スカイウェーブ

無線通信において、スカイウェーブまたはスキップとは、上層大気の電荷を帯びた層である電離層から地球に向かって反射または屈折した電波の伝播を指します。地球の曲率によって制限されないため、スカイウェーブ伝播は地平線を越​​えた大陸間の距離での通信に使用できます。主に短波周波数帯で使用されます。

空中波の伝播の結果、遠方のAM 放送局、短波放送局、または散発的な E 伝播条件 (主に両半球の夏季) では遠方のVHF FM または TV 局からの信号が、地元の放送局と同じくらい明瞭に受信されることがあります。ほとんどの長距離短波 (高周波) 無線通信 (3 ～ 30 MHz) は、空中波の伝播の結果です。1920 年代初頭以来、アマチュア無線家(または「ハム」) は、放送局よりも低い送信出力に制限され、長距離 (または「DX」) 通信に空中波を利用してきました。

スカイウェーブ伝播は、電波が直線的に移動する見通し内伝播や非見通し内伝播とは異なります。

スカイウェーブ伝送は、低角度で向けられた波による長距離通信 (DX) だけでなく、ほぼ垂直に向けられた波 (ほぼ垂直入射スカイウェーブ – NVIS ) による比較的ローカルな通信にも使用できます。

電離層は、高度約80km（50マイル）から1000km（600マイル）の上層大気の領域であり、中性空気が太陽光子、太陽粒子、宇宙線によって電離されます。高周波信号が低角度で電離層に入ると、電離層によって地球の方向に曲げられます。^[1]選択した周波数に対してピーク電離が十分に強い場合、波は層の底から地球に向かって出ていきます。まるで鏡で斜めに反射したかのように。地球の表面（地面または水）は、下降する波を再び電離層に向かって 反射します。

最大使用可能周波数よりわずかに低い周波数で動作する場合、損失は非常に小さいため、無線信号は地球と電離層の間を 2 回以上「跳ね返る」か「スキップする」可能性があります (マルチホップ伝播)。これは地球の曲率に従って行われます。その結果、わずか数ワットの信号でも、数千マイル離れた場所から受信できる場合があります。これが、短波放送が世界中に届く理由です。電離が十分に大きくない場合、波はわずかに下向きに曲がるだけで、その後、電離ピークを通過すると上向きに曲がるため、層の上部からわずかにずれた状態で出ます。その後、波は空間で失われます。これを防ぐには、より低い周波数を選択する必要があります。1 回の「ホップ」で、最大 3500 km (2200 マイル) のパス距離に到達できます。2 回以上のホップで、より長い伝送が可能になります。^[2]

ほぼ垂直に向けられた空中波は、近垂直入射空中波( NVIS )と呼ばれます。一部の周波数、一般に低短波領域では、高角度の空中波が地面に向かって直接反射されます。波が地面に戻ると、広い範囲に拡散し、送信アンテナから数百マイル以内の通信が可能になります。NVIS により、低地の谷間からでも、州全体や小さな国など広い範囲へのローカルおよび地域通信が可能になります。見通し内の VHF 送信機で同様のエリアをカバーするには、非常に高い山頂の場所が必要になります。したがって、NVIS は、緊急通信に必要な州全体のネットワークに役立ちます。^[3]短波放送では、NVIS は、送信機の場所から数百マイルに及ぶエリアをターゲットとする地域放送に非常に役立ちます。たとえば、国境内から国または言語グループに届く場合などです。これは、複数の FM (VHF) または AM 放送送信機を使用するよりもはるかに経済的です。適切なアンテナは、高角度で強いローブを生成するように設計されています。AM 放送局が地上波と空中波の干渉を避けたい場合など、短距離の空中波が望ましくない場合は、フェーディング防止アンテナを使用して、高角度で伝播する波を抑制します。

