指向性アンテナ

指向性アンテナまたはビームアンテナは、特定の方向に大きな電波電力を放射または受信するアンテナです。指向性アンテナは、特定の方向に放射をより集中させたい場合にビーム状に電波を放射したり、受信アンテナで特定の 1 つの方向からのみ電波を受信したりすることができます。これにより、その方向の受信機に送信される電力を増加したり、不要なソースからの干渉を減らしたりすることができます。これは、広い角度で電波を放射したり、広い角度から受信したりする ダイポール アンテナなどの全方向性アンテナとは対照的です。

アンテナの放射電力の角度分布、つまり放射パターンが一方向にどれだけ集中しているかは、アンテナ利得と呼ばれるパラメータで測定されます。高利得アンテナ( HGA ) は、ビーム幅が狭く焦点が絞られた指向性アンテナで、無線信号のより正確なターゲティングを可能にします。^[1]宇宙ミッションで最もよく言及されるアンテナですが、^{[2]これらのアンテナは}地球上でも使用されており、電波を妨害する山のない平坦で開けた地域で最も効果的に使用されています。^[要出典]

対照的に、低利得アンテナ（LGA）は、電波ビーム幅が広い全方向性アンテナであり、山岳地帯でも信号が十分に伝搬されるため、地形に関わらず信頼性が高くなります。低利得アンテナは、ビーム幅がはるかに狭いため信号が失われやすい高利得アンテナのバックアップとして宇宙船でよく使用されます。^[3]

実用的なアンテナはすべて、少なくともある程度の指向性を持っていますが、通常は地球に平行な平面内の方向のみが考慮され、実用的なアンテナは1つの平面内では簡単に全方向性になります。最も一般的な指向性アンテナの種類は次のとおりです^[要出典]

• 八木宇田アンテナ、
• 対数周期アンテナ、および
• コーナーリフレクターアンテナ。

これらのアンテナ タイプ、または 1 つのタイプの複数の単一周波数バージョンの組み合わせ、または (まれに) 2 つの異なるタイプの組み合わせは、住宅用テレビ アンテナとして頻繁に市販されています。携帯電話のリピーターは、標準的な携帯電話で得られるよりもはるかに強力な信号を提供するために、外部の指向性アンテナを使用することがよくあります。衛星テレビ受信機は通常、パラボラ アンテナを使用します。長波長および中波長の周波数では、 ほとんどの場合、指向性アンテナとして タワー アレイが使用されます。

送信時には、高利得アンテナにより、より多くの送信電力が受信機の方向に送られ、受信信号強度が増加します。受信時には、高利得アンテナによりより多くの信号が捕捉され、信号強度も増加します。相互関係により、これら 2 つの効果は等しくなります。つまり、送信信号を (等方性放射器と比較して) 100 倍強くするアンテナは、受信アンテナとして使用された場合、等方性アンテナの 100 倍のエネルギーも捕捉します。指向性アンテナは、その指向性により、メイン ビーム以外の方向から送信される信号も少なくなります (受信される信号も少なくなります)。この特性により、他のビーム外送信機からの干渉を回避でき、アンテナ ノイズが常に減少します (ノイズはあらゆる方向からやってきますが、目的の信号はほぼ 1 つの方向からしかやって来ないため、アンテナのビームが狭いほど、重要な信号対ノイズ比は向上します)。

高利得アンテナを作る方法は数多くありますが、最も一般的なのは、パラボラアンテナ、ヘリカルアンテナ、八木宇田アンテナ、およびあらゆる種類の小型アンテナのフェーズドアレイです。ホーンアンテナも高利得で作ることができますが、あまり一般的ではありません。さらに他の構成も可能です。アレシボ天文台は、特定の周波数で非常に高い利得を実現するために、ラインフィードと巨大な球状反射鏡（より一般的なパラボラ反射鏡とは対照的） を組み合わせて使用​​しました。

アンテナ利得は、すべての方向に均等に放射する仮想アンテナ、等方性放射器に関してよく引用されます。この利得は、デシベルで測定するとdBi と呼ばれます。エネルギー保存則により、高利得アンテナは狭いビームを持つ必要があります。^[4]たとえば、高利得アンテナによって 1 ワットの送信機が 100 ワットの送信機のように見える場合、ビームは最大で⁠1/100⁠ 空の⁠まで届く必要があります (そうしないと、すべての方向に放射されるエネルギーの合計が送信機の電力を超えてしまいますが、これは不可能です)。つまり、回折限界に従って、必要なビームが狭ければ狭いほど、アンテナ (波長で測定) を大きくする必要があるため、高利得アンテナは物理的に大きくなければなりません。

