ラジコン関連の一般知識

ここでは、電波とアンテナについて現象中心にまとめておく。


(1)電波

@電波の発見

1785年、静電気のクーロンの法則が発見され、1800年のボルタ電池発明以降、電流と磁界の法則が次々と発見された。
アンペアの右ネジの法則、オームの法則、レンツの法則、キルヒホッフの法則、フレミングの左手右手の法則 ・・・

1864年、マクスウエルがこれらの断片的な法則を 4 つの方程式にまとめ、すべての電磁気現象はこれを解いたり変形したりして説明できるようになった。
方程式から電磁波の存在が予言された。

1888年、ヘルツがギャップ火花放電実験で予言された電磁波を発見し、1897年のマルコーニの 6 Km 送信成功以降、日進月歩で現在に至る。


A電磁波の正体

海の波、音、地震などは媒質が振動して伝わっており、まぁ理解できるが、電磁波は媒質のない真空でも伝わっているので正体がイメージできない。
電界により磁界が発生、その磁界により電界が発生 ・・・ の連鎖反応で進行するエネルギーとされているが、よくわからない。
光の正体もわからなかったが、現在では光も電磁波として扱われている。

30 KHz ぐらいの電気振動を起こすと電線から空中に電磁波が放出され出すが、なぜ放出されるのか、なぜ 30 万 Km / 秒 の一定速度なのかは現在でもわかっていない。
振動がなくても、乾電池レベルの電圧でスパークさせるだけで放出される。
正体と原理はわからなくても、おきる現象はわかるので応用できているのが現状


B遠くに飛ばすには?

送電線の 50 Hz や 60 Hz などの低周波はいくら電力増幅しても長距離まで届く電波は出ないという。
500 THz ( テラヘルツ ) 前後の星の光が何億光年の距離を飛んでくることから、高い周波数にすればいいことがわかる。

初期の電気技術では大電力の高周波を作ることが出来ず、極数 256、回転数 1360 rpm の交流発電機で 5.8 KHz を作ったという。
機械式ではすぐ限界になり、電気式交流発電回路 ( 発振回路 ) による単調波を搬送波とし、可聴音などの低周波で振幅などを変えて送る変調方法が開発されていった。



(2)発振回路

多種多様な発振回路が考案されているが、おもちゃに使われていそうな回路を調べておく。

@RC発振回路


Inverter ( 反転素子 )を使用し、RC の充放電時間を利用したもの。
ピンクが充電経路、青が放電経路
R を小に、C を大にするほうが安定する。

周波数精度はわるく、RC 素子の誤差、温度変化により、5 % 〜 50 % ぐらい変動すると言われるが、実験ではそんなに悪くはない。

おもちゃでは、RC を COB IC に内臓しているもの、抵抗 R のみ外付けしているものがある。
ゼンマイ式以外のものは、ほとんど IC を搭載しており、IC のクロックとして使われている。




シュミットインバータ _ 74HC14 で上図定数でやってみた。

電源 4.45 V で 1.025 KHz ( 968 μs ) を観測した。

上が a 点で下が b 点波形







A水晶振動子・セラミック振動子・クロック発振回路


水晶発振子 ( クリスタル : X tal ) または セラミック発振子 ( 商品名セラロック ) を使用、R1 はフィードバック抵抗、R2 は電流制限抵抗、C1、C2 は安定・微調整コンデンサ
200 KHz以下、4 MHz 〜 70 MHz

周波数精度は、セラミックで 0.5 % 、水晶で 10 ppm ( 百万分の 10 ) という。

おもちゃでは、セラミックは見かけない。
ピアノなど鍵盤楽器や時計のあるおもちゃでは、IC のクロックとして 時計用の 32.768 KHz が使われていたりする。

水晶は、外付け、C1、C2 コンデンサは外付けまたは IC 内臓となっている。
C1、C2 は、32 KHz で 33 pF、1 MHz で 15 pF 程度である。
コンデンサに n ( ナノ ) 単位が使われないのは何故かな?

