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第1級陸上無線技術士、第1種伝送交換主任技術者、第1種アナログ工事担任のTOITAが航空無線を目指す、皆様のお手伝いをします。



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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第9章電磁気 (3)電気力線と電気力線密度

           第8章電磁気
      (3)電気力線と電気力線密度


前回は、電界のお話をいたしました。
今回は、皆様が独自に電気力線と電気力線密度の勉強を
されていることを前提に電束と電束密度のお話をするつ
もりでしたが、大変重要なので、電気力線と電気力線密
度のお話をする事と致しました。
電気力線は、電気 (電子)部品の需要な要素 (抵抗・コン
デンサー・コイル) の内のコンデンサーに大いに関係し
ます。


[I] 電気力線とは?
ある ”場” の 状態を表す必要がある事があります。  例
えば、 大雨が続いて地盤が緩くなっている時 どの地域
に どれだけの積算雨量が有ったとか言うのを 地図上に
棒グラフを立てて表しています。
また、風の様子を表すために地図上に矢印を沢山描きま
す。
風向は、矢印の向きで、風速は、矢印の長さ又は、色で
で表しています。地図上に沢山の矢印を描く事で台風の
風が全体として渦を巻いている事を視覚的に捉える事が
出来ます。

前回迄のお話では、ある電荷が有って、その電荷から距
離:rの場所の電界の”強さ”と”向き” を知る為に"+1 [C
]” の電荷を置く事でそれらを知る事が出来ました。
この様に 個々の場所の電界の”強さ”と”向き”を計算する
事が出来ますが、場の全体の状態を捉える事が出来ませ
ん。

そこで、今回、お話を致します電気力線と言う架空の線
で電界全体の様子を表してみます。


 電界の強さE電気力線の密度
        
電気力線の密度各々の場所の電界の強さ
        を表します。
        
電気力線が沢山ある所は、電界が強く、電
                 気力線がまばらな所は、電界が弱い事表し
      ます。また、それぞれの場所の電気力線の
      密度は電界の強さですので、前回、お話
      ししましたEを求める式で計算出来ます。
        先ほどの風の例の場合ですと、矢印の有る
        所しか表せませんので連続した場所の変化
        を表す事が出来ませんが、一方、電気力線
                 、 + の電荷から出て- の電荷迄繋がっ
                 ています
ので 電界の様子を連続して表す事
                 が出来ます。
     
 電界の向き :電気力線の接線方向
               電気力線は、+ の電荷から出て-の電荷迄
        繋がっていますので、電気力線を辿ります
                 と風の矢印と違い、 連続して電界の向きを
                 知る事が出来ます。
        任意の場所における電界の方向は、の場
        を通る電気力線の 接線方向
になります。
        


下の図をご覧下さい。真ん中の赤い玉は、電荷です。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第9章電磁気 (2)電界

           第9章電磁気
          (2)電界



今回は、前回お話をしました「クーロンの法則」を一歩
進めて「電界」のお話をいたします。

さて、「電界」とは、どの様な概念でしょうか?
聞いた事のない言葉だとお思いの方もいらっしゃると思
います。
また、聞いた事はあるが良く意味が分からないと言う方
は、残念ながら理系の方の中にも沢山いらっしゃいます

実は、電界とは、皆様が使われる事になる航空無線に深
く関係しているのです。
そうです。  電波です。 電波は、「磁界」と「電界」か
ら成り立っています。
第9章のタイトルは。 大学では、「電磁気学」と呼ばれ
る学問です。まさに「電界」と「磁界」が対象の学問で
す。
それでは、「電界」についてのお話を始めます。