ローカルから最長距離伝送 (DX) まで、あらゆる距離に対して、ここに示すように、アンテナの最適な「離陸」角度があります。たとえば、夜間に F 層を使用して 500 マイル離れた受信機に最もよく到達するには、仰角 40 度の強いローブを持つアンテナを選択する必要があります。また、最長距離の場合、ローブの角度が低い (10 度未満) のが最適であることもわかります。NVIS の場合、角度は 45 度以上が最適です。長距離に適したアンテナは、高八木アンテナまたは菱形アンテナです。NVIS の場合、地上から約 0.2 波長の高さにあるダイポールまたはダイポール アレイです。中距離の場合、地上から約 0.5 波長の高さにあるダイポールまたは八木アンテナです。各タイプのアンテナの垂直パターンを使用して、適切なアンテナを選択します。

距離が離れると、空中波はフェージングします。十分に電離した電離層プラズマの層(反射面) は固定されておらず、海面のように波打っています。この変化する表面からの反射効率の変化により、反射信号の強​​度が変化し、短波放送で「フェージング」が発生します。信号が 2 つ以上の経路で到着すると、さらに深刻なフェージングが発生する可能性があります。たとえば、シングル ホップ波とダブル ホップ波の両方が互いに干渉する場合や、空中波信号と地上波信号がほぼ同じ強度で到着する場合などです。これは、夜間の AM 放送信号でフェージングが発生する最も一般的な原因です。フェージングは​​空中波信号に常に存在し、デジタル ラジオ モンディアルなどのデジタル信号を除き、短波放送の忠実度を著しく制限します。

周波数が約 30 MHz を超えるVHF信号は通常、電離層を通過して地球の表面に戻りません。Eスキップは注目すべき例外で、FM 放送や VHF TV 信号を含む VHF 信号は晩春から初夏にかけて頻繁に地球に反射されます。E スキップは、 500 MHz 未満で非常にまれに発生する場合を除き、 UHF周波数にはほとんど影響しません。

中波および短波帯（およびある程度は長波）の放送を含む、約 10 MHz 未満の周波数（30 メートルを超える波長）は、夜間にスカイウェーブによって最も効率的に伝搬されます。10 MHz を超える周波数（30 メートル未満の波長）は、通常、日中に最も効率的に伝搬されます。3 kHz 未満の周波数は、地球と電離層の間の距離よりも長い波長を持ちます。スカイウェーブ伝搬に使用できる最大周波数は、太陽黒点の数に大きく影響されます。

磁気嵐の際には、スカイウェーブの伝搬が通常、時には深刻に劣化します。突発的な電離層の擾乱が発生すると、地球の太陽光が当たる側でのスカイウェーブの伝搬は完全に妨害されることがあります。

電離層の低高度層（特にE 層）は夜間にはほとんど消失するため、電離層の屈折層は夜間には地球の表面よりはるかに高くなります。これにより、夜間のスカイウェーブの「スキップ」または「ホップ」距離が増加します。

アマチュア無線家は、短波帯での空中波伝搬を発見したと言われています。初期の長距離通信サービスでは、非常に低い周波数の地上波伝搬が使用されていましたが、^[4]経路に沿って減衰します。この方法を使用すると、距離が長くなり、周波数が高くなると、信号がより減衰します。このことと、高周波の生成と検出の難しさにより、商業サービスでは短波伝搬の発見が困難でした。

アマチュア無線家は、1921年12月に商業サービスで使用されている波長よりも短い波長を使用して、最初の大西洋横断試験に成功しました^{[5] 。これは、アマチュア無線家が利用できる最も短い波長である200メートル}中波帯（1500kHz）で運用されました。1922年には、数百人の北米のアマチュア無線家が200メートルでヨーロッパで受信され、少なくとも30人の北米のアマチュア無線家がヨーロッパからのアマチュア無線信号を受信しました。北米とハワイのアマチュア無線家間の最初の双方向通信は、1922年に200メートルで始まりました。

1923年の第2回全国無線会議^[6]でアマチュア無線家に割り当てられた公式波長である150～200メートル帯の上端での極端な干渉により、アマチュア無線家はますます短い波長に移行せざるを得なくなった。しかし、アマチュア無線家は規制により150メートル（2MHz）を超える波長に制限されていた。150メートル未満の実験通信の特別許可を得た幸運なアマチュア無線家は、1923年に100メートル（3MHz）で数百回の長距離双方向交信を達成した。これには、1923年11月の110メートル（2.72MHz）での 初の大西洋横断双方向交信^{[7]も含まれる。}

