ニュース - 一般的なアンテナの紹介と分類

1. アンテナ入門
アンテナは、図1に示すように、自由空間と伝送線路との間の遷移構造です。伝送線路は、同軸線路または中空管（導波管）の形をとり、電磁エネルギーを発生源からアンテナへ、またはアンテナから受信機へ伝送するために使用されます。前者は送信アンテナ、後者は受信アンテナと呼ばれます。

図1 電磁エネルギー伝送経路（電源－伝送線路－アンテナ－自由空間）

図1の伝送モードにおけるアンテナシステムの伝送は、図2に示すテブナン等価回路で表されます。ここで、信号源は理想的な信号発生器、伝送線路は特性インピーダンスZcを持つ線路、アンテナは負荷ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]で表されます。負荷抵抗RLはアンテナ構造に関連する伝導損失と誘電損失を表し、Rrはアンテナの放射抵抗を表し、リアクタンスXAはアンテナの放射に関連するインピーダンスの虚数部を表します。理想的な条件下では、信号源によって生成されたすべてのエネルギーは放射抵抗Rrに伝達され、これはアンテナの放射能力を表すために使用されます。しかし、実際のアプリケーションでは、伝送線路とアンテナの特性による導体-誘電損失、および伝送線路とアンテナ間の反射（不整合）による損失が発生します。電源の内部インピーダンスを考慮し、伝送線路および反射（不整合）損失を無視すると、共役整合時にアンテナに最大電力が供給されます。

図2

伝送線路とアンテナのインピーダンス不整合により、界面からの反射波が、光源からアンテナへの入射波と重なり合って定在波を形成します。この定在波はエネルギーの集中と蓄積を表し、典型的な共振デバイスです。典型的な定在波パターンは、図2の点線で示されています。アンテナシステムが適切に設計されていない場合、伝送線路は導波管やエネルギー伝送デバイスとしてではなく、エネルギー蓄積要素として大きく機能する可能性があります。
送電線、アンテナ、および定在波によって生じる損失は好ましくありません。送電線損失は低損失の送電線を選択することで最小限に抑えることができ、アンテナ損失は図2のRLで表される損失抵抗を低減することで低減できます。アンテナ（負荷）のインピーダンスを送電線の特性インピーダンスに整合させることで、定在波を低減し、送電線におけるエネルギー蓄積を最小限に抑えることができます。
無線システムでは、アンテナはエネルギーの受信や送信に加えて、特定の方向への放射エネルギーを増幅し、他の方向への放射エネルギーを抑制する役割も担います。そのため、アンテナは検出装置だけでなく、指向性デバイスとしても使用されます。アンテナは、特定のニーズに合わせて様々な形状をとることができます。例えば、ワイヤー、開口部、パッチ、素子アレイ、反射鏡、レンズなどがあります。

無線通信システムにおいて、アンテナは最も重要な構成要素の一つです。優れたアンテナ設計は、システム要件を低減し、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。その典型的な例がテレビ放送で、高性能アンテナを使用することで受信品質を向上させることが可能です。アンテナは、通信システムにとって、人間にとっての目のような存在です。

2. アンテナの分類
1. ワイヤーアンテナ
ワイヤーアンテナは、自動車、建物、船舶、航空機、宇宙船など、ほぼあらゆる場所で見られるため、最も一般的なアンテナの1つです。ワイヤーアンテナには、図3に示すように、直線（ダイポール）、ループ、スパイラルなど、さまざまな形状があります。ループアンテナは円形である必要はなく、長方形、正方形、楕円形、またはその他の形状にすることができます。円形アンテナは、そのシンプルな構造のため、最も一般的です。

図3

2. 開口アンテナ
アンテナの複雑な形状に対する需要の高まりと高周波の利用拡大に伴い、開口アンテナの役割はますます大きくなっています。図4には、開口アンテナのいくつかの形態（ピラミッド型、円錐型、矩形ホーン型アンテナ）が示されています。このタイプのアンテナは、航空機や宇宙船の外殻に容易に取り付けることができるため、航空機や宇宙船の用途に非常に適しています。さらに、誘電体材料の層で覆うことで、過酷な環境から保護することも可能です。

図4

3. マイクロストリップアンテナ
マイクロストリップアンテナは、主に衛星用途で1970年代に非常に普及しました。このアンテナは、誘電体基板と金属パッチで構成されています。金属パッチは様々な形状をとることができますが、図5に示す長方形パッチアンテナが最も一般的です。マイクロストリップアンテナは、薄型で、平面および非平面の表面に適しており、製造が簡単で安価であり、剛性のある表面に取り付けた場合に高い堅牢性を持ち、MMIC設計と互換性があります。航空機、宇宙船、衛星、ミサイル、自動車、さらにはモバイル機器の表面に取り付けることができ、形状に合わせて設計することも可能です。

図5

4. アレイアンテナ
多くの用途で求められる放射特性は、単一のアンテナ素子では実現できない場合があります。アンテナアレイを用いることで、複数の素子からの放射を合成し、一つまたは複数の特定の方向への放射を最大化することができます。図6にその典型的な例を示します。

図6

5. 反射アンテナ
宇宙探査の成功は、アンテナ理論の急速な発展にもつながりました。超長距離通信の必要性から、数百万マイル離れた場所で信号を送受信するために、極めて高い利得を持つアンテナを使用する必要があります。この用途でよく用いられるアンテナの形状は、図7に示す放物面アンテナです。このタイプのアンテナは直径が305メートル以上あり、数百万マイル離れた場所で信号を送受信するために必要な高い利得を得るには、このような大きなサイズが必要です。反射器の別の形状としては、図7（c）に示すようなコーナー反射器があります。

図7

6. レンズアンテナ
レンズは主に、入射散乱エネルギーを平行光に集束させ、不要な放射方向への拡散を防ぐために使用されます。レンズの形状を適切に変更し、適切な材料を選択することで、様々な形態の拡散エネルギーを平面波に変換できます。レンズは、放物面反射アンテナなど、ほとんどの用途で使用できますが、特に高周波ではそのサイズと重量が非常に大きくなります。レンズアンテナは、構成材料や幾何学的形状によって分類され、その一部を図8に示します。