電波

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電界を示す、電波を放射する半波長ダイポール アンテナのアニメーション。中央のアンテナは、無線送信機(図示されていません)に接続された 2 つの垂直な金属棒です。送信機はロッドに交流電流を印加し、プラス(+) とマイナス(-) を交互に充電します。電場のループはアンテナを離れ、光の速さで移動します。これらは電波です。このアニメーションでは、アクションが大幅に遅くなります。

電波は、電磁スペクトルで最も長い波長を持つ電磁放射の一種で、通常は 300 ギガヘルツ ( GHz ) 以下の周波数です。[1] 300 GHz では、対応する波長は 1 mm (米粒より短い) です。30 Hz では、対応する波長は 10,000 km (6,200 マイル) (地球の半径よりも長い) です。すべての電磁波と同様に、真空中の電波は光速で移動し、地球の大気中はわずかに遅い速度で移動します。電波は荷電粒子が通過することで発生します時変電流などの加速度[2]自然に発生する電波は、天体から放出され、すべての暖かい物体から放出される 黒体放射の一部です。

電波は、電波を放射するアンテナに接続された送信機と呼ばれる電子機器によって人工的に生成されます。それらは、受信信号を処理するラジオ受信機に接続された別のアンテナによって受信されます。電波は、固定および移動無線通信放送レーダーおよび無線ナビゲーションシステム、通信衛星ワイヤレス コンピュータ ネットワーク、およびその他の多くのアプリケーションの最新技術で非常に広く使用されています。電波の周波数が異なれば、地球の大気中での伝搬特性も異なります。長い波ができる山のような障害物の周りで回折し、地球の輪郭に沿って進みます (地表波)。短い波は電離圏で反射し、地平線を越​​えて地球に戻ります (空波)。一方、はるかに短い波長はほとんど曲がったり回折したりせず、直線上を移動します。サイト、そのため、それらの伝播距離は視域に制限されます。

異なるユーザー間の干渉を防ぐために、電波人為的な生成と使用は、国際電気通信連合(ITU)と呼ばれる国際機関によって調整された法律によって厳しく規制されています。 、人工ガイドなしで空間に伝搬されます。」[3]無線スペクトルは、周波数に基づいていくつかの無線帯域に分割され、さまざまな用途に割り当てられます

モノポール無線送信アンテナから放射される電波の電界(E) と磁界(H) の図(中央の小さな黒い縦線)。右下の相図が示すように、E フィールドと H フィールドは垂直です。

発見と悪用

電波は、1867年にスコットランドの数学物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって提案された電磁気学の理論によって最初に予測されました。[4]現在マクスウェルの方程式と呼ばれる彼の数学的理論は、電場磁場の結合が「電磁波」として空間を移動できると予測した. マクスウェルは、光は非常に短い波長の電磁波で構成されていると提案しました。1887 年、ドイツの物理学者ハインリヒ ヘルツは、実験的に実験的に電波を生成することにより、マクスウェルの電磁波の現実性を実証しました[5]。それらが光と同じ波動特性を示したことを示しています:定在波屈折回折、および偏光イタリアの発明家であるグリエルモ マルコーニは、1894 ~ 1895 年頃に最初の実用的な無線送信機と受信機を開発しました。1909 年のノーベル物理学賞は、ラジオの仕事で受賞しました。無線通信は 1900 年頃に商業的に使用され始めました。1912 年頃に元の名前である「ヘルツ波」が現代の「電波」に置き換えられました。

生成と受信

電波を受信する半波長ダイポールアンテナのアニメーション図。アンテナは、受信機Rに接続された 2 本の金属棒で構成されています。入ってくる波の電場 ( E 、緑色の矢印 ) は、ロッド内の電子を前後に押し、両端交互( + )と負(-)に帯電させます。アンテナの長さは波の波長の半分であるため、振動場は電圧の定在波を誘導します( V、赤い帯で表されます))とロッド内の電流。振動電流 (黒い矢印) は、伝送線路を下って受信機 (抵抗Rで表される) を通って流れます。

電波は荷電粒子加速されると放射されます。電波の自然発生源には、地球の大気中の雷やその他の自然過程によって生成される電波ノイズ、および太陽、銀河、星雲などの宇宙の天文電波源が含まれます。すべての暖かい物体は、黒体放射の一部として高周波電波 (マイクロ波) を放射します。

