電波またはマイクロ波は、次の 2 つの方法で伝播する電磁波です。
- 自由空間内 (たとえば地球の周りの放射伝播)
- ライン内 (同軸ケーブルまたは導波管内のガイド伝播)
電波の周波数範囲は9kHzから3000GHzに及びます。
理論的な部分については、マクスウェル方程式からの伝播方程式の確立という記事を参照してください。
電波の伝播の研究に興味がある
地表上の 2 点間または地球と衛星の間に無線リンクが確立される可能性と条件を予測するには、波の伝播原理を理解することが不可欠です。
これにより、たとえば次のことが可能になります。
- 特定のエリアで快適な受信を確保するためのブロードキャスト送信機の最小電力の計算。
- 移動無線電話の中継器の位置を決定する。
- 大陸横断短波リンクを確立する可能性を推定する。
- 送信機間の干渉現象の研究。
- 送信装置 (レーダー、中継器、テレビ送信機など) の近くの電磁界を計算して、近くにいる住民が被るリスクを判断します。
ルートの終点で受信される信号のレベルは多かれ少なかれ高いため、送信周波数、太陽周期に関連する時間、季節、時刻、方向、および方向に応じて多かれ少なかれ使用可能になります。送信機と受信局の間の距離、…伝送線路と線路内の信号伝播現象の研究は、伝送ネットワークの確立やアンテナへの給電に使用されるケーブルの最適化に役立ちます。
宇宙で
池の水面に小石が落ちることによって生じる波は、同心円状に広がります。等方性アンテナから放射される電波(つまり、空間内の全方向に均一に放射する電波) は、一連の同心球で表すことができます。秒速300,000 km に非常に近い光の速度cで、バブルが非常に速く膨張することを想像できます。 1 秒後、球体の直径は 600,000 km になります。伝播媒体が等方性かつ均一でない場合、波面は球になりません。
電波は振動であるため、一定期間が経過すると、波は波長と呼ばれるラムダ距離を進みます。波長は伝播の研究において重要な特性です。特定の周波数では、波の伝播速度に依存します。
- 電界の変動
アンテナから遠ざかるほど、放射される電磁場の強度は弱くなります。この変化は、真空などの均一な空間では規則的です。地球の表面では、多くの現象がこの規則に反します。直接受信した波が、地面、障害物、または電離層の層でのこの波の反射と干渉するのが一般的です。
良好な受信のためには、捕捉された電波の電界が十分なレベルであることが必要です。このレベルの最小値は、受信機の感度、アンテナのゲイン、および希望する聞き心地によって異なります。デジタル伝送の場合、聞き心地の良さは伝送に必要な信頼性のレベルに置き換えられます。
電場の強度はボルト/メートルで測定されます。
光現象の電波伝播への応用
電波はその周波数によって光放射と区別されます。前者は数十キロヘルツまたはギガヘルツ、後者は数百テラヘルツです。明らかに、波の周波数の影響が波の伝播を決定しますが、幾何光学の現象 (反射など) のほとんどが電波の伝播にも当てはまります。実際には、反射と拡散、拡散と屈折など、2 つ以上の現象が同時に波の経路に適用されるのが一般的です。これらの現象を電波に適用すると、多くの場合、接続されていない点間の接続を確立できるようになります。直視で。
電波の反射
波は、地面、水面、壁、車などの表面で反射することがあります。鏡上で光線が反射するように波が反射されるとき、鏡面反射について話します。周波数が数メガヘルツ程度の波は、上層大気のイオン化層の 1 つで反射されることがあります。波の反射はより一般的には拡散であり、波はいくつかの方向に反射し、光線はマットな表面に当たります。パラボラアンテナやミラーも同様に機能します。
電波の屈折
光線が屈折率n1の媒体から屈折率n2の媒体に通過するときに偏向されるため、電波は周波数と屈折率の変化の両方に応じて方向が変化します。この現象は電離層伝播の場合に特に重要であり、HF 波が電離層で受ける反射は実際には連続的な一連の屈折です。従来の光学機器においてレンズやプリズムで観察されていた現象を、波長数センチメートルから数デシメートルの電波で再現することが可能です。
電波の放送
拡散現象は、波が表面が完全に平らで滑らかではない障害物に遭遇したときに発生することがあります。これは、イオン化層、丘陵地帯の地面 (最長波長の場合)、または障害物の表面 (崖、森林、建物など) の短波 (数百メガヘルツ以上) の場合に当てはまります。 。光学の場合と同様、拡散は波長と障害物の寸法または反射障害物の表面の凹凸との関係に依存します。これらは、雨のカーテン (マイクロ波内) や極オーロラの間の上層大気のイオン化ゾーンと同じくらい多様です。
2つの電波の干渉
