Wi-Fi HaLow（920MHz）におけるアンテナとリンクバジェット

February 2026

無線周波数（RF）は本質的にエネルギー伝達の問題であり、回路図よりも幾何学的条件と物理法則に強く支配される。

Wi-Fi、スマートフォン、レーダー、衛星通信において目的は同じである。情報を空間中に伝搬させることだ。無線機は選択した周波数の交流電気エネルギーにデータを重畳し、そのエネルギーを導体内で伝送し、アンテナによって自由空間へ電磁波として放射する。受信アンテナは伝搬してきたエネルギーの一部を捕捉し、それを再び電気信号へ変換し、元の情報を復元する。情報はエネルギーの上に乗っている。

送信機から空間へ、空間を通過し、受信機へ戻るまでのエネルギー伝達効率が、到達距離、データレート、信頼性、耐雑音性を決定する。アンテナ設計とは、導波構造と電磁界の間の結合を制御することである。

周波数と波長がスケールを決める

RFにおける基本的制約は、周波数と波長の関係である。

$$ \lambda = \frac{c}{f} $$

ここで $c$ は光速、$f$ は周波数である。

920MHz（日本におけるWi-Fi HaLow）では、波長は約 32.6 cm である。すべてのアンテナ特性はこの長さを基準に決まる。アンテナは共振構造^[1]であり、その電気的特性は波長に対する物理寸法比に依存する。920MHzにおける4分の1波長は約 8 cm、2分の1波長は約 16 cm である。

構造物が特定の周波数で電界と磁界に蓄えられたエネルギーを最も効率よく交換し、自然に振動する状態を共振という。

装置サイズが数センチ程度しかない場合、そのアンテナは「電気的に小さい」^[2]とみなされる。電気的に小さいアンテナは放射するエネルギーよりも蓄積するエネルギーの方が多い。結果として放射効率^[3]は低下し、帯域幅は狭くなり、周囲環境への感度は高まる。920MHzではミリメートル単位の形状変化でも電気的に有意である。

「電気的に小さい」とは、アンテナの物理寸法が波長に比べて十分小さい（通常は波長の約10分の1未満）ことを指す。

放射効率とは、入力電力のうち実際に電磁波として放射される割合であり、蓄積または熱として損失される分を除いたものである。

放射効率は次式で表される。

$$ \eta = \frac{R_\text{rad}} {R_\text{rad} + R_\text{loss}} $$

ここで $R_\text{rad}$ は放射抵抗、$R_\text{loss}$ は導体損失および誘電体損失を表す。

放射抵抗は電磁波として放射される電力に対応する。損失抵抗は熱として消費される電力に対応する。電気的に小さいアンテナは放射抵抗が低いため、わずかな導体損失や誘電体損失でも効率が大きく低下する。

アンテナの役割

アンテナは電力を増幅する装置ではない。導かれた電気エネルギーを自由空間へ「結合」する構造である。この結合効率は共振状態、インピーダンス整合、周囲環境に依存する。整合が取れ、かつ外乱がなければ、供給された電力の大部分は伝搬電磁波^[4]となる。デチューンや不整合がある場合、電力は反射または損失として消費される。

伝搬波とは、アンテナから分離し、空間中を外向きに進むエネルギーを指す。

したがって到達距離を支配するのは、わずかな送信出力増加ではなく、結合効率である。

利得は空間的再分配

アンテナ利得（dBi）^[5]は、理想的な等方性放射体^[6]を基準とする。放射エネルギーの指向性集中度を示す指標である。

dBiは、等方性放射体を基準とした利得を対数デシベル尺度で表す単位である。

等方性放射体とは、全方向に均一に放射する理論上の点電源である。

利得が高くても総放射エネルギーは増えない。空間的に再分配され、特定方向の強度が増す一方で他方向は減少する。「無指向性」とは通常、水平方向に対して均一であることを意味し、三次元的に完全均一という意味ではない。

920MHzでは、外付け無指向性アンテナで +2〜+4 dBi 程度が一般的である。小型内蔵アンテナでは、筐体デチューンや損失を含めると実効利得が負値になることもある。その差は実用上、送信出力調整よりも大きい。

偏波と姿勢

偏波^[7]は電界の方向を定義する。サブGHz帯では通常、垂直偏波が用いられる。

偏波とは、電磁波の電界ベクトルの向きを指す。

偏波不一致は 10〜30 dB の損失を生むことがある。したがってアンテナ姿勢はリンクマージン^[8]に直接影響する。無指向性であっても、姿勢非依存を意味するわけではない。

リンクマージンとは、安定復調に必要な最小受信電力に対する余剰信号強度である。

インピーダンスとエネルギー受容

インピーダンスは、構造が交流エネルギーにどう応答するかを示す量であり、抵抗成分とリアクタンス成分^[9]から成る。単位はオームである。実際に放射または消費されるのは抵抗成分のみであり、リアクタンス成分は各周期でエネルギーを蓄積・返還する。

リアクタンス成分は電界または磁界に一時的にエネルギーを蓄えるが、消費はしない。

多くのRFシステムは、電力処理能力、損失、雑音のバランスから 50Ω を標準とする。送信機、ケーブル、アンテナは動作周波数で50Ωを呈するよう設計される。アンテナのインピーダンスが50Ωからずれると、エネルギー伝達効率は低下する。

