米海兵隊アンテナハンドブック（1999）[pdf]

 (marines.mil)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-07-31 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 単一チャネル無線（SCR）運用者が、受信局に可能な限り強い信号を届けるためにアンテナを選定・運用するのに必要な知識をまとめた野戦教範で、MAGTFの指揮統制を支える通信基盤要素
  • 電磁放射・電波伝搬（propagation）の原理から、HF/VHF/UHF帯の特性、伝送線路、アンテナの種類、野戦修理、SATCOM、アンテナファームまで、無線通信の全過程を網羅
  • 通信回線構成で最も重要な2要素は、正しいアンテナ選択と伝搬経路の整合であり、誤った伝搬経路が回線の最も弱い輪となる
  • 信号強度そのものよりもS/N（信号対雑音）比が受信品質を左右し、アンテナは運用者が最も直接制御できる変数
  • 適切なアンテナ1本で限界状態の回線を信頼性のある回線へ転換でき、CIS士官・無線運用者だけでなく、アンテナの基礎を学ぼうとする全員が対象

第1章 無線の原理（Radio Principles）

  • 電磁放射は電波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、X線、ガンマ線を含み、いずれも光速（約186,000マイル/3億m per second）で移動し、違いは波長だけにある — 波長が短いほどエネルギーが高い
  • 帯域ごとに用途が分かれ、HFは長距離、**VHF・UHFは短距離LOS（見通し線）**通信に適している
    • HF信号は大気の最外層である**ionosphere（電離層）**で反射され、長距離に到達する
    • VHFはLOSが成立するならHFより常に優先され、UHFは適切なアンテナによりVHFよりさらに狭い経路を形成する
    • 通常条件での到達距離・必要電力: HF（地表波0–50マイル、空間波100–8000マイル、.5–5kW）、VHF（地表波0–30マイル、空間波50–150マイル、.5kW以下）、UHF（地表波0–50マイル、.5kW以下）

  • MAGTF SCR装備

    • HF: AN/PRC-104、AN/GRC-193、AN/MRC-138（2–29.999 MHz、長距離）
    • VHF: AN/PRC-119、AN/VRC-88〜92系列（30–88 MHz）、AN/PRC-113・AN/VRC-83（116–150 MHzおよび225–400 MHz、地上-航空間の重要LOS）
    • UHF: AN/PSC-3、AN/PSC-5（SATCOM）

  • 無線通信回線の構成

    • 無線リンクは送信機、電源、伝送線路、送信アンテナ、伝搬経路、受信アンテナ、受信機の7要素で構成される
    • 運用者の目標は、受信局で最も強い信号、すなわち受信アンテナで最大のS/N比を確保すること
    • 最高性能の送受信機・アンテナでも、周波数や伝搬経路が誤っていれば役に立たない — アンテナ選択と伝搬経路の整合が核心

  • 電波伝搬の原理

    • 大気はtroposphere（約10km、高度300mごとに約-2.5°C）、stratosphere（10–50km、約-65°Cで一定）、**ionosphere（50–500km以上、電離）**に区分される
    • 伝搬方式は、送信機から直接進む**地表波（ground wave）と、電離層で屈折して戻る空間波（sky wave）**に区分される
      • 地表波は直接波・地面反射波・表面波で構成され、表面波は地表導電率と誘電率の影響を受ける
      • 地表導電率: 大型淡水域（非常に良好）、海水（良好）、壌土（普通）、岩盤・砂漠（不良）、ジャングル（非常に不良）
    • 電離層はD、E、F1、F2層で構成され、昼間は4層、夜間はF1・F2が単一のF層に統合され、D・E層は消滅する
      • D層は昼間だけ存在し、日照地域でHFを減衰させる。E層は昼間の2,400km以下の中距離、F2層は長距離（2,400km超）通信に最も有用
    • 電離層の変化は、規則的なもの（日・季節・27日・1年の太陽黒点周期）と不規則なもの（Sporadic Eなど太陽の異常活動）に分けられる