1.電界とは?
 とは、英語でElectric field と言います。
 電気の力が及ぶ範囲のことを言います。ちなみに電界
 とは、 電気屋さんの言葉で 物理屋さんは、 電場と言
   います。
 場と界は、同じ様にある事が存在又は、作用する範囲
   (空間)を指す言葉です。
 例えば、「現」とは、 現在物事が起こっている場(
   空間)と言う事になると思います。
   又、地球の磁場と言う言葉を耳にされたことがお有り
 だと思いますが、これは、地球が発する磁力が及び空
 間を言います。
 次に、「界」が付く言葉を挙げてみましょう。
  「世」とは、 人間が認知出来る空間(界)と言う事
 で相撲界とか野球界はたまた、ズバリ世界と言う言葉
 があります。
   身近な範囲で「界(field)」の例を考えて見てください
 。
 そうして考えますと、「電界」と言う言葉は、そんな
 に特殊な言葉でも無くなってきたと思います。
 私達人間が存在する地球あるいは、宇宙で電荷が存在
 すれば、そこが電界になります。
 
 繰り返しになりますが、電界は、そこに電荷が有るか
   または、後々お話をします界の変化により作り出さ
   れます

 身近な例としましては、下敷きを脇の下に挟んで擦り
   、その下敷きを頭に近づけますと髪の毛が逆立ちます
   。
 下敷きを遠ざけますと髪の毛は、元に戻ります。
 下敷きに溜まった静電気の力が及ぶ範囲電界です。
 電界を身近な例で例えてみます。教室に入った時、好
 きな異性が近づいて来たとしますと、貴方の心が動き
   ます。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第9章電磁気 (1)静電に関するクーロンの法則

             第9章電磁気
    (1)静電気に関するクーロンの法則

今回は、「静電気に関するクーロンの法則」についての
お話です。クーロンの法則は、電気的な現象を理解する
上で、最も基本的な法則ですので、完全に理解して下さ
い。次回お話をします電界等、これから出てきます式に
関係しますので、この式が理解できませんと前へ進めま
せん。

クーロンの法則には、「静電気に関するクーロンの法則
」と「磁気に関するクーロンの法則」があります。
クーロンの法則に限らず、静電気のお話に出て来る式は
、文字を変えると磁気に関する式になりますので、静電
気が理解出来ますと、後は、皆様自身が、受験参考書で
磁気に関する内容を読めば分かる様になります。

さて、クーロンの法則は、簡単な式で表されますが、こ
の式に限らず、は、暗記するものでは、なく何を意味
しているかを理解する重要です。
式の意味が分かれば、自然と頭に入りますが、意味もわ
からずに、暗記しますと、すぐに記憶から消えてしまい
役に立たなくなります。
特に、 無線従事者試験の最高峰である第1級陸上無線技
術士のアンテナと電波伝搬には、沢山の式が出てきます
が、それらの式を使えなければなりません。沢山の式を
意味が分からずに暗記する事は、不可能です。

それでは、「電気とは、何か?」と言う事の復習から始
めます。 詳細は、工学第1章「空中線と電波伝搬」の 1
回目でお話をしていますので、読み直しておいて下さい


電気の正体は、原子の陽子に、”+”。電子には、”” の
電気の性質があり、いくつかの電子が原子から離れる事
それぞれの性質が見えてくると言う事をお話しました

つまり、1 つの原子の中の陽子の数と電子の数が同じで
あれば、その原子は、電気的な性質を示さないと言う事
です。
それでは、陽子と電子が分かれる事でどの様な事が起こ
るのか基本となる「クーロンの法則」についてのお話を
します。



原子から離れた電子は、”-”の電気の性質を示します。
また、電子が抜けた原子は、”+” の電気の性質を示しま
す。
(原子は、電子と原子核で出来ています。原子核は  中性
子と陽子で出来ています。中性子には、電気的な性質が
ありませんが陽子には ”+”の電気の性質があります。
よって原子は、電子の抜けた数だけ”+” の電気の性質を
持つ事になります。)

電子が抜けた原子と 電子の絵を 一々描いていたのでは、
大変なのでそれぞれ丸で描きます。
そして、その丸を電荷と呼びます。
電荷自体は、大きさをもちません。
下の図-2をご覧ください。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第8章電源 (1)鉛電池の動作とフロート充電