反射と不整合

インピーダンス不整合は反射を生み、その度合いは反射係数^[10]で表される。

反射係数は、インピーダンス不整合により反射される電圧の割合を示す。

$$ \Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0} $$

ここで $Z_L$ はアンテナインピーダンス、$Z_0$ は50Ωである。

$\Gamma$ は電圧比であり、反射電圧と入射電圧の比を示す。反射電力はその絶対値の二乗に比例する。

$$ P_\text{reflected} = |\Gamma|^2 $$

例えば $|\Gamma|=0.5$ の場合、反射電力は25%である。

$Z_L = Z_0$ のとき反射はゼロとなり、電力伝達は最大となる。不整合が大きいほど反射は増え、放射は減少する。

VSWR^[11]は同じ状態を別の指標で表す。

VSWR（電圧定在波比）は、伝送線路上の最大電圧と最小電圧の比として不整合を表す。

1:1 は理想整合。
2:1 は約11%の電力反射。
6:1 は約50%の電力反射。

不整合は送受両方向に影響

インピーダンス不整合は、送信側では放射電力を減少させ、受信側では受信電力の変換効率を低下させる。

送信アンテナで3 dB損失があれば、放射電力は半減する。受信アンテナでも同様に3 dB損失があれば、到来電力の半分しか有効信号にならない。

これらはリンクバジェット上で加算される。両端で3 dBずつの損失は、合計6 dBのリンクマージン低下となる。

リンクマージンは最大到達距離を決めるため、小さな効率低下でも距離に直接影響する。

環境との相互作用

波長の約10分の1以内では、電界は主にリアクティブ近傍界^[12]であり、まだ伝搬波として確立していない。

リアクティブ近傍界では、エネルギーはアンテナ周囲で振動するが、外方へ伝搬する波としてはまだ分離していない。

920MHzではこの距離は約 30〜35 mm である。

近傍の金属は電気的長さを変化させ、共振点をずらし、放射抵抗^[13]を変化させ、エネルギーを吸収する。内蔵アンテナは筐体形状、PCBレイアウト、電池配置、ユーザー接触に強く依存する。外付けアンテナはより安定した境界条件^[14]で動作する。

放射抵抗は、実際に電磁波として放射される電力に対応するインピーダンス成分である。

境界条件とは、周囲の導体、誘電体、形状など電磁界を規定する物理的条件を指す。

予測可能なインピーダンスと再現性

予測可能なインピーダンスとは、個体差や環境変化に対して安定した電気特性を示すことである。

外付けSMAアンテナは、製造時に幾何形状、接地基準、導体間距離が固定される。内蔵アンテナはホスト機器構成に依存し、ばらつきが大きい。

最大効率よりも再現性が重要な場合も多い。

複数アンテナと結合

近接配置されたアンテナ同士は近傍界を通じて結合する。相互結合^[15]はインピーダンスや放射パターンを変化させ、受信感度を低下させることがある。

相互結合とは、近接するアンテナ同士が互いの電流分布を変化させる現象である。

920MHzでは、少なくとも 4分の1波長（約8 cm） の間隔が目安である。2分の1波長 が望ましい。偏波ダイバーシティは補助的手段であり、物理的間隔の代替にはならない。

アンテナ効率と送信出力

送信出力を3 dB上げると電力は2倍になる。
アンテナ性能が10 dB改善すると実効放射電力は10倍になる。

アンテナは送受両経路に影響するため、効率改善の効果は送信出力増加よりも大きい場合が多い。

リンクバジェットという系モデル

システム性能はリンクバジェットに帰着する。

$$ \text{Link Margin} = P_\text{TX} + G_\text{TX} + G_\text{RX} - \text{Path Loss} - \text{Losses} $$

パスロスとは、エネルギーが距離とともに拡散・減衰することによる信号強度低下である。

アンテナ特性は利得と損失に直接影響する。Wi-Fi HaLowのような低レート系では受信感度は比較的高く、アンテナ効率と設置条件が制約要因となる。

自由空間伝搬損失

理想自由空間では、電力密度は距離の二乗に反比例して減衰する。これを自由空間伝搬損失（FSPL）という。

$$ \text{FSPL (dB)} = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 32.44 $$

ここで $d$ は距離（km）、$f$ は周波数（MHz）である。

920MHz、距離1 kmの場合：

$$ \text{FSPL} \approx 20 \log_{10}(1) + 20 \log_{10}(920) + 32.44 \approx 91.7\ \text{dB} $$

これは幾何学的拡散だけによる基礎損失である。アンテナ不整合、偏波損失、筐体吸収、多重経路などを考慮する前に、約92 dBを克服する必要がある。

アンテナ効率の1 dB低下は、そのままマージン1 dBの減少に直結する。

例えば、送信出力14 dBm、送受ともに +3 dBi の場合、1 kmでの受信電力は：

$$ 14 + 3 + 3 − 91.7 ≈ −71.7 \text{ dBm} $$

これは理想自由空間条件下での受信入力電力である。リンク成立は、この値が受信感度閾値よりどれだけ上回るかで決まる。

dBmは1 mWを基準とした対数電力単位である。

$$ P(\text{dBm}) = 10 \log_{10}\left(\frac{P}{1\text{ mW}}\right) $$

負のdBmは負電力を意味しない。1 mW未満であることを示す。例えば −70 dBm は 0.0000001 mW（100ピコワット）である。

受信感度が −105 dBm の場合：

$$ -71.7 - (-105) = 33.3\ \text{dB} $$

この33 dBがリンクマージンであり、必要最小電力に対する余裕分を示す。

コアモデル

920MHzでは、波長が物理スケールを決定する。アンテナは幾何学に制約された共振構造である。インピーダンス不整合は反射を生む。偏波不一致は結合を弱める。近傍導体は共振をデチューンさせる。わずかな寸法変化でも電気的影響は測定可能である。

アンテナとは、波長と境界条件によって定義されるエネルギー結合構造である。このモデルで捉えれば、その挙動は決定論的に理解できる。