電磁波の伝搬


中波では,どうして夜になると遠くの放送局が聞こえるようになるのでしょうか? このことを考えるには電磁波がどのように伝わってくるかを考える必要があります.


電離層の存在

地球の上空100km−300km程度のところには,太陽からのX線などによって原子が電離しイオン化した状態の電離層があります. この電離層は幾つかの層からなっており,下からD層,E層,F層と呼ばれています. D層は太陽の影響を受ける昼間のみ存在し夜間は消滅しますが,E層,F層は昼夜間を問わず存在します. これは電離層が太陽の働きによってできているからです. 季節によっても電離層の状態は変化します. このため,中波ラジオの受信状態の変化には,1日の中での時間による変化と季節による変化に分けられます.


電離層と電波の反射・吸収

電離層は電波に対して網の目のような働きをします. D層は網の目が大きく,E,F層となるに従い網の目が細かくなります. 「網の目」といっているのは本当は「電離している電子の密度」ですが,このように考えるとわかりやすいと思います.

中波の電波は波長が長いため,D層の網の目を通り抜けるときに弱められてしまいます. 一方,E,F層では網の目を通り抜けられずに反射します. D層がある限り,中波の電波は弱められてしまい電離層反射は起きません. 電波は基本的に直進するので地平線の向こう側には電波が飛んでいきません. このため,D層が存在する昼間は中波の電波が遠くに飛んでいくことはありません

ところが,太陽の影響がなくなる夜間はD層が消滅し,中波の電波はE,F層で反射され,地平線の向こう側,つまり遠方へ到達できるようになります. これが夜になると遠くの中波放送が聞こえる理由です.

これに対し短波は波長が短いのでD層の網の目を通り抜けることができ,それよりも上空にあるE層,F層で反射されます. 短波の電波は電離層反射によって非常に遠方まで到達します.

VHF,UHFの電波は波長が短く電離層の網の目を全て通り抜けてしまいます. 電離層での反射はないので電波は直進してしまい地平線の向こうには伝わりません. つまり,見渡せる範囲内にしか電波は伝わらない事になります. この見渡せる範囲の事を「見通し距離」といいます. だから,テレビやFMのアンテナはなるべく高くすることが必要で,テレビ局が各地方毎に必要なのも電波の到達距離が短いからです.

放送局のアンテナから直接飛んでくる電波を地表波といいます. それに対し電離層で反射してくる電波を空間波といいます. これから,中波は昼間は地表波のみ,夜は地表波と空間波の両方が伝わってくることになります. また,短波はほとんど空間波のみ,VHF,UHFは地表波のみが伝わってくる事になります.

季節が冬になると太陽からの光りも弱くなり電離層の網の目が広くなります. 電離層の高さも上がるため,より遠くまで中波の電波が届くようになります. このため,冬の方が遠距離受信には向いています. しかし,混信も増えるため必ずしも聞きやすくなるわけではありません.


大地の影響

一般的に地面というのは電気がよく流れます. つまり,大地は導体であり,大地による電磁波の反射も無視できません.

電磁波は電離層と大地との間で反射を繰り返しより遠くへ到達します. 大地の影響によってアンテナの指向性も変化します. これをうまく利用することでアンテナの効率を上げることも可能です.

大地の伝導率が悪い場所では,電磁波の減衰が激しいので電磁波は弱くなります. 一般に,伝導率は乾燥しているところでは悪くなるので内陸部は伝導率が悪くなります. これに対し,海や川の近くでは伝導率は高くなります.

また,電磁波は波ですから波の性質である回折を起こします. 回折とは,波が物体の背後に回り込む現象です. これは波長が長くなる(つまり周波数が低い)と特に顕著になります. つまり,周波数の低い電波は大地の丸みに沿って伝わりやすく,周波数の高い電波は直進しやすいということです. これから,昼間は周波数の低い放送の方が遠くへ伝わりやすくなります.

山や建物なども電波をさえぎります. FM,TV(つまりVHF)の電波は波長が短いので,ちょっと大きな建物などがあると邪魔されてしまいます. これに対して中波や短波の電波は波長が長いので,普通の建物の背後にも回り込むことができます.

電離層と大地での電波の反射


フェージング

夜に遠くの中波ラジオを聞いていると音が大きくなったり小さくなったりします. このような現象をフェージングといいます. 短波放送では一日中フェージングがあって当たり前です.

このフェージングが起きる原因としては,以下のようなものがあります.

フェージングを軽減するには,同期検波回路や,ダイバーシティなどが効果的です.

ダイバーシティには,周波数ダイバーシティ,空間ダイバーシティ,偏波ダイバーシティなどがあります. 周波数ダイバーシティは,短波でよく使われる方法で,複数の周波数を使って同じ放送を送信して受信状態の良いものを選択して利用する方法です. 空間ダイバーシティは,空間的に離れたアンテナを複数用意して受信状態の良いものを利用する方法です. 偏波ダイバーシティは,偏波面の変化があっても一定信号を受信できるアンテナを利用する方法です.


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