          第8章電源
      (1)鉛電蓄電池の動作
         とフロート充電


今回は、 鉛電池の動作状態と 充電方式の一つであるフ
ロート充電についてのお話です。
次回の試験では、 この二つの項目の 出題が予想されま
す。


数年前の年末、古くからある TVのクイズ番組を見てい
ましたら、答えが二次電池と言う問題が有りました。
答えたのは、現役のパイロットの方でした。
多分  航空無線通信士の試験勉強の時に覚えられたので
はと思って見ていました。
ちなみに  使い捨ての電池は、充電出来ませんの一次電
と言います。

皆様は、想像がつくと思いますが、航空局は、地上にあ
りますので発電所から送られて来る電気を使って管制装
置や無線装置を動かす事が出来ますが、空を飛んでいる
航空機は、発電所からの電力の供給を受ける事が出来ま
せん。
そこで、自前で発電する事になります。
それでは、航空機の何処で発電するかと言えば、エンジ
ンです。
エンジンで推力を得ると共に、エンジンで発電機を回し
て電力を得ています。
発電された電気は、電池に蓄える必要があります。
エンジンを動力源として同時に 発電機を回し、 その電
気を電池に蓄えると言うのは、自動車と同じ事です。
それでは、なぜ、電気をそのまま、使わないで蓄えるか
と言う事ですが、 勿論、発電しながら使っていますが、
エンジンが回っている時、止まっている時、エンジンの
回転数が高い時、低い時と言う様にエンジンの状態は、
様々です。
よって、発電量も違いますので、安定した電力を得る為
には、機内で余り電気を使わない時には、 蓄えておき、
使用量が増えた時にエンジンでの発電量の不足を補う必
要があるからです。


それでは、気分を受験モードに戻し鉛蓄電池のお話を致
します。
鉛蓄電池については、1回又は、2回おきに出題される
問題です。
問題が各回似ていますが、問題文が似ていても否定文で
書かれている時と肯定文で書かれている時がありますの
で問題文と答えを暗記すのでなく理解しておく必要があ
ります。
理解しておけばどの様に問われても解答出来ます。
要点は、 沢山ありませんし 得点し易い所 ですのですの
で、試験において僅かな得点差で不合格にならない様に
する為
にも重要なポイントとなります

鉛蓄電池をご存じない方もいらっしゃるかと思いますが
、自動車のボンネットを開けると見られる電池で充電式
です。(電気自動車の電池は、種類が違います。)
充電出来る電池二次電池
充電出来ない電池一次電池と言います。
鉛電池は、自動車や小型機等の移動体の電源として、ま
た、非常用電源として停電時等に使用されます。

I、鉛蓄電池の充電時の状態(新設問題
 鉛電池は、 陽極が二酸化鉛(PbO2)、陰極が鉛(Pb)
   、電解液が希硫酸(H2SO4) と言う構成です。
 充電とは、電池に電圧を加え電気エネルギーを化学エ
   ネルギーに変換して蓄える事です。
 充電時には、以下の事が起こります。

 ・ 電池が発熱する。
 ・ 電解液の比重が上昇する。
 ・ 水素酸素発生する。

 この3点を覚えておいて下さい。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第7章通信方式他 (2)GPS

                          第6章通信方式その他
                  (2)GPS 

今回は、皆様が携帯電話や車で使用されています。GPSの
お話です。


私事ですが、商社勤めをしておりまた頃、日本には、GPS
がまだ、有りませんでした。
そんな頃、その商社で、地震研究用にGPSを扱う事となり
ました。
その商社は、GPSに限らず日本に無い科学用電子機器の輸
入をしていましたので、GPS以外にも沢山面白い電子機器
を扱っておりました。
当時、直接GPSの担当でなかった、私は、多忙であった事
事もあり第1級陸上無線技術士の資格を取る迄その仕組み
みを知る事は、ありませんでした。
今回は、そんなGPSの仕組みをお話します。


