第6回 無線通信 無線に必要な周波数と波長 無線通信概要 電磁波と電波 電磁波の発生 電波の伝わり方 アンテナ アンテナの動作原理

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1 第6回 無線通信 無線に必要な周波数と波長 無線通信概要 電磁波と電波 電磁波の発生 電波の伝わり方 アンテナ アンテナの動作原理
第6回　無線通信 無線に必要な周波数と波長 無線通信概要 電磁波と電波 電磁波の発生 電波の伝わり方 アンテナ アンテナの動作原理 アンテナの特性 アンテナの実例 給電 1

2 無線通信に使われる周波数 3× 10 8 無線通信に使われる電波の周波数 ３kHz～300GHz まずは、単位を思い出して
問１　1kHz、1MHz、1GHzはそれぞれ、何Hz？ 電波（電磁波）の周波数𝑓[𝐻𝑧]と波長 λ[𝑚]の関係は、 　　　𝑐=𝑓λ= [ 𝑚 𝑠 ] 問２　1kHz、1MHz、1GHzの波長はそれぞれ、何m？ 3× 10 8

3 スマートフォンや携帯電話の無線通信技術 さて、皆さんが利用しているスマートフォンで利用できる
無線通信技術にはどのようなものがあるでしょうか？ 例えば、３Ｇは無線通信技術ですが、SNSやTwitterはサービス ですので無線通信技術ではありません。 問3　周りの人と意見交換して、わかる範囲で出してみましょう 　　（まずは、インターネットを使わずに）

4 無線通信技術の起源 無線通信の歴史的な出来事 1864年 マクスウエル（James Clerk Maxwell）が電磁波の存在を予測
1888年 ヘルツ（Heinrich Rudolf Hertz）により電波の送受信実験 1895年 マルコーニ（Gugliemo Marconi）の無線通信実験の成功 　電波を用いた無線通信の時代の幕開け後、 　無線通信は船舶通信など業務用、ラジオ放送（1900年代）、 　テレビ放送、衛星通信、携帯電話、・・・に利用される

5 国際電気通信連合、電波法(P.125) 国際電気通信連合(ITU：International Telecommunication Union) 1932年　国連（国際連合）の専門機関として発足 目的：「電気通信の改善と合理的利用の国際協力増進」 193の加盟国からなり、国際的な電波の分配、混信防止、 電気通信の標準化、開発途上国の技術支援などの活動 電波法とは 1950年に制定。 電波の公平で能率的な利用確保し、公共福祉の増進を目的。 無線局、無線従事者、免許、放送法、秘密保護などを規定。 電波法では、電波は300万MHz以下と規定しています。

6 電磁波の発生(P.126) + - + - + - + - + - 電源に高周波 交流電流を流す 電界 磁界 ①電圧が加わり 電界と磁界
電極 + - 電極 電極 + - 電極 + - 電極 + - 電界 磁界 ①電圧が加わり 電界と磁界 が現れる ②電圧最大 ③電圧が減少し 電界が電極 から離れ始める ④電極の正負が 変わり、電界が 放射される ⑤電極の極性が 変わる度に、 電界、磁界が放射 ⇒ 電磁波となる

7 電磁波の放射(P.127) 電界と磁界が 同時に放射される 電界と磁界は互いに直角な方向を持ち、 電源の高周波電流と同じ周波数で変化

8 電磁波の放射(P.127) 𝑐=𝑓λ=3× 10 8 [ 𝑚 𝑠 ] 電磁波の性質 ①直進②反射③屈折④回析 ⇒ 光と同じ性質を持つ
　①直進②反射③屈折④回析 　⇒　光と同じ性質を持つ 周波数が3MHz以下の電磁波は、 多少の高低でも地表に沿って伝わります 　　（AMラジオ等） xy平面を大地とすると、 右図は垂直偏波となる (xz平面が大地 ⇒ 水平偏波) 電磁波の周波数𝑓[𝐻𝑧]と波長 λ[𝑚]の関係 𝑐=𝑓λ=3× [ 𝑚 𝑠 ] 問4へ