電波は、アンテナと呼ばれる特殊な形状の金属導体内を前後に流れる電子からなる時間変化する電流によって人工的に生成されます。電波送信機と呼ばれる電子機器がアンテナに振動電流を流し、アンテナがその電力を電波として放射します。電波は、ラジオ受信機に取り付けられた別のアンテナで受信されます。電波が受信アンテナに当たると、金属内の電子が前後に押し出され、受信機によって検出される小さな振動電流が生成されます。

量子力学からは、光などの他の電磁放射と同様に、電波は光子と呼ばれる非荷電の素粒子の流れと見なすこともできます。[6] 電波を送信するアンテナでは、アンテナ内の電子は、電波光子と呼ばれる個別のパケットでエネルギーを放出しますが、受信アンテナでは、電子は電波光子としてエネルギーを吸収します。アンテナは、レーザーのような光子のコヒーレントエミッタであるため、無線光子はすべて同相です。[7] [6]しかし、プランクの関係式から 個々の電波光子のエネルギーは非常に小さく、[6] 10 -22から 10 -30 ジュールです。それは非常に小さいため、マイクロ波光子を放出するメーザー内の原子などの特定の分子電子遷移プロセスを除いて、電波の放出と吸収は通常、マクスウェルの方程式によって支配される連続的な古典的なプロセスと見なされます。

プロパティ

真空中の電波は光速で伝わる . [8] [9]物質媒体を通過するとき、媒体の透磁率誘電率に応じて速度が低下します。空気は非常に薄いため、地球の大気では電波は光速に非常に近い速度で移動します。

波長_ は、波の電界の 1 つのピーク (頂点) から次のピークまでの距離であり、周波数に反比例します。 波の。真空中や空気中を伝わる電波の周波数と波長の関係は、

どこ

同等に、電波が真空中を 1 秒間に移動する距離は 299,792,458 メートル (983,571,056 フィート) で、これは 1 ヘルツの電波信号の波長です。メガヘルツの電波 (ミッドAM バンド) の波長は 299.79 メートル (983.6 フィート) です。

偏光

他の電磁波と同様に、電波には分極と呼ばれる特性があります。これは、運動方向に対して垂直な波の振動電場の方向として定義されます。平面偏波電波は、運動方向に沿って平面内で振動する電界を持っています。水平偏波の電波では、電界は水平方向に振動します。垂直偏波では、電場は垂直方向に振動します円偏波では、任意の点での電場は、1 サイクルに 1 回、進行方向を中心に回転します。右円偏波が右手に回転左円偏波は反対方向に回転しますが、進行方向については回転します。波の磁場は電場に垂直であり、電場と磁場は放射方向に対して 右手の方向に向いています。

アンテナは、偏波の電波を放射します。偏波は、金属製のアンテナ素子の方向によって決まります。たとえば、ダイポール アンテナは、同一線上にある 2 つの金属棒で構成されています。ロッドが水平の場合は水平偏波の電波を放射し、ロッドが垂直の場合は垂直偏波の電波を放射します。電波を受信するアンテナは、送信アンテナと同じ偏波を持っている必要があります。そうしないと、受信が大幅に失われます。太陽、星、暖かい物体からの黒体放射など、多くの自然電波源は、偏波状態が均等に混合された非干渉性の短波列からなる非偏波を放出します。

電波の偏光は、スピンと呼ばれる光子の量子力学的特性によって決定されます。光子は、スピンの 2 つの可能な値のいずれかを持つことができます。動きの方向に関して右手の感覚で、または左手の感覚で回転することができます。右円偏波の電波は、右手の方向に回転する光子で構成されています。左円偏波の電波は、左手の方向に回転する光子で構成されています。平面偏波電波は、右手と左手のスピン状態の量子重ね合わせの光子で構成されています。電界は左右の回転電界の重ね合わせで構成され、平面振動が発生します。

伝搬特性

電波は、主にその長い波長に由来する望ましい伝播特性のために、他の電磁波よりも通信に広く使用されています。[10] 電波は、あらゆる天候、葉、ほとんどの建材の大気を通過する能力があり、回折によって障害物の周囲で曲がる可能性があり[説明が必要]、他の電磁波とは異なり、電波は吸収されるのではなく散乱する傾向があります。波長よりも大きな物体。

電波伝搬の研究、すなわち電波が自由空間内および地球の表面上をどのように移動するかは、実用的な無線システムの設計において非常に重要です。さまざまな環境を通過する電波は、反射屈折偏光回折、および吸収を経験します。異なる周波数は、地球の大気中でこれらの現象の異なる組み合わせを経験し、特定の目的のために特定の無線帯域を他のものよりも有用にします. 実際の無線システムでは、主に次の 3 つの異なる無線伝搬技術を使用して通信します。[11]

