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アンテナ放射パターン（またはアンテナパターン、遠方界パターン）とは、アンテナ またはその他の発生源からの電波の電界強度（場合によっては位相も）の方向（角度）依存性のことである。 [ 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、光源の前に置かれた平面上、または光源を囲む円筒形または球面上で定義されることが最も一般的です。[ 1 ] [ 4 ]
アンテナの遠方界パターンは、アンテナレンジで実験的に決定することも、あるいは近方界スキャナーを使用して近方界パターンを見つけ、そこから計算によって放射パターンを導き出すこともできます。[ 1 ]遠方界放射パターンは、 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方界を計算できます。
遠方界放射パターンは、一定の（大きな）半径での強度（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（利得パターン）など、関連する複数の変数のいずれかをプロットしたグラフとして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、アンテナ軸上の振幅、または総放射電力で正規化されます。プロットされた量は、線形スケールまたはdBで表示できます。このグラフは通常、3次元グラフ（右図参照）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。これは極座標図として知られています。
アンテナの基本的な性質として、受信時に使用するアンテナの受信パターン（方向に対する感度）は、送信時に使用するアンテナの遠方界放射パターンと同一である。これは電磁気学の相反定理の結果であり、以下で証明する。したがって、放射パターンの議論においては、アンテナは送信状態または受信状態のどちらでも都合の良い方で考えることができる。
相互性には限界があります。相互性は受動アンテナ素子にのみ適用され、増幅器やその他の個別に電源供給される部品を組み込んだ能動アンテナには適用されません。また、アンテナがすべて受動素子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受信される波にのみ適用されます。相互性は、受信された波によって生成されるアンテナの各部分における電流分布や、放射波を生成する電流には適用されません。遠方界の波は同じ経路に沿って内向きと外向きに放射され、全体的なパターンは同じですが、方向が逆になっているにもかかわらず、アンテナの電流プロファイルは通常、受信時と送信時で異なります。
電磁放射は双極子放射であるため、アンテナ利得を計算する際の基準としてそのような仮想的な等方性アンテナが使用されるものの、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不可能である。
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、共通の軸に沿って配置された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、すなわち無指向性パターンを持ちます。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的な原理を示しています。
ほとんどのアンテナでは、アンテナの各部分からの放射が特定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みなすことができます。この干渉により、各部分からの電波が逆位相で到達する特定の角度では放射が最小またはゼロになり、 電波が同位相で到達する他の角度では放射が局所的に最大になります。したがって、ほとんどのアンテナの放射パターンは、さまざまな角度に「ローブ」と呼ばれる最大値があり、放射がゼロになる「ヌル」によって区切られたパターンを示します。アンテナが波長に比べて大きいほど、ローブの数も多くなります。
指向性アンテナでは、電波を特定の方向に放射することを目的としているため、アンテナは目的の方向に向かうローブに電力の大部分を放射するように設計されています。そのため、放射パターンではこのローブが他のローブよりも大きく表示され、「主ローブ」と呼ばれます。主ローブの中心を通る最大放射軸は、「ビーム軸」または「ボアサイト軸」と呼ばれます。スプリットビームアンテナなど、一部のアンテナでは、主ローブが複数存在する場合があります。主ローブの横にある、他の方向への不要な放射を表すローブは、副ローブと呼ばれます。主ローブに対して角度をなす副ローブは、「サイドローブ」と呼ばれます。主ローブから反対方向（180°）にある副ローブは、「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、マイナーローブを低減することです。サイドローブは通常、マイナーローブの中で最も大きいものです。マイナーローブのレベルは通常、当該ローブの電力密度と主ローブの電力密度の比として表されます。この比は、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。 多くの用途では、サイドローブレベルが-20 dB以上であることは通常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、非常に慎重な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目標指示を最小限に抑えるために、低いサイドローブ比が非常に重要です。
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、均質な媒体中で、アンテナのサイズに比べて十分に離れた2つのアンテナの近似に限定した、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あり、任意の方向に自由に向けることができます。2番目のアンテナは基準アンテナであり、最初のアンテナを固定的に指しています。
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る（インピーダンスは2つのアンテナ間で異なる場合がある）。
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による負荷の影響を受けないと仮定する。したがって、送信機から受信機へ伝送される電力は、2つの独立した要素の積として表すことができる。1つは送信アンテナの指向性に依存する要素、もう1つは受信アンテナの指向性に依存する要素である。
送信アンテナの場合、利得の定義により、距離における放射電力密度アンテナから（つまり単位面積を通過する電力）は
ここでは、角度そして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。ゲインは、アンテナ利得（電力の方向性再分配）、放射効率（アンテナのオーム損失を考慮）、およびアンテナと送信機の不整合による損失の 3 つの要素に分解できます。厳密には、不整合を含めると、実現利得と呼ばれるべきですが[ 4 ]、これは一般的な使用法ではありません。
受信アンテナの場合、受信機に供給される電力は
ここは入射放射の電力密度であり、はアンテナの開口部、つまりアンテナの有効面積（観測された捕捉電力を遮断するためにアンテナが占める必要のある面積）です。方向に関する議論は受信アンテナを基準としており、これには、オーム損失とミスマッチ損失が含まれるものとみなされる。
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次のようになります。
どこそしてこれらはそれぞれ送信アンテナと受信アンテナの方向依存特性である。基準アンテナ（2）からテストアンテナ（1）への送信の場合、
そして逆方向への送信の場合
ここで、利益有効領域アンテナ２の向きは、アンテナ１に対して固定されているため、固定されている。
さて、アンテナの配置が与えられた場合、相反定理によれば、電力伝送は各方向で等しく効果的である必要がある。
そこから
しかし、この方程式の右辺は固定されているため（アンテナ2の向きが固定されているため）、
すなわち、（受信）有効開口と（送信）利得の方向依存性は同一である（QED）。さらに、比例定数はアンテナの性質に関係なく同じであり、したがってすべてのアンテナで同じでなければならない。特定のアンテナ（ヘルツダイポールなど）の解析では、この定数は、 どこは自由空間波長である。したがって、任意のアンテナについて、利得と実効開口は次のように関係付けられる。
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示す方が一般的です。したがって、受信機に供給される電力は通常次のように表記されます。
（リンクバジェットを参照）。ただし、実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。
この記事は、連邦規格1037C（一般調達局）からのパブリックドメイン資料を組み込んでいます。 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に準拠）