  • 回折・対流圏効果・雑音

    • **回折（diffraction）**により電波は無線水平線の先まで一部伝わるが、山の稜線で5フィート曲がるだけでも30〜40dB減衰する
    • 対流圏屈折・ducting・散乱によりVHF/UHFで数百kmの通信が可能となり、散乱伝搬は通常500km未満に制限される（1kW超の送信機・10dB以上のアンテナが必要）
    • 雑音は自然雑音（雷雨=大気雑音が0–5MHzで優勢、星=銀河雑音が高周波で優勢）と人工雑音（電気アーク発生源）に区分される — S/N比が受信系で最も重要な量
      • 人工雑音は発生源付近で垂直偏波の傾向があるため、水平偏波の受信アンテナは雑音を受けにくい
      • HF帯は利用者の過密により、信号強度よりも干渉・雑音が通信不良の主因であり、狭帯域アンテナは強い干渉信号の除去に有利

第2章 アンテナの基礎（Antenna Fundamentals）

  • アンテナは送信機のRF出力を電磁波に変換・放射し、受信側では電磁界をRFエネルギーへ逆変換して受信機へ渡す

  • 基本概念と用語

    • 導体長が波長の約1/2に近づくと、エネルギーの大半が電磁放射の形で放出される
    • RF電力を供給すると、蓄積エネルギーに結合した誘導界と放射界が形成され、一定距離の外では電界・磁界成分が直角に配列された放射界だけが残る
    • 放射パターンはアンテナの種類ごとに決まる — 垂直アンテナは全方向性（omnidirectional）、水平アンテナは双方向、単一方向アンテナは一方向（ドーナツ状の3次元パターン）
    • 偏波は電気力線の方向で決まり、垂直偏波（地表面に垂直）・水平偏波（地表面に平行）・楕円偏波に区分される
      • 衛星・衛星端末は円偏波を使用 — 同じ大きさの垂直波・水平波が90°の位相差で結合し、360°回転する

  • 周波数別の偏波要件

    • 中・低周波の地表波伝送では垂直偏波が必須（水平の電気力線は地面で短絡する）
    • HF空間波は電離層反射後に楕円偏波として到達し、垂直・水平のどちらも可能だが、高い放射角と指向性を持つ水平アンテナが好まれる
    • VHF・UHFは直接伝搬で元の偏波が維持されるため、送信アンテナと受信アンテナの偏波を必ず一致させる
    • 垂直偏波は単純な1/2波長・1/4波長アンテナで全方向通信が可能で、移動車両に有利だが、友軍・敵軍方向へ同じように放射する欠点がある

  • 接地・長さ・指向

    • 接地効果はcounterpoise（接地代用導体網）、ground screenなど接地方式によって異なる
    • アンテナ長の計算、方位角（azimuth）に基づく指向設定により、限界通信の改善と強信号の送受信を調整する

第3章 伝送線路（Transmission Lines）

  • 伝送線路の特性インピーダンスは、線路上の特定点における電圧対電流比として定義される
  • インピーダンス整合がエネルギー損失を左右する — 送信機・伝送線路・アンテナがすべて同じインピーダンスのとき、最大のエネルギー伝達（最小のシステム損失）を達成する
    • 負荷インピーダンスが線路と異なると一部だけが伝達され定在波が発生し、正確に同じなら入射波だけが流れて損失は最小となる
    • USMC無線機の大半の内部インピーダンスは50 ohmであり、300-ohm twin-lead・50-ohm半波長dipole・50-ohm送受信機の組み合わせのように不一致がある場合は、定在波・反復インピーダンス変動を利用した整合が必要
  • **減衰（attenuation）**は伝送エネルギーの損失で、絶縁材により大きく異なる
    • Teflonは損失が非常に低い一方、ゴム・木材は損失が高く、特に高周波では同軸ケーブル損失が目立つ
  • balun、ケーブルコネクタ、平衡アンテナ接続により、送受信機とアンテナの最適な結合を支援する

