ラジオのしくみ

「電波」は、音楽、会話、写真、データを目に見えない形で空中を送信します。多くの場合、数百万マイルを超えます。これは、毎日何千もの異なる方法で発生します。電波は人間には見えず、完全に検出できませんが、社会を一変させました。私たちが携帯電話、ベビーモニター、コードレス電話、または他の何千もの無線技術のいずれかについて話しているかどうかにかかわらず、それらはすべて電波を使用して通信します。

電波に依存する日常の技術のほんの一部を次に示します。

リストはどんどん増えていきます...レーダーや電子レンジのようなものでさえ電波に依存しています。現代の航空と同様に、通信衛星や航法衛星のようなものは電波なしでは不可能です。飛行機は12の異なる無線システムに依存しています。ワイヤレスインターネットアクセスへの現在の傾向はラジオも使用しており、それは将来的にはるかに便利であることを意味します！

面白いことに、ラジオは本質的に非常にシンプルなテクノロジーです。せいぜい1ドルか2ドルの費用がかかる電子部品が2、3個あれば、簡単な無線送信機と受信機を作ることができます。こんなにシンプルなものが現代世界の基盤技術になったという話は魅力的です！

この記事では、目に見えない電波がいかに多くのことを可能にするかを完全に理解できるように、ラジオの技術を探求します。

1. 最も単純なラジオ
2. （少し）より手の込んだラジオ
3. ラジオの基本：パーツ
4. ラジオの基本：実際の例
5. シンプルな送信機
6. シンプルな送信機：自分で作る
7. 情報の送信
8. AM信号の受信
9. 最も単純なAM受信機
10. アンテナの基本
11. アンテナ：実際の例

ラジオは信じられないほどシンプルであり、世紀の変わり目頃、このシンプルさにより、ほぼ誰でも初期の実験が可能になりました。どれだけ簡単にできますか？次に例を示します。

あなたのバッテリー/コインの組み合わせは無線送信機です！有用なものは何も送信せず（静的なだけ）、あまり遠くまで送信しません（距離が最適化されていないため、数インチだけです）。しかし、スタティックを使用してモールス信号をタップすると、実際にはこの粗雑なデバイスと数インチ以上通信できます。

もう少し手の込んだものにしたい場合は、金属やすりと2本のワイヤーを使用してください。ファイルのハンドルを9ボルト電池の1つの端子に接続します。もう一方のワイヤをもう一方の端子に接続し、ワイヤの自由端をファイルの上下に配線します。暗闇の中でこれを行うと、ワイヤーの先端がファイルの尾根に接続および切断されるときに、ファイルに沿って非常に小さな9ボルトの火花が走っているのを見ることができます。ファイルをAMラジオの近くに置くと、多くの静電気が聞こえます。

ラジオの初期には、送信機はスパークコイルと呼ばれ、はるかに高い電圧（20,000ボルトなど）でスパークの連続ストリームを作成しました。高電圧は、スパークプラグに見られるような大きな脂肪の火花を生成し、それらはさらに遠くまで伝わる可能性があります。今日、そのような送信機は、電波スペクトル全体をスパムするため違法ですが、初期には、電波を使用する人があまりいなかったため、正常に機能し、非常に一般的でした。

前のセクションで見たように、静的で送信するのは信じられないほど簡単です。しかし、今日のすべてのラジオは、情報（オーディオ、ビデオ、データ）を送信するために連続正弦波を使用しています。今日、私たちが連続正弦波を使用している理由は、同時に電波を使用したい人やデバイスが非常に多いためです。あなたがそれらを見る方法があれば、あなたは今あなたの周りに文字通り何千もの異なる電波（正弦波の形で）があることに気付くでしょう-テレビ放送、AMとFMラジオ放送、警察と消防ラジオ、衛星テレビ放送、携帯電話の会話、GPS信号など。今日の電波の用途がいくつあるかは驚くべきことです（電波スペクトルのしくみを参照）アイデアを得るために）。それぞれの異なる無線信号は異なる正弦波周波数を使用し、それがそれらがすべて分離される方法です。

無線のセットアップには2つの部分があります。

送信機は、ある種のメッセージ（誰かの声の音、テレビの写真、ラジオモデムのデータなど）を受け取り、それを正弦波にエンコードして電波で送信します。受信機は電波を受信し、受信した正弦波からメッセージをデコードします。送信機と受信機の両方がアンテナを使用して無線信号を放射およびキャプチャします。

ベビーモニターは、無線技術を取得するような単純な程度です。赤ちゃんの部屋にある送信機と、両親が赤ちゃんの話を聞くために使用する受信機があります。典型的なベビーモニターの重要な特徴のいくつかを次に示します。

（「変調」や「周波数」などの用語が今のところ意味をなさなくても心配しないでください。すぐに説明します。）

携帯電話もラジオであり、はるかに洗練されたデバイスです（詳細については、携帯電話のしくみを参照してください）。携帯電話には送信機と受信機の両方が含まれており、両方を同時に使用でき、何百もの異なる周波数を理解でき、周波数を自動的に切り替えることができます。典型的なアナログ携帯電話の重要な特徴のいくつかを次に示します。

