第2級陸上特殊無線技士【無線工学・後編】完全攻略ガイド｜送受信方式・電波伝搬・電源・測定

対象読者： 第3級陸上特殊無線技士の知識をお持ちの方 試験科目： 無線工学（24問・65%以上＝16問以上正解で合格） 本記事の範囲： 送受信方式・装置・電波伝搬・電源・測定

はじめに

本記事は二陸特・無線工学の後編です。前編（無線工学の基礎・変調方式・送信機・受信機）に続き、送受信方式・装置（多重化技術とアンテナ）、電波伝搬、電源（雑音理論を含む）、測定技術を解説します。

後編で扱う分野は、OFDMのガードインターバルや自由空間伝搬損失の計算など、二陸特試験の最頻出テーマを多く含んでいます。前編と合わせて学習することで、無線工学の全範囲をカバーできます。

第5章：送受信方式・装置 ― 多重化技術とアンテナ

多重通信とは

多重通信とは、1つの通信路（周波数帯域や伝送路）で複数の通信を同時に行う技術です。限られた周波数資源を効率的に利用するために不可欠な技術であり、携帯電話やWi-Fiなど現代の通信基盤を支えています。

FDM（周波数分割多重）

FDM（Frequency Division Multiplexing）は、利用可能な周波数帯を複数の帯域に分割し、各信号に異なる周波数を割り当てて同時に伝送する方式です。

アナログ通信に古くから使われてきた多重化方式
各信号が異なる周波数帯を占有する
隣接チャネル間の干渉を防ぐため**ガードバンド（保護帯域）**が必要
ケーブルテレビや旧式の電話多重回線に使用

FDMの欠点は、ガードバンドの分だけ周波数利用効率が下がることです。

TDM（時分割多重）

TDM（Time Division Multiplexing）は、時間を短い区間（タイムスロット）に分割し、各チャネルに順番に時間を割り当てて伝送する方式です。

デジタル通信に適した多重化方式
各チャネルが同じ周波数帯を時間的に分け合う
各タイムスロットでのデータ伝送速度は全帯域を使用できるため高速
PCMを用いた電話多重化に広く使用（例：日本のPCM24回線方式は24チャネルを時分割多重）

CDMA（符号分割多重アクセス）

CDMA（Code Division Multiple Access）は、各ユーザーに固有の拡散符号を割り当て、同じ周波数帯・同じ時間を共用して通信する方式です。

秘話性が高い（拡散符号を知らなければ復号できない）
フェージングに強い
ユーザー数が増えると相互干渉が増加（ソフトキャパシティ）
第3世代（3G）携帯電話で採用

OFDM（直交周波数分割多重）― 最重要テーマ

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）は、多数の搬送波（サブキャリア）を直交させて並列に使用する方式です。二陸特試験で最も頻出するテーマの一つです。

OFDMの特徴：

LTE（4G）・5GやWi-Fi（IEEE 802.11a/n/ac/ax）で標準的に使用
マルチパスフェージングに強い
周波数利用効率が高い（サブキャリアが直交するためガードバンド不要）
個々のサブキャリアは狭帯域のため、各サブキャリアでの伝搬特性がほぼ平坦になる

「直交」の意味： 各サブキャリアの周波数間隔を適切に設定することで、数学的な直交条件（互いに干渉しない関係）が成立します。

サブキャリア間隔と有効シンボル期間の関係（試験頻出）：

$$\Delta f = \frac{1}{T_s}$$

ここで $\Delta f$ はサブキャリア間隔 [Hz]、$T_s$ は有効シンボル期間 [秒] です。この関係式が直交性を保証する条件であり、試験では「サブキャリア間隔は有効シンボル長の逆数に等しい」という形で出題されます。

ガードインターバル（Guard Interval / GI）：

OFDMではマルチパスによる遅延波が先行シンボルの末尾と次のシンボルの先頭が重なる問題（符号間干渉：ISI）が発生します。これを防ぐためにガードインターバルが使用されます。

仕組み： 有効シンボルの後部をコピーして先頭に付加する（サイクリックプレフィックスと呼ばれる）
効果： 遅延波の遅延時間がガードインターバルの長さ以内であれば、符号間干渉を完全に除去できる
トレードオフ： ガードインターバルを長くすると干渉耐性は上がるが、その分データを伝送しない時間が増えるため伝送効率は低下する

試験最頻出ポイント： 過去問では「ガードインターバルは有効シンボルの後部をコピーして先頭に付加する」「ガードインターバルにより符号間干渉を軽減できる」が繰り返し出題されています。「前部をコピーして末尾に付加」などの誤った記述に注意してください。