第4章 HFアンテナの選択

  • HF 3〜30MHzは電離層で予測可能に反射される唯一の帯域で、通信に非常に重要であり、電気的接地上の最適高は約0.4λ

  • アンテナ選択手順

    • 地表波伝搬には低いtake-off angleと垂直偏波アンテナが必要 — すべての無線セットに含まれるwhipが全方向地表波に適している
    • 同じ回線でアンテナを交換するだけで大きな利得が生じる
      • AN/MRC-138の32フィートwhipを200マイル回線に使用すると放射電力は300ワット、35フィート半波長水平dipoleへ交換すると5,000ワットへ16倍以上増加
    • 空間波では回線距離からtake-off angleを先に決定する — 966km（600マイル）の回線では**昼間約25°、夜間約40°**が必要
    • 移動局・多方向回線は全方向アンテナ、地点間回線は双方向または指向性アンテナを選択

  • アンテナの種類

    • Vertical Whip（2〜30MHz）: すべての無線セットの構成品で全方向地表波に適するが、空間波回線には最も不適
      • 長さは234/周波数（MHz）の式で算出（WD-1/TTは225.50/周波数）、1/4波長後方の**reflector（whipより長く）**で性能改善が可能で、短い場合はdirectorとして動作する
      • 接地棒・ground radial（車輪のスポーク状）の追加で放射を改善
    • Half-Wave Dipole（doublet）: 短・中距離空間波（約1,200マイルまで）用で、設計・製作が容易なため最もよく使われる野戦用の臨時ワイヤーアンテナ
      • 地上1/2波長の高さでは双方向、1/4波長の高さでは高いtake-off angleにより、ほぼ全方向をカバー
    • AS-2259/GR、Inverted Vee、Long Wire、Inverted L、Sloping Vee、Sloping Wire、Vertical Half-Rhombicなど、多様な種類を収録

  • NVIS通信

    • NVISは近距離HF伝搬の主要方式であり、地表波・直接波（LOS）も短距離で有用
    • 警告: NVISワイヤーは送信中、重傷を招くほど強いRFエネルギーを運ぶため、人員の接近遮断が必須

第5章 VHF・UHFアンテナの選択

  • VHF（30〜300MHz）・UHF（300〜3,000MHz、3GHz）は50km未満の短距離通信に非常に有用で、波長が短いためアンテナがはるかに小さい
    • 小型であるため、多数の放射素子で**array（配列）**を構成し、特定方向の利得を確保できる
    • 下位帯域: 118〜136MHz（VHF航空）、225〜400MHz（UHF航空）、148〜174・450〜470MHz（移動・警察・気象など）

  • 偏波

    • FM・TV放送は点火干渉の低減のため水平偏波、移動通信は物理的制約と全方向性維持のため垂直偏波を使用
    • アンテナ高が約10m未満、または全方向送受信が必要な場合は垂直偏波のみを使用

  • 利得・指向性

    • 周波数が高くなるほど受信信号は弱くなり、伝送線路損失が増加する — 450MHz・30m同軸線で10〜20dB損失も珍しくない
    • 広帯域信号によりシステム雑音が増えるため追加のアンテナ利得が必要で、指向性は不要方向への放射を減らして保全に寄与する

  • アンテナの種類

    • Vertical Whip、OE-254、車内アンテナ、HF兼用アンテナ、二重機能アンテナを収録
    • YagiはHF用としても人気のあるアンテナで、VHF・UHFではより多くの素子（HFでは3〜4個以上はまれ）を使用する

第6章 野戦修理と臨時製作（Field Repair and Expedients）

  • 破損したwhipは臨時修理が可能で、ワイヤーアンテナ・伝送線・支線（guy）・マストも修理または交換の対象
    • プラスチックなどの臨時絶縁体の活用、切れた支線のワイヤー補修、スプーンを用いた支線・マストの応急修理事例を含む
  • 臨時アンテナは元と同じ長さで製作することが重要であり、SINCGARS無線機の周波数ホッピングモード使用時には、野戦用臨時VHFアンテナの考慮事項がある

  • 野戦用臨時指向性アンテナ

    • 利用可能な資材で作るend-fed half-waveアンテナ（ドーナツ状パターン）とcenter-fed doubletの製作法を提供
    • vertical half-rhombic、long wire、Yagi、Vee、Sloping Veeなどが野戦用臨時指向性アンテナとして活用される

