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無線通信において、スカイウェーブ（またはスキップ）とは、上層大気の帯電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搬を指します。地球の曲率に制限されないため、スカイウェーブ伝搬は地平線の彼方、大陸間距離での通信に利用できます。主に短波帯で使用されます。
電離層反射波の伝搬により、遠く離れたAM 放送局、短波放送局、または散在 E 伝搬条件(主に両半球の夏季)の場合には遠く離れたVHF FM または TV 放送局からの信号が、ローカル局と同じくらい明瞭に受信されることがあります。3 ～ 30 MHzの短波 (高周波)無線通信のほとんどが電離層反射波の伝搬によるものです。1920 年代初頭から、放送局よりも低い送信出力に制限されているアマチュア無線家(または「ハム」) は、長距離 (または「DX」) 通信に電離層反射波を利用してきました。
電離層反射波は、低角度で照射される波による長距離通信（DX）だけでなく、ほぼ垂直に照射される波（近垂直入射電離層反射波 – NVIS）による比較的近距離の通信にも利用できます。
電離層は、高度約 80 km (50 マイル) から 1000 km (600 マイル) の上層大気の領域で、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に向かって曲げられます。[ 1 ]ピーク電離が選択された周波数に対して十分に強い場合、波は鏡から斜めに反射されたかのように、層の底から地球に向かって出ていきます。その後、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。
使用可能な最大周波数よりわずかに低い周波数で動作する場合、損失は非常に小さくなるため、無線信号は地球の曲率に沿っていても、地球と電離層の間を2回以上「跳ね返る」または「スキップ」することがあります（マルチホップ伝搬）。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で受信されることがあります。これが短波放送が世界中に届く理由です。電離が十分に強くない場合、波はわずかに下方に湾曲し、電離のピークを通過するとその後上方に湾曲するため、層の上部からわずかにずれた状態で出ていきます。その後、波は宇宙空間で失われます。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）の経路距離に達することができます。2回以上のホップで、より長い伝送が可能になります。[ 2 ]
ほぼ垂直に入射する電離層波は、近垂直入射電離層波( NVIS )と呼ばれます。周波数によっては、一般的に短波帯の低周波数帯では、高角度の電離層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、広範囲に広がるため、送信アンテナから数百マイル以内の範囲で通信が可能になります。NVIS は、低地の谷からでも、例えば州全体や小国といった広い範囲へのローカル通信や地域通信を可能にします。見通し線 VHF 送信機で同様の範囲をカバーするには、非常に高い山頂の位置が必要になります。したがって、NVIS は、緊急通信に必要なよう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、国や言語グループなど、その国の国境内から到達できる範囲が数百マイルに及ぶ地域放送に非常に役立ちます。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放送局が地上波と電離層波の干渉を避けたい場合など、短距離の電離層波が望ましくない場合は、高角度で伝搬する波を抑制するために、フェージング防止アンテナが使用されます。
ローカルから最大距離伝送 (DX) まで、あらゆる距離において、アンテナの最適な「打ち上げ」角度が存在します。これは図に示されています。たとえば、F 層を使用して夜間に 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。最長距離では、低角度 (10 度未満) のローブが最適です。NVIS では、45 度を超える角度が最適です。長距離に適したアンテナは、高ヤギアンテナまたはロンビックアンテナです。NVIS では、地上から約 0.2 波長の高さにあるダイポールアンテナまたはダイポールアレイアンテナです。中距離では、地上から約 0.5 波長の高さにあるダイポールアンテナまたはヤギアンテナです。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。
電離層反射波は、距離に関係なく減衰します。十分な電離度を持つ電離層プラズマ層（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つ以上の経路で到達する場合、例えばシングルホップ波とダブルホップ波が互いに干渉する場合、または電離層反射波と地表波信号がほぼ同じ強度で到達する場合、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。これは、夜間のAM放送信号で最も一般的なフェージングの原因です。電離層反射波信号には常にフェージングが存在し、デジタルラジオモンディアルなどのデジタル信号を除いて、短波放送の忠実度を著しく制限します。
約30MHz以上の周波数のVHF 信号は通常、電離層を透過して地表に戻ってくることはありません。ただし、Eスキップは例外で、FM放送やVHFテレビ信号を含むVHF信号は、晩春から初夏にかけて頻繁に地表に反射されます。Eスキップは、500MHz以下のごくまれな例外を除き、UHF 周波数にはほとんど影響を与えません。
中波帯および短波帯（そしてある程度は長波帯）の放送を含む、約 10 MHz未満の周波数（波長が 30 メートル以上）は、夜間に電離層反射波によって最も効率的に伝搬します。10 MHz を超える周波数（波長が 30 メートル未満）は、通常、日中に最も効率的に伝搬します。3 kHz 未満の周波数は、地球と電離層間の距離よりも長い波長を持ちます。電離層反射波伝搬に利用可能な最大周波数は、太陽黒点数に大きく影響されます。
