一般的なアンテナ設計の概要

この記事をスマートフォンまたはラップトップで読んでいるならば、それはアンテナによって実現しています。アンテナは私たちの生活をつなぐために不可欠なもので、ビデオゲームをしたり、カーナビシステムに電力を供給したり、宇宙空間で小惑星を少しずつ動かしたりなど、あらゆることを可能にします。アンテナは、今では至る所に存在していますが、アンテナの設計とアプリケーションはさまざまです。

アンテナの仕組み

単純な線状ダイポールアンテナから多入力多出力（MIMO：Multiple-Input and Multiple-Output）フェーズドアレイまで、どのアンテナも基本的には同じことを行います。つまり、電磁信号の送受信です。これを行うために、電気信号は伝送可能な電磁波に変換されます。次に、情報は特定の波長で空気を介して送信され、目的の位置の別のアンテナによって受信および変換されます。 

アンテナは空間中に信号を送ることで、私たちは遠く離れた場所でも光速で通信できるようになります。この無線での接続性は、ヘルスケア、航空宇宙、通信、モビリティなど、さまざまな業界での発展に不可欠なものです。アンテナの用途が拡大し続ける中、ユースケースごとに必要なアンテナのタイプも増えています。

さまざまなタイプのアンテナが存在する理由

範囲や使用可能なスペースなど、さまざまな要因によって、特定のアプリケーションに最適なアンテナタイプが決まります。たとえば、飛行機と管制塔の間の通信を確保するためのアンテナは、Bluetooth対応のマグカップのアンテナとは大きく異なります。どちらも無指向性機能を備えたアンテナが必要ですが、飛行機の場合は、はるかに広い範囲が必要となり、マグカップの場合は非常に狭いスペースに適したアンテナが必要です。

アンテナ設計の基準

• 帯域幅: 特定の信号の周波数範囲
• 偏波: アンテナから放射される電界の方向
• 指向性: 放射が単一方向に集中する度合い
• 物理的なスペース: アンテナが収まる必要がある領域のサイズ
• ゲイン: ピーク放射の方向に送信される電力の量
• 効率: アンテナの放射電力と供給電力の比率

一般的なアンテナタイプ

一般的なアンテナタイプの基本的な特性を知ることは、アプリケーションに適したアンテナを選択するのに役立ちます。 

半波長ダイポールアンテナ

半波長ダイポールは、ダイポールアンテナをベースにしており、これは2本の導電性ロッドまたはワイヤで構成された最も単純で実用的なアンテナです。「半波長」という用語は、動作周波数において波長の半分であるアンテナの物理的なサイズを指します。

設計と製造が簡単なため、半波長ダイポールアンテナは非常に一般的です。実際、ほとんどすべてのアンテナはこの設計に基づいています。これは、クリーンな直線偏波および回転対称の放射パターンを持っています。

半波長ダイポールアンテナは長さL = l/2の線形導電素子で構成されており、通常は長さの半分の位置に設けられたギャップによって給電されます。通常は狭帯域アンテナと見なされますが、アンテナ本体の形成に使用されるワイヤの半径を増やすことで、帯域幅を効果的に広げることができます。 

PIFAアンテナ

板状逆Fアンテナ（PIFA: Planar Inverted-F Antenna）は、携帯電話やほぼすべての電子機器に搭載されています。これらのアンテナは、ダイポールの1つのバリエーションであり、非常に安価で、さまざまな帯域幅を実現するためにさまざまなバリエーションでプリンティングでき、小さなスペースに適しています。 

ホーンアンテナ

ホーンアンテナは、スピードガンのような非常に高い指向性を必要とするアプリケーションでよく使用されます。これらは比較的単純なジオメトリを持ち、より少ない損失でより高い電力を扱うことができます。

ホーンアンテナは、端部で外側に向かって広がり、開口部で終端する導波管のセクションで構成されています。この広がり形状（フレア）の目的は、アンテナの指向性を高め、フレアの平面内のビーム幅を狭くすることです。

アンテナのホーン部を形成するために、ホーンアンテナのフレアは電界の方向（E面扇形フレア）のみ、磁界の方向（H面扇形フレア）のみ、または両方向（ピラミッド形フレア）に形成されます。

ホーンアンテナは、一般的には非常に広帯域で、導波管のカットオフ周波数を超えて動作し、導波管の電界と同じ方向に向けられた直線偏波を放射します。 

八木・宇田アンテナ

単に「八木アンテナ」と呼ばれることもある八木・宇田アンテナは、単一のダイポールアンテナで構成されており、他の（非駆動）線形導電素子のアレイ内で動作します。これらは、高い指向性が重要なアプリケーションで非常に効果的であり、テレビ受信アンテナとしてよく使用されます。 

八木・宇田アンテナを構成する反射器と導波器の厳密な数は異なりますが、一般的な設計では、1つの反射器素子と3つの導波器素子で構成されています。反射器素子はダイポールよりわずかに長く、導波器素子はダイポールよりもわずかに短くなります。

八木・宇田アンテナは、回転対称の放射パターンを持つ単独のダイポールとは異なり、最大放射は反射器から導波器の方向に向けられており、非常に指向性が高くなります。

八木・宇田アンテナは、ダイポールのように狭帯域で直線偏波を持ち、電界がダイポールと同じ方向に配向されています。 

スロットアンテナ

スロットアンテナはダイポールアンテナと同じ概念に基づいていますが、異なる電流セットを使用（電界ではなく磁界に反応）します。これらは飛行機のノーズコーンや回路基板で使われています。

スロットアンテナは、それ以外は平面の導波管に、長方形の1/2波長で設けられたスロットで構成されています。Babinetの原理によれば、動作は半波長ダイポールアンテナに似ています。放射電磁界も半波長ダイポールアンテナのものとほぼ似ていますが、電界と磁界の偏波はほぼ逆です。

スロットアンテナの放射パターンはダイポールアンテナの放射パターンとほぼ同じですが、グラウンドプレーンがないことでわずかな非対称性が生じます。スロットアンテナの帯域幅はスロットの幅に応じて変化し、直線偏波を持ち、電界がスロットの長さ方向に垂直になるように配向されます。 

方形パッチアンテナ

方形パッチアンテナは、ロープロファイルの用途で最も一般的に選択されるタイプで、携帯電話などの平坦な空間に収まるようにプリンティングされています。パッチアンテナの概念は単純ですが、より広い帯域で動作したり、絶縁性を高めたり、複数の周波数で動作したりするように簡単に変更できます。

方形パッチアンテナは、厚さ（d）と比誘電率（e_r）の誘電体スラブの表面に配置された、幅（W）と長さ（L）の長方形の導電素子と導電性の支持板で構成されます。  

パッチアンテナの放射は、パッチ下のキャビティ内の場の共振によって発生します。この共振は、アンテナの長さが、誘導波の長さの半分よりわずかに短い場合に発生します。これは、パッチの端部での場のフリンジングにより、パッチが実際の長さよりも長く見えることで起こります。

方形パッチアンテナは、通常、誘電体を上部まで貫通する同軸プローブであるマイクロストリップ、または共振空洞やその他の近接共振器とのカップリングによって給電されます。 

プロジェクトで使用する最適なアンテナを決定するために、エンジニアはAnsys HFSSなどのシミュレーションソフトウェアを使用して、設計のテストと実証を行います。人工衛星、プリント回路基板、あるいは他の高度な高周波エレクトロニクスを開発する場合、シミュレーションはさまざまなアンテナ構成がどのように機能するかを示します。詳細については、ウェビナー「シミュレーションによるアンテナ設計の最適化」をご覧ください。