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2023-04-15

高校物理素人電波のことを今更勉強したのでメモ

本業ネットワーク屋なんだけど、無線LAN周りのトラブルで「いや~電波ってそういうものなんでこの環境じゃあムリっすよ」「そういうものって??」みたいなやり取りが客とあってそもそも電波ってなんなんだ?」と思ったのでぐぐって調べた。高校では物理取ってたはずなのに欠片も記憶にないので深い睡眠学習をしていたのだと思う。

電波とは何か

法律的な答え

電波法では「3THz以下の周波数電磁波」を「電波」と呼ぶ。間違っても「電磁波」の略では無いし、電磁波の中の一部を電波と呼んでいるだけ。

電磁気学的な答え

導体を電流流れると磁界が生じる(右ねじ法則)→電流の向きが変わると磁界の強さが変わり電界が生じる→電界の強さが変わると磁界が生じる→…の繰り返しで空間媒体にして飛んでいくもの電磁波。ただし電界と磁界がリングのように繋がっていく絵(が高校物理教科書に載っているらしいが全く記憶に無い)は厳密には間違い。電界と磁界は直交して発生し位相が一致するため。

電界電場

electric field訳語なので同じ。慣習的に工学系は電界大学理学系では電場

どうやってアンテナ電波を出して受信しているのか

アンテナ原理

コンデンサの応用。コンデンサの電極を棒状にしたイメージ(=ダイポールアンテナ)。アンテナ交流を掛けると電極間で電荷が流れ(ていないが後述の通り流れていると見做す)、電界が生じる→磁界が生じる→電界が生じるのループによって電磁波空間を伝っていくのが電波送信電荷が行ったり来たりする速さが周波数流れる電荷量(電流の大きさ)が生じる電界の強さになる。

逆に、磁界がアンテナに当たりアンテナ周辺の磁界が変化すると電流流れる(ファラデーの電磁誘導法則)ので、それを良い感じに拾い上げるのが受信…なのだと思うが正直この辺は欲しい情報が探せず自信なし。

マクスウェル方程式理解できると完全に理解できるらしい。

コンデンサ

絶縁体を電極で挟んだもの。絶縁体なので電荷を通さず蓄えることができる。ただし交流場合電荷流れる向きが変わるので見た目上電荷流れると言える(らしい)。

電荷

電気」のミクロ表現原子の周りを回っている電子が飛び出すと正電荷、飛び込まれた方の原子負電荷で異なる電荷同士は反発し合い同じ電荷同士は引き合う(静電気力)。

この静電気力が働く場を「電界」と呼び、電荷から延びる静電気力の働く方向を線にしたのが電気力線。

電荷の移動で磁界に磁力線が生じ、正電荷負電荷の間で電界電気力線が生じる。

電波送信電界と磁界が生じていくという説明電気力線と磁力線が生じていくとも言える。磁力線は磁石のNからSへ延びる線。

その他のよくわからん用語たち

空中線電力

送信機のアンテナ端子に電力計を繋いで測った電力。送信電力とほぼイコールだが、厳密にはアンテナまでのケーブル減衰を差し引いてアンテナに掛かる電力。よって「送信電力-ケーブル減衰」が空中線電力。

空中線電力へアンテナ利得を加算するとEIRP。

アンテナ利得

指向性アンテナによって見かけ上、エネルギーをマシマシにしてくれることをアンテナの利得と呼ぶ。アンテナに増幅作用はないので送信電力が増える訳では無い。

裸電球に笠を被せて開いてる方向だけより明るくするイメージ

等方性アンテナ指向性を持たず全方向へ等しい強度で放射される仮想的なアンテナ)と同エネルギーアンテナ利得を基準(0dB)とする利得を絶対利得と呼び 0 dBi とする。あまりよくわかってない。

EIRP

等価等方放射電力。アンテナからある方向へ放射されるエネルギーを等方性アンテナによる送信電力としたもの

アンテナ利得 20dBi のある指向性アンテナ送信出力 30dBm(1W) を掛けると送信出力 30dBm + アンテナ利得 20dBi = EIRP 50dBm (=100W) 。これは等方性アンテナ(アンテナ利得 0dBi)に送信出力 50dBm (100W)を掛けたといういう意味になる。

dBm

1mW = 0dBm として、1mWより大きいか小さいか対数表現した絶対値の単位

電波世界ではめっちゃ小さい桁数の数字数字になるので、常用対数を用いることで使いやす数字にする。

対数なので 3dBm の増減は2倍または0.5倍、10dBmの増減は10倍または0.1倍。

3dBm10dBmだけ覚えておくと

・23dBm = 10dBm + 10dBm + 3dBm = 10mW x 10mW x 2mW = 200mW

・-60dBm = -10dBm + -10dBm + -10dBm + -10dBm + -10dBm + -10dBm = -0.1mW ^6 = 0.000001mW

といった計算が出来る。


今の時代めっちゃ凄くね?

何処まで正しいのか全くわからんが、知識皆無からぐぐって読み比べたらなんとなーくわかったような気がする段階まで持って行くことができるのは単純に凄くねと思った。

便利な時代になったんだなあ。

 
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