第7章 衛星通信アンテナ（Satellite Communications Antennas）

  • Marine Corpsの主力LOS・SATCOM無線セットAN/PSC-5はデータ・音声通信を提供し、すべての携帯型・車載型UHF SATCOM無線機を置き換える
    • AS-3566でLOS通信、AS-3567・AS-3568で長距離SATCOMを支援

  • SATCOMアンテナの位置選定

    • LOS装備では経路地形に対するアンテナ仰角が最も重要で、自然の高地を活用する
    • 見通し線外（over-the-horizon）システムでは**水平角（遮蔽角）**が核心で、水平角が大きくなるほど伝送損失が増える — 最も負の角度を持つ位置を優先して選ぶ
    • 水平角はtransitで測定し、アンテナの正確な位置の接線と水平線LOSとの間の角度として定義される（電波水平角は視覚水平角とやや異なる）

第8章 アンテナファーム（Antenna Farms）

  • アンテナファーム（radio hill・アンテナパーク）は、電磁放射の大部分が行われる区域

  • 指揮所（CP）と位置選定

    • 指揮官はCPを通じて指揮統制を行い、司令部はtactical（戦術）・main・rearに正しく区分される
    • アンテナファームとCP間の距離はdoctrinal・tactical・technicalな考慮事項で決まる（通信・EW・戦術状況などを反映）

  • 内部配置と干渉

    • 周波数帯、アンテナ選定・配置、cosite干渉評価が内部配置の核心
    • cosite干渉を防ぐため、周波数と送信電力に応じてアンテナを離隔（10%・5%・2.5%分離基準）し、結合を緩和するため最低周波数の波長以上の最小離隔を確保
    • 植生に関連する偏波は森林の種類に左右され、落葉樹林では水平偏波が有利
    • 電源線・信号線は交差を避け、やむを得ない場合は直角に交差するよう配置

付録

  • 付録A: 用語集（Glossary）、付録B: 参考文献および関連刊行物（References and Related Publications）を収録

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-07-31
Hacker News の意見

  • US Navy Electricity and Electronics Training Series（NEETS） も言及する価値がある
    ここの上部メニューから、ほかにも興味深い文書を見つけられる
    https://maritime.org/doc/#neets

    • NEETS は実用知識の宝庫だ

  • 学部レベルの基礎数学の素養があるなら、アンテナ分野の定番書である Constantine Balanis の Antenna Theory: Analysis and Design を読む価値がある
    https://www.amazon.com/Antenna-Theory-Analysis-Constantine-B...

  • ARRL Antenna Book も時間をかけて読む価値がある: https://www.arrl.org/arrl-antenna-book

  • 米国の軍国主義について何を言うにせよ、各軍はたいていの場合、非常に徹底していて明確で実用的な訓練文書を作り出す
    個人的には FAA も同じだった

  • 海軍で無線通信と情報業務に携わっていたころ、Maxwell 方程式・情報理論・Fourier 級数を熟知することよりも、こうしたマニュアルの実用知識を学んで適用することのほうがはるかに重要だとすぐに分かった
    伝送線路を論じる人たちには、電信方程式が有用な道具だと思う

  • 昔は longwire アンテナ（4-22節）で遊ぶのが好きだった
    長いほど指向性が強くなるので実験していて面白かったし、copperweld が安かった時代の話だ
    その後数年間、農家に住むことになったが、本当に長いワイヤーを試す時間も、周囲の木もなかった

    • 乾いた日には、有刺鉄線のフェンスでもかなりうまく動作することがある
      方向を自由に決められるわけではないだろうが、近くにフェンスがあるなら、高感度受信機をつないで何が拾えるか見てみても損はない