  • 見通し線送信アンテナから受信アンテナまで直線的に進む電波のこと。明確な視界経路が必ずしも必要というわけではありません。より低い周波数では、電波は建物、葉、その他の障害物を通過できます。これは、30 MHz を超える周波数で可能な唯一の伝播方法です。地球の表面では、見通し線の伝播は視水平線によって約 64 km (40 マイル) に制限されています。これは、携帯電話 FMテレビ放送レーダーで使用される方法です。パラボラ アンテナを使用してマイクロ波のビームを送信することにより、ポイント ツー ポイントのマイクロ波中継リンクは、電話やテレビの信号を視覚的な地平線まで長距離伝送します。地上局は、地球から数十億マイル離れた衛星や宇宙船と 通信できます。
  • 地上波:中波帯と長波帯の 2 MHz 未満の低周波数では、垂直偏波の電波が回折によって丘や山を越えて曲がり、地平線を越​​えて伝搬し、地球の輪郭に沿った表面波として伝わります。これにより、中波および長波の放送局は、地平線を越​​えて数百マイルに及ぶカバレッジ エリアを持つことが可能になります。周波数が低下すると、損失が減少し、達成可能な範囲が増加します。軍用超低周波(VLF) および超低周波(ELF) 通信システムは、地球のほとんどで通信でき、数百メートルの水中で潜水艦と通信できます。
  • スカイウェーブ:中波および短波の波長では、電離層と呼ばれる大気の一部にある荷電粒子 (イオン)の導電層で電波が反射します。そのため、空に向かって斜めに向けられた電波は、地平線を越​​えて地球に戻ることができます。これは「スキップ」または「スカイウェーブ」伝播と呼ばれます。複数のスキップを使用することで、大陸間距離での通信を実現できます。スカイウェーブの伝播は変動し、大気の状態に依存します。夜間と冬に最も信頼できます。20 世紀前半に広く使用されましたが、信頼性が低いため、スカイウェーブ通信はほとんど放棄されました。残りの用途は、軍の地平線上 (OTH) レーダーによるものです。システム、いくつかの自動化されたシステム、ラジオアマチュア、および短波放送局によって、他の国に放送されます。

マイクロ波周波数では、大気ガスが電波を吸収し始めるため、実際の無線通信システムの範囲は周波数の増加とともに減少します。約 20 GHz 未満の大気減衰は、主に水蒸気によるものです。20 GHz を超えるミリ波帯では、他の大気ガスが電波を吸収し始め、実際の伝送距離が 1 km 以下に制限されます。テラヘルツ帯域の 300 GHz 以上では、事実上すべての電力が数メートル以内で吸収されるため、大気は事実上不透明になります。[12] [13]

無線通信

無線通信システムでは、情報は電波を使用して空間を横切って運ばれます。送信側では、時変電気信号の形で送信される情報が無線送信機に適用されます。[14]変調信号呼ばれる情報は、マイクからの音を表すオーディオ信号、ビデオカメラからの動画を表すビデオ信号、またはコンピュータからのデータを表すデジタル信号である可能性があります。送信機では、電子発振器が交流電流を生成します無線周波数で振動し、空気中の情報を「運ぶ」電波を生成するため、搬送波と呼ばれます。情報信号は、搬送波を変調するために使用され、その一部の側面を変更して、搬送波上の情報を「ピギーバック」します。変調された搬送波は増幅され、アンテナに適用されます。振動電流はアンテナ内の電子を前後に押し、振動電場磁場を生成し、エネルギーをアンテナから電波として放射します。電波は情報を受信位置に運びます。

受信機では、受信電波の振動する電場と磁場が受信アンテナ内の電子を前後に押し、送信アンテナ内の電流の弱いレプリカである小さな振動電圧を生成します。[14]この電圧は、情報信号を抽出する無線受信機に印加されます。受信機は、最初にバンドパス フィルターを使用して、アンテナが受信した他のすべての無線信号から目的の無線局の無線信号を分離し、次に信号を増幅して強度を高め、最後に復調器で情報を含む変調信号を抽出します復元された信号は、ラウドスピーカーまたは音声を生成するためのイヤホン、可視画像を生成するためのテレビディスプレイ画面、またはその他のデバイス。デジタル データ信号は、人間のユーザーと対話 するコンピューターまたはマイクロプロセッサに適用されます。

