ＧＨｚ帯域電界強度計の教材化
ハンダなしで作成する電波受信素子による受信強度測定と八木アンテナの指向性の確認
北海道札幌南陵高等学校
菅 原陽

キーワード
光るアンテナＤ Ｍ Ｍ の ｍ Ｖ測 定

ハンダなしで作成

八木アンテナの指向性ノイズ対策
１．はじめに簡易な電波受信素子（光るアンテナ）を作成して、携帯電話を電波発信源とする受信強度を測定することができる。その測定の工夫の変遷と、アンテナの種類による測定の例や水の影響等を考察した。さらに、ハンダを使わないで受信素子を作成する工夫を紹介する。ｍＶ測定可能なデジタルマルチメータ
ーがあれば、その周辺のノイズ対策を施し電波受信強度を数値測定できる。
図１

回路図と実体配線図

回路は非常にシンプルで、はんだ付け作業は簡単

２．「電波の共鳴」の実験装置
はじめに、電波の共鳴について報告する。

写真である。（ハンダなしで作成する工夫も最後に紹介する。）図と写真のように部品をはんだ付けし、アア．実験周波数の選択
電波の共鳴装置の実験に利用したのは、ＰＨＳのトランシーバモードの電波である。出力が安定してンテナの長さを使用電波の波長の１／４λにすれば完成する。

いることが選んだ理由である。
イ．電波の強度を計る方法

４

電波の共鳴

実験１

当初は「光るアンテナ」が光るかどうかを利用し携帯電話の電波で発光ダイオードが光る。その使たが、後半は「光るアンテナ」のダイオード電圧を用電波帯域の種類により、携帯電話のメーカーや型デジタルマルチメーターで計測できることに気づ番により反応するアンテナの長さ異なる。

き実験を進めた。
実験結果
３．電波の共鳴器の作成と実験準備準備するものと回路図は次の通り
ア

高輝度発光ﾀﾞｲｵｰﾄﾞ（輝度の高いもの）

イ

ｼｮﾄｷｰﾊﾞﾘｱﾀﾞｲｵｰﾄﾞウ

はんだゴテ、はんだ、エｱﾝﾃﾅ(被膜銅線,裸銅線,鉄線)

オ

携帯電話(1.5G)（PHS1.9G)

カ

定規（３０ｃｍ）(高周波用 1SS99)

作成方法

図２

異なるアンテナ長の反応電波の受信と発光させるための電流変化は下記

この場合、この電波（１．９ギガ）の半波長の１／のように考えた。図では３倍振動モードの振動共鳴

２λが 7.9cm と 8.3cm と解釈されますが、２つのを想定した。

値にズレがあります。また 3.8cm は１／４λと考えショットキーバリアーダイオードは電流を片方られるが、これらの値は線の長さで変化した。そこ向に整流し、その位置の電流値の振幅が大きければで、さらに多くの長さのアンテナの長さで行なった

よく光ることになる。電流と電圧は位相がπ／４遅が、共鳴電波の波長はこの方法では一定にならない。

れるので、図４のようになっていると考えられる。
（ショットキー及び高輝度発光ダイオードの先の６電波の共鳴実験３

部分だけでも携帯電話の電波で光る。）（１）受信強度マップの作成
光るアンテナを電波強度測定器として利用しＰ光るアンテナ

ＨＳのトランシーバーモード(1.9G)の電波を使っＣＡＢ

図３（C はショットキバリアダイオードと半田接合
点て、光るアンテナを光る状態と光らない状態の境目の位置をはかることによりアンテナ周辺の受信エ

ＡＢは接合したアンテナ全長）

リアの形を決定する実験を下図のように行なった。
図６

ＰＨＳでの実験方法

方眼紙の上にアンテナを固定し、ＰＨＳを平行移動してオンオフの境を測定した。測定幅は５ミリで、発光ダイオードのレンズ正面を鏡で見て、光るかどうかのぎりぎりの状態で平面図に印を付け、次の図
図４

