アンテナ効率を改善するには、反射、内部で失われる電力と放射される電力を分けます。方向を合わせて受信信号が強くなっても、内部損失が減ったとは限りません。次の5項目は、完成した装置と定義した基準面で評価します。
効率・利得・整合の違い
放射効率ηradは、アンテナが受け入れた電力に対する放射電力の比です。基準を定めた1ポートモデルでは、総合効率ηtot = (1−|Γ|²)ηradとなり、Γは反射係数です。
利得には指向性と効率が関係します。特定方向へ集中すればピーク利得が上がる場合がありますが、必ずしも散逸電力が減るわけではありません。改善する指標を先に決めます。
1．完成状態でインピーダンスを整合
適切な基準面まで校正したVNAでS11を測定します。筐体、バッテリー、ケーブルと想定する使用状態を含め、全帯域を確認します。
VSWR 2では|Γ| = 1/3、反射電力は約11.1%です。VSWR 1.5なら4%です。放射効率を70%のままと仮定すると、総合効率は約62.2%から67.2%へ変わります。
これは計算例であり、調整による保証値ではありません。整合回路自身の損失も含めます。損失の大きい構造が良好なS11を示す場合もあります。
2．導体と接点の損失を減らす
材料、厚さ、電流経路とはんだ・接合部を調べます。細いパターン、不適切な接触や腐食が損失の原因になる場合があります。DC導電率だけでアンテナ全体の性能は決まりません。
小型化では装荷素子や強い電流が必要になる場合があります。寸法、帯域と損失を同時に比較します。見える放射部が小さいほど優れているとは限りません。
3．基板と周辺材料を選ぶ
適切な周波数、温度と湿度の誘電特性を使います。強い電界領域にある接着剤、封止材やカバーは、損失や共振周波数に影響します。
パッチ基板を3～5 mmへ厚くすれば効率が一律15%上がる、という規則はありません。表面波、給電とパターンも変わるため、比較可能な構成を解析・測定します。
FR4や商品名だけで、版や測定方法を省略しないでください。保護層や放熱構造も実装の一部です。
4．グラウンドと給電を管理
モノポールや多くの印刷アンテナでは、グラウンドを含む電流が放射に関係します。すべての機器に共通の最適サイズλ/4があるわけではありません。
対称なアンテナを同軸へ接続するときは、適切なバランやコモンモード電流の抑制が必要になる場合があります。ケーブルを動かすと測定値が大きく変わるなら、放射部だけを調整する前に給電系を確認します。
外部ケーブルの損失低減はシステムの電力伝達に有効ですが、アンテナポートを基準とした放射効率の改善とは区別して報告します。
5．放射した電力を検証
適切なパターン積分や、校正された電波反射箱などの方法を、装置と帯域に合わせて使用します。単一方向のRSSIでは全放射電力を測定できません。
| 測定 | 分かること |
|---|---|
| S11・VSWR | ポートの整合と帯域。 |
| 利得・パターン | 空間的な分布。 |
| 効率 | 基準電力に対する放射電力。 |
| 装置試験 | 筐体や使い方の影響。 |
有効開口と受信改善
適切な整合・偏波条件では、有効受信面積はAe = Gλ²/(4π)です。Gは対応する基準の線形利得であり、面積は必ずしも見た目の幾何学面積とは一致しません。
位置、偏波や干渉を改善すると受信品質が上がる場合があります。プリアンプも後段損失の影響を減らせますが、放射効率を変えるわけではなく、過負荷も確認します。
効率の定義と有効開口を参考に、基準面と不確かさを記録します。良い整合を、任意の距離延長や一定の通信速度改善へ読み替えないことが大切です。
