講義資料 - 桑原研究室

Report
“電磁波と人間”
-電磁波利用の歴史と未来-
静岡大学大学院
電気・電子工学科専攻
桑原 義彦
目次
• 電磁波とは
電磁波の正体
電磁波の基本的な性質
• 電磁波と人間
電磁波の利用のあゆみ
現代社会における電磁波利用
未来の電磁波利用
電磁誘導の法則
電磁誘導の法則
コイルの近くに磁石を置いて磁石を動かすとコイルに電流が流れる。
磁石を動かす:磁場が変化する。
電流が流れると磁界が発生する。
磁界の向きは電流の進行方向に対し時計回り
ファラデーの法則とアンペールの法則
〔ファラデーの電磁誘導の法則〕
磁束密度B(磁界)が時間的に変化しているとき、その場所付近には〔磁束密度が増加
している方向〕に対して、〔左ネジの方向〕に電場が発生する。
〔アンペールの法則〕
電流の周りに、電流の流れる方向に対して右ネジの方向に磁束密度Bが現れることを
意味する
マクスウェルの予言
電場が時間的変化する場所では、電流の場合と同じような磁界が現れる。
電磁波の正体
• 電磁波(でんじは)は、空間の電場と磁場の変化によって形成さ
れた波(波動)である。
• 電界と磁界がお互いの電磁誘導によって交互に相手を発生さ
せあい、空間そのものが振動する。
• 電磁場の周期的な変動が周囲の空間に横波となって伝播する。
• エネルギーの放射現象の一種である。
電磁波の放射
アンテナ
電界
電流
磁界
磁界
アンテナに交流電流が流れる。
アンテナの周りに交流磁界が発生する。
磁界が変化すると電場(電界)が変化する。
電界が変化すると磁界が発生する。
アンテナ
• 空間と電子機器を取り持つインターフェース。
• 感度のよいアンテナ
微弱な電波で大きな出力(電圧)でとらえる。
• 感度のよいアンテナは大きい。
• 感度のよいアンテナは限られた範囲の電波し
かとらえられない。
• アンテナの大きさは波長(周波数)で決まる。
電磁波の周波数
出典:総務省HP
波の伝搬速度
v1 ( z, t )  V1m cost  z 
t=t0の分布の山をP1,その位置をz0とする。ΔtでΔzだけ移動したとするとv=Δz/Δt
P1とP2では位相が等しいので,
t0  z0  (t0  t )   ( z0  z)
v
z 

t  [m/s]
真空では     0 0
v
1
 0 0
 3 108
ε0=8.854✕10-12[F/m],μ0=4π✕10-7 [H/m]を代入するとv=3✕108[m/s]
電磁波とエネルギー
• 電界を電圧,磁界を電流に置き換えて考える。
• 電力は電圧(電界)と電流(磁界)の積。
• 電磁波は空間に広がる。
球の面積(4πr2)は距離rの2乗に比例。
単位面積当たりの電力は距離の2乗に反比
例(P/(4πr2))。
電力は電圧の2乗に比例するので電圧(電界)
は距離に反比例。
フリスの公式
• 送信電力と受信電力の関係を表し,通信回
線の設計に用いられる。
送信アンテナ
受信アンテナ
送信機
受信アンテナで受信される電力は
送信電力が大きく
送信アンテナ利得が大きく
距離が短く
受信アンテナ利得が大きい
ほど強くなる。
受信機
電磁波の反射・回折
入射波
入射波
反射波
回折波
媒質1
媒質2
屈折波
• 光と同じように電磁波は反射・回折が起こる。
• 電磁波は壁やコンクリートも通り抜ける。
• 放送局・携帯電話基地局が見えなくても反射・回
折波により受信,通話ができる。
偏波
テレビアンテナは電界が横向き
携帯電話アンテナは電界が縦向き
電波伝搬
• 電波は水や金属を除くほと
んどの材料を通過できる。
壁,コンクリート,地中,人
体….