アンテナの詳細

八木アンテナ（八木・宇田アンテナ）

八木アンテナは**1本の放射器（ダイポール）と複数の寄生素子（反射器・導波器）**を組み合わせた指向性アンテナです。テレビ受信アンテナとして日常的に目にする機会が多いアンテナです。

素子	名称	配置位置	長さ	役割
放射器	ラジエータ	中央	約λ/2	電波を放射・受信
反射器	リフレクタ	放射器の後方	放射器よりやや長い	電波を前方に反射
導波器	ディレクタ	放射器の前方	放射器よりやや短い	電波を前方に導く

反射器は通常1本、導波器は複数本設ける
導波器の本数を増やすほど指向性が鋭くなり、利得が上がる
VHF・UHF帯のテレビ受信、業務用通信に広く使用
利得は素子数に依存し、5素子で約10dBi程度

パラボラアンテナ

放物面の反射鏡（パラボラ）を使って電波を焦点に集中させるアンテナです。

非常に高い利得（30dBi以上）が得られる
指向性が極めて鋭い（ペンシルビーム）
マイクロ波帯（SHF帯：3〜30GHz）以上で主に使用
衛星通信・マイクロ波中継回線・電波天文に使用

パラボラアンテナの利得（試験頻出）：

$$G = \eta \cdot \left(\frac{\pi D}{\lambda}\right)^2$$

$D$：開口径 [m]、$\lambda$：波長 [m]、$\eta$：開口効率（通常0.5〜0.6）

この式から、開口径が大きいほど、波長が短い（周波数が高い）ほど利得が高くなることがわかります。

計算例： 開口径2m、周波数10GHz（λ = 0.03m）、開口効率0.6のパラボラアンテナの利得は？

$$G = 0.6 \times \left(\frac{3.14 \times 2}{0.03}\right)^2 = 0.6 \times (209.3)^2 = 0.6 \times 43{,}807 \approx 26{,}284$$

$$G , [\text{dBi}] = 10 \log_{10}(26{,}284) \approx 44.2 \text{ dBi}$$

給電線とSWR

アンテナと送受信機を接続する給電線（フィーダー）のインピーダンスがアンテナのインピーダンスと合っていないと、電力が効率よく伝送されません。この不整合の度合いを示す指標が**SWR（Standing Wave Ratio：定在波比）**です。

$$SWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$$

$\Gamma$ は反射係数です。完全整合ではSWR = 1.0、不整合が大きいほどSWRは大きくなります。

第6章：電波伝搬 ― 電波の伝わり方

VHF/UHF帯の伝搬特性

三陸特で学んだ通り、VHF（30〜300MHz）・UHF（300MHz〜3GHz）帯の電波は基本的に見通し距離内の直接波で通信します。しかし実際の伝搬では以下の現象も考慮する必要があります。

回折： 障害物の背後に電波が回り込む現象
反射： 建物や地面で電波が反射する
散乱： 不規則な物体による電波の散乱
フェージング： 複数の経路を通った電波が干渉し合い、受信レベルが変動する現象

自由空間伝搬損失（試験頻出）

真空中（障害物のない自由空間）を電波が伝搬するときに生じる損失を自由空間伝搬損失といいます。これは電波のエネルギーが距離に応じて球面状に広がるために生じる損失です。

$$L_{fs} = \left(\frac{4\pi d}{\lambda}\right)^2 = \left(\frac{4\pi d f}{c}\right)^2$$

dB表示では：

$$L_{fs} , [\text{dB}] = 20\log_{10}(d) + 20\log_{10}(f) + 20\log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)$$

重要な性質：

距離が2倍になると損失は約6dB増加（$20\log_{10}(2) \approx 6$ dB）
周波数が2倍になっても損失は約6dB増加

計算例： ある通信回線で距離を2倍にし、同時に周波数も2倍にすると、自由空間伝搬損失はどう変わるか？

$$\Delta L = 6 + 6 = 12 \text{ dB 増加}$$

試験頻出ポイント： 「距離2倍で6dB増」「周波数2倍で6dB増」は計算問題・正誤問題ともに頻出です。

フレネルゾーン

見通し内通信であっても、電波は直線（幾何光学的な光線）だけでなく、送受信点を焦点とする**楕円体状の空間（フレネルゾーン）**を伝搬します。この空間内に障害物があると、電波の回折・干渉により損失が増加します。

第1フレネルゾーンの半径：

$$r_1 = \sqrt{\frac{\lambda \cdot d_1 \cdot d_2}{d_1 + d_2}}$$

$d_1$：送信点から障害物までの距離、$d_2$：障害物から受信点までの距離、$\lambda$：波長

実用的には、第1フレネルゾーンの60%以上が障害物に遮られずに確保されていれば、伝搬損失の増加は無視できる程度に小さいとされます。マイクロ波中継回線の設計では、このフレネルゾーンの確保が重要な設計条件です。