発振周波数が高くなるほど消費電流が多くなる。
3 V 32 KHz で 60 μA、100 KHz で 90 μA、1 MHz で 230 μA、10 MHz で 1.1 mA ・・・ となるので、ボタン操作時のみ発振させるか、操作が途絶えると発振を停止するなどして、電池消耗を抑えている。



インバータは 74HCU04、R1 は 1 MΩ、R2 はなし、水晶は HC49US _ 27.145 MHz、C1 = C2 = 22 pF でやってみた。
電源 4.46 V 、OUT 側で波高値 600 mV の 27.17 MHz ( 36.8 ns )を観測した。
IN 側では波高値 300 mV の波形が観測された。

C1、C2 の調整はむつかしいが、誤差が大きくなる 5 pF と 39 pF の真ん中の 22 pF とした。




B水晶振動子・搬送波発振回路

エンコーダ TX-2B マニュアルにある回路

OUT ( b 点 ) がサイン波出力
d 点でエンコーダ 8 ピンパルス出力とミックスして増幅する。



水晶は HC49US _ 27.145 MHz、2.2 μH は 1 μH を 2 個直列、TX-2B なし、増幅 C 945 のコレクタ未配線、あとは上図通りの回路でやってみた。
電源 8.9 V で 27.17 MHz ( 36.8μs ) を観測した。
上が OUT ( b 点 )
下が IN ( a 点 )

IN は OUT よりノイズが少ない波形が出ている。

3 V ぐらいから発振した。

デジタルテスターの電圧レンジ ( 入力抵抗 10 MΩ 以上 ) では、IN 、OUT のどちらにピンをあてても発振は止まらなかった。
AC 電圧レンジ a 点 0.005 V、 b 点 0.006 V
DC 電圧レンジ a 点 0.59 V、 b 点 8.9 V




水晶発振子
・外形

上から
円筒音叉型

CAN 型 HC-49US

水晶発振: 外付部品不要で電源を入れるとクロックを出力する。


・発振のしくみ
発振子の構造は、電極で誘電体の水晶片をはさんだものである。
電気的にはコンデンサと同じで導通もなく、圧電素子と同じように電圧で変形し振動する。
水晶片のカット寸法を変えることにより、精密な共振周波数を持たせることができる。

共振を利用する発振には、LC 発振回路のようにコイルとコンデンサが必要であるが、Aの発振回路には、C ばかりでコイルがない。
水晶には、共振振動数になると電気的にコイルのように振舞う性質があり、精密なコイルに変身すれば精度のよい発振をすることができる。
等価回路などの解説を見ても難しいので、こう思っておく。

・発振の具体例
時計用 32.768 KHz 水晶で発振のようすを見ておく。

100 均のめざまし時計の水晶部が見えるよう穴をあけ、正常動作させながら見る。
単 3 電池 1 本の 1.5 V
32.768 KHz の意味は、16 bit カウンタを用意し、クロックで加算、MSB に 1 が立てば 1 秒なので時計が簡単にできる。

基板上の水晶が発振しているかどうかをアナログテスターで見ると電圧は見えたが、ふれた瞬間に秒針停止となった。
デジタルテスターでは、右側で 0.657 V で 秒針動作正常、左側で 0.549 V で 秒針停止となった。
電圧が出ていても OK とは言えない。


オシロでみると、600 mV 直流に ± 300 mV のサイン波が重畳したような波形で右側の極にしか出ていない。
入力インピーダンスが高く影響を与えないようで、どちらに触れても秒針は正常動作する。




・ラジコンでは送信機のアンテナ部に簡易電波チエッカーを当てて間接的に発振しているのがわかる。

諸先輩方考案の便利ツールで、送信機ステイックの OK 判定に重宝
27 MHz、40 MHz に対応、2.4 GHz はアンテナが外に出ていないので未確認
イヤホンまたはテスター ( 併用可 )
信号データが出ているのがわかる。


