電波

電界と磁界の変化が空間を伝わる電磁波のうち、通信・放送・測位・レーダ等に利用される周波数領域です。日本の電波法では3,000GHz以下の電磁波と定義され、アンテナで電気信号と相互変換して情報を送受信します。

■ 試験で押さえるポイント

• 真空中の伝搬速度$c$、周波数$f$、波長$\lambda$には$c=f\lambda$の関係があります。同じ媒質では周波数が高いほど波長が短く、アンテナ寸法、回折、遮へい、伝搬損失及び利用可能帯域の傾向が変わります。

• 低い周波数は一般に回折しやすく遠距離・広域へ届きやすい一方、利用できる帯域幅が限られます。高い周波数は広い帯域を確保しやすい一方、直進性と伝搬損失が増し、壁、降雨、大気等の影響を受けやすくなります。実際の特性は周波数帯と環境で判断します。

• 電波は反射、回折、散乱、屈折し、複数経路の信号が位相差を持って到着するマルチパスを生じます。フェージング対策にはダイバーシティ、等化、OFDM、MIMO、適応変調等を用います。

• 搬送波の振幅、周波数、位相等を変化させる変調によって情報を載せます。通信速度は搬送周波数の高さだけで決まらず、チャネル帯域幅、変調多値数、符号化率、信号対雑音比及び共有方式に依存します。

• 同一・隣接周波数の他局、電子機器、自然雑音は干渉源になります。周波数割当て、チャネル選択、送信電力、アンテナ指向性、フィルタ及び媒体アクセス制御で共存させ、無線局免許・技術基準等の法令を守ります。

• 電波は建物外や想定範囲外へ届き得る共有媒体です。物理的に受信できることと通信参加を許可することを分け、相互認証、暗号化、完全性保護、リプレイ対策及び不正アクセスポイント検知を用います。

• 電波強度が高くても、干渉、雑音、再送又は混雑で実効通信品質が低いことがあります。RSSIだけでなくSNR、誤り率、再送率、チャネル使用率、遅延及びスループットを併せて評価します。

■ 過去問での着眼点

周波数$f$が高いほど波長$\lambda$は短くなり、伝搬・回折・アンテナ・帯域の性質が変わりますが、周波数の高さだけで通信速度は決まりません。電波は反射・回折・散乱によって見通し外へも届き、同時にマルチパスや干渉を生じます。共有媒体なので暗号化と認証も別途必要です。通信速度は帯域幅・変調・符号化・SNR等で決まることを押さえます。

例: 周波数$2.4$GHzの波長は、$c\simeq3.0\times10^8$ m/sとして$\lambda=c/f\simeq0.125$ m、約12.5cmです。同じ場所でも壁や反射物により受信強度が変わるため、周波数だけで到達範囲を断定しません。