ニュース - アンテナ利得の原理、アンテナ利得の計算方法

アンテナ利得とは、理想的な点光源アンテナを基準とした、特定の方向におけるアンテナの放射電力利得のことです。これは、特定の方向におけるアンテナの放射能力、すなわち、その方向におけるアンテナの信号受信効率または放射効率を表します。アンテナ利得が高いほど、特定の方向におけるアンテナの性能が向上し、より効率的に信号を受信または送信できます。アンテナ利得は通常デシベル（dB）で表され、アンテナ性能を評価するための重要な指標の一つです。

次に、アンテナ利得の基本原理やアンテナ利得の計算方法などについて解説します。

1. アンテナ利得の原理

理論的には、アンテナ利得とは、同じ入力電力のもとで、空間内の特定の位置において、実際のアンテナと理想的な点源アンテナによって生成される信号電力密度の比のことです。ここで、点源アンテナの概念について触れます。点源アンテナとは何でしょうか？実際には、信号を均一に放射すると想像されるアンテナであり、その信号放射パターンは均一に拡散した球体です。実際には、アンテナには放射利得方向（以下、放射面と呼ぶ）があります。放射面上の信号は、理論上の点源アンテナの放射値よりも強くなりますが、他の方向への信号放射は弱くなります。ここで、実際の値と理論値を比較したものが、アンテナの利得です。

この写真はRM-SGHA42-10製品モデルデータ収集

一般的に見られる受動アンテナは、送信電力を増強するどころか、送信電力を消費してしまうという点に留意すべきである。それでもなお利得があるとみなされる理由は、他の方向への放射を犠牲にすることで、放射方向を集中させ、信号利用率を向上させるためである。

2. アンテナ利得の計算

アンテナ利得は実際には無線電力の集中放射の度合いを表しており、アンテナの放射パターンと密接に関係しています。一般的には、アンテナの放射パターンにおいて主ローブが狭く、側ローブが小さいほど利得は高くなります。では、アンテナ利得はどのように計算するのでしょうか？一般的なアンテナの場合、その利得を推定するために、式 G (dBi) = 10Lg {32000/(2θ3dB, E × 2θ3dB, H)} を使用できます。
2θ3dB, E および 2θ3dB, H は、それぞれ 2 つの主平面におけるアンテナのビーム幅です。32000 は統計的な経験データです。

では、100mWの無線送信機に+3dBiのゲインを持つアンテナが搭載されている場合、それは何を意味するのでしょうか？まず、送信電力を信号ゲインdBmに変換します。計算方法は以下のとおりです。

100mW=10lg100=20dBm

次に、送信電力とアンテナ利得の合計である総送信電力を計算します。計算方法は以下のとおりです。

20dbm+3dbm=23dbm

最後に、等価送信電力は次のように再計算されます。

10^（23/10）≈200mw

つまり、+3dBiのゲインを持つアンテナは、送信電力を2倍にすることができる。

3. 一般的な利得アンテナ

一般的な無線ルーターのアンテナは無指向性アンテナです。放射面はアンテナに垂直な水平面上にあり、そこで放射利得が最大になります。一方、アンテナの上端と下端より上方向への放射は大幅に弱まります。例えるなら、信号バットを少し平らにしたようなものです。

アンテナゲインとは、信号の「形状」を調整するものであり、ゲインの大きさは信号の利用率を示します。

また、一般的なプレートアンテナもあり、これは通常指向性アンテナです。放射面はプレートの真前の扇状の領域にあり、他の領域の信号は完全に弱められます。電球にスポットライトカバーを付けるようなものです。

要するに、高利得アンテナは通信距離が長く、信号品質も優れているという利点がありますが、特定の方向（通常は無駄な方向）への放射を犠牲にしなければなりません。低利得アンテナは一般的に指向性範囲は広いものの、通信距離は短くなります。無線製品は工場出荷時に、通常、使用シナリオに合わせて構成されます。