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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2章航法支援施設 (1)VOR/DMEその1

            第2章航法支援施設
          (1)VORとDMEその2


 


今回は、VOR の構成についてお話をします。
各航法支援施設の原理については、ネット上でも書かれ
ていますが、肝心な部分が書かれていなかったり、原理
そのものが不正確なものであったりし、正確なものを見
る事ができません。
また、残念ながら受験参考書でも肝心な部分がボヤかさ
れて書いてありますので、読者には、分かりずらく難し
いものと捉えられてしまいます。
曖昧な事は、記憶に残りません
航法支援施設の曖昧な例としましては、以下の様なもの
があります。
”ローカライザーは、 滑走路に向かって左側でVHF帯の
内の1つの周波数の搬送波を 90 [Hz] で変調した 電波
を輻射し、そして同じ周波数の搬送波を150 [Hz] で変
調した電波を滑走路の右側から輻射する”   と言う 説明
がありますが、 同一周波数の電波を 同じ施設から輻射
する事は、 電波が干渉してしまいますので通常、 その
様な事は、出来ませんので 不正確な説明と言えます。
この様に不正確な説明が多いのは  きちっと書かれた書
籍の存在を 航法支援施設の製作するメーカーや それを
使用するお役所の極一部の人しか知らない為です。 
また、その書籍の内容は、 非常に高度で、単に、 航法
支援施設に 興味がある程度の人では、 難解すぎて理解
できません。 


今回のお話は  受験以外で航法支援施設に興味をお持ち
の方にも 分かりやすくお話をしていますので 大変貴重
な内容となっています。



なお、各施設の写真の掲載には、国土交通省航空局の許
許可が必要ですので、掲載出来ません。写真をご覧にな
りたいた方は、当ブログの 東海総合通信局  のブック・
マーク又は、 CQ出版社殿の 「RF WORLDNo.7」 の
ブックマークをクリックしてご覧下さい。 

それでは、今回は、VORの構成のお話を致しますが、そ
の前に電波とは、何かを考えておきましょう。説明には、
多くの予備知識が必要です。
電波とは、どの様な物かについては、 電磁気の所で詳し
くお話をしますが、 ここでは、電波を使ってどの様に音
楽やデータを 伝えるかと言う事を簡単にお話します。
(正確には、 電波としてアンテナから輻射される前の高
周波をどの様に音声やデータで変化させアンテナから 電
波として輻射するかと言う事です。)
電波を音声信号やデータで変化させる事を 変調と言いま
す。その変調方式の基本は、 以下の4通りです。

  (1)電波の強さを信号の大きさで変化させる

      電波の強さを音声信号 (以下送るべき音声やデ
    ータを音声信号と言います。)の 大きさに比例
    した大きさに変化させる。 受信側では、電波の
    強さに応じた 電圧を取り出す事で音声信号を得
    る事が出来ます。
    この変調方式を振幅変調 又はAM変調 と言いま
    す。
          皆様が使用する事になる航空無線で主に使用さ
    れる変調方式がこの方式です。 

  
  (2)電波の周波数を信号の大きさで変化させる

     この変調方式は電波の周波数を音声信号の大き
     さに比例して変化させる方式です。
             周波数変調又は、FM変調と言います。
             携帯電話も初期の頃は、この変調方式を使って
     いました。 現在でも FM放送や空港内で地上職
     員の方が持っている トランシーバー等の  変調
     方式として使用されています。