9 電磁波と電波(P.128) 電波法では、 300万MHz（3000GHz）以下の電磁波を電波といいます
赤外線よりも長い波長(＝低い周波数)が電波です

10 300GHz以下の電波の分類 周波数 波長 超長波 VLF 長波 LF 中波 MF 短波 HF 超短波 VHF 極超短波 UHF マイクロ波
3kHz 30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz 3GHz 30GHz 300GHz 超長波 VLF 長波 LF 中波 MF 短波 HF 超短波 VHF 極超短波 UHF マイクロ波 SHF ミリ波 EHF 100km 10km 1km 100m 10m 1m 100mm 10mm 1mm 波長 潜水艦通信 標準電波 ＡＭラジオ 短波放送 アマチュア無線 ＦＭラジオ 地デジ 携帯電話 無線ＬＡＮ 衛星放送 マイクロ波通信 衝突防止レーダ 無線標識 ＧＰＳ 電波時計 車載レーダ ビーコン 12GHz 2.4、5GHz 470～770MHz 1.2、1.5GHz 160～415kHz 40、60kHz

11 電波の伝わり方(P.129) 送信所から発射された電波は、どのように伝わるのだろうか？ MF(中波帯)、ＬＦ(長波帯) ⇒地表波、電離層波
　　⇒長距離向き HF(短波帯) ⇒電離層波(反射波で長距離) 　　⇒国際通信向き VHF(超短波帯)以上 ⇒電離層を突き抜ける直接波 　 大地反射波、対流圏波 　　⇒衛星通信向き 電離層は D、E、F層 地上波　⇒　直接波、地表波、大地反射波 上空波　⇒　電離層波、対流圏波 スポラジックE層： 通常は電離層を突き抜けるVHF以上の電波を反射させ、春から夏に発生し易い原因不明の現象 ⇒ 1000km以上離れた電波受信や混信が発生する 問5へ

12 電波伝搬の諸現象(P.131) フェージング デリンジャー現象と磁気あらし 受信点での電波強度が変動する現象を フェージングと呼びます
⇒　LF、MFでは、 　　　直接波と電離層の反射波の干渉、 　　　電離層の反射波と反射波の干渉 　　により発生する デリンジャー現象と磁気あらし 太陽の爆発現象(フレア)により、太陽面(昼間側)でHFの電波が電離層(D層)に 吸収され数十分程度の電波障害が起きる現象をデリンジャー現象と呼びます。 地球の磁気が太陽の活動の影響を受けて乱される現象を磁気あらしと 呼びます。磁気あらしにより、デリンジャー現象が発生することがしばしばあります。

13 電波伝搬の諸現象 見通し距離 𝑑 1 2 + 𝑟 2 = (𝑟+ ℎ 1 ) 2 = 𝑟 2 +2𝑟 ℎ 1 + ℎ 1 2
ℎ 1 2 ≪ 𝑟 2 なので無視すると 𝑑 1 2 =2𝑟 ℎ 1 𝑑 1 = 2𝑟 ℎ 1 同様に 𝑑 2 は 𝑑 2 = 2𝑟 ℎ 2 よって、 𝑑= 𝑑 1 + 𝑑 2 = 2𝑟 ℎ 𝑟 ℎ 2 𝑟= 4 3 ×6370×1000 を代入 見通し距離 𝑑=4.12( ℎ ℎ 2 ) [km] 教科書P132の脚注 見通し距離外の伝搬 異常気象などによって、高度が上がるに従って、屈折率が増加する大気を逆転層と呼びます。逆転層により、見通し距離外まで伝搬することをラジオダクトと呼びます。また、反射や屈折で散乱した電波（散乱波と呼ぶ）によっても、見通し距離外へ伝わります。 問6へ

