベル物理学賞を受賞しました。^[5]

アンテナと空中線という言葉は互換的に使用される。時折、同義語の「空中線」は、特に高架の水平ワイヤーアンテナを指すために使用される。無線装置に関するアンテナという言葉の起源は、イタリアのラジオの先駆者であるグリエルモ・マルコーニに帰せられる。1895 年の夏、マルコーニはボローニャ近郊の父親の土地で屋外で無線システムのテストを開始し、すぐにポールから吊り下げられた長いワイヤーの「空中線」の実験を開始した。^[5]イタリア語では、テントポールはl'antenna centraleと呼ばれ、ワイヤーの付いたポールは単にl'antennaと呼ばれていた。それまでは、無線放射送信および受信要素は単に「端末」と呼ばれていた。マルコーニの著名さにより、アンテナという言葉の使用は無線研究者や愛好家の間で広まり、後には一般大衆にも広まった。^{[6] [7] [8]}

アンテナは、実際のRF電流搬送コンポーネントに加えて、サポート構造、エンクロージャ (ある場合) などを含むアセンブリ全体を広く指す場合があります。受信アンテナには、受動的な金属受信要素だけでなく、特にマイクロ波周波数 以上では、統合されたプリアンプまたはミキサーも含まれる場合があります。

あらゆる無線受信機や送信機は、その電気的接続を電磁場に結合するためにアンテナを必要とします。^[10] 電波は、ほとんど伝送損失なしに光速で空気中（または空間中）を信号を運ぶ電磁波です。

アンテナは、ほぼすべての水平方向に均等にエネルギーを放射する全方向性と、電波が特定の方向に集中する指向性に分類できます。いわゆるビーム アンテナは一方向性で、他の局の方向に最大応答するように設計されていますが、他の多くのアンテナはさまざまな方向の局に対応することを目的としていますが、真の全方向性ではありません。アンテナは相互性に従うため、同じ放射パターンが電波の送信と受信に適用されます。すべての方向 (垂直およびすべての水平角度) に均等に放射する仮想的なアンテナは、等方性放射器と呼ばれますが、実際にはこれらは存在せず、特に望まれません。むしろ、ほとんどの地上通信では、水平方向を優先して空または地面への放射を減らすことに利点があります。水平方向を向いたダイポール アンテナは、導体の方向にエネルギーを送信しません (これはアンテナ ヌルと呼ばれます) が、他のほとんどの方向では使用できます。このようなダイポール素子を複数組み合わせて八木宇田アンテナなどのアンテナアレイを構成し、単一の水平方向を優先させることができます。これをビームアンテナと呼びます。

ほとんどのアンテナ設計の基礎となるダイポール アンテナは、2 つの端子に等しく反対の電圧と電流が適用されるバランスの取れたコンポーネントです。垂直アンテナはモノポール アンテナであり、地面に対してバランスが取れていません。地面 (または任意の大きな導電性表面) は、モノポールの 2 番目の導体の役割を果たします。モノポール アンテナは導電性表面に依存するため、地表に取り付けられた場合の効果を近似するために、 グランド プレーンとともに取り付けられる場合があります。

アンテナが複雑になると、アンテナの指向性は高まります。アンテナ構造内の追加要素は、受信機や送信機に直接接続する必要はなく、指向性は高まります。アンテナの「ゲイン」は、放射電力が特定の立体角に集中することを意味します。「ゲイン」は、電力の純増加を意味するアンプの「ゲイン」と比較すると、おそらく不適切に選択された用語です。対照的に、アンテナの「ゲイン」では、望ましい方向の電力が増加すると、望ましくない方向の電力が減少することになります。アンプとは異なり、アンテナは電気的に「受動」なデバイスで、総電力を節約します。総電力は、電源 (送信機) から供給される電力を超えて増加することはなく、固定された総電力の分配が改善されるだけです。

フェーズド アレイは、電気ネットワークを介して接続された 2 つ以上の単純なアンテナで構成されます。多くの場合、一定の間隔で並列に配置された複数のダイポール アンテナが使用されます。ネットワークによって導入される相対位相に応じて、同じダイポール アンテナの組み合わせが「ブロードサイド アレイ」(エレメントを接続する線に対して垂直な方向) または「エンドファイア アレイ」(エレメントを接続する線に沿った方向) として動作できます。アンテナ アレイでは、ダイポール アンテナ、ループ アンテナ、スロット アンテナなど、あらゆる基本的な (全方向性または弱指向性の) アンテナ タイプを使用できます。これらのエレメントは、多くの場合、同一です。

対数周期アンテナと周波数非依存アンテナは、広範囲の帯域幅で動作できるように自己相似性を利用しています。最もよく知られている例は、対数周期ダイポール アレイです。これは、エンドファイア アレイ内で長さが徐々に増加する多数の (通常 10 ～ 20 個の) 接続されたダイポール エレメントとして考えられ、かなり指向性があります。特に、テレビ受信用の屋上アンテナとして使用されます。一方、外観が多少似ている八木宇田アンテナ(または単に「八木」) には、電気的に接続されたダイポール エレメントが 1 つだけあります。その他の寄生エレメントは電磁場と相互作用して、帯域幅が狭いながらも指向性の高いアンテナを実現します。

パラボラ反射鏡やホーンアンテナなどの開口アンテナを使用すると、さらに高い指向性が得られます。アンテナの高い指向性は波長に比べて大きいことに依存するため、指向性の高いアンテナ（つまり高いアンテナ利得を持つアンテナ）は、より高い周波数（UHF以上）でより実用的になります。

低周波（ AM放送など）では、指向性を得るために垂直のアンテナアレイが使用され^[11]、広い面積を占める。受信用には、長いビバレッジアンテナで大きな指向性を持たせることができる。指向性のないポータブル用途には、短い垂直アンテナまたは小型ループアンテナが適しているが、主な設計上の課題はインピーダンス整合である。垂直アンテナでは、インピーダンスのリアクタンス成分をキャンセルするために、アンテナのベースにローディングコイルを配置することができる。小型ループアンテナは、この目的のために並列コンデンサで調整される。

アンテナのリードインとは、アンテナを送信機または受信機に接続する伝送線または給電線です。「アンテナ給電線」とは、伝送線に加えてインピーダンス整合ネットワークなど、アンテナを送信機または受信機に接続するすべてのコンポーネントを指します。ホーンやパラボラアンテナなどのいわゆる「開口アンテナ」では、「給電線」は、反射素子のシステム全体に埋め込まれた基本放射アンテナを指すこともあります (通常はパラボラアンテナの焦点またはホーンの喉の部分)。このアンテナは、そのアンテナシステム内の 1 つのアクティブ素子と見なすことができます。マイクロ波アンテナは、 (導電性の)伝送線の代わりに導波管から直接給電されることもあります。