  • 文章が本当によく書かれていて、驚くほど取っつきやすい
    通信システムについてまったく知らないのに、かなり楽に読めた

    • 海兵隊向けの文書だから、まあそうだろう
      だから製本して裁断したあとでも、半分食べかけのクレヨンで書き込む余白が十分にあるよう、余白も広いのだ
      冗談はさておき、多くの軍事マニュアルには、利用者が少なくとも「何を」「なぜ」、そして「どのように」についてかなりしっかりした基盤を持てるよう、主題をうまく導入するという共通点がある
      理想的には訓練で扱われる内容なのだろうが、マニュアルの著者は読者が必ず訓練を受けているとは想定していないようだ
      その結果、どんなテーマを扱っていても非常に有用な資料になることが多い
      正直なところ、私たちソフトウェアエンジニアが作る技術文書のモデルとして、これより悪いものはいくらでも思いつく
    • 軍事訓練資料は取っつきやすくなければならない
      Frank Wilczek が Princeton で教える直前、友人でありメンターでもある Sam Treiman が彼をオフィスに呼んで助言した
      Sam は古いペーパーバックのマニュアルを取り出し、「第二次世界大戦のとき、海軍は新兵たちに無線通信を急いで設置し運用できるよう訓練しなければならなかった。彼らの多くは農場から直接来たような人たちで、レベルを引き上げるのが大きな課題だった。この素晴らしい本のおかげで海軍は成功した。教育学の傑作だ。特に第1章がそうだ。見てみなさい」と言った
      本の第1章のタイトルは Ohm's Three Laws で、おなじみのオームの法則 V = IR が第1法則になっていた
      気になってほかの2つの法則を見ると、第2法則は I = V/R で、第3法則は予想どおり R = V/I だった
    • ちなみに、アンテナと通信システムはかなり別の分野だ
      両者がより大きな一つのシステムの中で一緒にまとめられることが多いため、両方を扱う人もいるが、微積分のような基礎知識を除けば、一方の能力が他方の理解を特に容易にするわけではない

  • 観察が二つある。一つは些細なもので、もう一つは真面目なものだ
    些細なほうは、無線/電磁気の参考書でも、なぜか人々は正しい関数の形ではなく、サイン関数のグラフに半円を描かずにはいられないらしい、ということだ。Figure 1-2 を見ればよい
    より真面目なほうは、有用な軍事教育テキストの大半は、軍が研究開発・教育・契約機関としても有能だった1990年代以前に出たもののように思える、ということだ
    今ではその能力の大半は防衛産業企業に外注されており、こうしたテキストを書ける人や、軍内部で航空機をまともに設計できる人は、とっくの昔に去ってしまったのだと思う

    • 少なくとも航空機の分野では、少しキャンプ色のメガネをかけて見ているように思う
      航空機、車両、船舶、各種装備は常に民間産業で開発されてきたし、もちろん軍と非常に緊密に協力することも多かった
      米国政府が直接所有する製造能力は、常に極めて特化したものだった。Boeing と対比される Los Alamos や Oak Ridge を思い浮かべればよい

  • 少し前に、潜水艦と通信するために5マイルのアンテナを使う軍用機に関する記事を見たのを思い出した
    https://www.thedrive.com/the-war-zone/31477/heres-why-an-e-6...

  • こういう手引きはいつも、ワイヤーループが電磁場を作る例を挙げるので、少し物足りない
    直流と導体についての日常的な経験から、ある程度は想像できるけれど、一般的なモノポールアンテナを見るとその説明は崩れてしまう。片端が空中に浮いているのに、導体がどうやって導通するのか分からない。交流の魔法なのだろう
    同じように、電磁場が作られるときに正確に何が起きているのかについての細かな説明も足りない
    光子でできているようではあるが、その光子が正確にどこから来て、場合によってはわずかミリワット程度の電力だけでどうやって生成されるのか気になる

