アンテナの受信電力を計算するのに役立つパラメータは、有効領域または有効開口受信アンテナと同じ偏波を持つ平面波がアンテナに入射すると仮定します。さらに、その波はアンテナの最大放射方向(受信電力が最大となる方向)に向かってアンテナに向かって伝搬すると仮定します。
それから有効開口パラメータは、与えられた平面波からどれだけの電力が捕捉されるかを表します。p平面波の電力密度(W/m^2)とする。P_tはアンテナの受信機が利用できるアンテナ端子での電力(ワット単位)を表し、次のようになります。
したがって、実効面積は、平面波からアンテナによって捕捉され、伝送される電力の量を表します。この面積には、アンテナ固有の損失(オーム損失、誘電損失など)が考慮されています。
任意のアンテナのピークアンテナゲイン(G)を用いた有効開口に関する一般的な関係式は、次のように表される。
実効開口または実効面積は、既知の実効開口を持つアンテナと比較することによって実際のアンテナで測定するか、測定された利得と上記の式を使用して計算することによって測定できます。
有効開口は、平面波からの受信電力を計算する際に有用な概念です。その実例を見るには、次のセクションのフリース伝送式を参照してください。
フリスの伝達方程式
このページでは、アンテナ理論における最も基本的な方程式の1つである、フリース伝達方程式フリース伝送方程式は、1つのアンテナ(ゲイン付き)から受信される電力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(ゲイン付き)G2距離を置いてR周波数で動作fまたは波長ラムダ。このページは何度か読み返し、完全に理解しておく価値があります。
フリス伝達公式の導出
フリース方程式の導出を始めるにあたり、自由空間(周囲に障害物がない)にある2つのアンテナを距離だけ離して考えます。R:
送信アンテナに総電力( )ワットが供給されると仮定します。ここでは、送信アンテナは無指向性で損失がなく、受信アンテナは送信アンテナの遠方界にあると仮定します。すると、電力密度はp受信アンテナに入射する平面波のワット/平方メートル(距離)R送信アンテナからの信号は次のように表されます。
図1. 送信(Tx)アンテナと受信(Rx)アンテナは、R.
送信アンテナの受信アンテナ方向におけるアンテナ利得が( )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。
利得項は、実際のアンテナの指向性と損失を考慮に入れています。ここで、受信アンテナの有効開口が次式で与えられると仮定します。()すると、このアンテナが受信する電力()は次のように表されます。
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。
結果として得られる受信電力は次のように表すことができます。
式1
これはフリース伝送式として知られています。自由空間伝搬損失、アンテナ利得、波長と受信電力および送信電力の関係を表しています。これはアンテナ理論における基本方程式の一つであり、(上記の導出過程と同様に)覚えておくべきです。
フリース透過方程式のもう1つの有用な形式は、式[2]で示されています。波長と周波数fは光速cによって関係付けられているため(周波数の紹介ページを参照)、周波数に関するフリース透過式は次のようになります。
式2
式[2]は、周波数が高いほど電力損失が大きくなることを示しています。これは、フリース伝送方程式の基本的な結果です。つまり、特定の利得を持つアンテナの場合、エネルギー伝送は低周波数で最大になります。受信電力と送信電力の差は、パス損失として知られています。言い換えれば、フリース伝送方程式は、パス損失は周波数が高いほど大きくなることを示しています。フリース伝送式から得られるこの結果の重要性は、いくら強調してもしすぎることはありません。これが、携帯電話が一般的に2GHz未満で動作する理由です。より高い周波数では利用可能な周波数スペクトルは多くなりますが、それに伴うパス損失によって高品質な受信は不可能になります。フリース伝送方程式のさらなる結果として、60GHz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すると、長距離通信にはパス損失が大きすぎると答えるかもしれませんが、それは全く正しいです。非常に高い周波数 (60 GHz は、ミリ波 (mm) 領域と呼ばれることもあります) では、パス損失が非常に大きいため、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、互いに向き合っている場合に発生します。フリース伝送式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) バンドに満足していると思いますか? 答えはイエスです。これは、従来アンテナが動作する周波数よりも低いですが、式 [2] から、パス損失も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「より広い範囲をカバー」することができ、Verizon Wireless の幹部は最近、まさにこの理由からこれを「高品質のスペクトル」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搭載する必要があるため (周波数が低いほど波長が長くなる)、アンテナ設計者の仕事は少し複雑になりました。
最後に、アンテナの偏波が一致していない場合、上記の受信電力に偏波損失係数(PLF)を乗じることで、この不一致を適切に補正できます。上記の式[2]は、偏波不一致を考慮した一般化されたフリース伝送式を生成するように変更できます。
式3
投稿日時:2024年1月8日