電離層と短波通信

電離層は高度約60〜400kmに存在する、太陽の紫外線やX線によってイオン化された大気層です。電離層の各層は電波の周波数帯によって異なる反射・吸収特性を持ちます。

層	高度	存在時間	主な特性
D層	60〜90km	昼間のみ	長波・中波を吸収する。短波にとっては減衰要因
E層	90〜130km	昼間に形成	中波・短波の低い周波数を反射
F層（F1、F2）	150〜400km	常時存在	短波を反射し、遠距離通信に利用される

スポラディックE層（Es層）： E層の高度付近に突発的に現れる、電子密度が異常に高い電離層です。VHF帯の電波を反射し、通常は見通し距離内に限られるVHF通信が数百〜数千kmの超遠距離に到達することがあります。

スキップゾーン： 地表波が到達できず、かつ電離層反射波も到達しない領域を**スキップゾーン（不感地帯）**といいます。

第7章：電源 ― 雑音理論と電源技術

熱雑音（ジョンソン雑音・ナイキスト雑音）

すべての電気抵抗は、温度がある限り電子の熱運動によって雑音を発生させます。これを熱雑音といいます。

$$P_n = kTB$$

$k$：ボルツマン定数（$1.38 \times 10^{-23}$ J/K）、$T$：絶対温度 [K]、$B$：帯域幅 [Hz]

重要な性質：

温度が高いほど雑音電力が大きい
帯域幅が広いほど雑音電力が大きい
抵抗値には依存しない（電力として見た場合）
すべての周波数にわたって均一に分布する（白色雑音と呼ばれる）

低雑音増幅器（LNA：Low Noise Amplifier）では、素子を冷却することで熱雑音を低減する技術が衛星通信の受信装置などで使用されます。

雑音指数（NF：Noise Figure）

受信機やアンプがどれだけ雑音を付加するかを示す指標です。

$$NF = \frac{(S/N){\text{入力}}}{(S/N){\text{出力}}}$$

理想的な（雑音を付加しない）増幅器：NF = 1（0 dB）
実際の増幅器：NF > 1（0 dB超）
NFの値が小さいほど雑音特性が優れている

フリスの公式（縦続接続の雑音指数）

複数の増幅器やフィルタが直列に接続された場合の総合雑音指数は、先頭の段の特性が最も支配的になります。

$$NF_{total} = NF_1 + \frac{NF_2 - 1}{G_1} + \frac{NF_3 - 1}{G_1 \cdot G_2} + \cdots$$

$NF_i$：第i段の雑音指数、$G_i$：第i段の利得

この式から、受信系の先頭に低雑音増幅器（LNA）を配置することが重要であることがわかります。先頭のLNAの利得が十分に高ければ、後段の雑音の影響は大幅に軽減されます。

試験頻出ポイント： 「受信系の総合雑音指数は先頭の増幅器の特性に最も影響される」は過去問の定番です。

相互変調（IM：Intermodulation）

2つ以上の強い信号が受信機に入力されると、増幅器やミキサの非線形特性によって元の信号にはない周波数成分が発生し、希望信号に妨害を与えることがあります。

3次相互変調積（IM3）： 周波数 $f_1$ と $f_2$ の2信号が入力された場合、$2f_1 - f_2$ および $2f_2 - f_1$ の成分が特に問題となります。これらの成分は元の信号の近傍に発生するため、フィルタでの除去が困難です。

電源回路の基礎

無線機器の電源には安定した直流電圧が必要です。交流電源（商用電源）から直流を得る基本的なプロセスは次の通りです。

交流電源（AC100V） → 変圧器（トランス） → 整流回路 → 平滑回路 → 定電圧回路 → 安定した直流出力

整流回路の種類：

種類	リプル周波数	特徴
半波整流	電源周波数と同じ（50/60Hz）	回路が簡単だがリプルが大きい
全波整流	電源周波数の2倍（100/120Hz）	半波整流よりリプルが小さい
ブリッジ整流	電源周波数の2倍	ダイオード4個使用。センタータップ不要

リプル： 整流後に残る交流成分をリプルといいます。平滑回路（コンデンサやインダクタ）でリプルを低減し、さらに定電圧回路（レギュレータ）で電圧を安定させます。

スイッチング電源： 現代の電子機器の多くはスイッチング方式の電源を採用しています。高周波でスイッチングすることで変圧器を小型化でき、効率も高い（85〜95%）という利点がありますが、スイッチングノイズが発生するため適切なノイズ対策が必要です。