1924年までには、特別に免許を取得した多くのアマチュア無線家が、6000マイル（約9600 km）以上の距離で日常的に大洋を越えた交信を行っていた。9月21日には、カリフォルニアの数人のアマチュア無線家がニュージーランドのアマチュア無線家と双方向交信を行った。10月19日には、ニュージーランドとイギリスのアマチュア無線家が、地球のほぼ半周に及ぶ90分間の双方向交信を行った。10月10日、第3回全米無線会議は、80メートル（3.75 MHz）、40メートル（7 MHz）、20メートル（14 MHz）の3つの短波帯域を米国のアマチュア無線家に^開放した[ 8 ]。これらは世界中で割り当てられたが、10メートル帯域（28 MHz）は、 1927年11月25日のワシントン国際無線電信会議^[9]で作成された。15メートル帯域（21 MHz）は、1952年5月1日に米国のアマチュア無線家に開放された。

グリエルモ・マルコーニは、電離層の反射特性を利用して、見通し外でも無線で通信できることを初めて実証した。1901年12月12日、彼はイギリスのコーンウォールにある送信所からニューファンドランド島のセントジョンズ（現在はカナダの一部）まで約2,200マイル（3,500 km）離れた場所にメッセージを送信した。しかし、マルコーニは電波が地球の曲率に沿っていると考えていた。つまり、「天空波」を可能にする電離層の反射特性はまだ理解されていなかったのだ。科学界や有線電信の競合他社からの懐疑的な見方を受けて、マルコーニはその後数十年にわたって無線通信とそれに関連する事業の実験を続けた。^[10]

1923年6月と7月、グリエルモ・マルコーニによる陸上から船舶への送信は、夜間にコーンウォールのポルドゥ無線局からカーボベルデ諸島の彼のヨット「エレット」まで、 97メートルで完了しました。1924年9月、マルコーニは昼夜を問わず、ポルドゥからベイルートの彼のヨットまで32メートルで送信しました。マルコーニは1924年7月、帝国無線回線の主要要素として、ロンドンからオーストラリア、インド、南アフリカ、カナダへの高速短波電信回線を設置する契約を英国郵政公社(GPO) と締結しました。英国からカナダへの短波「ビーム無線サービス」は、1926年10月25日に商用運用を開始しました。英国からオーストラリア、南アフリカ、インドへのビーム無線サービスは、1927年にサービスを開始しました。

短波帯では、長波帯よりも長距離通信に利用できるスペクトルがはるかに多く、短波の送信機、受信機、アンテナは、長波に必要な数百キロワットの送信機や巨大なアンテナよりも桁違いに安価でした。

短波通信は1920年代に急速に成長し始めました。 ^[11] 20世紀後半のインターネットと同様です。1928年までに、長距離通信の半分以上が大洋横断ケーブルと長波無線サービスから短波「スキップ」伝送に移行し、大洋横断短波通信の総量が大幅に増加しました。短波により、新しい大洋横断電信ケーブルと大規模な長波無線局への数百万ドルの投資の必要性もなくなりましたが、既存の大洋横断電信ケーブルと商用長波通信局の一部は1960年代まで使用されていました。

1927年にケーブル会社は多額の損失を出し始め、深刻な財政危機が英国の戦略的利益にとって極めて重要なケーブル会社の存続を脅かした。英国政府は1928年に「ビームワイヤレスとケーブルサービスの競争の結果として生じた状況を調査するため」に帝国無線ケーブル会議^[12]を招集した。会議は帝国のすべての海外ケーブルと無線リソースを1つのシステムに統合することを推奨し、政府の承認を得た。このシステムは1929年に新しく設立された会社、インペリアル・アンド・インターナショナル・コミュニケーションズ社によって管理された。この会社の名称は1934年に ケーブル・アンド・ワイヤレス社に変更された。

• 海軍 - 波の伝播
• 電波伝播の基礎
• HF無線伝播フォーラム
• 稀なガンマ線フレアが電離層を乱す
• 散発性E波と50MHz無線伝搬に関する記事
• 無線伝搬の概要 無線伝搬のさまざまな形式の詳細