ニュース - アンテナ究極ガイド：アンテナの仕組み（パート2）

前回の議論に引き続き、アンテナには様々な形状や形態がありますが、類似点に基づいて大まかに分類することができます。
波長別：中波アンテナ、短波アンテナ、超短波アンテナ、マイクロ波アンテナ…
性能別：高利得アンテナ、中利得アンテナ…
指向性による分類：無指向性アンテナ、指向性アンテナ、セクターアンテナ…
用途別：基地局アンテナ、テレビアンテナ、レーダーアンテナ、無線アンテナなど。
構造別: ワイヤーアンテナ、平面アンテナ...
システムタイプ別：単一素子アンテナ、アンテナアレイ…

本日は、基地局アンテナについて重点的に解説します。

基地局アンテナは基地局アンテナシステムの構成要素であり、移動体通信システムの重要な部分です。基地局アンテナは一般的に屋内アンテナと屋外アンテナに分けられます。屋内アンテナは通常、無指向性天井アンテナと指向性壁面アンテナを含みます。ここでは屋外アンテナに焦点を当てますが、屋外アンテナも無指向性タイプと指向性タイプに分けられます。指向性アンテナはさらに指向性単偏波アンテナと指向性二重偏波アンテナに細分化されます。偏波とは何でしょうか？心配しないでください、それは後で説明します。まずは無指向性アンテナと指向性アンテナについてお話ししましょう。名前が示すように、無指向性アンテナはすべての方向に信号を送受信しますが、指向性アンテナは特定の方向に信号を送受信します。
屋外用無指向性アンテナはこのような形状をしています。

それは基本的に棒状のもので、太いものもあれば細いものもある。
全方向性アンテナと比較して、指向性アンテナは実際の用途で最も広く使用されている。
ほとんどの場合、それは平らなパネルのように見えるため、パネルアンテナと呼ばれています。

平面アンテナは主に以下の部分から構成されます。

放射素子（ダイポール）

反射板（ベースプレート）

配電ネットワーク（給電ネットワーク）

カプセル化と保護（アンテナレドーム）

以前、奇妙な形をした放射素子を見ましたが、これらは実は基地局アンテナの放射素子です。これらの放射素子の角度にはある一定のパターンがあることにお気づきでしょうか。それらは「+」字型か「×」字型のいずれかになっています。

これが、先ほど「二極化」と呼んだものです。
電波が宇宙空間を伝搬する際、その電場の方向は一定のパターンに従って変化します。この現象を電波の偏光と呼びます。

電磁波の電界方向が地面に対して垂直な場合、それを垂直偏波と呼びます。同様に、地面に対して平行な場合は水平偏波と呼ばれます。さらに、±45°の偏波も存在します。

さらに、電場の方向が螺旋状に回転することもあり、これは楕円偏光波と呼ばれます。

二重偏波とは、2つのアンテナ素子が1つのユニット内に組み合わされ、2つの独立した波を形成することを意味する。

二重偏波アンテナを使用することで、セルカバレッジに必要なアンテナ数を減らし、アンテナ設置の要件を緩和し、投資を削減しながらも、効果的なカバレッジを確保できます。つまり、多くの利点があると言えます。

全方向性アンテナと指向性アンテナについての議論を続けます。
指向性アンテナはなぜ信号放射の方向を制御できるのでしょうか？
まずは図を見てみましょう。

この種の図はアンテナ放射パターンと呼ばれます。
空間は三次元であるため、この上空からの視点と前後方向からの視点は、アンテナ放射強度の分布をより明確かつ直感的に観察する方法を提供する。
上の画像は、一対の半波長対称ダイポールアンテナによって生成されるアンテナ放射パターンであり、平らに寝かせたタイヤにいくらか似ている。
そういえば、アンテナの最も重要な特性の一つは、その放射範囲です。
このアンテナの電波放射範囲を広げるにはどうすればよいでしょうか？
答えは――それを叩くことだ！

これで放射線の到達距離ははるかに長くなるだろう…。
問題は、放射線は目に見えず、触れることもできないということだ。見ることも触ることもできず、写真に撮ることもできない。
アンテナ理論において、アンテナの性能を向上させたい場合、正しいアプローチは放射素子の数を増やすことである。
放射する要素が多いほど、放射パターンは平坦になる。

タイヤを平らにして円盤状にすることで、信号範囲が広がり、360度全方向に電波を放射します。つまり、無指向性アンテナです。このタイプのアンテナは、人里離れた開けた場所での使用に最適です。しかし、都市部では、このタイプのアンテナを効果的に使用するのは難しいでしょう。
人口密度が高く建物が多数存在する都市部では、特定のエリアに信号を供給するために指向性アンテナを使用することが通常必要となる。

したがって、無指向性アンテナを「改良」する必要がある。
まず、その片側を「圧縮」する方法を見つける必要があります。

音波を圧縮するにはどうすればよいでしょうか？反射板を追加して片側に配置します。そして、複数のトランスデューサーを使用して音波を「集束」させます。

最後に、得られた放射パターンは次のようになります。

図において、放射強度が最も高いローブは主ローブと呼ばれ、残りのローブは側方ローブまたは二次ローブと呼ばれ、さらに後方には小さな尾部があり、これを後部ローブと呼ぶ。

えっと、この形はちょっと…ナスに似てる？
この「ナス」に関して、信号カバレッジを最大化するにはどうすればよいでしょうか？
路上に立ってそれを手に持つのは絶対に無理だ。障害物が多すぎる。

高い場所に立てば立つほど遠くまで見渡せるので、私たちは間違いなくより高い場所を目指す必要がある。

高高度にいるとき、アンテナを下に向けるにはどうすればいいですか？とても簡単です。アンテナを下に傾けるだけですよね？
はい、設置時にアンテナを直接傾ける方法もその一つで、これを「機械的ダウンチルト」と呼んでいます。
最新のアンテナはすべて、設置時にこの機能を備えています。機械式アームがその作業を行います。

しかし、機械的なダウンチルトにも問題があります。
機械的なダウンチルトを使用する場合、アンテナの垂直成分と水平成分の振幅は変化しないため、アンテナパターンが著しく歪む。

これは信号カバレッジに影響を与えるため、絶対にうまくいきません。そこで、私たちは別の方法、すなわち電気的ダウンチルト、または単にe-ダウンチルトを採用しました。
つまり、電気的ダウンチルトとは、アンテナ本体の物理的な角度を変えずに、アンテナ素子の位相を調整することで電界強度を変化させる手法である。

機械式ダウンチルトと比較して、電気式ダウンチルトアンテナは放射パターンの変化が少なく、より大きなダウンチルト角度が可能であり、主ローブとバックローブの両方が下向きに指向する。

もちろん、実際の運用においては、機械式ダウンチルトと電動式ダウンチルトはしばしば組み合わせて使用されます。
下向き傾斜を適用すると、次のようになります。

このような状況では、アンテナの主放射範囲が非常に効果的に利用されます。
しかし、問題は依然として存在する。
1. 主ローブと下側ローブの間に放射パターンのヌル点が存在し、その領域に信号の死角が生じます。これは一般的に「シャドウ効果」と呼ばれています。
2. 上側ローブは角度が大きく、より遠くの領域に影響を与え、細胞間干渉を引き起こしやすいため、信号が他の細胞にも影響を与えます。