アンテナカウンターポイズ、またはグランド プレーンは、グランドを改善またはグランドの代わりとなる導電性材料の構造です。これは、自然グランドに接続することも、自然グランドから絶縁することもできます。モノポール アンテナでは、特に自然グランドの特性の変動 (または制限) によって適切な機能が妨げられる場合に、これが自然グランドの機能に役立ちます。このような構造は通常、同軸ケーブルのシールドなどの不平衡伝送ラインのリターン接続に接続されます。

一部の開口アンテナの電磁波屈折器は、その形状と位置により、通過する電磁波面の一部を選択的に遅らせたり進めたりする機能を持つ部品です。屈折器は、一​​方の側と他方の側を相対的に波の空間特性を変えます。たとえば、波を焦点に集めたり、波面を他の方法で変えたりして、アンテナ システムの指向性を最大化します。これは、無線における光学レンズに相当します。

アンテナ結合ネットワークは、アンテナと送信機または受信機の間のインピーダンス整合に使用される受動ネットワーク（一般に誘導性回路要素と容量性回路要素の組み合わせ）です。これは、伝送ラインの定在波比を低減して給電ラインの損失を最小限に抑え、最適な動作に必要な標準抵抗インピーダンスを送信機または受信機に提供するために使用できます。給電点の位置が選択され、整合を改善するために、チューナーコンポーネントと電気的に類似したアンテナ要素がアンテナ構造自体に組み込まれる場合があります。

アンテナの基本的な特性として、次のセクションで説明するようなアンテナの電気的特性のほとんど（ゲイン、放射パターン、インピーダンス、帯域幅、共振周波数、偏波など）は、アンテナが送信しているか受信しているかに関係なく同じです。^{[12] [13]}たとえば、受信に使用する場合のアンテナの「受信パターン」（方向の関数としての入力信号に対する感度）は、アンテナ自体の電流分布と電圧分布が受信と送信で異なっているにもかかわらず、アンテナが駆動されて放射器として機能するときのアンテナの放射パターンと同一です。 ^{[14]これは、電磁気学の}相反定理の結果です。^[13]したがって、アンテナの特性の議論では、通常、受信と送信の用語を区別せず、アンテナは、より便利な方を送信または受信として見なすことができます。

前述の相反性の特性を得るための必要条件は、アンテナおよび伝送媒体の材料が線形かつ相反性であることです。相反性（または双方向性）とは、材料が一方向の電流または磁場に対して、反対方向の磁場または電流に対して同じ応答を示すことを意味します。アンテナに使用されるほとんどの材料はこれらの条件を満たしていますが、一部のマイクロ波アンテナでは、フェライトなどの非相反性材料で作られたアイソレータやサーキュレータなどのハイテク部品を使用しています。^{[12] [13]}これらを使用して、アンテナに送信時とは異なる動作を受信時に与えることができます。 ^{[12]これは}レーダーなどの用途に役立ちます。

アンテナ設計の大部分は共鳴原理に基づいている。これは、光学特性が変化するときに光が反射するのと同様に、誘電率が変化する表面で反射する移動する電子の挙動に依存している。これらの設計では、反射面は導体（通常は細い金属ワイヤまたはロッド）の端によって作成され、最も単純なケースでは、一方の端に給電点があり、伝送線路に接続されている。導体、または要素は、目的の信号の電界と一列に並べられ、通常はアンテナからソース（放送アンテナの場合は受信機）までの線路に垂直になる。^[15]

無線信号の電気成分は導体に電圧を誘導します。これにより、信号の瞬間的な場の方向に電流が流れ始めます。結果として生じた電流が導体の端に到達すると反射し、位相が 180 度変化するのと同等になります。導体が⁠ 1 /4⁠波長の長さに応じて、給電点からの電流は導体の端に到達するまでに 90 度の位相変化を受け、180 度反射し、その後、戻る際にさらに 90 度反射します。つまり、合計 360 度の位相変化を受け、元の信号に戻ります。したがって、要素内の電流は、その瞬間にソースから生成される電流に追加されます。このプロセスにより、導体に定在波が生成され、給電点で最大電流が発生します。^[16]

通常の半波長ダイポールは、おそらく最も広く使用されているアンテナ設計です。これは2つのアンテナで構成されています。 1 /4⁠ 波長素子が端から端まで並んでおり、基本的に同じ軸（または共線）に沿っており、それぞれが 2 導体伝送線の片側に給電します。2 つの素子の物理的な配置により、位相が 180 度ずれています。つまり、任意の瞬間に、素子の 1 つが伝送線に電流を流し込み、もう 1 つが電流を引き出します。モノポール アンテナは、基本的に半波長ダイポールの半分、つまり単一の⁠ 1 /4⁠ 半 波長素子で、もう一方の端はグランドまたは同等のグランドプレーン（またはカウンターポイズ）に接続されています。ダイポールの半分のサイズであるモノポールは、ダイポールでは大きすぎる場合の長波長無線信号によく使用されます。もう 1 つの一般的な設計は、折り畳みダイポールです。これは、2 つ（またはそれ以上）の半波長ダイポールを並べて配置し、両端を接続しますが、駆動されるのは 1 つだけです。

定在波は設計動作周波数f _oでこの望ましいパターンを形成し、アンテナは通常このサイズに設計されます。ただし、その要素に3  f _o (その波長は⁠ 1 /3⁠ f _oの場合も同様に定在波パターンを生じます。したがって、アンテナ素子は長さが ⁠ のときにも共振します。 3 /4⁠の波長。これは⁠のすべての奇数倍に当てはまります。 1 /4⁠ 波長。これにより、アンテナの長さや給電点に関して設計の柔軟性が得られます。このような方法で使用されるアンテナは、調和的に動作することが知られています。^[17]共振アンテナは通常、長さが波長の約4分の1である線形導体（または要素）、またはそのような要素のペアを使用します（4分の1波長の奇数倍も共振します）。波長に比べて小さくする必要があるアンテナは効率を犠牲にし、あまり指向性を持たせることはできません。高周波数（UHF、マイクロ波）では波長が非常に小さいため、パフォーマンスを犠牲にして物理的サイズを小さくする必要は通常ありません。

1/4 波長素子は、導体に沿って存在する定在波により、直列共振電気素子を模倣します。共振周波数では、定在波は給電点で電流ピークと電圧ノード (最小) を持ちます。電気的に言えば、これはその位置で素子のインピーダンスが最小になり、最小電圧で最大電流が生成されることを意味します。これは、最小入力で最大出力が生成され、可能な限り最高の効率が得られるため、理想的な状況です。理想的な (損失のない) 直列共振回路とは対照的に、アンテナの放射抵抗と、熱生成による従来の電気損失により、有限の抵抗が残ります (給電点での比較的小さな電圧に対応) 。