[GPS(Grobal Positioning System )とは]
GPSは、アメリカの軍が打ち上げた衛星を使用する高精度
の位置測定システムです。
皆様が携帯や車で使用しているGPSは、アメリカ軍が打ち
上げた衛星を利用しています。

[GPSの概要]

上の図の真ん中の球体は、地球だと思って下さい。
その周りに 6つの楕円が有りますが、これは、 人工衛星
の軌道です。
60度づつの傾斜角で全部で6つの軌道がありま
す。


それぞれの軌道には、4 つづつの人工衛星が 周回してい
ます。
6つの軌道がありますので全部で
24 個の人工衛星周回 
ている訳です。

高度は、20,000 [Km] 。
各衛星は、地球を約11時間58分で1周します。


それぞれの衛星は、同じ周波数を使用して時刻信号と軌道
データを地上へ送ってきます。

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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第7章通信方式他 (1)DSBに比べてのSSBの特徴その2

          第7章通信方式その他
          (1)DSBに比べての
          SSBの特徴その2



今回は、前回に続いてDSB方式に比べてのSSB方式の
特徴についてのお話を致します。



          図-1

図-1 の上側の図は、音声信号と搬送波を並べたもので
す。
そして、下側の図は、 音声信号で搬送波を変調したも
のです。
図からは、チョットわかりませんが、 搬送波のレベル
を ”1” としますと、下側帯及び上側波帯は、それぞれ
搬送波のレベルの”1/2”になります。
搬送波と下側波帯及び上側波帯の合計のレベルを ”1”
としますと、搬送波全体の1/2”。 それぞれの側
波帯
は、それぞれ全体の1/4”づつとなります。

それでは、次にSSBを見てみます。

          図-2

SSB (LSB) と書いてある図と 図-1 の振幅変調と書い
てある図と比べて下さい。 (点線は、搬送波の位置を
示すもので実在しません。)
SSB (LSB) では、上側波帯と搬送波が無くなっていま
す。
SSB(J3E)には、もう1つあります。それが図-3です。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第7章通信方式他 (1)DSBに比べてのSSBの特徴

           第7章通信方式その他
            (1)DSBに比べての
             SSBの特徴その1 


今回から2 回に分けてDSBに比べての SSBの特徴につ
いてのお話を致します。SSB は、DSBの仲間である振
幅変調の一種です。 SSBについては、 第6章でお話を
したばかりですが、今回は、DSB との比較と言う事で
すおで、まず、DSB についての知識の整理をしておき
ましょう。
更に、その前に電波とは、どの様なものか? 復習して
おきましょう。 


(1)電波とは?
電波とは、 アンテナに高周波電流(周波数の高い交流
)を流しますと、アンテナの周りに 磁気の力が及ぶ範
囲であるが出来ます。
磁界の強さは アンテナに流れる電流が交流で有る為に
磁界の”強さ”と”向き(磁気の力が働く方向)” が変わ
ります。
すると静電気の力がおよぶ範囲、これを 電界と言いま
すが その電界の”強さ”と”向き”の変化が生まれます。

更に、電界の変化は、磁界の変化を生みます。
磁界の変化は、電界の変化を生みます。

この繰り返しが電波です。
電波の様子を絵にしたものが、下の図です。

緑が電界で、赤が磁界です。
どちらもSIN波状に大きさが変化しています。
そして、向きは、磁界の場合、左右に変化しています。
電界は、上下に変化しています。
電界が地面に垂直な場合(磁界の変化は、 地面に平行
)、この電波の形を”垂直偏波”と言います。
電界が地面に平行な場合(磁界の変化は、 地面に垂直
)、この電波の型を”水平偏波”と言います。
垂直偏波と水平偏波は、重要ですので これらの言葉を
覚えておいて下さい。
電波は、伝わる空間の性質 (媒質) が変わらなければ、
永遠に飛び続けます。
その証拠に光の飛ぶ速さにして何億光年先からでも 電
波や光が飛び続けています。

