無線モデムの範囲と信号伝播の理解 

無線通信システム—単純なラジオモデムから高度な UAV テレメトリリンクまで—は、電波が空間を伝播する仕組みによって基本的に制限されます。この挙動を支配する最も重要な原理のひとつが逆二乗則であり、距離が増すと電波範囲が急速に減少する理由を説明します。

上の図はこの概念を視覚的に示しており、エンジニアやシステム設計者に役立つ直感を提供します。

電波が広がる仕組み

ラジオ送信機がエネルギーを放出すると、そのエネルギーはレーザーのように直線で進むわけではありません。代わりに、全方向に広がり、拡大する波面を形成します。自由空間では、この波面は距離とともに表面積が増加する球体として近似できます。

信号が送信機から遠ざかるにつれて：

• 距離は線形に増加する

• 信号が広がる表面積は二次的に増加する

この関係こそが、距離が増すにつれて信号強度が急速に減少する主な理由です。

逆二乗則の説明

球体の表面積は次の式で表されます：

これはつまり：

• 送信機からの距離が倍になると

• 信号が分布する面積は4倍になる

• その結果、単位面積あたりの信号強度は4分の1に減少する

実際には：

距離を倍にすると、受信信号強度は 1/4 に低下します。

図で示されている通り、各セグメント D は距離の等しい増加を表しており、緑の正方形が広がることで信号がどんどん薄く拡散している様子がわかります。

実際のシステムでの重要性

通信距離は線形ではない
多くの人は送信出力を倍にすれば距離も倍になると考えますが、逆二乗則のためこれは正しくありません。理想的な自由空間条件では、距離を倍にするには送信出力を4倍にする必要があります。

受信機感度が重要になる
信号強度が急速に減少するため、送信出力を上げるよりも、受信機の感度を改善する（ノイズフロアを下げる、復調性能を高める）方が効果的な場合があります。

アンテナは大きな差を生む
指向性アンテナは放射パターンを「再形成」し、エネルギーを狭い方向に集中させます。これにより、選択した方向で逆二乗則の影響を相殺し、実効通信距離を大幅に延ばすことができます。

図以外の現実世界の要因

図は理想的な自由空間を仮定していますが、実際の環境では追加の損失が発生します：

• 障害物（木、建物、地形）

• マルチパスフェージング

• 大気吸収

• アンテナ効率の低下

• 偏波の不一致

都市部や森林環境では、理論上の逆二乗則よりも信号損失が大きくなることがあります。

UAV や IoT デバイスへの実用的な影響

UAV テレメトリ、LoRa トラッカー、長距離 IoT システムの場合：

• 高度が重要：アンテナを高くすることで障害物やフレネルゾーンの損失を減らせます

• 低データレート：信号対雑音比が改善され、距離が伸びます

• 拡散スペクトラム技術（LoRa など）：帯域幅を犠牲にして感度を上げることで、出力を上げずに有効通信距離を延ばせます

そのため、ミリワットレベルの出力でも、視界が確保されている条件下で数十キロの通信が可能です。

結論

「無線モデムの通信距離」の図からの重要なポイントはシンプルですが強力です：

距離は無線通信の敵です。

信号エネルギーは拡散する面積が距離とともに増えるため、距離が少し増えるだけでも受信電力は大幅に減少します。この原理を理解することで、エンジニアはアンテナ、変調方式、設置位置、システム構成を最適化し、信頼性の高い長距離通信を実現できます。

UAV リンク、屋外トラッカー、センサーネットワークの設計において、逆二乗則を尊重することが優れた RF エンジニアリングの基礎です。