材料の電気特性に変化があると、電流が反射することを思い出してください。受信した信号を伝送線路に効率的に転送するには、伝送線路のインピーダンスがアンテナの接続点と同じであることが重要です。そうでない場合、信号の一部がアンテナ本体に反射されます。同様に、給電線がアンテナに接続する場所で電気インピーダンスが変化すると、送信機の信号電力の一部が送信機に反射されます。これが、インピーダンス整合の概念につながります。これは、アンテナと伝送線路のシステム全体を設計してインピーダンスを可能な限り近くし、これらの損失を減らすことです。インピーダンス整合は、送信機とアンテナの間にあるアンテナチューナーまたはインピーダンス整合ネットワークと呼ばれる回路によって実現されます。給電線とアンテナ間のインピーダンス整合は、給電線の定在波比(SWR)と呼ばれるパラメータによって測定されます。

波長 1 m の信号で動作するように設計された半波長ダイポールを考えてみましょう。これは、アンテナの先端から先端までの長さが約 50 cm であることを意味します。要素の長さと直径の比が 1000 の場合、固有インピーダンスは約 63 オームの抵抗になります。適切な伝送線またはバランを使用して、その抵抗を一致させ、信号反射を最小限に抑えます。そのアンテナに 1 アンペアの電流を供給するには 63 ボルトが必要で、アンテナは 63 ワット (損失を無視) の無線周波数電力を放射します。次に、アンテナに波長 1.25 m の信号が供給される場合を考えます。この場合、信号によって誘導された電流は、信号と位相がずれた状態でアンテナの給電点に到達し、電圧は同じままで正味電流が低下します。電気的には、これは非常に高いインピーダンスに見えます。アンテナと伝送線路のインピーダンスは同じではなくなり、信号はアンテナに反射されて出力が減少します。これは、アンテナと伝送線路間のマッチング システムを変更することで解決できますが、その解決策は新しい設計周波数でのみうまく機能します。

その結果、共振アンテナは、ソース信号の周波数がアンテナの設計周波数、または共振倍数のいずれかに近い場合にのみ、信号を伝送ラインに効率的に送ります。これにより、共振アンテナの設計は本質的に狭帯域になります。つまり、共振を中心とした狭い範囲の周波数にのみ有効です。

簡単なインピーダンス整合技術を使用することで、 ⁠よりも大幅に短いモノポールアンテナまたはダイポールアンテナの使用が可能になります。 1 /4⁠または⁠ 1 /2⁠ 波はそれぞれ共振します。これらのアンテナが短くなると（特定の周波数に対して）、インピーダンスは直列容量性（負）リアクタンスによって支配されるようになります。適切なサイズの「ローディングコイル」（等しく反対の（正）リアクタンスを持つ直列インダクタンス）を追加することで、アンテナの容量性リアクタンスをキャンセルし、純粋な抵抗だけを残すことができます。

このようなシステム（アンテナ＋マッチングネットワーク）の結果として生じる（低い）電気共振周波数は、電気長の概念を使用して記述されることがある。そのため、共振周波数よりも低い周波数で使用されるアンテナは、電気的に短いアンテナと呼ばれる^[18]。

例えば、30MHz（波長10m）では真の共振周波数は 1 /4⁠ 波モノポールはほぼ 2.5 メートルの長さになり、高さ 1.5 メートルのアンテナを使用する場合は、ローディング コイルを追加する必要があります。つまり、コイルによってアンテナが長くなり、電気的長さが 2.5 メートルになったと言えます。ただし、結果として得られる抵抗インピーダンスは、真の ⁠ のものよりもかなり低くなります。 1 /4⁠ 波（共振）モノポールでは、多くの場合、目的の伝送線路へのさらなるインピーダンス整合（トランス）が必要になります。アンテナがさらに短くなると（より大きな「電気的延長」が必要）、放射抵抗が急激に低下します（アンテナの長さの2乗にほぼ比例します）。そのため、電気共振から離れた正味リアクタンスによる不整合が悪化します。または、アンテナシステムの等価共振回路のQ値が高くなり、帯域幅が狭くなり、^[18]送信信号のスペクトルに不十分になることもあります。負荷コイルによる抵抗損失は、放射抵抗の減少に比べて、電気効率の低下を伴い、送信アンテナにとって大きな懸念事項になる可能性がありますが、帯域幅は、1MHz以下の周波数でアンテナのサイズを決定する 主な要因です^{[疑わしい-議論] [疑わしい-議論] 。}

送信アンテナからの距離の関数としての放射束は、送信波の幾何学的発散を表す逆二乗則 に従って変化します。与えられた入力束に対して、受信アンテナによって取得される電力はその有効面積 に比例します。このパラメータは、受信アンテナによって捕捉される電力量を入力波の束（信号の電力密度をワット/平方メートルで測定）と比較します。半波長ダイポールの有効面積は、ブロードサイド方向から見て約 0.13  λ ²です。より高いゲインが必要な場合、単にアンテナを大きくすることはできません。以下に詳述する受信アンテナの有効面積の制約により、既に効率的なアンテナ設計の場合、ゲイン（有効面積）を増やす唯一の方法は、別の方向のアンテナのゲインを減らすことであることがわかります。

半波長ダイポールが外部回路に接続されず、給電点で短絡されている場合、それは共振半波長素子となり、入射する電波に反応して定在波を効率的に生成します。その電力を吸収する負荷がないため、その電力はすべて再送信されますが、その際、素子の正確な長さに大きく依存する位相シフトが生じる可能性があります。したがって、このような導体は、送信機の信号の 2 番目のコピーを送信して、送信機に電気的に接続された素子の放射パターン (および給電点インピーダンス) に影響を与えるように配置できます。このように使用されるアンテナ素子は、パッシブ ラジエーターと呼ばれます。

八木宇田アンテナアレイは、パッシブ素子を使用して、一方向の利得を大幅に増加させます（他の方向の利得は犠牲にします）。多数のほぼ半波長の平行な素子（非常に特定の長さ）が、ブームに沿った特定の位置に互いに平行に配置されます。ブームは支持のためだけのもので、電気的には関係ありません。素子のうち 1 つだけが送信機または受信機に電気的に接続され、残りの素子はパッシブです。八木アンテナは（パッシブ素子の数に応じて）かなり大きな利得を生み出し、ビームの方向を制御するアンテナローターを備えた指向性アンテナとして広く使用されています。帯域幅がかなり限られているため、特定のアプリケーションでしか使用できません。

1 つの駆動アンテナ素子とパッシブ ラジエータを使用する代わりに、複数の素子がすべて送信機によって相対位相で電力スプリッタと伝送ラインのシステムを介して駆動されるアレイ アンテナを構築して、RF 電力を単一方向に集中させることができます。さらに、フェーズド アレイは「操縦可能」にすることができます。つまり、各素子に適用する位相を変更することで、アンテナ素子を物理的に動かさずに放射パターンをシフトできます。もう 1 つの一般的なアレイ アンテナは、ログ周期ダイポール アレイです。これは八木アンテナに似た外観 (ブームに沿って多数の並列素子がある) ですが、すべての素子が位相反転で隣接する素子に電気的に接続されているため、動作はまったく異なります。ログ周期原理を使用することで、非常に広い帯域幅にわたってパフォーマンス特性 (ゲインとインピーダンス) を維持するという独自の特性が得られます。