    • 実際には場を「生成」しているわけではない
      電磁場は常に存在し、宇宙全体に浸透している
      加速する電子は電磁場を乱し、そこにエネルギーと運動量を入れ、その乱れは光速で場を通じて伝播する
      十分なエネルギー準位では、その乱れは空間的によく局在して粒子のように振る舞い、これを光子と呼ぶ
      低いエネルギーでも光子と呼んでもよいが、少し誤解を招くかもしれない。ここで言う電波レベルの非常に低いエネルギーでは、空間的に広く広がっていて波長もメートル単位なので、粒子というより波のように振る舞う
      交流では電子が短い距離を前後に動き、単純化しているが有用なイメージとしては同じ効果を生む
      水の中で手を上下に動かすと波を作るのに似ている
    • その通り、交流は魔法だ
      片端が開いていて、もう片端が閉じた長いパイプを思い浮かべればよい。口で端をふさいで吹くと、すぐに圧力が上がる
      しかしスピーカーを密閉して取り付け、周波数を掃引すると、音の大きさが管の共振周波数に近いほど変わるのが分かる
      モノポールアンテナの電子たちは互いに弾性的な関係を持ち、その影響は音速ではなく光速で伝わる
      また、管の中の気体分子のように、導体内をかなり自由に動くことができる
      長さ2メートルのアンテナに、スピーカーに相当する装置で150MHzの「音」を入れると、電子の管が共振する
      同じ周波数の共振空洞同士が大気を通じて結合できるように、アンテナは電磁場を通じて同じ周波数で共振するよう結合される
      そのため、共振しない他の周波数に比べて「管」の端のエネルギーがある程度利得を得て、耳や増幅器がノイズと区別できる何かを受け取ることになる
      ここで、スピーカー管とまったく同じ別の管に耳を当て、もう片方の耳をふさいでいるところを想像してみると、周囲の音は聞こえるだろうが、そのほとんどはその共振周波数の倍音として聞こえる
      友人が「聞こえる？」と言うと、響いた「mwaa mwoo mwee mwee?」のように聞こえるはずだ
      ところが友人が部屋の向こう側でスピーカー管を鳴らすと、他の音の中で一気に目立つ
      そして紙の巻物を渡して、音の大きさに合わせて上下に描けと言い、友人が音量ノブをいじると、その紙に描かれる形は音波のように見える
      これでAMラジオがどう動くのか分かったわけだ
    • 私もこういう問題で苦労した
      「交流の魔法」というより、RFの魔法と呼びたい
      こうした回路を理解するには、別のメンタルモデルが必要だ
      直流と低周波の交流では、電圧と電流が導体内で即座に現れると考えても十分だが、それは有用な単純化にすぎない
      大ざっぱに言うと、電源から供給されたエネルギーはワイヤーに沿って伝播するのに時間がかかる [0]
      これを念頭に置いて、このページのアニメーションGIFを見ると、より腑に落ちるはずだ: https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna
      このメンタルモデルは、磁気ループが単なる短絡ワイヤーではない理由を理解するのにも役立つ。直流や低周波の交流回路では実際に短絡だが、RF回路ではそうではない [1]
      [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity_factor
      [1] このメンタルモデルだけでどんなアンテナでも完全に理解できるわけではない。多くの設計は、構成要素間の電磁的相互作用や周囲環境との相互作用といった別の現象にも依存している。それでもこのモデルを持っていれば、興味が出たときにさらに深く調べられるはずだ
    • その通り、交流は魔法だ
      アンテナだけの話でもない。コンピューターを見ると、3GHz（DDR4+ RAM）では波長が約10cmなので、単一の正弦波だけを見ても、CPUでは1.8V、CPUから2.5cm離れた場所では0V、5cmでは-1.8V、7.5cmでは0V、10cmでは再び1.8Vになる
      ここにCPUとRAMの間の距離、方形波に付随する他の周波数、基本的なRAMの読み書きを動かすためのあらゆる数学まで考えなければならない
      ごく普通のワイヤーやケーブルも、直流電子回路では何もしない最も単純な線にすぎないが、ここではすべてを変えてしまう
      電圧信号を入れると、その「信号」（場）がケーブルの反対側に到達し、端が開いているのか、はんだ付けされているのか、抵抗が付いているのかを「見る」前から、電流は何らかの速度で流れなければならない
    • 少し古いが、Oliver LodgeのSignalling Through Space Without Wiresは面白く読めると思う
      [0] https://catalog.hathitrust.org/Record/001617948