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2009年05月01日

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posted by 某研究者 at 03:17| Comment(0) | 無線工学 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2009年04月11日

大昔に講義で習った事と反射通信について

ナイフエッジ現象の話

  遥か昔の頃に、無線工学の電波伝搬理論を教えられたときの講義の一部からです。
  これは、理論とか法則の講義では無くて、実際に起きていた現象の話です。
  まだ、テレビ放送がVHF(超短波)だけの頃、日本放送協会(NHK)が全国レベルでの中継網が整備されていなかった頃の話です。
  それは、富山県の或る田んぼの真ん中に、NHK名古屋放送局の電波が強い電解強度で到達している事が判ったのです。すぐさま、NHK富山放送局の技術者たちがその原因を調べました。
  その結果は、日本アルプスのどれかの峰でナイフエッジ現象が起きている事が判ったのです。そこでNHK富山放送局は、その田んぼの所有者と交渉して受信施設を設けて、自局の中継回線として使ったそうです。
 私は、実際に現場に行った訳でも、その現場の写真などを見た訳でないので、講義で教えられたままをここに書き込んでいます。

 このような回折現象を「山岳回折」と云い、今回の話の様に山越えで通信が可能になる事が起きます。山がない場合に比べて電界強度が強くなる割合を、山岳回折利得と云います。厳密には山はナイフエッジではありませんが、山頂が波長に比べて狭ければ回折の効率が良く、このような現象が起きます。それでは山頂部分がお椀を伏せたような丸い形では?その要因では回折が起きにくいのです。つまり、その山頂が槍のように鋭くなっていると、このときに起きる回折波が強くなります。

 送信点からも受信点からも、その山頂が見通せる場合(これを見通し距離と云います)、送信点−山頂−受信点の間の経路は、ほとんど自由空間伝搬とみなせます。正確には大地反射波も考慮に入れる必要がありますが、これは或る程度無視できるものと考えています。

 また、地球は丸いので、途中に障害物がなくても、その丸みで送信点から受信点を見通せない場合があります。このような場合、地球の丸みで回折が起こり、通信できることがありますが、空気の屈折率の揺らぎなどによって大きく電界強度が変化します。

 ところが、途中に山があると、山岳回折が使えて、これは自由空間伝搬と見なせる2区間の経路ですので、安定して(フェージングの少ない)通信が可能になります。

 今日は、いつもの話をお休みして、このような話に切り替えてみました。無線工学を履修されている方には、常識の話になってしまいました。


Earth-Moon-Earth(EME)(アースムーンアース)対月面反射通信(EME通信)
 地球上の離れた無線局同士が、お互いに指向性アンテナを。地球から往復約75万キロメートル離れた月面に対して向けて電波を送信し、その反射波を受信する事に依って、通信回線を樹立し通信する方法です。多段の並列に組み合わせた指向性アンテナや大出力の無線機、そして月の公転軌道を追尾出来るアンテナ指向装置などが必要で、多額の経費と無線工学だけでなく、天文学の軌道計算も出来る必要があって、なかなか興味が尽きない通信方法です。
 私は今まで、山岳反射通信しかした事がありませんので、上記の通信手段に興味が有りました。山岳通信は、反射面が動かない山体ですので、その方向にさえ指向性アンテナを向ければ、見通し距離以上の通信が出来る事が有ります。ローテーターさえ有れば、ある意味で簡単な通信手段です。
 しかし、前述の様に月は地球の周りを公転している訳で、時間と共に空間座標が変化していきます。その為に、水平角だけでなく、仰角も制御出来るローテーターが必要になり、月の公転に合わせて追尾出来る制御装置が必要です。
 この様に、単に新たな通信手段を手に入れようとすると、専門分野以外の知識が必要となり、その知見を習得しなければなりません。しかし、いつかはやってみたい通信手段だと思っています。歴史的に見ると、今まで多くの実験がなされて、そのデータを見れば直ぐにでも実現出来るのですが、やはり白紙の状態から試行錯誤して実現するのが面白いと思っています。