(2)電波を使ってどの様に通信するのか?
皆様が航空無線で主にに使用する電波の型式(変調方式
) は、DSB と SSB です。



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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第6章SSB送受信機 番外編”SSB受信機の構成”

          第6章SSB送受信機
        番外編SSB受信機の構成


今回は、SSB送受信機の最後としてSSB受信機の構成に
ついてお話をします。
ワザワザSSB受信機と銘打ってお話しますのは、 AM受
信機や FM受信機とは、違う独特の回路が有ったり、求
められる性能が違うからです。
第4章でお話をしましたAM(A3E)の受信機と何処が違い
、何処が同じか整理しておいて下さい。


 

左上の空中線の後からお話をします。
なお、今回のお話では、要点のお話だけですので、シン
グル・スーパー・ヘテロダイン方式でお話をします。な
お、A3Eの受信機と同じ所は、第4章の DSB送受信機で
復習しておいて下さい。

(1)高周波増幅器
  これは、A3E受信機の時と同じです。

(2)周波数混合器、第1局部発振器
  これも A3E 受信機の時と同じでいきなり高周波増
      幅器で 必要なだけ増幅してしまいますと 増幅回路
      の中で発振してしまいますので、  発振しない程度
  の増幅をして  更に増幅する為に中間周波数に変換
  する回路です。

(3)帯域フィルター
  DSBや FM の中間周波数増幅器では  それぞれの変
  調波の帯域幅より広い帯域を増幅してもそれ程、支 
      障は、ないのですが SSBの場合は、出来る
      だけ 3 [kHz]の幅以外は、通らない様な鋭い特性(
      必要な周波数の幅だけ) の帯域フィルターが必
      なります。

  帯域幅が、 DSB 半分である事を理解しておいて
      下さい。

(4)中間周波数増幅器
  これもA3Eの場合と同じです。

(5)検波器
  色々な方式がありますが、簡単な方法としては、前
      回お話をしました平衡変調回路がそのまま使用でき
      ます。
  変調器のDSB-SC出力の部分に今度は中間周波数増
  幅器の出力を入れ 搬送波入力端子に第2局部発振器
  からの出力を入れてやりますと音声入力の所から検
  波された音声信号が出てきます。
  平衡変調器 (リング変調器) には、 変調器と検波器
      の
両方の性質を持つ可逆性が有るのです。

(6)第2局部発振器
  中間周波数増幅の後の検波器へ送信側から送られて
  こない搬送波の代わりに加える代用の搬送波を発振
  する
回路です。

  注・・  試験問題に第1局部発振器の周波数と第2局
       部発振器の周波数の どちらが高い周波数か
                と言う問題がありますが SSBの電波は、通
                常、数[MHz]以上で使用されます。
       これに対して、中間周波数は 、通常、455
       [kHz] になりますので 第1 局部発振器の発
                振周波数は、[目的の信号の周波数]+ 455[
                kHz] または、-455 [KHz]です。
      それに比べて第2局部発振器の発振周波数は
       、中間周波数から1.5 [kHz] 離れた周波数
               ですので


    第1局部発振器の周波数>第2局部発振器の周波数

      又、ここでの第2局部発振器は、ダブル・
      ーパー ・ヘテロダインの時と 目的が違
う事
      に注意
しておいて下さい。
      ダブル・スーパー・ヘテロダインの場合です
      と、今回の第2局部発振器は、第3 局部発振
      器となります。通常、BFOと呼ばれます。

        ※BFOの周波数が中間周波数と 1.5[kHz] 離れる
           理由
    空間を電波してくるSSB波の中心周波数は、中
    間周波数の455 [kHz] に変換されます。
    SSBの帯域幅は、3 [kHz] ですから、本来、搬
    送波の有るべき周波数は、455 [kHz] より1.5
    [kHz] 離れた周波数となります。BFOは、搬送
    波の代わりです。 