周波数が非常に近い2つの独立した信号によって引き起こされる干渉と、送信機から放射された直接波を反射波と同時に受信した場合に現れる干渉現象を区別する必要があります。後者の場合、2 つの波の伝播時間が異なり、2 つの受信信号の位相が異なります。その場合、次のようないくつかのケースが発生する可能性があります。
- 位相シフトは周期の倍数に等しい: 信号は同相であり、互いに強め合います。それらの振幅は合計されます。
- 半周期の倍数の位相シフト: 信号は逆位相であり、より弱いものの振幅がより強いものの振幅から推定されます。 2 つの信号の振幅が同じ場合、結果の信号レベルはゼロになります。
- 位相シフト: 結果として得られる信号の振幅は、これら 2 つの極値の間の中間になります。
間接波の伝播時間が変化すると、干渉現象が非常に厄介になる可能性があります。つまり、受信信号の振幅が多かれ少なかれ速い速度で変化します。干渉現象は、速度測定、方向探知など、さまざまな分野の用途に使用されています。
周波数範囲の関数としての伝播
LM波
それらは主に非常に低い高度で地上波によって伝播します。波長が長いため、障害物を避けることができます。送信機からの距離が同じであれば、受信信号レベルは非常に安定しています。このレベルは、周波数が増加するにつれてより速く減少します。非常に低い周波数の波は地表や海面の少し下に浸透し、潜水艦との通信を可能にします。
一般的な用途: グラン オンドでの放送 (フランス-インテル、RTL など)、時報 (電波時計) の放送… これらの送信機の出力は非常に大きく、最大 100 メートルの範囲を取得するには数メガワットの場合もあります。 1000キロ。
「長波の伝播」を参照
MF波
プティット オンド帯域 (600 ～ 1500kHz) の放送局の出力は最大数百キロワットです。彼らは依然として地上波を使用してフランス地域よりわずかに広い地域をカバーしていますが、日没後の電離層伝播現象の恩恵を受けています。
HF波
アマチュア無線家にはよく知られている短波は、2 MHz または 3 MHz を超える地上波は数十キロメートルを超えて伝送することはほとんどないため、電離層伝播が可能であれば、数ミリワットの電力で大陸間リンクを可能にします。 1 ～ 30 MHz では、電離層の層での波の反射により、光の水平線の問題を克服し、シングル ホップで数千キロメートルの範囲を取得することが可能になります。しかし、これらの結果は非常に変わりやすく、太陽周期の伝播モード、時刻、季節によって異なります。たとえ伝播予測計算によって営業時間、最大使用周波数、受信される信号のレベルを高い信頼性で予測することが可能であったとしても、HF 波は衛星に取って代わられています。
「短波伝播」を参照
VHF波
VHF 波は、FM 放送帯域、航空機からの VHF 送信、2 メートルのアマチュア無線帯域などを含む 30 ～ 300 MHz の周波数に対応します。超短波 (OUC) とも呼ばれます。それらは主に直線的に伝播しますが、数メートル以下の障害物をなんとか迂回します。それらは壁、岩、車両、そして例外的に高度 110 km 付近の E 層に位置する電離雲に反射され、1000 km 以上離れた接続が可能になります。通常、全方向性アンテナを備えた 10 ワットの送信機の到達距離は数十キロメートルですが、これらの周波数の屈折率により、空中で失われるはずの波が地上空間に向かって曲がることも発生します。これにより、数百キロメートル離れた場所でも接続が可能になります。一部のアマチュア無線家は、隕石の落下によってイオン化された痕跡や、極地のオーロラに関連するイオン化ゾーンでの VHF 波の反射を利用して長距離接続を行っています。
「VHF 波の伝播」を参照
デシメートル波とマイクロ波
周波数が増加するほど、波の挙動は光線の挙動に似てきます。無線中継器は、Chappe Telegraphのような視覚的な接続を可能にしますが、あらゆる天候下で、情報速度は数十億倍高くなります。ビームの経路内に数デシメートルを超える障害物があってはなりません。これらの波は数メートルの大きさの障害物で簡単に反射されます。この現象は、道路脇で使用されるレーダーを含むレーダーによって利用されます。建物での反射のおかげで、中継アンテナが直接見えなくても携帯電話を使用することができますが、反射波同士の干渉により通信が困難になり、ユーザーは場所を変更したり、数メートル移動したりする必要があります。数ワットの電力と直径 1メートル未満のパラボラ アンテナを備えた 10 GHz では、高い山を反射板として使用して、数百キロメートル離れた場所でも接続することが可能です。 10 ギガヘルツを超えると、散乱現象が雨雲に現れ、波が光の地平線を超えた場所に到達する可能性があります。
「超高周波の伝播」を参照
スプレッド予測
