電波の伝搬と減衰

読書時間 3 議事録

更新日 - 2023年5月11日

WLAN、放射線被曝、遮蔽の話題は何度も出てくる。電波の伝搬と減衰を理解することは、無線技術を扱う上でも役立ちます。このため、より詳細な情報を以下に提供するが、これにはまず基本的な理解が必要である。というわけで、まずは少しドライな理論から。

歴史

1886年、周波数の単位（Hz）にちなんで命名されたハインリッヒ・ヘルツは、1867年にジェームズ・クラーク・マクスウェルが理論的に予言した電磁波（電波）の存在を初めて実験的に証明した。

ニコラ・テスラは1900年3月20日、無線エネルギー伝送、ラジオ技術に関する最初の特許を取得した。

この電信は、サミュエル・フィンリー・ブリース・モースが1837年に発明した電磁式電信とモールス・アルファベットを使用し、最大3,600kmの距離のメッセージを橋渡しした。

スプレッド

電磁波の伝搬は、周波数、トポロジー、大気の状態に左右される。

対流圏（高さ17～17km）と成層圏（高さ8～50km）に続く電離層（平均高さ約1,000km）は、太陽活動に依存する電離の度合いによって電磁波を反射することができる。極端な場合、送信されたばかりの信号は、通過時間（300,000 km /s）だけ遅れて地球（周囲約40,000 km）の周囲で反射を繰り返すことにより、同じ場所で再び受信されることがある。

約60MHz以上の電波は、光のように伝播する。電波は障害物によって屈折したり反射したりする。特に100MHzを超えると、電波は反射によってますます伝搬が妨害されるようになる。最も不利なケースでは、波の山と谷が互いに打ち消し合うこともある。

減衰

減衰とは信号の減衰のこと。減衰はデシベル（dB）またはデシベル・ミリワット（dBm）で測定され、より高いパワーレベルでは、より高いレベルを実用的な方法で視覚化できるように対数形式のデシベル・ワット（dBW）で測定される。

減衰の単位をパーセントとdBで区別することが重要で、音のdb(A)の場合、"A "は人間の聴覚曲線に適合していることを意味します（同じ音量でも高い音と低い音では感じ方が異なることを考慮）。

デシベルは通常、増幅を表す。従って、負の符号は減衰を表す。
100 dBは0 dBの音圧の100,000倍、または2 pa（パスカル）の音圧を表す。

ノイズ	デシベル	シールド (dB)	%
丸鋸	90	10	90
モーターウェイ・デイズ	80	20	99
日中のメインストリート	70	30	99,9
夜の幹線道路	60	40	99,99
日中の脇道	50	50	99,999
夜の脇道	40	60	99,999.9
時計の刺繍	30	70	99,999.99
リーフノイズ	20	80	99,999.999
呼吸音	10	90	99,999.999.9
沈黙	0	100	99,999.999.99

電波を透過する材料の減衰能力がどの程度高いかを知るために、厚さ30cm未満の建物の天井（70%）と厚さ1mm未満の金網（100%）、または厚さ10cm未満の石膏ボードの間仕切り壁（10%）を比較する。

ケーブル／コネクタ／減衰ロス

電波が無線機からアンテナに向かう途中などでケーブル、プラグ、カップリングなどを通過する場合、ここでも減衰ロスが発生します。使用するアンテナケーブルの種類や長さ、プラグの接続によって、減衰損失の総量が決まります。

経験則として、減衰損失の合計がアンテナの利得を超えてはなりません。個々の部品はそれに応じて選択する必要があります。

ケーブルの種類、撚り線か硬質導体か、シールド、シース構造、長さ、使用周波数などもアンテナケーブルを選ぶ際に考慮すべき基準です。ハロゲンケーブルは耐熱性、難燃性に優れ、溝付きケーブルはトンネル内の設置に使用されます。

WLAN / 無線中継リンク

WLANには、2.4GHz、5GHz、6GHz、24GHz、60GHzの周波数が利用できる。壁や天井を通した長距離通信を望むなら、最も低い周波数、つまり2.4GHzを選ぶとよい。2.4GHzは、戸建て住宅内では使用可能だ。半戸建ての場合は、隣家との距離も十分であることを念頭に置いてください。近距離で高いデータ・レートを求めるなら、床や天井をほとんど通さない5GHzを使う。6 GHz帯も同様である。
一方、24GHzと60GHzは、200...1,000mの距離を可能にする。1.000 m.この場合、見通し線が前提条件となる。雨、霞、降雪などによってスループットが低下することがありますが、技術的な予防措置によって部分的に補うことができます。

電波強度

電気設備の電波強度は1 ...2 mW、無線リンクは約10 mW、2.4 GHzのWLANは100 mW、5 GHzは200 mW、マイクロ波は800 mW、携帯電話は2,000 mWである。

一般に、高周波電磁界には限界値が適用され、人体組織が許容できる消費電力をいわゆるSAR（比吸収率）として表す。

人体全体を平均すると0.08W/kgとなり、頭部（携帯電話）などは2W/kgとなる。

耳にかける携帯電話は、すでに生体を最大許容負荷にさらしている。

敏感な人の場合、電磁波被曝の影響には、血圧調節障害、うつ病、ホルモン障害、免疫抑制、集中力障害、頭痛、疲労、睡眠障害、めまい、吐き気、落ち着きのなさなどがある。

保護措置

1. WLANルーターの設置場所は、職場からできるだけ離れた場所を選んでください。
2. 実際の要件に応じて周波数帯域を利用する。
3. 使用していないときは、WLANを無効にします。

電磁波の外部被曝から身を守りたい場合は、家をファラデーケージとして設計することができる。この場合、薄い金属メッシュ、銅箔、必要であればアルミ箔のシートを壁紙や壁紙の下に敷いたり、裏面に金属コーティングを施した特殊なEMC壁紙を貼ったりする。各シートが隣のシートと電気的に接触していること、窓ガラスも金属化されていること、そしてこの層が壁のシールドにも接続されていることが重要です。
適切なアースを確保するため、設備全体を建物の電位平衡システムに接続する必要があります。

このように、この部屋は外部の電磁波の影響から安全であり、逆にこの部屋内のWLANルーターの無線トラフィックは外部の盗聴者から保護される。

エレクトロスモッグとシールド技術の話題は、この記事で取り上げている。 貢献 別々に扱う。

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