    (3)電波の位相を信号の大きさで変化させる

     位相とは、正弦波やパルスの始まりの時間的、
     又は、始まりの角度を言います。
     例えば、X軸とY軸の交点から伸びる長さ L の
     棒が交点を軸として グルグル 回っているとし
     ます。 回る向きは、左廻 りです。
     1秒間に1回転するとしますと 0 秒の時は、原
     点より右側の X軸上にいるとします。  この角
     度は、0°です。
     1/4 秒後には、90°進む事になります。
     今、お話した X-Y 平面を長さ L の棒が回るセ
     ットをもう一つ用意します。
     最初のセットは、0秒の時、棒の角度が0°でし
     た。
     次のセットは、0秒の時、棒の角度が90° とし
     ますと 二つのセットの棒の角度が 90° 違いま
     す。
     それぞれの動き始めの角度を 位相と言います。
     又、二つの棒の角度の差を 位相差と言います。 
     音声信号の大きさにより 電波の 位相を変える
     のが、位相変調 又は、 PM変調 と呼ばれる変
     調方式です。
     主に移動体通信で使用されます。

  (4)その他

    (1)と(3)の組合せたもの等がありますが、
            航空無線通信士の試験範囲を超えますので割愛
     いたします。
            この方式は、LAN や 防災無線の変調方式とし
            て使用されいます。

以上の様に電波に音声信号を乗せる方法は 電波の振幅
波数または、位相を変えるしかありません。
   
 

2.VORの構成


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第2章航法支援施設 (1)VOR/DMEその1

                    第2章航法支援施設
       (1)VORとDMEその1

今回から航法支援施設のお話を致します。
航法支援施設とは、 航空機が目的地迄飛行する為や、
航空機が安全に着陸する為の 誘導施設等をさします。
無線工学の中でもパイロットや管制官にとって1 番重
要な工学の知識になります。
と言う事は、試験で1番出題数が多いと言う事です。
更に言いますと、航法支援施設を理解していれば、多
くの得点が得られ、合格に近づくと言う事です。

各システムについて概要・原理・使い方についてお話
を致します。つまり、これらが学習のポインとになり
ます。

まづ、航法支援施設を管轄するお役所のお話から致し
ます。
皆様が。パイロットになってからお世話になります国
土交通省には、航空局(名称は、電波法に出てくる航
空局と同じですが、こちらの航空局は、役所の名前で
す。)と言うものがあります。
航空局とは、航空行政を行う国土交通省の出先機関で
、皆様が思い浮かべるのは、管制塔で航空機に指示を
出すお役人だと思いますがその他航空局には  管制官
の所属する部署の他に 2 つの現業部門があります。
1つは、殆ど皆様は、意識されていないと思いますが、
夜、空港へ行きますと、滑走路や誘導路等の路面に青
や緑・赤等の電気が点(つ)いてiます。
その他、皆様は、航空機に乗っていて見ることが出来
ない赤と白のPAPI(パピー: Precision Approach 
Path Indicator ) があります。
これは、滑走路脇にあり操縦席から見て赤のランプと
白のランプが 2つづつ点灯して見えるときが着陸する
為の正しいグライド・パスを示します。
これらの灯火類の設置やメンテナンスを行う部署です

PAPIにつては、試験には、 出ませんが パイロットと
しては、常識中の常識ですので、覚えておいて下さい


そして、 2つ目は、今回からお話をします「航法支援
施設 (電波標識) 」等の設置やメンテナンスを 行う部
署です。
こちらに勤務される方には、 高度な無線技術が 必要
とされますので私の様な第1級陸上無線技術士の免許
を持った方が勤務されています。
その部署では、入省後も高度な技術の講習を受け 実
践に就いた後も更に教育が続く為、航空会社のCAさ
ん達からも一目おかれる存在となります。

これからお話します航法支援施設は、 以上の理由で
超が付く程、難解です。 また、それらを記述した専
門書も一般の方が書店で目にする事が出来ませせん。
ゆえに、 ネットで書かれている情報の多くは、不正
確であったり、肝心な部分が書かれいません。
ここでは、 身の周りの事を例に分かりやすく、正確
にお話をいたしますので、 航空通の免許試験を受け
ない航空ファンの方も 興味をもって読んで頂ける様
にしてあります。


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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第1章空中線と電波伝搬 番外編~バラン~

           第1章空中線と電波伝搬
            番外編 ”バラン”