バッテリーとワイヤーから始めることで、無線送信機がどのように機能するかについてのアイデアを得ることができます。ではどのように電磁石仕事、あなたは、バッテリーの二つの端子間の配線を接続した場合、バッテリーはワイヤーにより電気（電子の流れ）を送ることがわかります。移動する電子はワイヤを囲む磁場を生成し、その磁場はコンパスに影響を与えるのに十分な強さです。

別のワイヤーを取り、それをバッテリーのワイヤーと平行に、しかしそれから数インチ（5 cm）離して配置するとします。非常に敏感な電圧計をワイヤーに接続すると、次のことが起こります。最初のワイヤーをバッテリーに接続または切断するたびに、2番目のワイヤーで非常に小さな電圧と電流を感知します。磁場が変化すると、導体に電界が発生する可能性があります。これが、発電機の背後にある基本原理です。それで：

注意すべき重要な点の1つは、バッテリーを接続または切断した場合にのみ、電子が2番目のワイヤーを流れることです。磁場が変化しない限り、磁場によってワイヤ内に電子が流れることはありません。バッテリーを接続および切断すると磁場が変化するため（バッテリーをワイヤーに接続すると磁場が発生し、切断すると磁場が崩壊します）、その2つの瞬間に電子が2番目のワイヤーに流れます。

簡単な無線送信機を作成するには、ワイヤーに急速に変化する電流を作成します。これは、次のようにバッテリーをすばやく接続および切断することで実行できます。

より良い方法は、ワイヤーに連続的に変化する電流を生成することです。連続的に変化する波の最も単純な（そして最も滑らかな）形式は、以下に示すような正弦波です。

正弦波を作成し、それをワイヤーに通すことで、簡単な無線送信機を作成できます。わずかな電子部品で正弦波を作成するのは非常に簡単です。コンデンサとインダクタで正弦波を作成でき、2つのトランジスタで波を強力な信号に増幅できます（詳細については、「発振器のしくみ」を参照してください。これは簡単な送信機の概略図です）。その信号をアンテナに送ることで、正弦波を宇宙に送ることができます。

正弦波と、正弦波をアンテナで宇宙に送信する送信機がある場合は、ラジオ局があります。唯一の問題は、正弦波に情報が含まれていないことです。波に関する情報をエンコードするには、何らかの方法で波を変調する必要があります。正弦波を変調する一般的な方法は3つあります。

パルス変調-PMでは、正弦波のオンとオフを切り替えるだけです。これはモールス信号を送信する簡単な方法です。PMはそれほど一般的ではありませんが、その良い例の1つは、米国のラジコン時計に信号を送信する無線システムです。1台のPM送信機で全米をカバーできます！

振幅変調-AMラジオ局とTV信号の画像部分の両方が、振幅変調を使用して情報をエンコードします。振幅変調では、正弦波の振幅（ピークツーピーク電圧）が変化します。そのため、たとえば、人の声によって生成された正弦波は、送信機の正弦波にオーバーレイされて、その振幅が変化します。

周波数変調-FMラジオ局および他の何百ものワイヤレス技術（TV信号の音声部分、コードレス電話、携帯電話などを含む）は周波数変調を使用します。FMの利点は、静電気の影響をほとんど受けないことです。FMでは、送信機の正弦波周波数は情報信号に基づいてごくわずかに変化します。

正弦波を情報で変調すると、情報を送信できます。

周波数

正弦波の特徴の1つは、その周波数です。正弦波の周波数は、1秒間に上下に振動する回数です。AMラジオ放送を聞くと、ラジオは1秒あたり約1,000,000サイクルの周波数の正弦波に同調します（1秒あたりのサイクル数はヘルツとも呼ばれます）。たとえば、AMダイヤルの680は、毎秒680,000サイクルです。FMラジオ信号は1億ヘルツの範囲で動作しているため、FMダイヤルの101.5は、毎秒101,500,000サイクルで正弦波を生成する送信機です。詳細については、電波スペクトルのしくみを参照してください。

これが実際の例です。車のAMラジオをステーション（たとえば、AMダイヤルの680）に合わせると、送信機の正弦波は680,000ヘルツで送信されます（正弦波は1秒間に680,000回繰り返されます）。DJの音声は、送信機の正弦波の振幅を変化させることにより、その搬送波に変調されます。アンプは、大規模なAMステーションの場合、信号を50,000ワット程度に増幅します。次に、アンテナは電波を宇宙に送り出します。

では、あなたの車のAMラジオ（受信機）は、送信機が送信した680,000ヘルツの信号をどのように受信し、そこから情報（DJの音声）を抽出するのでしょうか。手順は次のとおりです。

