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がどのようなものかを示す指標です。あらゆる方向に均等に放射するアンテナの指向性は1になります（これは0デシベル、-0 dBに相当します）。
球面座標の関数は、正規化された放射パターンとして記述できる。
[式1]
正規化された放射パターンは、元の放射パターンと同じ形状をしています。正規化された放射パターンは、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。
これは複雑な方向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、あらゆる方向に放射される平均電力を表します。したがって、この方程式は、最大放射電力を平均値で割った値であり、アンテナの指向性を示します。
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を表す次の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を図 1 に示します。放射モードは極角 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 (方位角方向の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低くなっています。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。指向性が高いか？
式[1]を用いると、アンテナの指向性が高いことが計算できます。理解度を確認するために、図1と指向性について考えてみてください。そして、数学的な計算を使わずに、どちらのアンテナの指向性が高いかを判断してください。
方向計算結果、式[1]を使用：
指向性アンテナ1の計算値、1.273（1.05 dB）。
指向性アンテナ2の計算値、2.707（4.32 dB）。
指向性が高まるということは、アンテナの指向性が高まることを意味します。つまり、2つの受信アンテナは、無指向性アンテナに比べてピーク時の指向性電力が2.707倍になります。アンテナ1は、無指向性アンテナの1.273倍の電力を受け取ります。等方性アンテナは存在しませんが、無指向性アンテナは一般的な基準として使用されます。
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、指向性が低い方が良い。一方、衛星放送受信アンテナは指向性が高い。衛星放送受信アンテナは、固定された方向から信号を受信する。例えば、衛星テレビのアンテナを購入する場合、会社から設置場所の指示があり、アンテナはその方向を向いて目的の信号を受信する。
最後に、アンテナの種類とその指向性の一覧を示します。これにより、どのような指向性が一般的かを把握できるでしょう。
アンテナの種類 標準指向性 標準指向性［デシベル］（dB）
短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
パッチアンテナ（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
ディッシュアンテナ 10-10,000 10-40
上記のデータが示すように、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例としては、カーラジオ、携帯電話、コンピュータの無線インターネットアクセスなどが挙げられます。逆に、リモートセンシングや特定の方向への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必要な場合、どのようにすればよいでしょうか？
アンテナ理論の一般的な法則は、指向性を低くするには、電気的に小型のアンテナが必要であるということです。つまり、アンテナ全体のサイズが波長の0.25～0.5倍程度であれば、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は、通常3dB未満の指向性を持ちます。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、アンテナの効率と帯域幅を低下させることなく、アンテナを波長の4分の1よりも小さくすることは不可能です。アンテナ効率とアンテナ帯域幅については、今後の章で詳しく説明します。
指向性の高いアンテナを実現するには、様々な波長サイズのアンテナが必要になります。例えば、衛星放送受信アンテナやホーンアンテナは高い指向性を持っています。これは、これらのアンテナが多くの波長にわたって長いことが一因です。
なぜでしょうか? 究極的には、その理由はフーリエ変換の特性に関係しています。短いパルスのフーリエ変換を行うと、広いスペクトルが得られます。この類似性は、アンテナの放射パターンを決定する際には当てはまりません。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、小型アンテナは広い放射パターンを持ち（指向性が低い）、大きな均一な電圧または電流分布を持つアンテナは、非常に指向性の高いパターン（指向性が高い）を持ちます。
E-mail:info@rf-miso.com
電話番号：0086-028-82695327
ウェブサイト：www.rf-miso.com
投稿日時：2023年11月7日