電波が大きな導電シートに当たると、鏡が光を反射するのと同じように、電波は反射されます (電界の位相が反転します)。このような反射板を、指向性のないアンテナの背後に配置すると、その方向に向かうはずだった電力が目的の方向に向けられるため、アンテナの利得が少なくとも 2 倍に増加します。同様に、コーナー反射板を使用すると、アンテナの電力がすべて 1 つの象限 (またはそれ以下) に集中し、利得が増加します。実際には、反射板は固体の金属シートである必要はなく、アンテナの偏波に合わせて並べたロッドのカーテンで構成できます。これにより、反射板の重量と風圧が大幅に軽減されます。電波の鏡面反射は、パラボラ反射板アンテナでも使用されます。このアンテナでは、湾曲した反射面によって、いわゆるフィード アンテナに向かって到来波が集束されます。これにより、反射板自体のサイズに匹敵する有効面積を持つアンテナ システムが得られます。レンズアンテナなどのアンテナ技術には、幾何光学の他の概念も採用されています。

アンテナの電力利得(または単に「利得」) はアンテナの効率も考慮に入れており、多くの場合、主要な性能指標となります。アンテナは、ユーザーが特定の用途のアンテナを選択または設計する際に考慮するいくつかのパフォーマンス指標によって特徴付けられます。アンテナの周囲の空間における指向特性のプロットは、その放射パターンです。

アンテナが適切に機能する周波数範囲または帯域幅は、非常に広い場合 (対数周期アンテナの場合) や狭い場合 (小型ループ アンテナの場合) があります。この範囲外では、アンテナのインピーダンスは伝送線路および送信機 (または受信機) と整合しなくなります。設計周波数から大きく離れたアンテナを使用すると、放射パターンに影響し、指向性ゲインが低下します。

一般的に、アンテナの給電点インピーダンスは伝送線路のインピーダンスと一致しません。アンテナ端子と伝送線路の間の整合ネットワークにより、アンテナへの電力伝送が改善されます。調整不可能な整合ネットワークは、アンテナ システムの使用可能な帯域幅をさらに制限する可能性が高くなります。アンテナを作るには、細いワイヤの代わりに管状の要素を使用することが望ましい場合があります。これにより、帯域幅が広くなります。または、複数の細いワイヤをケージにまとめて、より厚い要素をシミュレートすることもできます。これにより、共振の帯域幅が広がります。

互いに大きく離れた複数の周波数帯域で動作するアマチュア無線アンテナは、それらの異なる周波数で共振する素子を並列に接続することがある。送信機の電力のほとんどは共振素子に流れ込み、他の素子は高インピーダンスを示す。別の解決法として、長いアンテナ素子にできた切れ目に戦略的に配置された並列共振回路であるトラップを使用する。トラップの特定の共振周波数で使用すると、トラップは非常に高いインピーダンス（並列共振）を示し、トラップの位置で素子を効果的に切り捨てる。正しく配置されていれば、切り捨てられた素子はトラップ周波数で適切な共振アンテナを形成する。大幅に高いまたは低い周波数では、トラップによって切断された素子の全長を使用できるようになるが、共振周波数はトラップによって追加された正味リアクタンスによってシフトされる。

共振アンテナ要素の帯域幅特性は、そのQに応じて特徴付けることができます。ここで、関与する抵抗は放射抵抗であり、共振アンテナから自由空間へのエネルギーの放射を表します。

狭帯域アンテナのQは15 まで高くなります。一方、厚い要素を使用したアンテナの同じオフ共振周波数でのリアクタンスははるかに小さく、結果としてQ は5 まで低くなります。これらの 2 つのアンテナは共振周波数では同等に動作しますが、2 番目のアンテナは、薄い導体で構成されたアンテナの 3 倍の帯域幅で動作します。

より広い周波数範囲で使用できるアンテナは、さらなる技術を使用することで実現されます。原理的には、マッチング ネットワークを調整することで、どのアンテナでもどの周波数でもマッチングさせることができます。したがって、ほとんどの AM 放送 (中波) 受信機に組み込まれている小さなループ アンテナは帯域幅が非常に狭いですが、受信機のチューニングに応じて調整される並列容量を使用してチューニングされています。一方、対数周期アンテナは、どの周波数でも共振しませんが、原理的には、どの周波数範囲でも同様の特性 (フィード ポイント インピーダンスを含む) を実現するように構築できます。そのため、これらはテレビ アンテナとして一般的に使用されています (指向性対数周期ダイポール アレイの形で)。

利得は、アンテナの放射パターンの指向性の度合いを測定するパラメータです。高利得アンテナは、その電力のほとんどを特定の方向に放射しますが、低利得アンテナは広い角度で放射します。アンテナ利得、つまりアンテナの電力利得は、任意の距離でアンテナが最大出力の方向に放射する強度（単位面積あたりの電力）を、すべての方向に等しい電力を放射する仮想の等方性アンテナが同じ距離で放射する強度で割った比率として定義されます。この無次元の比率は通常、対数でデシベルで表され、これらの単位はデシベル等方性（dBi） と呼ばれます。${\displaystyle I}$${\displaystyle I_{\text{iso}}}$

${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log {I \over I_{\text{iso}}}\,}$

利得を測定するために使用される2番目の単位は、アンテナによって放射される電力と半波長ダイポールアンテナによって放射される電力の比です。これらの単位はデシベルダイポール（dBd） と呼ばれます。${\displaystyle I_{\text{dipole}}}$

${\displaystyle G_{\text{dBd}}=10\log {I \over I_{\text{dipole}}}\,}$

半波長ダイポールの利得は2.15 dBiであり、積の対数は加算されるため、dBiでの利得はdBdでの利得より2.15デシベルだけ大きい。

${\displaystyle G_{\text{dBi}}\approx G_{\text{dBd}}+2.15\,}$

高利得アンテナは、到達距離が長く信号品質が優れているという利点がありますが、他のアンテナに注意深く向ける必要があります。高利得アンテナの例としては、衛星テレビアンテナなどのパラボラアンテナがあります。低利得アンテナは到達距離が短​​いですが、アンテナの向きはそれほど重要ではありません。低利得アンテナの例としては、携帯ラジオやコードレス電話に見られるホイップアンテナがあります。アンテナ利得を増幅器利得と混同しないでください。増幅器利得は、低雑音増幅器など、システムのフロントエンドに配置された増幅装置による信号電力の増加を測定する別のパラメーターです。

受信アンテナの有効面積または有効開口は、通過する電磁波の電力のうち、アンテナが端末に伝達する電力の割合を等価面積で表したものです。たとえば、特定の場所を通過する電波のフラックスが 1 pW/m ² (10 ⁻¹² ワット/平方メートル) で、アンテナの有効面積が 12 m ²の場合、アンテナは受信機に12 pW のRF電力 (75 オームで 30 マイクロボルトRMS )を伝達します。受信アンテナはすべての方向から受信した信号に対して同じように感度が高いわけではないため、有効面積はソースの方向の関数となります。