電圧と電流変化の想定図

５．電波の共鳴実験２

アンテナを長くして発信電波の位置をずらして実験すると光らない所、光る所があることも観察できる。になった。（右端は発光ダイオード）
図７

実際の測定マップ

アンテナ番号１～７29.5ｃｍのアンテナを、10ｍｍずつ短くし３０回の測定をしました。図のピークからピークを読み取
図５（全長２０ｃｍアンテナ）

ると、6.06.57.0の値が中心部で読みとれる。

は受信強度の変化と考えた。

図８（図７を整理し表にしたもの）

この表では中心部のピーク間の平均距離は６．５４ｃｍです。この値はこのアンテナ電線の中の定常波の 1/2λを示してると考えた。これをさらに短くし測定を続けた。 次の図のようにアンテナがかなり短くなるまで行った。

図 14 をグラフ化したのが次の図 15 である。
図９アンテナ番号８～１１

図 10アンテナ番号１２～１４省略

図 14

図 11アンテナ番号１５～１９省略

ｱﾝﾃﾅ番号と長さ最大振幅

図 12アンテナ番号２０～２４省略

図 13

アンテナ番号２５～３０

それぞれの図からは、図７と同様に、
図 151/2λ＝6.6cm からずれた値もでてきて戸惑うこともある。ここまでの実験からアンテナ受信強度分布受信強度の変化

図 15 の縦の線はグラフからおよそのピークを推を横に見ると６～７cm の間隔で受信強度は周期的定した。その間隔の平均が 6.5cm となる。に変化している。

（縦線の 7.5 と 25 の差は 19.5（２）受信強度マップの分析

17.5/3＝6.5）

よって受信強度も約６．５cm で周期的に変化していることが読みとれる。

次に振幅についての変動に注目しました。アンテナの長さを１cm 短くした強度マップから振幅の変実験結果化を読みとりグラフ化しました。

今回測定した被膜線をアンテナにした場合、アンそれぞれのアンテナ番号と長さと振幅の最大幅を表にました。最大幅は受信強度を示し、その変化テナの中で共鳴する定常波の波長をλとすると1/2λ=６．５５cm となる。

７

電波の共鳴

実験４

次に実験の測定中に浮上した次の疑問について追求した。
①

光るアンテナは木製の実験台の上に直接接地すると、なかなか光らず受信強度が弱い。
②台から離すとよく光るようになる。

原因は木材に内包する水分であると推測した。
そこで、水は 1.9 ギガＨｚの電波に影響するかをとテーマで実験を進めた。
実験方法は、光るアンテナの受信強度を水を満杯に入れた２㍑のペットボトルから７mm 厚の発泡樹脂を６枚まで重ね受信強度マップを作成した。1.9ＧＨｚの電波に道影響するかどうかを調べた。

図 20（図 16

水面とｱﾝﾃﾅ受信強度分布 1-4省略）

作成は定規にカラーワイヤを上記データのとお（図 17

水面とｱﾝﾃﾅ受信強度分布 5-6省略）

図 18

1.9Ｇ用八木-宇田ｱﾝﾃﾅﾃﾞｰﾀ

り切って接着剤で作成した。

水面からの距離と最大振幅表
図 21 作成した 1.9Ｇ用八木-宇田ｱﾝﾃﾅ
図 22 は３素子での八木-宇田ｱﾝﾃﾅの受信強度分布を調べた。
この図はこの素子が光るぎりぎりの位置をプロットしたものである。実際の測定にはその判定にかなり苦労した。

図 19

水面からの距離と最大振幅グラフから読みとれることは、水は 1.9ＧＨｚの電波受信強度を小さくするということである。詳しく見ると①

水面ぎりぎりの場合水の影響でアンテナを光らせることはできない。
②

水面から離れるにつれアンテナにエネルギーは伝わる。
③

水面からの距離が 3.5cm 以上になると水の影

電波の共鳴

1.9ＧPHS による受信マップ（３素子数の八木-宇田ｱﾝﾃﾅ）
真ん中のカラー針金の鉄と被覆部分の間に響はなくなる。ということがいえる。
８

図 22実験５

次に八木-宇田アンテナの１．２ＧＨｚのＵＨＦアンテナデータを１．９Ｇに変換して作成した。に、受信素子（光るアンテナ）を差し込んでいる。
実験結果は見たとおり指向性のある受信強度マップができた。一本の場合と異なり指向性が生じ受信距離は数倍以上伸びた。