反射通信について

 昨日、4月23日の記事でEME通信(月面反射通信)に触れましたが、そう言えば、数年前に無線Lanの実験で反射通信を試した事が有ったのを思い出しました。
 それは広大な敷地に在る巨大なプラント内で、制御信号や各種データの伝送実験をしている時に、無線Lanもその実験に含めていたのです。勿論の事、微弱な家庭用無線Lanの機器では通信不可能ですので、業務用の機器を新たに購入し、実験に使用しました。
 プラント内での実験ですので、本来の直接波だけでなく、反射波まで受信してしまいます。また伝送経路の途中に大きな設備が在る場合は、中継設備を設けなければなりません。無線Lanに使っている電波の周波数が高いので、その伝搬特性は光に近く、物の陰になった部分には信号波が到達しないのです。
 そこで、幾つもの中継設備を設置するのも予算的に不可能だったので、私はふと周りを見回したのです。すると、他の企業の大きな金属製の円筒状の構造物が在るではないですか。そこで、私は利得の高い指向性アンテナをその金属製の円筒状の構造物の方向に向けて、受信点の受信装置も指向性アンテナに変更し、その金属製の円筒状の構造物にアンテナを向けて実験しました。
 想像通りの電界強度の強い信号波を受信出来る事が実証出来ました。しかし、これは敷地外に信号波を送信し、その反射波を受信するので、現場の人間が難色を示したのです。そこで敷地内の他の適当な構造物を探す事になりました。
 この様に、反射波を上手く使う事によって、中継設備を少なくする事、また反射できるような構造物が無い場合は反射板を適当な箇所に設置する事で、同様な効果が得られます。通常の通信では嫌われている反射波ですが、この様に有効な使い方が出来るのが、面白いと思っています。


楽しみのスポラディックE層反射通信

 この記事は昨日のお昼に書いたまま、投稿せずに忘れていたものです。

 今日のように快晴の日には、気になる現象が起きる時期になってきています。
 それは電波の異常伝搬、通常では届かない地球上の地域に、電波が到達する事です。私の説明では、信憑性を疑われる方もいらっしゃるかも知れませんので、下記をご覧下さい。

スポラディックE層とは:
出典: フリー百科事典『ウィキペディア』

 スポラディックE層(Es層、略称EスポまたはEs、英語:Sporadic E layEr)とは、春から夏ごろにかけて、主に昼間に、上空約100km付近に局地的に突発的(sporadic)に発生する電離層である。通称「Eスポ」と呼ばれる。

 Esの電子密度が極度に高い場合は、F層でも反射できないVHF帯の電波をも反射するという特殊な性質がある。

発生時の状況

 30MHz以上の周波数の電波は、VHF(VERY High Frequency)と呼ばれ、通常は電離層を透過し、見通し距離外への伝播はできず直接波通信に限定される。 ところが、スポラディックE層と呼ばれる特殊な電離層が発生すると、通常は電離層を透過する30ー150MHzのVHF電波が、スポラディックE層により反射されて地上に戻って来るようになる。このため、日本では韓国や中国などの周辺諸国や離島・地方の大出力局のテレビやFMラジオ電波が、スポラディックE層で反射して、日本でも強く受信され、テレビの1〜3チャンネルやFMラジオ放送に混信による画像や音声の乱れが生じることがある。アマチュア無線では21MHz帯以上の周波数の反射が顕著で、長距離(300〜1500km以上)の交信が可能となる。ただし、21MHz以下の周波数でもスポラディックE層による反射は起こっている。

発生の傾向

 Eスポは、季節的には5月中旬〜8月上旬に発生頻度が高い。時間的には、11時〜12時と17時〜18時頃に最も出現頻度が高い。また数日続けて同じ時刻近辺にEスポが出現しやすい傾向があるが、発生頻度は不規則である。

 Eスポの発生頻度に地域的偏りがあり、その原因は不明であるが、地球上では日本付近において最も出現率が高いことが知られている。通常の電離層(D,E,F層)と比べると、電子密度が極めて高いのがスポラディックE層の特徴で、上空約100kmで雲のような状態で分布し、高速で移動する。

 夜間に発生するVHF帯での異常伝播は、E層での「FAI」と呼ばれる電離層構造が出来るという説もある。FAIとは、Es層内プラズマ中の不安定な構造が、地磁気の磁力線に沿った鉛直方向に対して電子密度が高くなる濃淡構造言う。FAIは磁力線に直行の方向から入射する電波を強く後方散乱し、夏の夜半前にしばしば現れると言われている。

 電離層(D,E,F層))の電子密度の変化は、11年周期の太陽活動との相関が高いことが知られているが、スポラディックE層では、出現頻度や最大電子密度と太陽活動との関係は無い。流星を起源とする金属イオンによって高い電子密度が保たれるため流星群の出現と相関があるとする説や、ある特定の気圧配置において出現しやすいとする説もあったが、現在では、ウィンドシアー理論によるスポラディックE層の生成過程説が有力的に支持されている。

 以上のように、スポラディックE層反射通信は、突発的に起きるもので、予測が付かないのがとても面白いと思います。常に、想定周波数帯域をワッチ(受信)し、その兆候が起きた時に観測を始めたり、通信実験を試みたりと、突然忙しくなるのです。かと言って、常に起きるものでもなく、その発生条件は上記の様にウィンドシアー理論に依って定義されてきています。それでも、予測不能な現象で在る事に代わりは無く、地球物理学的な電気現象がいつ起きるかと思うと興奮する時も有ります。

 今、窓から見える青空を見ていると、その様な事を思い出しました。
posted by 某研究者 at 08:43| Comment(0) | 無線工学 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

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