(7)低周波増幅器
  これは、 A3Eの場合と同じで検波された信号は  極
  小さいのでスピーカーを鳴らす為に必要なまでの電
  力に増幅する回路です。

  注・・・試験問題では、低周波増幅器と電力増幅器
         に分けて描いてあります。

以上でSSB送受信機のお話は、全て終了です。


次回の無線工学は、”通信方式その他”のお話です。 





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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第6章SSB送受信機 番外編”SSB送信機の構成”

        第6章SSB送受信機
         SSB送信機の構成


来期の試験では SSB 送信機の構成についての出題は 予想
されませんが、せっかく、平衡変調のお話をしましたので
、 番外編としまして送信機の構成についてお話をします。


前回は、DSB-SC(Double Sideband Suppressed
Carrier) つまり、A3Eからキャリアを取り除き、更に、片
側のSideband を除去してSSBを作り出す方法迄をお話し
ました。
それらの回路が実際の送信機では、どの様な箇所に使われ
ているのかと言うお話をします。
今回は、SSB送信機独特の回路が出てきますので、要点を
掴んでおいて下さい。


図-5をご覧下さい。
 
左上からお話をします。

(1)音声増幅器
  マイクからの微弱な音声信号を増幅します。
  図には、有りませんが、トーン発振器からの1.5 [kHz]
  とマイクからの入力を切り替えて声増幅器へ送る事があ
  ります。1.5 [kHz] の信号を相手局へ送るのは正しく、
  1.5 [KHz] として、 受信できれば、 音声も正しく受信
  出来る様になりますのでその為にトーン発振器を設ける
      場合がある場合があります。

(2)平衡変調器
  前回お話をしました変調器で (1)からの音声信号とその
  下の第1局部発振器からの 高周波から搬送波を抑圧した
  した DSBーSC を作ります。
  音声信号が単一周波数のfsで第一局部発振器の周波数
  を fc としますと、fc+fs と fc-fs の両側波帯
  を作ります。

  ※これも、図には、無いのですが、(1) の音声増幅器と
   平衡変調器の音声信号の入力との間にスピーチ・クリ
   ッ
パーを入れる場合があります。
   スピーチ・クリッパーは 音声信号が大きい時  ピーク
   部分を切り取る事で音声信号を一定にして、過変調 (
   DSB送受信機の章で復習しておいて下さい。) を防ぎ、
   平均変調度を上げる役目が有ります。

(3)第1局部発振器

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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第6章SSB送受信機 (2)平衡変調器の動作と用途

           第6章SSB送受信機
      (2)平衡変調器の動作と用途

SSBがどの様な電波型式であるかご理解頂けたと思いま
すが、それでは、振幅変調で出来る搬送波と上側波帯又
は、下側波帯どちらかをどの様に取り除くのかと言うお
話をします。

SSBを作り出す方法には、幾つかありますが、一般的 (
誰にも分かり易い)で良く試験に出題される 平衡変調 
ついてのお話をします。
そして、タイトルにあります用途ですが、変調器なので
変調に決まっているのでは?お思いの方が多いと思いま
すが、じつは、変調以外にも使えるのです。そのお話は
、最後に致します。


[1]平衡変調器の動作
図の信号の流れを追いながら説明を読んで下さい。

(1)音声信号の流れ

  音声信号は、回路図の左のトランスの左側 (一次側
  ) から入力される周波数:fsの単一周波数の正弦波
  とします。
  音声信号が”プラス”の時 (の部分) には、 回路図
  の赤の部分を流れます。
  次に音声信号が”マイナス”の時には、下の図の
  表した部分を流れます。



  結果として音声信号が ”プラス” の時も ”マイナス”
  の時も 右側のトランスの 一次側 (左側)を流れる事
  が有りませんので音声信号が左側のトランスに入力
  されただけでは右側のトランスのニ次側には、音 
  声信号単独で現れません
  
  注 2つのトランス共に左側が一次側で右側が二次側
    です。


(2)搬送波の流れ






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