相互性（上記で説明）により、送信用アンテナのゲインは、受信用アンテナの有効面積に比例する必要があります。損失のないアンテナ、つまり電気効率が 100% のアンテナを考えてみましょう。全方向で平均した有効面積は、波長の 2 乗を4πで割った値λ ² /4πに等しくなければなりません。ゲインは、電気効率が 100% のアンテナの全方向での平均ゲインが 1 になるように定義されます。したがって、特定の方向のゲインGに関する有効面積A _effは、次のように表されます。

${\displaystyle A_{\mathrm {eff} }={\lambda ^{2} \over 4\pi }\,G}$

効率が 100% 未満のアンテナの場合、有効面積とゲインの両方が同じ量だけ減少します。したがって、ゲインと有効面積の間の上記の関係は依然として有効です。したがって、これらは同じ量を表す 2 つの異なる方法です。上記の例で示されているように、 eff_は、指定されたゲインのアンテナで受信される電力を計算する場合に特に便利です。

アンテナの放射パターンは、遠方界におけるさまざまな角度でアンテナから放射される電波の相対的な電界強度をプロットしたものです。これは通常、3 次元グラフ、または水平断面と垂直断面の極座標プロットで表されます。すべての方向に均等に放射する理想的な等方性アンテナのパターンは、球のように見えます。モノポールやダイポールなどの多くの無指向性アンテナは、すべての水平方向に均等に電力を放射し、高角度と低角度では電力が低下します。これは全方向性パターンと呼ばれ、プロットするとトーラスまたはドーナツのように見えます。

多くのアンテナの放射は、さまざまな角度で最大値または「ローブ」のパターンを示し、それらは「ヌル」、つまり放射がゼロになる角度で区切られています。これは、アンテナのさまざまな部分から放射された電波が通常干渉し、電波が同位相で離れた地点に到達する角度で最大値が発生し、電波が位相外れで到達する他の角度で放射がゼロになるためです。特定の方向に電波を放射するように設計された指向性アンテナでは、その方向のローブは他のローブよりも大きく設計されており、「メインローブ」と呼ばれます。他のローブは通常、不要な放射を表し、「サイドローブ」と呼ばれます。メインローブを通る軸は、「主軸」または「照準軸」と呼ばれます。

八木アンテナの極座標（したがって効率と利得）は、例えば広帯域アンテナと比較したグループ化アンテナのように、アンテナがより狭い周波数範囲に調整されている場合には、よりタイトになります。同様に、水平偏波八木アンテナの極座標は、垂直偏波のものよりもタイトです。^[19]

アンテナの周囲の空間は、反応性近傍場 (誘導性近傍場とも呼ばれる)、放射近傍場 (フレネル領域)、および遠方場 (フラウンホーファー) 領域の 3 つの同心円領域に分けられます。これらの領域は、それぞれのフィールド構造を識別するのに役立ちますが、領域間の遷移は緩やかで、明確な境界はありません。

遠方場領域はアンテナから十分離れているため、そのサイズと形状は無視できます。電磁波は純粋に放射平面波であると想定できます (電界と磁界は同位相で、互いに垂直であり、伝播方向に対して垂直です)。これにより、放射場の数学的分析が簡素化されます。

送信アンテナの効率は、実際に放射される電力（全方向）とアンテナ端子で吸収される電力の比率です。アンテナ端子に供給された電力のうち放射されないものは熱に変換されます。これは通常、アンテナの導体の損失抵抗、またはパラボラアンテナの反射器とフィードホーン間の損失によって発生します。

アンテナ効率はインピーダンス整合とは別のもので、インピーダンス整合も特定の送信機を使用して放射される電力量を減らす可能性があります。SWR メーターが入射電力 150 W、反射電力 50 W を示した場合、実際には 100 W がアンテナに吸収されたことを意味します (伝送線路損失は無視)。実際に放射された電力は、アンテナ端子 (またはその前) での電気測定によって直接判定することはできませんが、たとえば電界強度を注意深く測定する必要があります。電界強度がわかれば、アンテナに供給される電力と比較することで、アンテナの損失抵抗と効率を計算できます。

損失抵抗は一般に、フィードポイントのインピーダンスに影響し、抵抗成分に加わります。その抵抗は、放射抵抗 R _radと損失抵抗R _lossの合計で構成されます。電流I がアンテナの端子に供給されると、 I ²  R _radの電力が放射され、I ²  R _lossの電力が熱として失われます。したがって、アンテナの効率は⁠R_ラド/( R_ラジアン+ R_損失)⁠ . 総抵抗R _rad + R _lossのみを直接測定できます。

相互性によれば、受信アンテナとして使用されるアンテナの効率は、上で説明した送信アンテナとしての効率と同一です。アンテナが受信機に供給する電力 (適切なインピーダンス整合を使用) は、同じ量だけ減少します。受信アプリケーションによっては、非常に非効率的なアンテナがパフォーマンスにほとんど影響を与えない場合があります。たとえば、低周波数では、大気または人工のノイズによってアンテナの非効率性が隠されることがあります。たとえば、CCIR Rep. 258-3 では、住宅環境における 40 MHz での人工ノイズは、熱雑音フロアより約 28 dB 高いと示されています。したがって、20 dB の損失 (非効率による) があるアンテナは、システム ノイズ パフォーマンスにほとんど影響を与えません。アンテナ内の損失は、意図した信号とノイズ/干渉に同じように影響し、信号対雑音比 (SNR) の低下にはつながりません。

波長のかなりの部分を占めるサイズではないアンテナは、放射抵抗が小さいため、必然的に効率が悪くなります。AM 放送ラジオには、受信用の小さなループ アンテナが含まれていますが、これは効率が非常に悪いです。これは受信機のパフォーマンスにはほとんど影響しませんが、受信機の電子機器による増幅を大きくする必要があるだけです。この小さなコンポーネントを、AM 放送局で同じ周波数で送信するために使用される巨大で非常に高い塔と比較してください。AM 放送局では、アンテナ効率が 1 パーセント低下するごとに、かなりのコストがかかります。

アンテナ利得または電力利得の定義には、アンテナの効率の影響がすでに含まれている。したがって、与えられた電力の送信機を使用して受信機に向けて信号を放射しようとしている場合、効率を考慮する必要はなく、さまざまなアンテナの利得を比較するだけでよい。これは、受信機の雑音温度に比べて強い信号を受信することが目的である、非常に高い周波数（特にマイクロ波）での受信アンテナにも同様に当てはまる。ただし、異なる方向からの干渉を排除する目的で信号を受信するために使用される指向性アンテナの場合、上で説明したように、アンテナ効率はもはや考慮されない。この場合、アンテナ利得を引用するよりも、指向性利得、つまりアンテナの（非）効率の影響を含まない単に指向性の方が重要になる。アンテナの指向性利得は、公表されている利得をアンテナの効率で割ることで計算できる。式で表すと、利得 = 指向性 × 効率となる。