アンテナ利得は dBd で測定することもできます。これは、半波長ダイポールの最大強度方向と比較したデシベル単位の利得です。八木アンテナの場合、これは、試験中のアンテナからすべての導波器と反射器を除いた利得とほぼ等しくなります。 dB iと dB d を混同しないことが重要です。この 2 つは 2.15 dB 異なり、 dBi の数値の方が高くなります。これは、ダイポールは等方性アンテナに対して 2.15 dB の利得を持つためです。

利得は、エレメントの数とそれらのエレメントの調整にも依存します。アンテナは、より広い周波数範囲で共​​振するように調整できますが、他の条件が同じであれば、アンテナの利得は、単一の周波数または周波数グループに合わせて調整されたものよりも低くなります。たとえば、広帯域テレビアンテナの場合、利得の低下は、テレビ送信帯域の下部で特に大きくなります。英国では、テレビ帯域のこの下部 3 分の 1 はグループ A として知られています。^[5]

開口（アンテナが信号を集める領域、アンテナのサイズにほぼ完全に関連しますが、小型アンテナの場合はフェライト棒を追加することで増加できます）、効率（これもサイズだけでなく、使用する材料の抵抗率やインピーダンス整合によっても影響を受けます）などの他の要因もゲインに影響する場合があります。これらの要因は、アンテナの他の機能を調整せずに簡単に改善できるか、または指向性を高める同じ要因によって偶然改善されるため、通常は重視されません。

高利得アンテナは、通常、深宇宙探査機の最大の構成要素であり、最高利得の無線アンテナは、アレシボ天文台などの物理的に巨大な構造物です。深宇宙ネットワークは、約 1 cm の波長で 35 m の皿を使用します。この組み合わせにより、アンテナ利得は約 100,000,000 (または通常の測定では 80 dB) になり、ターゲットがビーム内にある場合、送信機は約 1 億倍強力になり、受信機は約 1 億倍感度が高くなります。このビームは、最大で空の 1 億分の 1 (10 ⁻⁸ )をカバーできるため、非常に正確な指向が必要です。

WPANゲインにおける高利得およびミリ波通信の使用は、局所的なエリア内での非干渉伝送の同時スケジューリングの確率を高め、ネットワークスループットの大幅な増加をもたらします。しかし、同時伝送の最適なスケジューリングはNP困難な問題です。^[6]

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  長いワイヤアンテナを使用した指向性 AM 無線送信機の初期の例 (1922 年)。WOR向けに製造され、当時はニュージャージー州ニューアークにあり、ニューアークに加えてニューヨーク市とフィラデルフィアの両方をターゲットにしていました。
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  カール・ヤンスキーと彼がニュージャージー州ホルムデルに作った回転指向性電波アンテナ（1932年）。これは世界初の電波望遠鏡であり、天の川からの電波放射を発見した。
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  イリノイ州ウィートンのグロート・レーバーの自家製アンテナ（1937年）、世界第2の電波望遠鏡であり、世界初の放物面電波望遠鏡
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  ニュージャージー州ホルムデルのホルムデルホーンアンテナ（1960年代）。エコー衛星通信プログラムをサポートするために建設され、^[7]後に宇宙に浸透する宇宙マイクロ波背景放射を明らかにする実験に使用されました。 ^[8]
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  パラボラアンテナ-カリフォルニア州モハベ砂漠のゴールドストーン深宇宙通信施設にある 70 m アンテナ
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  ボイジャー2号宇宙船。HGA（パラボラアンテナ）は大きなボウル型の物体です。
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  アラスカの巨大フェーズドアレイレーダー
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  八木宇田アンテナ。ブームに取り付けられた要素は、左から右に、反射器、駆動要素、導波器と呼ばれます。反射器は他のすべての要素よりも少し長く (5% 以上)、導波器は少し短い (5% 以上) ため、簡単に識別できます。

• 「高ゲインと低ゲインとは何ですか?」qrg.northwestern.edu . コミュニケーション。イリノイ州エバンストン:ノースウェスタン大学。