前回、平衡と不平衡のお話をいたしました。今回は、平
衡と不平衡のものを繋ぐ場合の変換方法の1つである 
ラン
についてお話を致します。
次回の試験では、 出題されないと思いますが、 念の為、
番外編 としてお話を致します。



それでは、その形や原理がどうなっているのか見て行き
ましょう。

[バラン]
バランには、色々の種類がありますが、図-4は、同軸ケ
ーブルを使用して作っ た物です。


図では、同軸ケーブルの外側の導体と内側の導線のみを
描いていますので一番外側の絶縁物と内部導体と外部導
の間の絶縁物は、省略しています。
図の下の U 字形の部分がバランです。
バランの長さは、λ/2 になっています。
それでは、原理について説明致します。
図の左上の同軸ケーブルの左側から内部導体を流れて来
た電流:I は、 a点で、平衡形ケーブ ルとバランへ I/2
づつ流れます。
V と書いてある下の 小さな赤い矢印は、GND ( 外側の
導体 )から見た内部の導体の電圧の極性を示します。
a 点 では、 矢印が上を向いていますので、 内側の導体
の電圧は、”+”です。
そして、 バランに入ったばかりのa点での電圧は、”+”
で、電流も、同じく”+”です。


バランの出口の b 点 では、 バランの長さが λ/2 です
ので、b 点での位相a 点に対して逆転します。
その為、V の極性を示す矢印が下を向いています。
内部導体の電圧の極性は、”-”になります。



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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第1章空中線と電波伝搬 (7)空中線と給電線の整合その2

          第1章空中線と電波伝搬
       (7)アンテナと給電線の
             整合その2


前回、アンテナと給電線のマッチング(整合)を取る必
要が有ると言う事と、整合が取れている場合と、取れて
いない場合では、どう違うのかと言うお話をいたしまし
た。
整合を取る必要性は、お分かり頂けた事と思います。
それでは、どの様に整合を取るかと言うお話をいたしま
す。

[整合をとるには?]
整合を取るとは、給電線のインピーダンスとアンテナの
インピーダンスを合わせる事です。
それらの方法には、

  a.集中定数回路
  b.トラップ方式
  c.λ/4整合方式

が有ります。
それでは、 その幾つかを見てみます。給電線の特性イン
ピーダンスをZo 。 アンテンのインピーダンスは、 R と
します。

集中定数回路の例

           Zo > R の場合

          Zo < R の場合

次にお見せしますのは、λ/4整合方式の例です。

Zo と R の間に λ/4 の平行2線ケーブルを入れます。
平行2線の特性インピーダンス:Zm は、

       Zm = sqrt(Zo・R)

注:sqrt とは、エクセルの書式で平方根:ルートを
  意味します。
  今後も、エクセルの書式で記載する事が多くなります
    ので、そのつもりでいて下さい。

整合のお話をしたところで、送信機の電力を アンテナへ
送る方法には、”平衡形” と  ”不平衡形” がある事をお話
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1章空中線と電波伝搬 (7)空中線と給電線の整合その1

        第1章空中線と電波伝搬
       (7)アンテナと給電線の
            整合その1



今回と次回の2回に分けて、 第1章の最後として”アンテ
ナと給電線の整合”のお話をいたします。
ここで耳慣れない”整合”と言う言葉が出てきましたので
”整合”とは、何か?と言う事からお話を致します。
”整合”とは、英語で ”matching” の事です。電気の世界
でマッチングと言いますと”impedance matching”の
事を指します。
インピーダンスとは、交流に対する抵抗の様な物です。
直流に於いては、電流を流しにくくする物は、抵抗だけ
ですが交流に対しては、 ”抵抗”、”コイル”、 ”コンデン
サー” が電流を妨げます。
直流の場合、コイルは、ただの導線をスプリングの様に
巻いた物ですので、ただの導線としてしか、働きません