アンテナの向きと物理的構造によって、送信される電波の電界の偏波が決まります。たとえば、直線導体 (ダイポールアンテナやホイップ アンテナなど) で構成されたアンテナを垂直に向けると、垂直偏波になります。横に向けると、同じアンテナの偏波は水平になります。

反射は一般に偏波に影響します。電離層で反射された電波は、電波の偏波を変えることがあります。見通し内通信または地上波伝播の場合、水平偏波または垂直偏波の送信は、受信場所では一般にほぼ同じ偏波状態のままです。垂直偏波アンテナを使用して水平偏波を受信すると (またはその逆)、受信状態は比較的悪くなります。

アンテナの偏波は、その形状から直接推測できる場合があります。基準位置から見たアンテナの導体が1 本の線に沿って見える場合、アンテナの偏波はその方向に直線になります。より一般的なケースでは、アンテナの偏波は解析によって決定する必要があります。たとえば、水平に設置されたターンスタイル アンテナ(通常どおり) は、地球上の離れた場所から見ると水平線分として表示されるため、そこで受信する放射は水平偏波になります。しかし、飛行機から下向きの角度で見ると、同じアンテナはこの要件を満たしません。実際、その方向から見ると放射は楕円偏波になります。一部のアンテナでは、偏波の状態は送信周波数によって変わります。市販のアンテナでは、偏波は必須の仕様です。

最も一般的な場合、偏波は楕円形です。つまり、各サイクルで電界ベクトルは楕円を描きます。特殊なケースとして、上で説明した直線偏波(楕円が直線に収束) と円偏波(楕円の 2 つの軸が等しい) の 2 つがあります。直線偏波では、電波の電界は 1 つの方向に沿って振動します。円偏波では、電波の電界は伝播軸の周りを回転します。円偏波または楕円偏波の電波は、 「伝播方向に親指を向ける」ルールを使用して右巻きまたは左巻きとして指定されます。円偏波の場合、光学研究者は無線技術者が使用するルールとは 逆の右手のルール^[要出典]を使用することに注意してください。

受信アンテナは、最適な受信のために送信波の偏波と一致させるのがベストです。そうしないと、信号強度が失われます。直線偏波アンテナが相対角度 θ で直線偏波放射を受信すると、cos ² θの電力損失が発生します^{[引用が必要]}。円偏波アンテナは、垂直または水平の直線偏波に同様に一致させることができますが、信号が 3  dB減少します。ただし、反対方向の円偏波信号は受信できません。

最大の電力伝送には、アンテナ システムのインピーダンス (伝送線路から見た場合) を受信機または送信機のインピーダンスの複素共役に一致させる必要があります。ただし、送信機の場合、望ましい一致インピーダンスは、ソースインピーダンスとして分析された送信機の動的出力インピーダンスと正確に一致しない可能性があり、送信回路の効率的で安全な動作に必要な設計値 (通常は 50 オーム) に一致する可能性があります。意図されたインピーダンスは通常抵抗性ですが、送信機 (および一部の受信機) には、一致を「微調整」するために、一定量のリアクタンスをキャンセルするための限定された追加調整機能がある場合があります。

アンテナと送信機 (または受信機) の間に伝送線路が使用される場合、送信機 (または受信機) が期待するインピーダンスに整合するだけでなく、インピーダンスが抵抗性で伝送線路の特性インピーダンスとほぼ同じであるアンテナ システムが一般的に望まれます。整合は、不整合によって線路上に発生する定在波の振幅(定在波比(SWR) で測定) と、それに伴う伝送線路損失の増加を最小限に抑えるために求められます。

アンテナチューニングは、厳密にはアンテナ自体を変更するという意味で、通常、アンテナ端子で見られるリアクタンスをキャンセルすることだけを指し、抵抗インピーダンスのみが残ります。このインピーダンスは、希望するインピーダンス（使用可能な伝送ラインのインピーダンス）と正確に一致する場合もあれば、一致しない場合もあります。

アンテナは、1 つの周波数でのみ、純粋な抵抗性の給電点インピーダンス (半波長の 97% の長さのダイポールなど) を持つように設計されているかもしれませんが、アンテナが最終的に使用される他の周波数では、これが必ずしも正確ではない可能性があります。ほとんどの場合、原理的には、アンテナの物理的な長さを「トリミング」して純粋な抵抗を得ることができますが、これが便利なことはめったにありません。一方、逆のインダクタンスまたは静電容量を追加することで、それぞれ残留容量性または誘導性リアクタンスをキャンセルすることができ、アンテナを下げてトリミングしたり、伸ばしてから再び持ち上げるよりも便利な場合があります。

アンテナのリアクタンスは、アンテナを流れる電流の主経路（多くの場合、給電点の近く）にコンデンサやインダクタなどの集中素子を配置して除去するか、アンテナの導体に容量性または誘導性の構造を組み込んで給電点のリアクタンスをキャンセルすることで除去できます。たとえば、開放端の「スポーク」ラジアルワイヤやループ状の平行ワイヤなどです。こうしてアンテナを共振に合わせることができます。これらのリアクタンスを中和するアドオンに加えて、あらゆる種類のアンテナには、給電点に変圧器や変圧器バランが組み込まれ、インピーダンスの抵抗部分を給電線の特性インピーダンスに近づけることができます。

インピーダンス整合装置（「アンテナ チューナー」というやや不適切な名前、またはより古い、より適切な用語であるトランスマッチ）によって実行される、大まかな意味でのアンテナ チューニングは、単にリアクタンスを除去するだけでなく、残りの抵抗を変換して給電線と無線機を一致させることも含まれます。

追加の問題は、残りの抵抗インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに一致させることです。一般的なインピーダンス整合ネットワーク (「アンテナ チューナー」または ATU) には、インピーダンスの両方のコンポーネントを修正するための調整可能な要素が少なくとも 2 つあります。送信に使用すると、どの整合ネットワークでも電力損失と電力制限の両方が発生します。

市販のアンテナは、一般的に、標準周波数で標準の 50 オーム 同軸ケーブルにほぼ一致するように設計されています。設計上の想定では、マッチング ネットワークは、残留する不一致を「微調整」するためにのみ使用されます。

場合によっては、少量の残留リアクタンスを単にキャンセルするのではなく、共振周波数が意図した動作周波数とはまったく異なるアンテナを共振させるために、より極端な方法でマッチングが行われます。

短い垂直の「鞭」

たとえば、実用的な理由から、「ホイップアンテナ」は、いわゆるローディングコイルを使用して、1/4波長よりも大幅に短くして共振させることができます。

アンテナのベースにある物理的に大きなインダクタは、短い垂直アンテナが目的の動作周波数で持つ容量性リアクタンスとは逆の誘導性リアクタンスを持っています。その結果、ローディングコイルの給電点に純粋な抵抗が見られますが、それ以上の対策を講じなければ、この抵抗は市販の同軸ケーブルと一致するのに必要な値よりもいくらか低くなります。^[要出典]

