短距離通信に電波が選ばれる理由

なぜ電波がリモート/近距離伝送に選ばれるのか？

はじめに

石器時代には、情報は徒歩または馬やラクダなどの獣によって伝達されていました。情報伝達の速度は非常に遅く、徒歩では数日、場合によっては数ヶ月かかっていました。

獣を用いることでわずかに速くなり、21世紀、探求された科学技術の時代への移行とともに、稲妻のような速さでさらに速くなりました。物事は本当に簡単になり、速く実行できるようになりました。

あなたは部屋に座ったまま、電話で番号をダイヤルするだけで、数百万マイル離れた友人と瞬時につながれます。私たちが打って送るメッセージ、携帯電話で行う会話は、すべて電磁波（EM波）によって伝達されています。

電磁波には様々な種類がありますが、ここでは電波に厳密に焦点を当てます。電波とは何か？ どう伝播するか？ どう検出するか？ そしてもちろん、シンプルなラジオ受信機の作り方？ 理解を深めるため、まずいくつかのことを見てみましょう。

電磁波（EM波）

電磁波（EM波）は、電気の放電、さらには落雷によって生じる電磁放射の一形態です。あらゆる電気の放電は、電波に近い波長のEM波を生成する可能性があります。

電磁放射は波動の性質を持ちます。すなわち、EM波は伝播、回折、屈折などが可能です。EM波は干渉を受けます。すなわち、同じまたは近い周波数のEM波が経路を横切ると干渉が生じます。EM波は、低周波・長波長の電波から、最高周波・最短波長のガンマ線まで範囲を持ち、ガンマ線が最も高いエネルギーを持ちます。

電波

電波は電磁放射の一形態です。低周波で、約150kHz〜100MHzの範囲を持ちます。

発振器

無線によるデータ伝送を理解するには、発振器について語る必要があります。発振器には機械的発振器と電気的発振器の2種類がありますが、ここでは電気的発振器に焦点を当てます。電気的発振器（振動子）は、コンデンサとコイルを接続することで作れます。

コンデンサに電荷を与えることで系を発振させます。エネルギーはコンデンサの極板間とコイル内の磁場の形で交互に蓄えられます。エネルギーはコイルからコンデンサへ、コンデンサからコイルへ、そして再び戻るという流れで、系が発振するにつれて移動します。

エネルギーの流れには電流の流れが関与します。電流の流れにより、系のエネルギーの一部がコンデンサ、コイル、接続配線の内部エネルギーに変換されます。

無線送信機

電気の放電があると、無線周波数の電磁放射が生成されます。落雷時にラジオから「パチパチ」という音がするのは、落雷による電波と近くの局から送信される電波の干渉によるものです。家庭内の小さな火花でもラジオにノイズを生じさせます。

スイッチのオン/オフ、特に大電流を流すスイッチでは火花が生じます。調理器や冷蔵庫のサーモスタットスイッチの火花、電気ベルの接点火花などは、すべてラジオで検出可能なEM波を生成する可能性があります。初期の無線送信機は火花生成の原理で動作していました。現代の送信機は異なる原理で動作し、以下のセクションで構成されます。

1. 発振器: コンデンサとコイルで構成。数kHz〜MHzの周波数で発振するよう選定されます。アンテナ（空中線）に接続すると、導線内に振動電界が生成されます。
2. 帰還増幅器: エネルギー損失があるため、発振器は損失を補うエネルギーを供給されない限り、アンテナにエネルギーを供給できません。発振器に供給されるエネルギーは発振器と共振していなければなりません。これを実現するため、発振器から微小な振動電流の一部を取り出し（残りはアンテナへ）、増幅器に入力します。増幅器の出力は大きな振動電流となり、発振器と同じ周波数を持ちます。この大きな電流を発振器に戻し、回路を持続的に発振させるために必要なエネルギーを供給します。

変調器

送信機が発振器と帰還増幅器のみで構成される場合、一定周波数・一定振幅の連続した電波しか生成できません。変調器は周波数を変調（FM）します。

無線送信機では、音声周波数起電力が変調器に入力されます。搬送波も変調器に入力されます。変調器は搬送波の振幅を音声周波数起電力の波形に追従するよう変調します。振幅変調された搬送波はアンテナへ送られます。

電波検出

何らかの理由で、電波は放物面反射鏡によって反射され、数マイル先の受信局を目指します。反射鏡は通信衛星との送受信、通信システムで用いられるマイクロ波無線リンクに使用されます。

電磁放射が金属物体に到達すると、微小な電流が誘導されます。アンテナ（空中線）は電波を捕捉するために使用されます。アンテナは、到達するすべての近傍送信による電流を運びます。そのまま耳に当てても、多数の音波を受信するため、明確で明確な音は聞こえません。

特定の送信局が送る明確な音を聞くには、ラジオ受信機を用いて特定のチャンネルに同調（チューニング）します。受信機は以下で構成されます。

• 同調器（チューナー）: 主にコンデンサ・コイル回路で構成。コンデンサの容量を変えて発振周波数を変化させ、受信したい送信局の周波数と合わせます。
• 整流器: コンデンサの両端にイヤホンを接続しても、電流が発振していても何も聞こえません。周波数（150kHz以上）が人間の可聴周波数を超えているためです。整流器が音を明確に聞くのを助けます。
• 増幅器: 電流を増幅し、スピーカーでも音が聞こえるようにします。

シンプルなラジオ受信機の作り方

シンプルなラジオ受信機を作るには、以下の手順に従ってください。

• アンテナ、ダイオード、アース線、同調器を直列に接続し、可変コンデンサをコイルに並列接続します。アンテナは長さ25mの任意の絶縁線で構いません。
• 金属片を土中に埋め、アース線を接続します。土壌が乾燥している場合は水をかけて湿らせてください。
• フェライトロッドに絶縁線を約80ターン巻いてコイルを作ります。フェライトロッドはコイルの特性を改善します。
• 静電容量が少ない可変コンデンサ（数百pF）を使用します。見つからない場合は、10pF〜470pFの固定コンデンサで代用可能です。
• 使用するダイオードはOA91（ゲルマニウムダイオード）。他のゲルマニウムダイオードでも代用可能です。
• 結果が得られない場合はコイルを40ターンにしてみてください。それでもダメなら、近くの送信局の出力がこの回路で受信するには弱すぎる可能性があります。

近くの送信局は強力なのに結果が出ない？ 落ち着いてください。この場合、回路に増幅器を導入する必要があります。図のように接続してください。これがあなたのシンプルラジオです。電波は最もエネルギーが低く、一度に大量のデータを伝送できません。音声など、電波が遅延なく伝送できるものが主であるため、ローカル/近距離伝送に適しています。

なぜ電波がリモート/近距離伝送に選ばれるのか？

他の電磁波がなぜ近距離伝送に使われず、遠隔地への信号伝送にも使えないのか不思議に思ったかもしれません。電波はマイクロ波のような加熱効果を持たないからです。

低周波の電波は回折するため、丘の裏側にいる人でも信号を受信できます。他の電磁波とは異なり、電波受信機は送信機の真正面になくても信号を受信できます。

低周波電波の回折能力により、丘の裏側でも信号受信が可能です。中継局を用いて信号品質を向上させます。他の電磁波は容易には回折しません。

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