放射線効率

アンテナ理論において、放射効率とは、無線アンテナが端子で受け入れた無線周波数電力を放射電力にどれだけ効率的に変換できるかを示す指標です。同様に、受信アンテナにおいては、アンテナが受信した電波の電力のうち、実際に電気信号として伝送される割合を表します。これは、放物面反射鏡やフェーズドアレイなどの開口アンテナに適用されるアンテナ効率、またはアンテナ/開口の最大指向性と標準指向性の関係を示すアンテナ/開口照明効率と混同してはいけません。^{[ 1 ]}

放射効率は、「アンテナが放射する総電力と、接続された送信機からアンテナが受け入れる正味電力の比」と定義されます。^{[ 1 ]} これは、パーセント（100未満）で表されることもあり、周波数に依存します。また、デシベルで表されることもあります。アンテナの利得は、指向性と放射効率の積です。^{[ 2 ]}したがって、次のようになります。

${\displaystyle G=e_{R}\,D}$

どこ${\displaystyle G}$は、特定の方向におけるアンテナの利得です。${\displaystyle e_{R}}$は放射効率であり、${\displaystyle D}$これは、指定された方向におけるアンテナの指向性です。

放射抵抗が規定されているワイヤアンテナの場合、放射効率は、放射抵抗と、接地損失（下記参照）および導体抵抗を含むアンテナの全抵抗との比です。^{[ 3 ] [ 4 ]}実際には、ネットワーク損失は厳密にはアンテナの特性ではありませんが、チューニングおよび/またはマッチングネットワークの抵抗損失が含まれることがよくあります。

他のタイプのアンテナの場合、放射効率を計算するのは容易ではなく、通常は測定によって決定されます。

複数のポートを持つアンテナまたはアンテナアレイの場合、放射効率は励起に依存します。より正確には、放射効率は、異なるポートに印加される信号の相対位相と相対振幅に依存します。^{[ 5 ]}この依存性は常に存在しますが、ポート間の相互作用が十分に小さい場合は解釈が容易になります。これらの相互作用は、多くの実際の構成、たとえば空間ダイバーシティや空間多重化を提供するために携帯電話に組み込まれたアンテナアレイでは大きくなる可能性があります。^{[ 6 ]}この文脈では、すべての可能な励起に対する最小放射効率として効率指標を定義することができ、それは次のように表されます。${\displaystyle e_{R\,MIN}}$これは、以下の式で示される放射効率値に関連しています。${\displaystyle F_{RE}={\sqrt {1-e_{R\,MIN}}}}$[ ^{5 ]​}

もう1つの興味深い効率指標は、考えられるすべての励起に対する最大放射効率であり、次のように表されます。${\displaystyle e_{R\,MAX}}$使用することを検討することが可能です${\displaystyle e_{R\,MIN}}$設計パラメータとして、空間多重化によるMIMO伝送を目的としたマルチポートアンテナアレイに特に関連があり、${\displaystyle e_{R\,MAX}}$設計パラメータとして、単一方向または小さな立体角でのビームフォーミングを目的としたマルチポートアンテナアレイに特に関連があります。^{[ 7 ]}

放射効率の測定は困難です。古典的な手法には、「ウィーラー法」（「ウィーラーキャップ法」とも呼ばれる）と「Qファクター法」があります。^{[ 8 ] [ 9 ]}ウィーラー法では、2 つのインピーダンス測定を使用します。そのうちの 1 つは、アンテナを金属製の箱（キャップ​​）内に配置して行います。残念ながら、キャップの存在はアンテナ上の電流分布を大きく変化させる可能性があり、結果として得られる精度を決定することは困難です。Qファクター法では金属製の筐体は使用しませんが、この方法は、理想的なアンテナの Q ファクターが既知であるという仮定に基づいています。理想的なアンテナは、導体が完全な導電性を持ち、誘電体の損失がゼロである点を除いて、実際のアンテナと同一です。したがって、Qファクター法は、実際のアンテナの想定された形状を使用した理論計算に依存しているため、半実験的なものにすぎません。その精度も決定することは困難です。その他の放射効率測定技術には、多くの方向と 2 つの偏波にわたるゲイン測定を必要とするパターン積分法があります。また、モード攪拌型残響室を利用する残響室技術もあります。^{[ 8 ] [ 10 ]}

熱による無線周波数電力の損失は、アンテナに電気的に結合された損失の大きい物体の数や、必要な詳細レベルに応じて、さまざまな方法で細分化できます。一般的に最も単純な方法は、オーム損失と接地損失の 2 種類の損失を考慮することです。^{[ a ]}

接地損失とは区別して議論される場合、オーム損失という用語は、アンテナの導体、それらの電気的接続部、および場合によってはアンテナの給電ケーブルにおける、無線電流の流れに対する発熱抵抗を指します。表皮効果のため、無線周波数電流に対する抵抗は、一般的に直流電流に対する抵抗よりもはるかに高くなります。

垂直モノポールアンテナや地面近くに設置されたその他のアンテナの場合、接地損失は、アンテナ近傍の土壌を通過する高周波電界と電流が受ける電気抵抗、アンテナ周辺の金属物体（マストや支柱など）のオーム抵抗、接地平面／カウンターポイズのオーム抵抗、および電気的・機械的なボンディング接続のオーム抵抗によって発生します。非導電性で電波透過性のマストに地上から数波長上に設置されたアンテナを考慮する場合、接地損失は導体損失に比べて十分に小さいため、無視できます。^{[ b ]}