小さな「磁気」ループ

インピーダンス整合のもう 1 つの極端なケースは、比較的低い周波数で小さなループ アンテナ(通常は受信用ですが、常にそうとは限りません) を使用する場合に発生します。この場合は、ループ アンテナはほぼ純粋なインダクタとして現れます。このようなインダクタが、給電点に並列に接続されたコンデンサを介して共振すると、コンデンサはリアクタンスを打ち消すだけでなく、小さなループの非常に小さな放射抵抗を大幅に増幅して、より整合のとれた給電点抵抗を生成します。^{[引用が必要]}

これは、ほとんどのポータブルAM 放送受信機 (カーラジオ以外)で使用されているアンテナのタイプです。標準的な AM アンテナは、フェライトロッドの周りに巻かれたワイヤのループです (「ループスティック アンテナ」)。ループは、受信機のチューニングに一致するように構成された結合チューニング コンデンサによって共振し、AM 放送帯域で選択した受信周波数でアンテナの共振を維持します。

地面反射はマルチパスの一般的なタイプの一つである。^{[20] [21] [22]}

アンテナの放射パターンや駆動点インピーダンスは、近くの物体の誘電率、特に導電率によって影響を受けることがあります。地上アンテナの場合、通常、地面は重要な物体の 1 つです。地面からのアンテナの高さや、地面の電気特性 (誘電率と導電率) も重要になります。また、モノポール アンテナの場合、地面 (または人工の接地面) はアンテナ電流の戻り接続として機能するため、特に給電線から見たインピーダンスに追加の影響を及ぼします。

電磁波が地面などの平面に当たると、フレネル係数に従って、波の一部は地面に伝わり、一部は反射されます。地面が非常に良い導体である場合、波のほぼすべてが反射されます（180°位相がずれます）。一方、（損失のある）誘電体としてモデル化された地面は、波の電力の大部分を吸収できます。反射波に残る電力と、反射時の位相シフトは、波の入射角と偏波に大きく依存します。誘電率と導電率（または単に複素誘電率）は、土壌の種類に依存し、周波数の関数です。

非常に低い周波数から高い周波数（< 30 MHz）まで、地面は損失のある誘電体として機能します。^{[23]そのため、地面は}導電率^[24]と誘電率（誘電率）の両方によって特徴付けられます。これらは、特定の土壌で測定できますが、変動する水分レベルの影響を受けます。特定の地図から推定することもできます。より低い中波周波数では、地面は主に良導体として機能し、AM放送（0.5〜1.7 MHz）アンテナはこれに依存しています。

3～30 MHz の周波数では、水平偏波アンテナからのエネルギーの大部分が地面で反射し、地上波の伝播に重要なかすめ角でほぼ全反射します。その反射波は位相が反転し、波長におけるアンテナの高さと仰角 (上空波の場合) に応じて、直接波を打ち消したり、強めたりします。

一方、垂直偏波の放射は、斜入射の場合や海水などの導電性が非常に高い表面を除いて、地面によってあまり反射されません。^[25]しかし、垂直偏波を使用した地上波伝播に重要な斜入射角反射は、直接波と同位相であり、以下に詳述するように最大6dBの増幅をもたらします。

VHF 以上 (> 30 MHz) では、地面は反射体としてあまり役に立ちません。ただし、短波周波数、特に 15 MHz 以下では、特に水平偏波と斜入射角に対しては、地面は良好な反射体のままです。これは、これらの高周波数は通常、水平方向の見通し伝搬に依存するため(衛星通信を除く)、地面はほぼ鏡のように動作するため、重要です。

地面反射の最終的な品質は、表面の地形によって決まります。表面の凹凸が波長よりはるかに小さい場合、鏡面反射が支配的となり、受信機は実際のアンテナと反射による地面下のアンテナの像の両方を観測します。しかし、地面の凹凸が波長に比べて小さくない場合、反射はコヒーレントではなく、ランダムな位相でシフトします。これは、波長が短い (周波数が高い) 場合によく当てはまります。

受信アンテナと送信アンテナの両方が地面からかなり高い位置（波長に対して）に設置されている場合、地面で鏡面反射された波は直接反射された波よりも長い距離を移動し、場合によっては大きな位相シフトを引き起こします。このようなアンテナによってスカイウェーブが発射されると、アンテナが地面に非常に近い（波長に対して）場合を除き、その位相シフトは常に大きくなります。

電磁波の反射の位相は、入射波の偏光に依存します。地面の屈折率（通常n ≈ 2）は空気（ n = 1） よりも大きいため 、水平偏光の放射の位相は反射時に反転します（π ラジアン、つまり 180° の位相シフト）。一方、波の電界の垂直成分は、ほぼ位相 で斜入射角で反射されます。これらの位相シフトは、良好な電気導体としてモデル化された地面にも適用されます。

これは、送信アンテナが水平方向 (つまり水平偏波) に配置されている場合は、受信アンテナは送信アンテナの画像を「見る」が、電流は「反転」 (方向と位相が反対) されることを意味します。ただし、送信アンテナが垂直偏波の場合は、受信電流の絶対方向と位相は同じになります。

元の波を送信している実際のアンテナは、地面からの自身のイメージから強い信号も受信する可能性があります。これにより、アンテナ要素に追加の電流が誘導され、特定の給電点電圧に対する給電点の電流が変化します。したがって、給電点電圧と電流の比で示されるアンテナのインピーダンスは、アンテナが地面に近接しているために変化します。アンテナが地面から 1 波長または 2 波長以内にある場合、これはかなり大きな影響となる可能性があります。しかし、アンテナの高さが高くなると、反射波の電力が減少するため (逆二乗則による)、アンテナは理論で示される漸近的な給電点インピーダンスに近づくことができます。高さが低い場合、アンテナのインピーダンスへの影響は、地面からの正確な距離に非常に敏感です。これは、アンテナの電流に対する反射波の位相に影響を与えるためです。アンテナの高さを 1/4 波長変更すると、反射の位相が 180° 変化し、アンテナのインピーダンスにまったく異なる影響がもたらされます。

地面の反射は、垂直面における純遠距離場放射パターンに重要な影響を及ぼします。つまり、仰角の関数として、垂直偏波アンテナと水平偏波アンテナではパターンが異なります。地面から高さhにあるアンテナが仰角θで電波を送信するとします。垂直偏波送信の場合、直接波と反射波によって生成される電磁波の電界の大きさは次のようになります。

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{V}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\cos \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

したがって、受信電力は、コサインの2 乗に従って、直接波のみの場合 ( θ  = 0の場合など) の 4 倍にもなる可能性があります。水平偏光放射の反射の符号反転は、代わりに次のようになります。

${\displaystyle \textstyle {\left|E_{H}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\sin \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}}$

どこ：

• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{0}}}$地面がない場合に直接波が受信する電界です。
• θ は検討対象の波の仰角です。
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$波長です。
• ${\displaystyle \scriptstyle {h}}$アンテナの高さ（アンテナとその像の間の距離の半分）です。