送信を決定する主な要因がわかっていれば、空間 (または地表) のある点で送信局 (送信機とアンテナ) によって発信される信号のレベルを高い精度で計算できます。例として、100 MHz の直接ビュー リンクと、レイヤー E での反射を使用する 10 MHz の長距離リンクの 2 つのケースを考えてみましょう。当然、ここでは計算を実行しません。
100 MHz での直接リンク
私たちは次のことを知っています:
多かれ少なかれ洗練されたソフトウェアを使用すると、地面の導電率や反射の可能性などを考慮に入れることができるこの種の計算を迅速に実行することができます。
受信局 (アンテナ + 受信機) の特性を追加すると、有効な信号と無線ノイズのレベルの差が得られるリンク バジェットを計算できます。
Eレイヤーの反射を利用したリンク
必要な情報は次のとおりです。
- 送信機の出力。
- アンテナの放射パターン。
- 2 つの駅それぞれの地理的位置だけでなく、
- E 層の電波を反射する能力。
これは、 Wolf 番号(またはSun Spot Number 、略して「SSN」) ですが、ソフトウェアが電離層伝播の可能性を計算できるようにするリンク試行の日時でもあります。特定の信号対雑音比の周波数の関数としてリンクが確立される確率がわかります。
誘導伝播
高周波エネルギーをある地点から別の地点に伝送するには、通常の延長コードではなく、適切な特性を備えた伝送線路を使用します。この線路は、使用される周波数において非常に優れた絶縁体である誘電体(空気、ポリエチレンテフロンなど) で分離された 2 つの平行な導電体で構成されています。一方の導体がもう一方の導体に囲まれている場合、同軸線と呼ばれます。
伝送線路の例
- 送信機からアンテナまでは、絶縁破壊することなく数百ボルトまたは数千ボルトの電圧に耐えることができる同軸ケーブルを使用します。
- パラボラ アンテナと衛星テレビ受信機の間では、低振幅信号が同軸ケーブルによって非常に高い周波数で低損失で伝送されます。
- 航空管制に使用されるレーダーのアンテナは、導波管（波が内部を移動する一種の金属パイプ）を使用して探知装置に接続されています。
- 短波では、アマチュア無線家はアンテナに電力を供給するために 2 線式回線を使用することがあります。
- 非常に高い周波数 (300 MHz 以上) で動作するデバイスで使用される選択回路は、多くの場合、ラインです。
線状の波の形成
線路を使用して負荷に接続された発電機は、線路の 2 つの導体のそれぞれに電流が発生し、誘電体中を非常に高速で移動する波が形成されます。この速度は光速よりも遅いですが、しばしば 200,000 km/s を超えます。これは、特定の周波数では、線路内の波の長さが空間内の波の長さよりも短いことを意味します。
(波長 = 媒体の速度 / 周波数)
進行する波
線路が発電機と負荷に完全に適合しているとき、つまり、1 番目の出力インピーダンスと 2 番目の入力インピーダンスが線路の特性インピーダンスに等しいときに条件が満たされ、後者は進行波のみが通過します。この理想的なケースでは、導体間の電位差と導体を流れる電流は、測定がライン上のどこで行われるかに関係なく、同じ値になります。このような線は放射せず、進行波によって生成される電磁場は線からいかなる距離でも検出できません。
「波の伝播」を参照してください。
定在波
上記の条件が満たされない場合、つまり負荷のインピーダンスが回線の特性インピーダンスと異なる場合に発生し、回線に定在波が発生します。 2 本のワイヤ間の測定可能な張力は、ラインの全長にわたって一定ではなくなり、次のようになります。
- 電圧最大値は、電流ノードに対応する電圧腹とも呼ばれます。
- 電圧最小値、または電流最大値に関連付けられた電圧ノード(電流腹)。
一般に、定在波率(TOS) が高い場合、このタイプの動作が懸念されます。電圧の腹に相当する過電圧は、トランスミッタ、さらには回線に損傷を与える可能性があります。負荷の反射損失が大きくなります。
「波の伝播」を参照してください。
ライン内の損失
線路を構成する導体の電気抵抗（非ゼロ）と誘電体の絶縁（非無限）により、線路を伝わる進行波の振幅が弱まります。
これらの損失には二重のデメリットがあります。
- 受信信号が弱まり、受信システムの感度が低下します。
- 送信機によってアンテナに送信される電力の減少。
回線損失は dB/m (デシベル/長さのメートル) で表され、次のような多くの要因によって決まります。
- 誘電体の性質（材質、形状など）
- 回線の種類 (2 線式または同軸)
- 動作周波数
例: 長さ 30 メートルの非常に一般的な同軸ケーブル (RG58A 参照) は、130MHz で 6dB の損失があります。この回線の入力に 100 ワットの電力を加えた場合、わずか 25 ワットではありません。最後には6dBの損失があります。 6MHz の周波数では 95 ワットが得られ、損失はわずか 1デシベルです。