• 電波は少ない電力で遠い
場所と通信できる。
電離層伝搬を利用すれば
10Wの送信機で地球の裏
側と通信できる。
ヘルツの実験(1888)
•
出典: http://www.geocities.jp/hiroyuki0620785/k3dennjiha/hzexpdenjiha.htm
マルコニーの無線通信実験(1895)
コヒーラ検出器
出典:ウィキペディアフリー百科事典
モールス符号をヘルツの実験に適用
アースを考案
大西洋横断通信に成功(1901)
真空管が実用化されるまで広く利用された
電子管の発明
熱電子放射
エジソン効果
(1882)
2極管(フレミング)
整流(検波)作用
(1902)
効率のよい電波の検出を実現
増幅作用による通信距離の延長を実現
3極管(ドフォレスト)
増幅作用
(1907)
ラジオ放送
• フェッセンデン(カナダ)
交流信号に情報を載せる(変調)
2つの信号を掛け合わせ第3の信号を得る(ヘ
テロダイン)を発明
1906 初のラジオ放送に成功
• 商用放送
米国(1920),日本(1925)
• 短波放送 オランダ(1927:植民地向け)
戦後のラジオ放送
• 中波ラジオによるステレオラジオ放送
(1952-1965)
• FMラジオステレオ放送(1963-)
• FMラジオ多重放送(VICS・見えるラジオ:1995)
• デジタルラジオ
テレビ放送
• ブラウン管の発明(1896)
• 機械走査式テレビジョンの実用化
ジョン・ロジー・ベアード(英:1925)
• 電子走査式テレビジョンの実用化
高柳健次郎(日:1926)
• 電子式撮像管の発明
フィロ・テイラー,ファーンズワース(米:1927)
• ベルリンオリンピックの放送(独:1936)
• NHK試験放送(日:1939)
• 商用放送(米:1941)
テレビ伝送実験装置の再現展示
(NHK放送博物館)
戦後のテレビ放送
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1953
1956
1958
1960
1968
1984
1991
2000
地上波テレビ放送(NHK)
カラーテレビ実験放送(NHK)
東京タワー完成
カラーテレビ放送開始
UHF局放送開始
衛星放送の試験放送
BSアナログハイビジョン放送
BSデジタルハイビジョン放送
レーダー
• 強い電磁波を一方向へ向けて放射し、反射して返ってくる
電磁波を受信して放射と受信までの時間差を計測するこ
とで、その方向にある何らかの電波反射物までの距離を
知る。
• クリスチャン・ヒュルスマイヤー(独)
5km先の船舶の検出に成功(1904)
• 1930-40年,ドイツとイギリスにより実用化。
• 第2次世界大戦の帰趨を決定した。
イギリス:対空レーダ網を整備しドイツの空爆阻止。
アメリカ:日本海軍の行動を先読み撃滅。
• 日本:マイクロ波マグネトロンと八木アンテナという要素技
術を持ちながら優れたレーダーを開発できなかった。
トランジスタ
1948年,AT&Tベル研究所のウォルター・ブラッテン、ジョン・
バーディーン、ウィリアム・ショックレーらにより発明された。
最初のトランジスター
日本では1954年頃に東京通信工業(現ソ
ニー)で国産化され、翌1955年に同社からトラ
ンジスタラジオが発売された。
マイクロ波通信
• たくさんの情報を遠くに伝送
高い周波数(マイクロ波)を使用
• 遠くにたくさんの情報を伝送
衛星を打ち上げて中継
光ケーブルの出現により主役の座から降りる
電磁波の利用
• 無線通信
携帯電話,無線LAN,ETC,マイクロ波中継,衛星通信,警察無線,列車
通信,アマチュア無線,RFIDタグ
• 放送
TV放送,ラジオ放送,データ放送
• 測位・測距
航空管制レーダ,GPS,衝突防止レーダ,船舶,飛行機用レーダ,気象
レーダ
• エネルギー
電子レンジ
• セキュリティ
電波イメージング
• 医療
マイクロ波加熱によるがん治療
• 宇宙開発
電波天文,地球環境調査
現代社会と電磁波(1)
テレビ
• BS・CSデジタル放送
周波数は12GHz帯。
画質が良い。
高利得アンテナが必要。
• 地上デジタル放送(ISDB-T)
周波数は470-770MHz。
フルセグ(固定・車両):画質が良いが移動に弱い。
ワンセグ(移動):画質は良くないが移動に強い。
統合デジタル放送(ISDB-T)
現代社会と電磁波(2)
ラジオとデータ放送
• VICS(カーナビの渋滞情報)
FM(76-90)MHz放送に重ねて放送
• デジタルラジオ