多くの送信機からの電波は、互いに干渉することなく同時に空中を通過します。各送信機の電波は異なるレートで振動するため、受信機でそれらを分離できます。つまり、各送信機は、キロヘルツ(kHz)、メガヘルツ(MHz)、またはギガヘルツ(GHz)で測定される異なる周波数を持っています。受信機バンドパスフィルターは、音叉と同様に共振器のように機能する同調回路で構成されています。[14]固有の共振周波数を持っています振動するところ。共振周波数は、希望するラジオ局の周波数に等しく設定されます。目的のステーションからの振動する無線信号は、同調回路を共鳴させて振動させ、信号を受信機の残りの部分に渡します。他の周波数の無線信号は、同調回路によってブロックされ、通過しません。

生物学的および環境への影響

電波は非電離放射線です。つまり、原子分子から電子を分離して電離したり、化学結合を壊したりして、化学反応やDNA 損傷を引き起こすのに十分なエネルギーがないことを意味します物質による電波の吸収の主な効果は、ストーブや薪の火などの熱源から放射される赤外線と同様に、物質を加熱することです。波の振動電場により、極性分子が前後に振動し、温度が上昇します。電子レンジはこんな感じ料理をします。ただし、主に物体の表面で吸収されて表面加熱を引き起こす赤外線とは異なり、電波は表面を透過して物質や生体組織の内部にエネルギーを蓄積することができます。電波が浸透する深さは、周波数とともに減少し、材料の抵抗率誘電率にも依存します。これは、材料の表皮深さと呼ばれるパラメーターによって与えられます。これは、エネルギーの 63% が蓄積される深さです。たとえば、電子レンジの 2.45 GHz の電波 (マイクロ波) は、ほとんどの食品を約 2.5 ~ 3.8 cm (1 ~ 1.5 インチ) 透過します。ラジオ波は、ジアテルミーの医学療法で100年間身体に適用されてきました身体組織を深く温め、血流の増加と治癒を促進します。最近では、温熱療法でより高い温度を作り出し、癌細胞を殺すために使用されています。動作中の無線送信機の導波管など、至近距離で電波源をのぞき込むと、熱によって目の水晶体に損傷を与える可能性があります。十分に強力な電波ビームが目を貫通し、水晶体を加熱して白内障を引き起こす可能性があります。[15] [16] [17] [18] [19]

加熱効果は原則として他の熱源と変わらないため、電波への曝露による健康被害の可能性に関するほとんどの研究は、「非熱的」効果に焦点を当ててきました。加熱による影響以外に、電波が組織に影響を与えるかどうか。無線周波電磁界は、国際がん研究機関(IARC) によって、人間や動物への影響について「限定的な証拠」があると分類されています。[20] [21]携帯電話からの RF-EMF への個人的な曝露によるがんリスクの機構的証拠は弱い。[22]

電波は導電性の金属シートまたはスクリーンによってシールドできます。シートまたはスクリーンのエンクロージャはファラデーケージと呼ばれます。金属スクリーンは、スクリーンの穴が波の波長の約1/20より小さい限り、固体シートと同様に電波を遮断ます[23]

測定

高周波放射には電気成分と磁気成分の両方があるため、各成分に固有の単位で放射場の強度を表すと便利なことがよくあります。単位ボルト/メートル(V/m) は電気コンポーネントに使用され、単位アンペア/メートル(A/m) は磁気コンポーネントに使用されます。電磁場について話すことができ、これらの単位は、測定場所で の電場および磁場の強さのレベルに関する情報を提供するために使用されます。

RF 電磁場の特性を表すために一般的に使用されるもう 1 つの単位は、電力密度です。電力密度は、測定点が RF エミッターから十分に離れており、放射パターンの遠方界ゾーンと呼ばれるものに位置する場合に最も正確に使用されます。[24]送信機の近く、つまり「近距離場」ゾーンでは、場の電気成分と磁気成分の間の物理的関係が複雑になる可能性があり、上記で説明した場の強さの単位を使用するのが最善です。電力密度は、単位面積あたりの電力で測定されます。たとえば、平方センチメートルあたりのミリワット (mW/cm 2)。マイクロ波範囲以上の周波数について話す場合、発生する可能性のある曝露は遠距離場ゾーンで発生する可能性が高いため、通常は電力密度を使用して強度を表します。

も参照

参考文献

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外部リンク