100 均 チョロ Q に、イヤホンとテスター用ジャック取付け
結構大きい音がする。
電圧は 0.7 V ぐらい。
昔スタイルのこのイヤホンはスポンジをつけないと耳に止まらない。


・ピアノ楽器など電波を出してないものの発振チエックは水晶端子を見るしかない。
デジタルテスターでもいまいち信用できないので、交換に踏み切るにはオシロで見てからになる。

・水晶端子に電圧が出ないから、破損と判断するのは早計で、イニシャル条件が OK で発振電源が ON になるものもある。
半田を外して単体で発振するかのチエックには、単体チエッカーがいるが、周波数不明などもあり、かなり面倒である。


CPLL ( Phase Locked Loop ) 位相同期式発振回路


PC : Phase Comparator : 位相比較器 : 2 入力の位相を比較し差分をパルス数で出力する。

LPF : Low Pass Filter : パルスを平滑し直流電圧に変換する。

VCO : Voltage Controlled Oscillator : 電圧で周波数を可変する発振器
VCO は シンセサイザーでドレミ基本音を発生させる技術

水晶で作った発振波と VCO 出力を分周したものの位相を比較し、目的周波数に限りなく近くなる ( ロックされる )ようフィードバック制御する。


トイヘリの一部やドローンなどでは無線 LAN や電子レンジで使われてきた 2.4 GHz 帯が使用されだしている。



(3)アンテナ

@基本となるアンテナ

基本は、ダイポールアンテナ ( dipole antenna : di は 2 を表す接頭語 ジ ) だそう。

実験上効率のよいアンテナの長さは、波長 λ の 1 / 2 という。

片側を接地すると、モノポールアンテナ ( monopole antenna : mono は 1 を表す接頭語 ) となり、アンテナの長さは、波長 λ の 1 / 4 でよい。

ラジオでもラジコンでもアース線はないが、筐体や人体を通じてアースされているという。
ゲルマラジオでさえアースしなくても聞こえるので、アースのこともわからないことの 1 つ。



Aアンテナ長さ

波長 λ ( m )× 周波数 f ( Hz )= 光速 C ( 299,792,458 m / sec ) の関係から λ / 4 を計算する。
トイラジコンよく使われている、
27.145 MHz で 2.76 m
40.680 MHz で 1.84 m
となる。
ボチボチ使われだした 2.4 GHz で 3 cm

ちなみに AM ラジオ 600 KHz で 125 m、FM ラジオ 76 MHz で 98 cm、地デジ TV 500 MHz で 15 cm、携帯 800 MHz で 9 cm

λ / 4 計算ツール

周波数( KHz )

λ ( m )

λ / 4( m )

電卓でやると間違うので、鉱石ラヂヲのページ のツールを無断移植


Bアンテナを短くしたい

☆Web 検索で λ / 4 長さをループやヘリカルにするという記事はあるが、半分の半分にとか整数分の 1 にしていけばいいというような記事は見当たらない。
☆長さはできるだけ長い方がよいらしい。

商業放送や上級 RC ではないので、トイラジではヘリカルにするか、ロッドアンテナでは外見に見合った適当な長さにしているのが実情ではないかな?


左 送信機ヘリカルアンテナはよくあるが、右 受信機ヘリカルアンテナはめったに見ない。
右側は鋼線コイル部で線がひっついていては意味がないように思うがよく見ていない。



Cアンテナ長の実験

アンテナ長さと電波強度の傾向を見るため、トイラジコン送信機電波を広帯域受信機の S メータで観察してみた。


電池 4.5 V、35.4689 MHz 水晶使用の送信機

送信機と広帯域受信機間距離は、1.3 m、ATT で減衰させてある。
PC 操作型広帯域受信機のアンテナは、15 m の同軸で屋根の広帯域アンテナに接続したまま。