電離層反射波の伝搬は、地磁気嵐の間、通常は劣化し、場合によっては深刻な影響を受ける。地球の太陽光が当たる側では、電離層の突然の擾乱によって電離層反射波の伝搬が完全に途絶えることがある。
電離層の低高度層（特にE層）は夜間にはほぼ消失するため、夜間は電離層の屈折層が地表からかなり高い位置にある。このため、夜間は電離層反射波の「飛び越え」距離が長くなる。
アマチュア無線家は、短波帯における電離層反射波の発見に貢献したとされている。初期の長距離通信では、非常に低い周波数の地表波伝搬が用いられていたが、[ 4 ]これは伝搬経路に沿って減衰する。この方法では、距離が長く周波数が高くなると、信号の減衰が大きくなる。このことと、高周波を生成および検出することの難しさから、短波伝搬の発見は商用サービスにとって困難であった。
アマチュア無線家は、1921年12月に商用サービスで使用される波長よりも短い波長を使用して、大西洋横断の最初のテストに成功した[ 5 ]。当時アマチュア無線家が使用できた最短波長は200メートル中波帯（1500kHz ）であった。1922年には、数百人の北米のアマチュア無線家が200メートル帯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メートル帯で始まった。
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メートル帯の上限付近で極度の干渉が発生したため、アマチュア無線家はより短い波長に移行せざるを得ませんでした。しかし、アマチュア無線家は規制により150メートル（2MHz ）より長い波長に制限されていました。150メートル以下の実験的な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完了し、その中には1923年11月に110メートル（2.72MHz ）で行われた最初の大西洋横断双方向交信[ 7 ]も含まれていました。
1924 年までに、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) 以上の距離で定期的に大洋を越えた交信を行っていた。9 月 21 日、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完了した。10 月 19 日、ニュージーランドとイギリスのアマチュア無線家が、地球のほぼ半周を 90 分かけて双方向交信を完了した。10 月 10 日、第 3 回全国無線会議は、80 メートル(3.75 MHz)、40 メートル(7 MHz)、20 メートル(14 MHz)の3 つの短波帯を米国のアマチュア無線家に開放した[ 8 ]。これらは世界的に割り当てられ、10 メートル帯(28 MHz) は1927 年 11 月 25 日にワシントン国際無線電信会議[ 9 ]によって作成された。15メートル帯(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、無線が見通し線を超えて通信できることを初めて実証した人物である。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のセントジョンズ（現在のカナダの一部）まで約2,200マイル（3,500km ）の距離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伝わっていると考えており、「スカイウェーブ」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。科学界や有線電信の競合相手からの懐疑的な見方により、マルコーニはその後数十年にわたり、無線通信の実験と関連する事業に取り組み続けた。[ 10 ]
1923 年 6 月と 7 月、グリエルモ・マルコーニは、コーンウォールのポルドゥ無線局からアフリカ西海岸沖のカーボベルデ諸島にあるヨット「エレット」まで、97 メートル帯で夜間に陸上から船舶への送信を完了した。1924 年 9 月、マルコーニはポルドゥからベイルートにあるヨットまで、32 メートル帯で昼夜を問わず送信を行った。1924 年 7 月、マルコーニは英国郵政公社(GPO)と契約を結び、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帝国無線チェーンの主要要素として設置した。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 年に運用を開始した。
短波帯では、長波帯に比べて長距離通信に利用できる周波数帯域がはるかに広く、また、短波帯の送信機、受信機、アンテナは、長波帯に必要な数百キロワット級の送信機や巨大なアンテナに比べて、桁違いに安価であった。
短波通信は1920年代に急速に成長し始め、[ 11 ] 20世紀後半のインターネットと同様でした。1928年までに、長距離通信の半分以上が海底ケーブルや長波無線サービスから短波「スキップ」伝送に移行し、海底短波通信の総量は大幅に増加しました。短波はまた、新しい海底電信ケーブルや大規模な長波無線局への数百万ドルの投資の必要性をなくしましたが、既存の海底電信ケーブルや商用長波通信局の一部は1960年代まで使用され続けました。
ケーブル会社は1927年に多額の損失を出し始め、深刻な金融危機が英国の戦略的利益にとって不可欠なケーブル会社の存続を脅かした。英国政府は1928年に「ビーム無線とケーブルサービスとの競争の結果として生じた状況を検討する」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資源を1つのシステムに統合することを勧告し、1929年に新たに設立された会社、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が管理することを政府の承認を得た。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。
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