そして、 コンデンサーは、絶縁物を2枚の金属板で挟ん
だ物ですので電流は元々流れません。 直流の回路では、
コンデンサーは、通常、使いません(時定数回路として、
コンデンサーへの充電時間を利用してタイマーとしての
働きをする回路としての利用は、有ります。)。勿論、
コイルも使いません。
これらのコイルやコンデンサーは、交流の場合、具体的
には、どの様に作用するのでしょうか?
まず、コイルについて考えてみましょう。
交流では、常にコイルに流れる電流の大きさと流れる向
きがSIN波状に変化しますので、その変化を阻止する様
に逆方向の起電力が発生しますので、交流の電流を流し
にくくします。
コンデンサーについては、どうでしょうか?すでにお話
をいたしましたが、コンデンサーは、2 枚の金属板の間
に絶縁物を挟んだ物ですので元々、コンデンサーの内部
には、電流が流れません。しかし、コンデンサーの両側
に繋がれている 導線には
、コンデンサーが充電したり、
放電したりする最の電子の移動
(電流)が常にあります
ので、見た目には、コンデンサー内部に電流が流れてい
る様に見えます。

コンデンサーに繋がる導線に流れる電流の量は、コンデ
ンサーの容量(どの位の電荷を貯められるか?)と交流の
周波数によります。
この導線に周波数が ”0”。つまり、直流の電源を繋ぎま
すと コンデンサーが充電する一瞬を除くと 電流が流れ
ません。
インピーダンスは、無限大と言う事になります。
しかし、周波数が高く成程、充放電が多くなりますので
、コンデンサーに繋がる導線には、電子の移動が活発に
なります。
つまり、電流がより流れる事になります。
と言う事は、インピーダンスは、下がるのです。

さて、インピーダンスについてご理解頂いたところで、
整合が取れている時、取れていない時の違いを考えみま
す。
皆様は、電力と言う言葉をご存じだと思います。電力は
、次の式で求められる事は、ご存知だと思います。

  (電力:P) = (電流:I) X (電圧:V)

これも有名な式です。
それでは、下の図をご覧下さい。

水色の箱は、ミュージック・プレーヤーだと思ってくだ
さい。


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TOITAの「航行無線通信士受験クラブ」第21期工学第1章空中線と電波伝播 (6)導波管

         第1章空中線と電波伝搬
             (6)導波管


今回は、導波管のお話です。いきなり聞いた事もない名前の
物が出てきたとお思いでしょうが、これから高い周波数が盛
んに使用される様になりますので大電力のマイクロ波を伝送
する場合に重要になります。 勿論、航空無線でも レーダー
等に使用されています。



図-1をご覧下さい。送信機からアンアテン又は、アンテナか
ら受信機へ高周波を運ぶ為の物を給電線と言います。
図-1の一番上の同軸ケーブルは、その代表的な物です。

同軸ケーブルは、皆さんのご家庭でもTVのアンテン線とし
て使用されていますので 見る事が出来ますので一度、TV の
裏を ご覧下さい。 太さ 5 [mm] 程の黒い線が見えると思い
ます。
その下の二つが今回お話をします導波管(waveguide)です。 




[構造]
これには、図―1 の様に 2種類あり、1つは、方形導波管
もう1つは、円形導波管です。
導波管の構造は、図-1でお分かりの通り中空の金属のチュー
ブです。
給電線と言うには、線が有りませんが、導波管は、マイクロ
波を伝送する事が出来ます。
マイクロ波とは、周波数が300 [MHz] ~ 3  [THz]( テラ・
ヘルツと読みます。)の電波で波長は、1 [m] ~100 [μm]
です。身近な所では、電子レンジや携帯電話に使用されてい
ます。
ちなみに電子レンジは、2.45 [GHz] の周波数を使用してい
ます。
携帯電話もこれに近い周波数の電波を送信しますので、携帯
電話を耳に当てる事は、電子レンジに頭を入れている様なも
のです。よって、出来るだけヘッドセットの使用をお勧めし
ます。