λ / 4 は 211 cm である。

35 MHz なんて周波数を使っていいのかな?割り当てでは、VHF の通信用だけど使用製品は何かな?
電波法では、322 MHz 以下の場合、3 m で 500 μV 以下の電界強度なら対象外となっている。




アンテナなし ・・・ 5.3
見通し 3 m 以上で 車体が反応しなくなった。


ロッド 1 段 9 cm ・・・ 9.5
見通し 5 m でも車体が反応する。部屋が狭いのでこれ以上の距離は取れない。


ロッド全段引き出し 35 cm ・・・ + 16
ATT を外すと + 60 近辺まで振れる。


垂直電線アンテナ 211 cm ・・・ + 18


当然かも知れないがこれを見ても、アンテナは必要で、ロッドアンテナは全段引き伸ばして使うこと。

211 cm 実験は予想外れで、+ 40 ぐらいになるかな?と思ったのにちょっと目盛が増えただけである。
35 cm から + 2 dB UP として 1.26 倍なので大きくなっているのだが、S メータは慣れていないとわかりにくい。

ある程度の長さがあれば、それ以上長くしても強度はあまり増えないのかな?
この例では、λ / 4 の 211 cm の 1 / 6 の 35 cm となっており、ムダのない長さにしてあるように思える。
試作実験で決めたものか?


S メータ ( signal strength ) の詳細


目盛の 9 が基準で、100 μV とすると、以下の表となる。

目盛 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60
ANT-V 0.195 0.39 0.78 1.56 3.125 6.25 12.5 25 50 100
μV
316
μV
1mV 3.16
mV
10mV 31.6
mV
100mV
倍数 0.002 0.004 0.008 0.02 0.031 0.063 0.125 0.25 0.5 1 3.16 10 31.6 100 316 1000
dB - 54 - 48 - 42 - 36 - 30 - 24 - 18 - 12 - 6 0 + 10 + 20 + 30 + 40 + 50 + 60
備考 - 6 dB ( 1 / 2 ) きざみ、- 1 dB = 0.891 倍 基準 + 1 dB = 1.122 倍

白目盛と赤目盛の 1 目盛りの意味が違う。
受信感度を表すのに、S 7 とか S+20 で受信しました・・と言い、S7 以上で感度良好とされている。
目安を示すものであり、テスターの 1.253 V のような細かい絶対値を扱うものではない。

ANT-V の基準は、100 μV と限らないが、倍率と dB 値はどこのメータも同じ。
+ 1 dB は 1.122 倍、2 dB = 1 dB + 1 dB = 1.122 × 1.122 = 1.26 倍と dB の足し算は倍率の掛け算となる。

似たような、VU メータ ( volume unit meter ) やラジケータ ( radio indicator ) は、オーディオの分野で音量感の目安を目的にしたもの。
真空管時代のなごりのようで、現在では簡易な直流電流計でそれらしい目盛りをつけ、雰囲気を楽しむものが大半という。
詳しいことは、(4 )参考資料を参照


Dアンテナ長の実例

実際に送信機についているアンテナの長さを調べてみた。

NO. 周波数 MHz λ/4 cm アンテナ長 cm λ/4 との比 備考
1 27.145 276 50 1 / 5.52   マツシロ CITY
2 27.145 276 44 1 / 6.27   CCP ハマー
3 27.145 276 30 1 / 9.20   CCP 瞬足
4 35.469 211 35 1 / 6.03   長城玩具 axis
5 40.680 184 19 1 / 9.68   TAIYO Diva
6          
7          

同じメーカで同一周波数なのに長さが違う。
送受信回路が違うのかも知れないが、単純比較のこの表からは、27 MHz 帯で 30 cm 以上、40 MHz 帯で 20 cm 以上あればいいことになる。

