主要

アンテナの実効口径

アンテナの受信電力を計算する便利なパラメータは次のとおりです。有効面積または有効絞り。受信アンテナと同じ偏波の平面波がアンテナに入射すると仮定します。さらに、波がアンテナの最大放射方向 (最大の電力を受信する方向) にアンテナに向かって進行していると仮定します。

そうして有効絞りパラメータは、特定の平面波からどれだけのパワーを取得するかを表します。させてpは平面波のパワー密度 (W/m^2 単位) になります。もしP_tは、アンテナの受信機が利用できるアンテナ端子の電力 (ワット単位) を表し、次のようになります。

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したがって、有効面積は、平面波からどれだけの電力が取り込まれ、アンテナによって供給されるかを単純に表します。この領域は、アンテナ固有の損失 (抵抗損失、誘電損失など) を考慮します。

任意のアンテナのピーク アンテナ ゲイン (G) に関する実効開口の一般的な関係は、次の式で与えられます。

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有効開口または有効面積は、特定の有効開口を持つ既知のアンテナと比較することによって、または測定されたゲインと上記の式を使用して計算することによって、実際のアンテナで測定できます。

実効開口は平面波から受信電力を計算するのに役立つ概念です。これを実際に見るには、フリスの伝達公式に関する次のセクションに進んでください。

フリスの伝達方程式

このページでは、アンテナ理論の最も基本的な方程式の 1 つである、フリスの伝達方程式。Friis の伝達方程式は、1 つのアンテナから受信される電力 (ゲインあり) を計算するために使用されます。G1)、別のアンテナから送信された場合 (ゲインあり)G2)、距離を置いてR、および周波数で動作fまたは波長ラムダ。このページは数回読む価値があり、完全に理解する必要があります。

フリス伝達公式の導出

Friis 方程式の導出を開始するには、距離を置いて自由空間 (近くに障害物がない) にある 2 つのアンテナを考慮します。R:

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( )ワットの総電力が送信アンテナに供給されると仮定します。ここでは、送信アンテナが無指向性でロスレスであり、受信アンテナが送信アンテナの遠方界にあると仮定します。次に電力密度p受信アンテナに入射する平面波の距離 (ワット/平方メートル)R送信アンテナからの距離は次の式で与えられます。

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図 1. 分離された送信 (Tx) アンテナと受信 (Rx) アンテナR.

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送信アンテナの受信アンテナ方向のアンテナ ゲインが( )で与えられる場合、上記の電力密度方程式は次のようになります。

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ゲイン項は、実際のアンテナの指向性と損失を考慮します。ここで、受信アンテナの有効開口が次の式で与えられると仮定します。( )。このアンテナ ( ) が受信する電力は次の式で与えられます。

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任意のアンテナの実効開口は次のように表すこともできます。

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結果として得られる受信電力は次のように記述できます。

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式1

これはフリス伝達式として知られています。これは、自由空間パス損失、アンテナ利得、波長を受信電力と送信電力に関連付けます。これはアンテナ理論の基本方程式の 1 つであり、(上記の導出と同様に) 覚えておく必要があります。

Friis の伝達方程式の別の有用な形式は、方程式 [2] で与えられます。波長と周波数 f は光速 c に関係しているため (周波数の紹介ページを参照)、周波数に関してはフリスの透過公式が得られます。

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式2

式 [2] は、周波数が高くなるとより多くの電力が失われることを示しています。これはフリスの伝達方程式の基本的な結果です。これは、指定されたゲインを持つアンテナの場合、エネルギー伝達は低い周波数で最大になることを意味します。受信電力と送信電力の差は、経路損失として知られています。別の言い方をすると、フリスの伝達方程式は、周波数が高くなると経路損失が大きくなると言っています。Friis 伝達式から得られるこの結果の重要性は、どれだけ強調してもしすぎることはありません。携帯電話が通常 2 GHz 未満で動作するのはこのためです。より高い周波数ではより多くの周波数スペクトルが利用できる可能性がありますが、関連するパス損失により高品質の受信は可能になりません。フリスの伝達方程式のさらなる結果として、60 GHz のアンテナについて質問されたとします。この周波数が非常に高いことに注目して、長距離通信には経路損失が高すぎると言うかもしれませんが、それは完全に正しいです。非常に高い周波数 (60 GHz は mm (ミリ波) 領域と呼ばれることもあります) では、経路損失が非常に高いため、ポイントツーポイント通信のみが可能です。これは、受信機と送信機が同じ部屋にあり、向かい合っている場合に発生します。Friis Transmission Formula のさらなる帰結として、携帯電話事業者は 700MHz で動作する新しい LTE (4G) 帯域に満足していると思いますか?答えは「はい」です。これは、アンテナが従来動作していた周波数よりも低い周波数ですが、式 [2] から、パス損失も同様に低くなることがわかります。したがって、この周波数スペクトルで「より多くの領域をカバー」できるため、Verizon Wireless の幹部は最近、まさにこの理由からこれを「高品質スペクトル」と呼びました。補足: 一方、携帯電話メーカーは、より長い波長のアンテナをコンパクトなデバイスに取り付ける必要があるため (周波数が低い = 波長が長い)、アンテナ設計者の仕事は少し複雑になります。

最後に、アンテナの偏波が一致していない場合は、この不一致を適切に考慮するために、上記の受信電力に偏波損失係数 (PLF) を乗算することができます。上記の式 [2] を変更して、偏光不一致を含む一般化されたフリス透過公式を生成できます。

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式3


投稿時刻: 2024 年 1 月 8 日

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