14 アンテナの動作原理(P.133) アンテナの役割 高周波電力→電波を放射 空間電波→高周波電力に変換 導線の長さを電源の高周波波長の
半分にしたとき、強い電波が導線 から放射されることから、このような 導線を半波長アンテナと呼びます。（半波長ダイポールアンテナ） アンテナは高周波回路と して働き、固有の周波数で 共振します LC直列共振回路 と等価 問7へ

15 アンテナの特性(P.136) 実効長 実効長 ℓ 𝑒 = 2 𝜋 ℓ [𝑚] 指向性 問9へ アンテナ各部の電流の大きさを一様
として扱うとき、アンテナの等価的な 長さをアンテナの実効長と呼びます。 実効長 ℓ 𝑒 = 2 𝜋 ℓ [𝑚] 指向性 半波長アンテナの 指向性は8の字形 アンテナからどの方向にどれだけの 強さの電波を放射しているかを平面上 に示したものを指向特性または指向性 と呼びます。 水平面の指向は全方向 1/4波長アンテナは、地面に垂直にする ことで、地面に1/4波長分の鏡像を作り 出し、全体で1/2波長アンテナと同様の 効率を得ています 問9へ

16 アンテナの特性(P.138) アンテナ利得 𝐺=10 log 10 𝑃 0 𝑃 𝐺 を被測定アンテナのアンテナ利得 問10へ
被測定アンテナに P[W]、基準アンテナに P0 [W]の電力を加え、 同一距離のQ地点で電界強度が同じになるとき(下図)、 𝐺=10 log 𝑃 0 𝑃 𝐺 を被測定アンテナのアンテナ利得 といいます。 基準アンテナを全方向に均等に電波を放射 するアンテナとしたときの 𝐺 を絶対利得と呼び、 基準アンテナを半波長アンテナとした ときの 𝐺 を相対利得と呼びます。 問10へ

17 アンテナの実例(P.139) (c)列車無線アンテナ (b)ラジオ用 逆L型アンテナ T型アンテナ (d)ラジオの中のバーアンテナ
壁や天井にＴ字に貼りつける (d)ラジオの中のバーアンテナ

18 アンテナの実例(P.140) (a)八木・宇田アンテナ (b)ブラウンアンテナ (c)パラボラアンテナ (d)カセグレンアンテナ
水平方向に突き出した アンテナが大地の役割 ⇒短いアンテナが可能 (d)カセグレンアンテナ (e)オフセットパラボラアンテナ 家庭用のCS, BSアンテナ 副反射面をもつ パラボラアンテナ ⇒焦点距離が遠くても コンパクトにできる 受信部を中心からずらせる ⇒邪魔にならない、雪積しにくい

19 給電線(P.141) 給電線 (a)フィーダー線：VHFやUHFの受信用（ラジオや旧TVで利用）
　(b)同軸ケーブル：心線の周りを編線で覆ったケーブル(地デジなど) (a)フィーダー線 (b)同軸ケーブル

20 定在波比（SWR） アンテナと受信機あるいは送信機の間で、インピーダンス不整合 が起きると電波の反射が発生し、進行波と反射波により定在波が
生じる。このとき、電圧の定在波比(VSWR)は、下記で与えられます。 電圧定在波比　𝑉𝑆𝑊𝑅= 1+ 𝑟 1− 𝑟 、𝑟 ：電圧反射係数 𝑟 ≦1 電圧反射係数は、 第3回で学習しました 上式から、 　　　反射が大きい ⇒ VSWRは大きくなる 　　　反射が少ない ⇒ VSWRは1に近づく ことがわかります。 つまり、VSWR(SWR)は1に近いほど良好といえます

21 導波管 マイクロ波以上の高周波になると、同軸ケーブルを伝わる信号 は、中心部の導体と導体を支えるポリエチレンなど誘電体の損失が
増大するため、劣化が激しくなります。 そのような高周波信号では、下図のような導波管と呼ばれる、 中空の金属管で伝送します。 導波管では、導体や誘電体が存在しないため、伝送損失を小さく できます。

22 本日の講義はここまで