アンテナが紛失している場合の目安にはなりそうである。


E車体アンテナ

受信機側のアンテナは、長くても 30 cm ぐらいである。
送信機側と同じ考えでいいでしょう。

・ロッドアンテナは見かけない。
車など移動体が多いので振動や転倒に耐えられないし、見た目が合わない。

・屈曲性のある PP 系のパイプ内に電線を通して直立させたもの

電線端を軽く輪にして抜けないようにし、箱に収納時はパイプを抜いて折りたたむ。
少し短いが、水性ボールペンのインクパイプで代用できる。


・メッキスプリング鋼線を立てたもの

先端に逆ツメ式キャップをはめたもの、丸い輪にしたもので、基板に共締めされ固定用ブラケット経由でボデー外にだしてある。
多くはボデーから抜くことが簡単でない。
大抵グニャグニャになって箱に仕舞いやすくなっており、矯正はあえてしなくてよい。


・電線をボデー裏などに数回ループさせたもの

車などではルーフ裏に1 〜2 回大きくループさせテープなどで固定してある。
λ / 4 の長さにすることができるが見た事はない。


・鋼線をループに巻いて内部に納めたものだがめったに見ない。

40 MHz 帯で使われていた。


・鋼線をヘリカルに巻いて内部に納めたものだがめったに見ない。

コイル部で隣同士が接触している?


・25 mm × 35 mm ぐらいの銅箔やメッキ板を内部に貼り付けたもの

面積ではなく、縦と横の和がλ / 4 あればいいらしい。





Fロッドアンテナ

送信機についているロッドアンテナの構造と修理

・構造
5 段、固定は M 3、ステンレスと思われる薄いパイプ構造で、長さ 360 mm、Digit で¥100 のロッドアンテナの例




・ネジ固定部

2 本の溝を切った真鍮ボスに、2 本の溝をつけたパイプを差込み、溝円周上の 8 個所がカシメてある。
折れたパイプ片を取り除くのは結構大変で、ニッパでむしり取らねばならない。


・伸縮部

伸縮位置保持と導通確保のため、2 枚のリン青銅板がある。
パイプの穴にボッチではめてあるだけ。


・先端部は、ネジ形式もあるが、この例では先端キャップが 2 個所でカシメてある。


・修理
@アンテナ紛失
¥100 負担 OK なら上記のアンテナをつける。
前述Dアンテナ長の実例のように 30 cm 以上あり、27 MHz、40 MHz 関係なく使える。
送信機出口部穴でスキマができるときは、内径 5 のプラパイプが通るように送信機出口穴を拡げ、プラパイプを内側に接着する。
ロッドアンテナの通りが硬いときは、棒ヤスリでプラパイプ内径を拡げる。

無料ご希望の場合、40 cm ビニル線を基板 ANT 端子から外へ垂れ流す。
空になったボールペンの芯に線を通し、口出し部はビニルテープを巻きつけて固定すると、操作時ジャマにならない。

タミヤの 透明 φ 3 パイプは折れやすいので NG。



Aネジ個定部折損
取り付け時の締め付けトルクでネジ部が回転しないように強固にしなければならないが、元通りの 8 個所をカシメる方法は難しいので、半田付けする。
半田を内面に浸透させるため、パイプにスリットか丸穴をあける。

ステンレスなので、鋸やドリルが無理なときは、先にネジ部に薄く半田を盛り、ライタートーチで溶かしながら挿入してもいい。


Bロッド中間部折損
折れた場所にもよるが、0.2 厚のリン青銅板でパイプを作り、半田付けする。
折れたロッド両端面を先にヤスリで整形してから半田付けするとキレイにできる。

ロッド端面は密着でなく少しあけておいたり、上記Aのようにスリットを入れておくと半田の浸透が見えて安心できる。
半田付け後ヤスリと#2000ペーパーで研磨する。


Cロッド先端部折損・紛失
危ないのと引き出しができないので適当な丸頭ネジを半田付けする。

普通半田では濡れがわるい時は、鉄・ステンレス半田とフラックスを使ったり、ライタートーチでやると数秒で半田が浸透する。


















(4)参考資料

伊藤忠テクノソリューションズ アンテナの歴史と未来 ヘルツの実験

日本ラジコン電波安全協会

Murata ノイズ対策 4 章 ノイズのアンテナ

視聴覚室 VU メータ







--- 2016.09.23 ---