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TOITAの「航空無線通信士受験塾」第21期受験直前講座第1章空中線と電波伝播 (5)小電力同軸ケーブル

           第1章空中線と電波伝搬
         (5)小電力同軸ケーブル


今回は、送信機とアンテナ又は、 アンテナと受信機を繋
ぐ「同軸ケーブル」についてのお話をします。

試験では、 これからお話を致します様に 同軸ケーブルに
限らず 構造動作原理用途特性 が問われますのでそ
の全部を覚える必要があります。
赤の太字の部分が覚えなければならない所です。

[1]同軸ケーブルの構造
 図-1の一番上に描いたものが同軸ケーブルです。
 同軸ケーブルは、皆様の家のTVと壁のコンセントの様
 な部分とを結ぶ直径が1センチメーター弱の 黒いケー
 ブルです。是非、一度ご覧になって下さい。
 それでは、 同軸ケーブルの一番内側から説明いたしま
 す。
 図では、同軸ケーブルを4層に分けて描いています。
 一番内側(一番右)が線です。
 その周りの白い部分(図では、銅線の左の白い部分) は
 、ポリエチレン製で 真ん中の銅線とその周りの網状の
 銅線との絶縁の役割を果たしています。
   絶縁体の事を誘電体と言います。試験では、誘電体と
 言う言葉を覚えていて下さい。

 <豆知識>
   皆様は、冬の日に絨毯の上を歩き、ドアノブに手を触
 様として感電した経験は、ありませんか?絨毯は、電
 気を通さない絶縁体です。絶縁体とは、原子から通常
 の外力(力、電圧、光等)では、原子から電子が離れな
 い物質を言います。 (つまり、電気を通さない物質で
   す。)
 電子が原子から離れないのですが 外力により 電子の
   軌道が 中心からズレる為に原子核から 遠くズレた方
   が”-”。原子核に近い方が”+”の電気の性質を示しま
   す。この様な現象を起こす物質を誘電体と言います。
   受験勉強の為に半透明板の赤い板で  教科書をの一部
   隠している様子を見ますが、  あの板を頭に擦ると静
   電気が起き、頭の毛が逆立ちます。  誘電体とは、静
   電気起きる物質と覚えておいて良いかもしれません。
 また、先ほど  電子の軌道がずれて電気の性質を示す
 事を分極と言います。
誘電体の分極

 網状の銅線の廻り (網状の銅製の線の左) は、ビニー
 ルで覆われています。

  


 真ん中の導線を“内部導体”。 外側の網状の銅線を“
 部
導体
”と言います。
 

以下[2]の始めから<同軸ケーブルの動作の考え方2>
迄は、読み飛ばしても結構です。その場合は、<同軸
ケーブルの持つ”シールド”効果>からお読み下さい。

[2]同軸ケーブルの動作原理



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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第1章空中線と電波伝播 (4)アルフォード・ループ・アンテナ

        第1章空中線と電波伝搬
    (4)アルフォード・ループ・アンテナ 

今回は、航空無線に使われますアルフォード・ループ・
アンテナ
 
(Alford Loop Antenna) のお話しです。
垂直偏波で無指向性のアンテナは、簡単に得られますが、
水平偏波で無指向性は、なかなか有りません。 アルフォ
ード・ループ・アンテナは、水平偏波で無指向性です。
アルフォード・ループ・アンテナは、航法支援設備の
VORに使われるアンテナすのでので是非、覚えて下さい

勿論、試験に出題されることもあります。


(構造)
目に見える形で設置されていませんので、なかな見る実
物を事が出来ないアンテナですが、図-1の様な形をして
います。  カタカナの”ム ” の様に折り曲げ金属板が4枚
、背中合わせに配置した構造になっています。各金属板
の長い辺は、それぞれλ/4 です。
 

