マイクロ波実験装置の製作
５年 B 組 寺川 峻平
指導教員 米田隆恒

１．要約
電磁波の性質を学習する際、学習者が自らの手で実験を行うことによって、より理解が深まると考えられる。そこで、市販のドップラーセンサモジュールを利用し、高校物理の生徒実験に使えるマイクロ波実験装置を製作した。
キーワード マイクロ波、実験装置、ドップラーセンサ、教材、多重反射、干渉

２．研究の背景と目的
数年前、私は電磁波の性質に興味を持ち、数 cm であるため、実験を机の上のスケールで手軽に行うことができる。

物理の教科書を読んでそれらを理解しよう

電圧計とした。また、実験によってそれらを確かめたいと思った。しかし、本校にはそのような実験を行うための実験装置が無かった

受信機送信機ため、自作することにした。
製作にあたり、装置はなるべく単純な構分配器

図１

マイクロ波実験装置

造となるように注意した。これは、部品点数を減らすことで材料費を抑えられること、今回製作した装置は、送信機・受信機・装置への理解と製作・保守が容易になるこ

分配器・電圧計で構成されている(図１)。とを目指したからである。

それぞれの役割は以下の通りである。

また、これらの目標は装置を教材として生徒実験に用いるというもう一つの目的にも沿うものであるため、教材としての用途にも留意しながら研究を進めることにした。

・送信機：マイクロ波の送信を行う
・受信機：マイクロ波を受信し、受信強度を出力する・分配器：受信機へ電源供給を行い、受信機からの出力信号を電圧計へ中３．研究内容3.1 装置の概要
一口に電磁波といっても、X 線・可視光継する・電圧計：受信機の出力電圧を表示する
これらを組み合わせて使用し、受信強度測線・赤外線など、周波数によっていくつか定を行う。以下に実験例を挙げる。に分類される。製作に使用したドップラー

・物質中のマイクロ波の波長測定

センサは、マイクロ波と呼ばれる周波数帯・反射、屈折、回折、干渉などの確認域の電磁波を扱うものであり、その波長が・透過率の測定

・横波の検証と電場の振動面の測定

3.3 受信強度測定への応用

・レンズ、フレネルゾーンプレートの実験

２つのドップラーセンサを向かい合わせ装置の製作にかかった費用(材料費)はおて静置すると、出力信号④はドップラー効よそ 9000 円である。性能の差はもちろん果の有無に関わらず振動する。これは、２あるが、市販の実験装置が数十万円と高価つのドップラーセンサの発振周波数の個体なのに対して非常に安価に製作できた。

差によって送信波①と受信波②の周波数が一致していないためである。今回使用した

3.2 ドップラーセンサ

ドップラーセンサの仕様を確認すると、“周マイクロ波の発振回路やアンテナの設波数安定度：±５MHz max.”とある。つ

計・製作は困難であったため、市販のドッまり、異なる２つのドップラーセンサでは、プラーセンサモジュール(以下ドップラー発振周波数に最大 10MHz の差があるといセンサ)を利用し、その機能の一部を活用すうことである。このため、出力信号④は最ることにした。使用したドップラーセンサ

大で 10MHz の周波数を持ちうる。

は新日本無線社の NJR4178(図２)という

また、うなり成分④(③)の振幅は受信波製品で、本来はその名前の通りドップラー②の強度に従って大小に変化する(図３)。

効果を利用した動体検知などに用いられるものである。

よって、ドップラーセンサを２つ使用し、どちらか一方の出力信号の振幅を測定する

マイクロ波はドップラーセンサ内部の誘導発振器(約 10.5GHz)で生成され、送信アンテナから出力される。反射して返ってきことによって受信強度測定を行うことができる。
送信波

①

受信波

②

内部合成波

③

出力信号

④たマイクロ波は同じドップラーセンサの受信アンテナで受信され、ドップラーセンサ内部で送信波と混合、検波され出力されるという仕組みである(図２)。ドップラー効
果によって受信波の振動数が変化するとドップラーセンサ内部で混合された内部合成

受信強度が弱い場合波にうなりが生じ、出力信号は送信波と受信波の差の周波数で振動する。

送信波
受信波
内部合成波
出力信号
受信強度が強い場合

図２

NJR4178

新日本無線 Web サイトより引用

図３

受信強度と出力信号の振幅(電圧)との関係

3.4 構成［送信機］
ドップラーセンサ、電源回路とスタンドで構成される。
電源回路は AC アダプタからの直流電源［分配器］
２芯シールド線で受信機と接続し、増幅回路への電源の供給と増幅回路からの出力信号の中継を行う。配線は図のようになっている。

