指向性はアンテナの基本的なパラメータです。これは、指向性アンテナの放射パターンの度合いを示す指標です。全方向に均等に放射するアンテナの指向性は1です（これは0デシベル（-0dB）に相当します）。
球座標の関数は、正規化された放射パターンとして表すことができます。
[式1]
正規化放射パターンは、元の放射パターンと同じ形状を持ちます。正規化放射パターンは、放射パターンの最大値が1になるように大きさが縮小されます（最大値は「F」の式[1]です）。数学的には、指向性（タイプ「D」）の式は次のように表されます。
これは複雑な指向性方程式のように見えるかもしれません。しかし、分子の放射パターンが最も重要です。分母は全方向に放射される平均電力を表します。この方程式は、ピーク放射電力を平均で割った値です。これがアンテナの指向性となります。
方向性パラダイム
例として、2 つのアンテナの放射パターンに関する次の 2 つの式を考えてみましょう。
アンテナ1
アンテナ2
これらの放射パターンは図1にプロットされています。放射モードは極角θ(θ)のみの関数であることに注意してください。放射パターンは方位角の関数ではありません（方位角放射パターンは変化しません）。第1アンテナの放射パターンは、第2アンテナの放射パターンよりも指向性が弱いです。したがって、第1アンテナの指向性は低くなると予想されます。
図1. アンテナの放射パターン図。指向性は高いか？
式[1]を用いると、アンテナの指向性が高いことがわかります。理解度を確認するために、図1と指向性とは何かを考えてみてください。そして、数学を使わずに、どちらのアンテナの指向性がより高いかを判断してください。
方向計算の結果、式[1]を使用します。
指向性アンテナ1の計算値、1.273(1.05dB)。
指向性アンテナ2の計算値、2.707（4.32 dB）。
指向性の向上は、アンテナの集束性、つまり指向性の向上を意味します。つまり、2つの受信アンテナを持つアンテナは、無指向性アンテナの2.707倍のピーク指向性電力を持ちます。アンテナ1は、無指向性アンテナの1.273倍の電力を得ます。等方性アンテナは存在しないにもかかわらず、無指向性アンテナは共通の基準として用いられます。
携帯電話のアンテナは、信号があらゆる方向から来る可能性があるため、指向性が低い必要があります。一方、衛星放送受信アンテナは指向性が高く、固定された方向からの信号を受信します。例えば、衛星放送受信アンテナを購入する場合、設置場所をメーカーから指示されれば、アンテナは希望する信号を受信します。
最後に、アンテナの種類と指向性の一覧を示します。これにより、一般的な指向性について理解していただけると思います。
アンテナタイプ 標準指向性 標準指向性 [デシベル] (dB)
ショートダイポールアンテナ 1.5 1.76
半波長ダイポールアンテナ 1.64 2.15
パッチ（マイクロストリップアンテナ）3.2-6.3 5-8
ホーンアンテナ 10-100 10-20
パラボラアンテナ 10-10,000 10-40
上記のデータからわかるように、アンテナの指向性は大きく異なります。そのため、特定の用途に最適なアンテナを選択する際には、指向性を理解することが重要です。複数の方向から一方向にエネルギーを送受信する必要がある場合は、指向性の低いアンテナを設計する必要があります。指向性の低いアンテナの用途としては、カーラジオ、携帯電話、コンピューターのワイヤレスインターネットアクセスなどが挙げられます。一方、リモートセンシングやターゲットを絞った電力伝送を行う場合は、指向性の高いアンテナが必要になります。指向性の高いアンテナは、目的の方向からの電力伝送を最大化し、不要な方向からの信号を低減します。
指向性の低いアンテナが欲しいとします。どうすればいいでしょうか？
アンテナ理論の一般的なルールは、指向性を低くするには電気的に小さなアンテナが必要であるということです。つまり、アンテナ全体の大きさが0.25～0.5波長のアンテナを使用すれば、指向性を最小限に抑えることができます。半波長ダイポールアンテナや半波長スロットアンテナの指向性は通常3dB未満です。これは、実際に得られる指向性の最小値です。
結局のところ、アンテナ効率とアンテナ帯域幅を低下させずに、アンテナを1/4波長より小さくすることはできません。アンテナ効率とアンテナ帯域幅については、後の章で説明します。
高い指向性を持つアンテナを作るには、様々な波長サイズのアンテナが必要になります。例えば、衛星放送受信用パラボラアンテナやホーンアンテナは、波長が長いため、高い指向性を持っています。
なぜでしょうか？結局のところ、その理由はフーリエ変換の特性に関係しています。短いパルスをフーリエ変換すると、広いスペクトルが得られます。しかし、アンテナの放射パターンを決定する際には、この類似性は存在しません。放射パターンは、アンテナに沿った電流または電圧の分布のフーリエ変換と考えることができます。したがって、小型アンテナは放射パターンが広く（指向性が低く）なります。一方、電圧または電流が大きく均一に分布するアンテナは、非常に指向性の高いパターンになります（指向性が高く）。
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投稿日時: 2023年11月7日