試験放送中(地上波:東京と大阪,衛星:外国
のみ)
• ISDB-Tを使った放送(放送大学)
• 新しいマルチメディアサービス
地上デジタル放送移行後のVHF1-3ch
音声,動画
VICS
現代社会と電磁波(3)
携帯電話(1)
• 自動車電話からスタート
• 第1世代:アナログ音声(-1990)
• 第2世代:デジタル音声(1990-2000)
通信速度10kbps
• 第3世代:CDMA(2000-)
インターネット接続,通信速度384kbps
• 第3.9世代:高速データ通信(2012-)
通信速度10Mbps以上
現代社会と電磁波(3)
携帯電話(2)
• 携帯電話の技術
見通し外通信
基地局と端末が建物,地形によってさえぎられ
ている:回折,反射,透過波で通信。
低雑音増幅,誤り訂正,デジタル変調
移動しながら通信
フェージング,マルチパス
ダイバーシチ,等化(イコライジング)
電池で動作
• インターネット接続,電子決済
• 多機能化:GPS,テレビ,カメラ…
現代社会と電磁波(3)
携帯電話(3)
• 日本メーカーの苦戦
スマートホンで出遅れ
サムスン,モトローラが2強
• 基本特許がQUALCOM(米)に抑えられる
• 実際に開発したのはDOCOMOとNEC
• 日本市場の特殊性
携帯電話のガラパゴス島(インターネット,カメラ,
写メール)
それなりに大きな市場
キャリア(DOCOMO AU softbank)主導
現代社会と電磁波(4)
無線LAN
•
•
•
•
オフィスから通信ケーブルを一掃
モバイルコンピューティング
IEEE802.11b/g規格(2.5GHz帯54Mbps)
MIMO(.11n:5GHz帯,600Mbps)
アンテナをたくさん使って大容量通信
• アドホックネットワーク
基地局を介さないネットワーク
• IEEE802.15規格:Bluetooth, UWB, Zigbee
現代社会と電磁波(5)
GPS
• 上空にある数個の衛星
からの信号をGPS受信機
で受け取り、現在位置を
知るシステム。
• 3つの衛星の時刻と端末
の時刻を比較し、3角測
量で端末の位置を決定。
• 航空機,船舶,ポータブ
ル,携帯電話,カーナビ
等に広く利用される。
現代社会と電磁波(6)
レーダ(1)
• 航空路管制システム
航空路管制レーダ(ARSR)
空港監視レーダ(ASR)
二次監視レーダー(SSR)
空港面監視レーダー(ASDE)
• 航法援助装置
着陸誘導装置(ILS)
電波標識(VOR, DME)
• 防衛は別システム
警戒管制レーダ
RAPCON,PATRIOT
現代社会と電磁波(6)
レーダ(2)
• 自動車用衝突防止レーダ
ミリ波レーダ:76GHz帯と24GHz帯
探知距離:100m
複数の車両の検出(トヨタ)
アクティブフェーズドアレーレーダ
ブレーキと連動:追従走行
• 警察のスピード違反取り締まりレーダ
• 船舶用,航空機レーダ
現代社会と電磁波(7)
RFID
• バーコードに代わる技術
• 無線タグ
図書館,店舗
• ICカード
• 3つの周波数
13MHz,900MHz,2.45GHz
• パッシブ型とアクティブ型
電池の有無
• 物流,在庫管理,認証(セキュリティ,病院)
• センサーネットワーク
• 位置検索
非接触ICカード
ウォルマートのRFIDタグ
現代社会と電磁波(8)
ETC
現代社会と電磁波(9)
電子レンジ
• マイクロ波は水に吸収され熱に変わる
現代社会と電磁波(10)
宇宙科学
• 電波望遠鏡
可視光を放射しない
星間ガスを観測する
出典:国立天文台HP
現代社会と電磁波(11)
セキュリティ
• 空港でのセキュリティ検査
X線に代わるセキュリティ検査
プラスチック爆弾なども検知できる
電磁波利用の問題点(1)
違法電波
• 電波は公共のもの
• 電波はどこにでも届く
• 違法電波の例
市民無線
無届携帯電話基地局
• 迷惑電波の例
公共交通機関での携帯電話
ペースメーカの誤動作
• 違法電波の取り締まり
DUERASシステム
電磁波利用の問題点(2)
周波数資源の枯渇
• 電磁波は資源である。
• 電磁波は公共物である。
• 電磁波は低い周波数から用いられてきた。
10GHz以下で空いている周波数帯域はほとんど
ない。
• 10GHz以上の波は使いにくい。
降雨減衰,遠くまで届かない,部品が高い
• 地上デジタル放送への移行
使いやすい周波数(VHF帯)をあけ,新しいマルチ
メディアサービスを導入する。
出典:総務省HP
電磁波利用の問題点(3)
電磁波と健康
• 電波による健康への影響