を５V の三端子レギュレータで安定化させ受信機と分配器を接続するケーブルは図てドップラーセンサに供給するだけのもの

４のように電源と GND 線をクロスさせてである。送信側ドップラーセンサの信号出いる。こうすることで、分配器側ではジャ力端子は未使用である。

ックの一番奥に、受信機側ではプラグの最スタンドには田宮模型のユニバーサルア

後に刺さる端子に電源ラインが引かれるこームを利用した。ユニバーサルアームとはとになり、AC アダプタをコンセントに挿スチロール樹脂でできた棒状の工作用構造

したままケーブルを抜き差ししてもドップ材で、５mm 間隔で穴が開けられており切ラーセンサや増幅回路が壊れにくくなる。

ったり組み合わせたりといった工作が簡単

ケースには百円ショップのタッパーを用に行えるという特徴を持つ。これを用いるいた。

ことで、木材やアクリル板などと比べて加工の手間が減り、実験に合わせてスタンドを作り替えたり同じ状態を再現したりといったことが行い易くなった。
設置の自由度を高めるため、電源は受信機側とは別に用意した。
図４

クロスケーブル［受信機］
ドップラーセンサ、増幅回路とスタンドで構成される。

［電圧計］
学校の直流電圧計を用いた。

増幅回路では、ドップラーセンサの出力マイクロ波の受信強度が０のとき、増幅信号の振幅を電圧計で扱えるレベルに増幅回路からの出力電圧は 0V ではない。このする。出力信号の中心電圧は 0V ではなくため、実験に際しては受信強度０のときの受信機の設置位置や周辺環境によって変動値をオフセット電圧として記録しておき、するので、コンデンサを直列につないで直実験値から引く作業が必要になる。

流成分をカットし、中心電圧を 0V とする必要がある。その後、ダイオードとコンデンサで負電圧側カット・平滑化し、オペアンプで増幅する。
スタンドは送信機と同じようにユニバーサルアームで製作した。

3.5 多重反射防止シールド
２つのドップラーセンサに何も手を加えない状態で本実験装置を使用し、送信機と受信機を遠ざけて行き、電圧計の値を記録すると、値は単調に小さくなるのではなく距離が約λ⁄2 変化するごとに極大が現れる。

そこで、マイクロ波を正面以外の方向に反ここでλはマイクロ波の波長であり、空気中射するのではなく、吸収してしまう素材をでは約 28mm である。極大が現れるのは送使うことを考えている。

信機と受信機の間でマイクロ波が反射を繰り返し、干渉しあうためだと考えられる。
このままでは不便なので、多重反射が起こ

５．参考文献らないようにするためにシールドを製作し[1]新日本無線た。

http://mc.njr.co.jp/jpn/technical/sensor_2.

技術サポート

html

マイクロ波を正面以外へ反射させるために、シ[2]RF ワールドールドの形は図５のよう「ドップラー・センサを使ったスピード・な四角錐とした。アルミガンの製作」

ホイルをコピー用紙で挟

http://www.rf-world.jp/bn/RFW05/sample

むようにしてそれぞれ接s/p126-127.pdf[3]「電子回路入門講座」見城尚志・高橋久,

着し、それを切り抜いて組み立てた。コピー用紙

サンプルページ

図５

電波新聞社

で挟んだのは、加工が簡単になり絶縁にもなるためである。

６．謝辞

これを送信・受信用のドップラーセンサ

今回の研究において、顧問の米田先生をそれぞれに装着したところ、出力信号の変はじめとして多くの方々にアドバイスをい動を減らすことができた。しかし、干渉のただきました。また、何人かの友人に実験影響を完全になくすことはできなかったたを手伝っていただきました。この場をお借め、定量的な実験を行うときにはこの変動りして、深くお礼申し上げます。に注意する必要がある。

４．今後の課題
高校３年生の物理の授業で生徒実験に使用してもらったとき、受信機と分配器とをつなぐケーブルが断線してしまうことがあった。また、プラグをケーブルにハンダ付けするのは手間がかかるので、これらを踏まえてケーブルの構造、作り方を見直す必要がある。
また、多重反射防止シールドを改良した
い。送信機と受信機のなす角によっては四角錐のシールドが邪魔になる場合がある。