蓄電池（バッテリー）

非常用電源や移動局の電源として蓄電池は重要です。

種類	公称電圧（1セル）	特徴
鉛蓄電池	2.0V	安価。自動車用。自己放電が比較的大きい
ニッケル水素電池	1.2V	メモリー効果が少ない。エネルギー密度が高い
リチウムイオン電池	3.6〜3.7V	高エネルギー密度。軽量。携帯機器に広く使用

蓄電池の直列接続は電圧の合計、並列接続は容量（Ah）の合計となります。

第8章：測定技術 ― 通信品質を測る

スペクトルアナライザ

送信波や受信波の**周波数成分の分布（スペクトル）**を視覚的に表示する測定器です。横軸に周波数、縦軸に電力レベル（dBm）を表示します。

主な用途：

不要輻射（スプリアス）の測定： 送信機が目的の周波数以外に放射する不要な電波成分を測定
隣接チャネル漏えい電力（ACLR）の測定： 変調信号が隣接するチャネルにどの程度漏れ出しているかを測定
変調特性の確認： 変調スペクトルが規格内に収まっているかを確認
占有周波数帯幅の測定： 全放射電力の99%が含まれる帯域幅を測定

スペクトルアナライザはアナログ・デジタルを問わず、送信機の品質管理に不可欠な測定器です。

ベクトルネットワークアナライザ（VNA）

高周波回路やアンテナのSパラメータを測定する装置です。被測定物（DUT）に高周波信号を入力し、反射波と透過波を測定します。

主なSパラメータ：

パラメータ	意味	主な用途
S11	入力反射係数	アンテナ・フィルタの整合状態（VSWR）の測定
S21	順方向透過係数	フィルタの通過特性、増幅器の利得測定
S12	逆方向透過係数	アイソレーション（逆方向の漏れ）の測定
S22	出力反射係数	出力側の整合状態の測定

VNAを使えばアンテナの共振周波数や帯域幅、フィルタの通過・阻止特性などを正確に把握できます。

ビットエラーレート（BER）測定

デジタル通信の品質を評価する最も基本的な指標が**BER（Bit Error Rate：ビット誤り率）**です。

$$BER = \frac{\text{誤りビット数}}{\text{送信ビット総数}}$$

BERが低いほど通信品質が高いことを意味します。

BER値	品質の目安
$10^{-3}$	音声通信の最低品質
$10^{-6}$	データ通信の一般的な要求
$10^{-9}$	光ファイバ通信の要求

BER測定は、既知のビットパターン（疑似ランダムビット列：PRBS）を送信し、受信側で誤りビットを数えることで行います。通信回線の品質評価、送受信機の性能試験において最も重要な測定項目の一つです。

電界強度測定

無線局の電波が所定の地域にどの程度の強さで到達しているかを測定します。電界強度の単位は [V/m] または [dBμV/m] で表します。

$$\text{dBμV/m} = 20\log_{10}\left(\frac{E}{1 , \mu\text{V/m}}\right)$$

電界強度測定は、無線局の開設時のサービスエリア確認や、電波障害の調査に使用されます。

後編のまとめと試験対策

この範囲の頻出テーマ

順位	テーマ	出題形式
1	OFDMのガードインターバル（サイクリックプレフィックス）	正誤・穴埋め
2	自由空間伝搬損失（距離2倍→6dB、周波数2倍→6dB）	計算・正誤
3	パラボラアンテナの利得計算	計算問題
4	八木アンテナの素子（放射器・反射器・導波器）の役割	正誤・選択
5	熱雑音の式（kTB）と雑音指数	正誤・計算
6	スペクトルアナライザの用途	正誤問題
7	BERの意味と計算	正誤・計算
8	フレネルゾーンの概念	正誤問題

重要公式チェックリスト

OFDMサブキャリア間隔：$\Delta f = 1 / T_s$
自由空間伝搬損失：$L = (4\pi d / \lambda)^2$（距離2倍→+6dB、周波数2倍→+6dB）
パラボラアンテナ利得：$G = \eta \cdot (\pi D / \lambda)^2$
SWR：$(1 + |\Gamma|) / (1 - |\Gamma|)$
フレネルゾーン半径：$r_1 = \sqrt{\lambda d_1 d_2 / (d_1 + d_2)}$
熱雑音電力：$P_n = kTB$
雑音指数：$NF = (S/N){in} / (S/N){out}$
BER：誤りビット数 / 送信ビット総数

本記事は試験対策を目的とした学習用コンテンツです。前編（無線工学の基礎／変調方式／送信機／受信機）と合わせてご活用ください。最新の試験情報は日本無線協会の公式サイトでご確認ください。