電波はエネルギーの流れである。
人体の70%は水である。
水は電波を吸収し熱となる。
携帯電話を用いると脳内温度が上昇する。
• 様様な本が出ているが、科学的根拠に乏しい
ものも散見される。
• 人類が電波を用いて日が浅い。
疫学的検証は不十分。
未来の電磁波利用
医療応用(1)
• ハイーパーサーミア
癌にマイクロ波をあて温めてダメージを与え
る(癌は熱に弱い)
電極を患部に差し込んで照射
• レーダによる患者の心拍,呼吸の監視
電極が不要
撮影しないのでプライバシーが守られる
近未来の電磁波利用
~乳がん検診の現状~
視触診 + X線マンモグラフィ・超音波検診
問題点
X線による被曝
 検診部の圧迫が非常に不快
 検診に高度な読影技術が必要 見落としの可能性
 装置が高額
 検診に時間がかかる

マイクロ波マンモグラフィ
マイクロ波を用いたマンモグラフィ





高コントラストが得られ,高度な読影技術は不要
→発見漏れの減少
検診部の挟み込みの必要がない
→患者の検診に対する拒否感を減少
微弱な電波を使用するため,被曝の心配がない
装置がコンパクトで安価
病理診断の可能性(良性・悪性)
マイクロ波マンモグラフィの原理
乳房内の3次元散乱電力分布,電気定数分布をマッピング
51
開発装置
sensor
antenna switch
VNA
aspirator
52
臨床試験例1
middle size
cancer
(diameter of 2 cm )
tumor
MRI
Microwave
mammography
Right
Elder woman
Left
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近未来の電磁波利用
ワイヤレス電源
• 電磁波を使った送電
ワイヤレス電話子機
電動歯ブラシ
RFID
用途を拡張
• PCの充電サイト(オフィスで)
• 電気自動車の非接触充電
• リニアモーターカー
非接触充電(磁気誘導)
宇宙太陽発電
発電量:最大1000万kW(原子力発電所10基分)
発電コスト:23円/kW(火力発電11円/kW)
大きさ:受電アンテナ10km,送電アンテナ1km
 なぜ宇宙に太陽電池パ
ネルを置くのか?
発電効率が地上の5-7
倍
 マイクロ波送電効率
現状は30%,将来目標
は75%
 安全か?
マイクロ波の照射基準
1mW/cm2
地上の受電パネルの中
心
23mW/cm2
磁気共鳴によるワイヤレス送電
2007年 MITが磁気共鳴によるワイヤレス送電を発表
input
半径25cmのルー
プアンテナ
A Kurs et al. Science 2007;317:83-86
近未来の電磁波利用
電池のない電気自動車
電気自動車はガソリン自動車に代わる21世紀の自動車。
しかし,走行距離が短い、電池の値段が高く寿命が短いなどの課題がある。
スーパーキャパシタは大容量のコンデンサで、電池の1/10程度のエネルギーを
蓄えられ、寿命は半永久的である。
スーパーキャパシタと無線送電を組み合わせた新しい交通システムを研究中。
Configuration of the system
PWM Control
Car Control & Control Signal Receiver
Power
Car Control Signal
Rectifier & Demodulator
Motor
Position Detection
Road
Infrared Sensor
Antenna Selector
Power AMP
OOK Modulator Switch
2.5GHz
40.7MHz
Signal Generator
Infrared Sensor
・・・・・・
・・・・・・
1W/200mW
Wireless Power Transmission &
Communication
Selector
Control
Signal
Car
Control
Signal
Position Detection &
Selector Control Circuit
Position
Signal
Car Control Signal
Transmitter
58
Video (2.5GHz)
レポート課題
• 電磁波の利用についての問題点
• 電磁波を使った私の夢のシステム
• いずれか一つについて400字詰め原稿用紙
2枚に手書きでまとめて提出
ワープロの使用は認めない

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