アンテナ理論とアレー

アンテナは、導波信号を放射波に変換し、その逆も行います。その特性はパターン、利得、インピーダンスによって特徴づけられ、指向性を得るためにアレーに結合されます。

Definition

アンテナ理論は、電磁波を効率的に放射または受信するデバイスを研究し、放射パターン、指向性、利得、インピーダンス、偏波を通じてその性能を定量化します。アレーは複数の素子を組み合わせて、放射されるビームの形状と方向を制御します。

Scope

このトピックでは、放射構造の工学について扱います。線状アンテナと開口アンテナ、放射パターン、指向性および利得、放射抵抗、入力インピーダンスと帯域幅、偏波、送受信の相反性、ならびにアレーファクタ、ビームステアリング、ビームフォーミングを備えたアンテナアレーが含まれます。放射理論を実用的な通信およびセンシングシステムに応用します。

Core questions

• アンテナの放射パターンと利得はどのように決定されるのでしょうか？
• 送受信特性が相反性によって関連付けられるのはなぜでしょうか？
• 素子のアレーはどのようにビームを操向し、整形するのでしょうか？

Key concepts

• 放射パターン
• 指向性
• 利得
• 放射抵抗
• 入力インピーダンス
• 相反性
• アレーファクタ
• ビームフォーミング

Key theories

アンテナパラメータと相反性

アンテナは放射パターン、指向性、利得、放射抵抗、インピーダンスによって記述され、相反性によりその送受信パターンは同一です。

アレーファクタとビームフォーミング

アンテナアレーの合成パターンは、素子パターンに素子間隔と位相によって設定されるアレーファクタを乗じたものであり、これによりビームを狭め、電子的に操向することが可能になります。

Clinical relevance

アンテナ設計は、モバイル通信や衛星通信、レーダーやリモートセンシング、電波天文学アレー、ワイヤレス電力伝送やRFID、そしてレーダー医療や磁気共鳴画像診断で使用されるフェーズドアレーやコイル設計を可能にします。

History

ヘルツのダイポールとループが最初のアンテナであり、マルコーニは長距離無線のためにそれらをスケールアップしました。20世紀の研究では、八木・宇田アンテナのような指向性アレーが開発され、ヤンスキーのアンテナは宇宙電波を検出し、電波天文学を創始しました。その後、フェーズドアレーは電子的なビームステアリングを可能にしました。

Key figures

• Guglielmo Marconi
• Heinrich Hertz
• Karl Jansky

Seminal works

• balanis2016
• kraus2002

Frequently asked questions

アンテナ利得とは何ですか？

利得は、アンテナがその好ましい方向に放射される電力を、等方性放射器と比較してどれだけ強く集中させるかを測定するものであり、指向性と効率を組み合わせたものです。

アレーは動かずにどのようにビームを操向できるのですか？

各素子に供給される信号の相対位相を調整することにより、アレーは素子の寄与が建設的に加算される方向をシフトさせ、電子的にビームを操向します。