地面近くに適度に離れた場所に設置された送信アンテナと受信アンテナ間の水平伝搬では、直接光線と反射光線が移動する距離はほぼ同じです。相対的な位相シフトはほとんどありません。放射が垂直に偏波されている場合、2 つのフィールド (直接光線と反射光線) が加算され、受信信号が最大になります。信号が水平に偏波されている場合、2 つの信号が減算され、受信信号は大部分がキャンセルされます。垂直面の放射パターンは、右の図に示されています。垂直偏波では、常にθ  = 0、つまり水平伝搬 (左のパターン) で最大値があります。水平偏波では、その角度でキャンセルされます。上記の式とこれらのプロットは、地面が完全な導体であると想定しています。放射パターンのこれらのプロットは、アンテナとそのイメージ間の距離が 2.5  λに対応しています 。アンテナの高さが高くなると、ローブの数も増加します。

θ = 0の場合の上記の要因の違いは、 ほとんどの放送（公共向けの送信）が垂直偏波を使用する理由です。地上近くの受信機では、水平偏波の送信はキャンセルされます。最良の受信のために、これらの信号の受信アンテナも同様に垂直偏波です。携帯電話のように、受信アンテナが任意の位置で動作する必要がある一部のアプリケーションでは、基地局アンテナは、角度のある直線偏波（垂直成分と水平成分の両方を含む）や円偏波などの混合偏波を使用します。

一方、アナログテレビの送信は通常水平偏波です。これは、都市部では建物が電磁波を反射し、多重伝播によりゴースト画像が生成される可能性があるためです。水平偏波を使用すると、建物の側面からの水平偏波の反射量は一般に垂直方向よりも少ないため、ゴーストが軽減されます。垂直偏波のアナログテレビは、一部の田舎の地域で使用されています。地上デジタルテレビでは、バイナリ送信とエラー訂正の堅牢性により、このような反射はそれほど問題になりません。

最初の近似では、細いアンテナの電流は
伝送線路とまったく同じように分布します。— Schelkunoff & Friis (1952) ^{[26] (p 217 (§8.4))}

ワイヤアンテナの電流の流れは、単一導体伝送線路の逆伝播波の解と同一であり、電信方程式を使用して解くことができます。アンテナ素子に沿った電流の解は数値的手法によってより便利かつ正確に得られるため、伝送線路技術は精密モデリングのためにほとんど放棄されましたが、アンテナのインピーダンスプロファイルをよく表す有用で単純な近似値の広く使用されているソースであり続けています。^{[27] (pp 7–10) [26] (p 232)}

伝送線路とは異なり、アンテナ内の電流は放射部の電磁場に電力を供給し、これは放射抵抗を使用してモデル化できます。^[a]

アンテナ素子の端は、単導体伝送線路の終端されていない（開いた）端に相当し、その結果、入射波と同一の反射波が生じ、その電圧は入射波と同位相で、その電流は逆位相となる（したがって、それ以上導体がないため、正味ゼロ電流となる）。伝送線路の場合と同様に、入射波と反射波の組み合わせにより、導体の端に電流ノード、端から 1/4 波長のところ​​に電圧ノードがある定在波が形成される（素子が少なくともその長さであれば）。^{[27] [26]}

共振アンテナでは、アンテナの給電点はこれらの電圧ノードの 1 つにあります。^[要出典] 伝送線路モデルの簡略版との相違により、電流ノードからの 1/4 波長の電圧は正確にはゼロではありませんが、最小値に近く、導体の端のはるかに大きな電圧と比較すると小さくなります。したがって、その場所でアンテナと一致する給電点には、比較的小さな電圧と大きな電流 (2 つの波からの電流がそこで同相で加算される) が必要であり、したがって給電点のインピーダンスは比較的低くなります。

他の地点でアンテナに給電すると、大きな電圧、したがって大きなインピーダンス^[要出典]がかかり、通常は主にリアクタンス性 (低力率) のインピーダンスとなり、利用可能な伝送線路とのインピーダンス整合が悪くなります。したがって、アンテナは、各導体の長さが 1/4 波長 (または 1/4 波長の奇数倍) である共振要素として動作することが通常望まれます。

たとえば、半波長ダイポールには、約 1/4 波長の長さの 2 つの要素 (平衡伝送線路の各導体に 1 つずつ接続) があります。導体の直径に応じて、アンテナ電流と (小さな) 給電点電圧が正確に同位相になる点に到達するために、この長さから少しずれた長さが採用されます。すると、アンテナは純粋な抵抗インピーダンスを示し、理想的には、使用可能な伝送線路の 特性インピーダンスに近いものになります。

これらの有用な特性にもかかわらず、共振アンテナには、基本周波数とおそらくその高調波の一部でのみ共振^{（純粋な抵抗性給電点インピーダンス）を達成し、給電点抵抗は高次の共振で大きくなるという欠点があります。したがって、共振アンテナは、共振時の}Qに応じて、限られた帯域幅内でのみ良好な性能を達成できます。

駆動されたアンテナ素子から放射される電界と磁界は、通常、近くのアンテナ、アンテナ素子、またはその他の導体の電圧と電流に影響を与えます。これは、影響を受ける導体がほぼ同じ周波数の共振素子（長さが半波長の倍数）である場合に特に当てはまります。これは、導体がすべて同じアクティブまたはパッシブアンテナ アレイの一部である場合に当てはまります。

影響を受ける導体は近傍場にあるため、たとえばフリスの伝送公式に従って 2 つのアンテナが信号を送受信していると単純に扱うことはできませんが、電圧と電流の両方 (電界と磁界の両方を介した相互作用) を考慮した相互インピーダンス マトリックスを計算する必要があります。したがって、特定の形状に対して計算された相互インピーダンスを使用して、八木宇田アンテナの放射パターンやフェーズド アレイの各要素の電流と電圧を解くことができます。このような解析では、グランド プレーンまたはコーナー リフレクタによる電波の反射と、その近傍のアンテナのインピーダンス (および放射パターン) への影響についても詳細に説明できます。

多くの場合、このような近接場相互作用は望ましくなく、有害です。送信アンテナ付近のランダムな金属物体の電流は、多くの場合、導体として不良であり、RF 電力の損失を引き起こすだけでなく、アンテナの特性を予期せず変更します。注意深い設計により、近くの導体間の電気的相互作用を減らすことができます。たとえば、ターンスタイル アンテナを構成する 2 つのダイポール間の角度が 90 度であるため、これらの間に相互作用はなく、これらを独立して駆動できます (ただし、実際には、ターンスタイル アンテナ設計では、直交位相の同じ信号で駆動されます)。

アンテナは動作原理や用途によって分類できます。さまざまな機関がアンテナをより狭いカテゴリまたは広いカテゴリに分類しています。一般的には、

これらのアンテナ タイプおよびその他のアンテナ タイプについては、概要記事「アンテナ タイプ」、および上記のリスト内のリンクされた各記事でさらに詳しく説明されています。また、それらのリンク先の記事ではさらに詳しく説明されています。

Wiktionaryのアンテナの辞書定義