９．

電波の共鳴の新しい測定方法

これまでダイオードが光るかどうかを人の目で見て判定したが、デジタルマルチメータでﾀﾞｲｵｰﾄﾞの両端の電圧を測定すると、下記のような回路でもグラフから共振する波の長さは 6.5ｃｍとなる。これは図 15 から読み取った値と同じである。１波長13ｃｍで電波が共鳴していると解釈できる。
次に銅のアンテナで実験を行った。

充分大きな電圧がでることに気づき、測定に利用した。
デジタル
マルチメータ
図 23

結線の仕方

図 29

測定は mVｎレンジで行う。
（図 24結線の写真

銅のｱﾝﾃﾅでは同様に銅アンテナの共振する電波省略）（図 25 装置をｼｰﾙﾄﾞした様子

銅アンテナ（φ=0.9mm）の受信強度の波の長さは 7.25cm となった。銅の方が電界速度省略）が速いという結果である。

はじめは至る所でノイズを拾い、測定できなかったが、装置のシールドの工夫により、測定が安定した。基礎データは 1.9ＧＨｚのＰＨＳ電話（ﾄﾗﾝｼｰﾊﾞｰﾓｰﾄﾞ）で行った。
（図 26省略）

その対数グラフはおよそ直線になった。

10．

距離の対数グラフ

新しい方法での測定実験

先の「電波の共鳴

次に八木アンテナの反射板として 0.9mm の鉄の針と銅線を配置して調べた。

距離による電圧の変化

図 2711．八木・宇田アンテナの基礎の測定

アンテナとＰＨＳの距離は 10ｃｍに固定しデータを得た。

図 30

0.9mm 鉄針金を反射板とした場合同じ実験だが、時間をおいて２回ずつ測定しまし実験３と同様の実験をこの新た。強度が異なるのは微妙にアンテナの向きが変わ手法で 30ｃｍのアンテナを５ｍｍずつ短くしながり環境変化があったからと考える。（ピーク間距離

ら電波の強度を測定し実験した。

は９cmm と読める）

結果は下記のグラフになった。

図 28

鉄アンテナ（φ=0.9mm）の受信強度

ビニールで被覆された鉄針金のアンテナはこの

図 310.9mm 銅線が反射板の場合

このデータからも、1.9GHｚの電波では、ピーク間距離は約９ｃｍとなり、鉄でも銅でも反射板として２ハンダ付けの代わりにねじる

３

もう一方もねじるは同じ結果である。
12．水の影響の測定
図１９で測った水の影響についても測定した。測定方法は発信ＰＨＳの後方からペットボトルを近づけ、距離による受信電圧変化を測定した。

（ストローにはいるように変形する）

図 32

ペットボトル水の影響

３ｃｍでは強度が低く、受信強度の変化から八木アンテナの反射板の機能もあることが判ります。

図 33

ﾍﾟｯﾄﾎﾞﾄﾙの水ｎ影響を測定する時の写真

４

導線を向いて線を返す

５

銅線部分に足をきつく巻く

６

ストローに穴を開ける

７

ストロー内部にセットする

13 ハ ン ダ な し で 作 成 す る 光 る ア ン テ ナ の 作 成
科学の祭典などで「光るアンテナ」の作成ブースを運営することもあるが、ハンダなしで作成し、ストーローの中に収納する方法を紹介する。このことにより実験室から離れて、一般教室での作成と実験も可能である。
準 備 するもの

作 り方

作 成 方 法 は写 真 で解 説 します。
図 と写 真 のように部 品 をつなげます。
結目はストローの穴にロックされ、回路は外力
１ 回 路 点 検 携 帯 で確 かめるに強く安定に動作する。

今回の素子の部品総額は約２０円である。

ＤＭＭ測定器の数が準備できれば、学生実験の費用もかなり軽減できる。