       
それぞれの金属板は、真ん中で a の部分と b の部分、
c の部分と d の部分がそれざれ図-1の様に接続されて
います。

(原理)
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1章空中線と電波伝搬 (3)ダイポールアンテナその2

           第1章空中線と電波伝搬
       (3)半波長ダイポール・アンテナ
                その2

前回は、波長とは何か? 半波長ダイポール・アンテナの構
造は、どの様な物かと言うお話を致しました。
今回は、 半波長ダイポール・アンテナからどの様に 電波を
輻射するのか?と言うお話と ”指向性” についてお話をいた
します。

半波長ダイポール・アンテナの図を もう一度 掲載しておき
ます。
                   

灰色の棒が”半波長ダイポール・アンテナ”です。
赤い線は、”給電線”。 そして、交流電源のマークは、送
信機です。


[半波長ダイポール・アンテナの輻射の原理]

図-5 の(A) と (B) そして (C) の各図の太い線は、アンテ
ナです。
図の (A) には、抵抗が繋がれています。
図では、I と書いた電流が流れています。 電気の世界で
は、電流を” と書きますので覚えておいて下さい。

半波長ダイポールアンテナの輻射原理
           図-5

電流の横に描いた矢印は、 電流の流れる向きを表してい
ますが、 これは、一瞬を捉えているもので、電源が交流
ですので、 電流の向きは、時間と共に変わります。
一般の方々は、(A)の場合、 電源とアンテナと抵抗が
繋がれていますので、電流が流れる事を理解できますが、
(B) の様に抵抗を取り除いてしまった場合、電流は、 流
れないと考えてしまいます。
しかし、皆様は、電流とは、”電子が動く事” と理解され
ていますので、 (B)でも 電流が流れている事を理解され
る事と思います。 もし、疑問に思う方がいらっしゃいま
したら、前回の記事を読み直しておいて下さい。

それでは、 (B)図の場合の電流がどの様に流れているか
を考えてみましょう。
電源から アンテナの端へ移動して行った電子は、その先
が有りませんので その先へは、いけません。当然ですね

それでは 電子は アンテナの端に貯まってしまうのでしょ
うか?

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TOITAの「航空無線通信士受験クラブ」第21期工学第1章空中線と電波伝搬 (3)ダイポール・アンテナその1

           第1章空中線と電波伝搬
     (3)半波長ダイポール・アンテナ
               その1

今回は、実際に使用されているアンテナでありながら ア
ンテナの基本でもある 半波長ダイポールについてのお話
をいたします。
 
まず、 始めに、半波長とは、どう言う意味かを考えてみ
ます。

[半波長ダイポール・アンテナの”半波長”とは?]
下の図は、前回、電波のモデルとして見て頂いた図です。

λと言う文字に注目して下さい。
ラムダ”と読みます。
例えば、緑の電界について注目してみますとキツネ色で
示します、アンテナの所では、大きさが ”0” で、そこか
ら距離が進む程、 大きくなり、その後小さくなり、”0”
になり、今度は、下方向に大きくなり、その後、 又、小
さくなり、また、”0”となります。
この間の長さを”1波長”と言います。
波長を”λ”で表します。

ここで、波長と周波数の関係を調べてみます。
周波数とは、1秒間の振動の数です。
(1つの振動とは、1波長分の大きさの変化の事です。)


つまり、 周波数とは、1波長分の振動が1 秒間に何回有
ったかと言う事です。
周波数の単位は、 [Hz](ヘルツと読みます。)
単位は、重要ですので、今後、新しく単位が出てくる度
に覚えて下さい。新し単位が出てくる度にノートの1ペ
ージ目に書き留めておくのも良いですね。

ここで、電波の伝わる速さを思いだして下さい。
もう忘れた方もいらっしゃると思いますが、今日からは
、絶対に忘れない様にして下さい。

光は、電波の周波数が高いものですので、光の速度と電
波の速度は、同じです。
ズバリ、電波の速度は、30万キロ・メーター毎秒です。


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