スピーカーから聞こえてくるのはDJの声です！

FMラジオでは、検出器は異なりますが、他のすべては同じです。FMでは、検出器が周波数の変化を音に変えますが、アンテナ、チューナー、アンプはほぼ​​同じです。

強いAM信号の場合、2つの部品といくつかのワイヤーだけで簡単なラジオ受信機を作成できることがわかります！プロセスは非常に簡単です-必要なものは次のとおりです。

これを機能させるには、AMラジオ局の送電塔（1.6 km程度以内）を見つけて近くにいる必要があります。これがあなたがすることです：

これで、耳栓を耳に入れると、ラジオ局が聞こえます。これは、可能な限り最も単純なラジオ受信機です。この非常に単純なプロジェクトは、駅から非常に離れている場合は機能しませんが、ラジオ受信機がいかに単純であるかを示しています。

仕組みは次のとおりです。ワイヤーアンテナはあらゆる種類の無線信号を受信して​​いますが、特定の送信機に非常に近いため、それほど重要ではありません。近くの信号は他のすべてを数百万倍も圧倒します。あなたは送信機にとても近いので、アンテナもたくさんのエネルギーを受け取っています-イヤホンを駆動するのに十分です！したがって、チューナーやバッテリーなどは必要ありません。前のセクションで説明したように、ダイオードはAM信号の検出器として機能します。そのため、チューナーとアンプがなくても、ステーションの音を聞くことができます。

RadioShackが販売しているCrystalRadio Kit（28-178）には、インダクターとコンデンサーの2つの追加部品が含まれています。これらの2つの部分は、無線に余分な範囲を与えるチューナーを作成します。詳細については、オシレータのしくみを参照してください。

あなたはおそらくあなたが見るほとんどすべてのラジオ（あなたの携帯電話、あなたの車のラジオなど）がアンテナを持っていることに気づいたでしょう。アンテナには、アンテナが受信しようとしている周波数に応じて、さまざまな形状とサイズがあります。アンテナは、長くて硬いワイヤー（ほとんどの車のAM / FMラジオアンテナのように）から衛星放送受信アンテナのような奇妙なものまで、何でもかまいません。無線送信機はまた、信号を送信するために非常に高いアンテナ塔を使用します。

無線送信機のアンテナの背後にある考え方は、電波を宇宙に発射することです。受信機では、送信機の電力をできるだけ多く取得してチューナーに供給するという考え方です。数百万マイル離れた衛星の場合、NASAは直径200フィート（60メートル）までの巨大な衛星アンテナを使用します。

最適な無線アンテナのサイズは、アンテナが送信または受信しようとしている信号の周波数に関連しています。この関係の理由は、光の速度と関係があり、結果として電子が移動できる距離です。光の速度は毎秒186,000マイル（毎秒300,000キロメートル）です。次のページでは、この数値を使用して実際のアンテナサイズを計算します。

ラジオ局680AM用の電波塔を建設しようとしているとしましょう。周波数680,000ヘルツの正弦波を送信しています。正弦波の1サイクルで、送信機はアンテナ内の電子を一方向に移動し、切り替えて引き戻し、切り替えて押し出し、切り替えて再び戻します。言い換えれば、電子は正弦波の1サイクルの間に4回方向を変えます。送信機が680,000ヘルツで動作している場合、すべてのサイクルが（1 / 680,000）0.00000147秒で完了することを意味します。その4分の1は0.0000003675秒です。光速では、電子は0.0000003675秒で0.0684マイル（0.11 km）移動できます。つまり、680,000ヘルツでの送信機の最適なアンテナサイズは約361フィート（110メートル）です。したがって、AMラジオ局には非常に高い塔が必要です。一方、900,000,000（900 MHz）で動作する携帯電話の場合、最適なアンテナサイズは約8.3cmまたは3インチです。これが、携帯電話がそのような短いアンテナを持つことができる理由です。

車のAM無線アンテナの長さが300フィートではなく、ほんの数フィートの長さであることに気付いたかもしれません。アンテナを長くすると受信状態は良くなりますが、AM局は都市で非常に強力なので、アンテナが最適な長さであるかどうかは問題ではありません。

無線送信機が何かを送信するとき、なぜ電波が光速でアンテナから離れた空間を伝播したいのか不思議に思うかもしれません。なぜ電波は何百万マイルも伝わるのですか？バッテリーにワイヤーを取り付けた状態で見られるように、アンテナの周囲にアンテナの近くに磁場があるだけではないのはなぜですか？それについて考える簡単な方法の1つは、これです。電流がアンテナに入ると、アンテナの周りに磁場が発生します。また、磁場によって、送信機の近くに配置された別のワイヤに電界（電圧と電流）が発生することもわかりました。宇宙では、アンテナによって生成された磁場が宇宙に電界を誘導することがわかります。この電場は次に、空間に別の磁場を誘発し、それが別の電場を誘発し、それが別の磁場を誘発し、等々。これらの電磁界（電磁界）は、光速で空間内に相互に誘導し、アンテナから離れて外側に移動します。

ラジオと関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

初版：2000年12月7日

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