マイクロ波伝送と電波信号の3つの違い

マイクロ波信号（1-100 GHz）は高い帯域幅（最大10 Gbps）を提供しますが、見通し内通信を必要とします。一方、電波（3 kHz-300 MHz）は障害物を透過する能力が高く、データレートは低め（1-100 Mbps）です。マイクロ波は指向性の高いビーム（幅1°-5°）のためにパラボラアンテナを使用しますが、電波は無指向性アンテナを使用します。大気による吸収（例：60 GHzの酸素吸収）は、電波信号よりもマイクロ波に大きな影響を与えます。

周波数範囲の違い

マイクロ波信号と電波信号はどちらも電磁スペクトルの一部ですが、動作する周波数範囲が大きく異なり、それが性能や用途に直接的な影響を与えています。電波は一般的に3 kHzから300 GHzに及びますが、通信で最も一般的に使用される周波数（AM/FMラジオ、Wi-Fi、モバイルネットワークなど）は30 kHzから6 GHzの間です。対照的に、マイクロ波は狭いながらもより高い帯域を占め、通常は1 GHzから300 GHzの範囲であり、実用的なアプリケーション（レーダー、衛星リンク、電子レンジなど）は2.45 GHzから60 GHzに集中しています。

「周波数が高ければ高いほど、より多くのデータを送信できますが、範囲は短くなり、コストも高くなります。そのため、5Gネットワークは高速化のためにミリ波（24 GHz以上）を使用しつつも、より広いカバレッジを確保するためにサブ6 GHz帯に依存しています。」

主な違いの一つは信号の透過性です。低周波の電波（1 GHz未満）はより遠くまで伝わり、壁をより容易に通過できるため、放送ラジオ（88–108 MHz FM）や携帯電話ネットワーク（700 MHz–2.1 GHz 4G LTE）に最適です。しかしマイクロ波は障害物に弱く、5 GHzのWi-Fi信号は2.4 GHz信号と比較して、コンクリートの壁を通過する際に70%も多くの電力を損失します。これが、マイクロ波リンク（60 GHzバックホールシステムなど）が見通し内通信を必要とし、信号の整合性を維持するために指向性アンテナを使用する理由です。

もう一つの要因は帯域幅の容量です。マイクロ波は高周波数で動作するため、より広いチャンネル（4G LTEの20 MHzに対し、5Gミリ波では最大400 MHz）をサポートし、高速データ転送を実現します。例えば、28 GHzのマイクロ波リンクは1 km先へ1 Gbpsを提供できるのに対し、900 MHzの電波リンクは同条件下で最大100 Mbpsです。しかし、これには代償が伴います。大気による吸収（60 GHzでの酸素吸収など）はマイクロ波の範囲を15–20 dB/km減少させる可能性があり、エンジニアは中継器やより高出力の送信機を使用せざるを得ません。

信号強度の比較

マイクロ波信号と電波信号を比較する際、信号強度は実世界の性能を決定する極めて重要な要素です。電波（6 GHz未満）は一般的に遠くまで伝わり、障害物をよりうまく透過します。一方、マイクロ波（6 GHz以上）は高いデータレートを実現しますが、信号の減衰が早くなります。例えば、100ワットのFMラジオ局（88–108 MHz）は半径50マイルをカバーできますが、60 GHzのマイクロ波リンクは酸素吸収により、わずか1 kmで電力の98%を失います。

「周波数が低いということは波長が長いということであり、障害物の周りで回折します。これが、AMラジオ（535–1605 kHz）が丘を越えて届く一方で、5Gミリ波（24–40 GHz）が木によって遮断される理由です。」

信号強度に影響を与える主な要因

1. 自由空間伝搬損失 (FSPL)
   • 電波（900 MHzなど）は10 kmあたり約20 dBの損失を経験します。
   • マイクロ波（28 GHzなど）は同じ距離で約80 dBの損失を経験します。
   • これが、サブ6 GHz 5Gが基地局あたり1–3 kmをカバーできる一方で、ミリ波5Gは200–500メートルごとにスモールセルを必要とする理由です。
2. 大気による吸収
   • 湿度はマイクロ波により大きな影響を与えます：
     • 24 GHzでは、水蒸気が湿度50%で0.2 dB/kmの損失を引き起こします。
     • 60 GHzでは、酸素分子が15 dB/kmを吸収するため、長距離通信には不向きですが、短距離の軍事用途には安全です。
3. 障害物透過率
   • 2.4 GHzのWi-Fi信号（波長12 cm）は乾式壁を通して約6 dB損失しますが、5 GHz信号（波長6 cm）は約10 dB低下します。
   • マイクロ波（10 GHzレーダーなど）は建物で反射するため、正確な調整が必要です。1°のミスアライメントで信号が3 dB低下します。

導入における実際の影響

電波はカバレッジが重要なアプリで主流です：

• AM/FM放送は50–100 kWの送信機を使用して都市全体をカバーします。
• 4G LTE (700 MHz–2.1 GHz)は90%の屋内透過率を提供し、スマートフォンにとって不可欠です。

マイクロ波は速度が重要視される場面で優れています：

• 衛星通信 (12–18 GHz)は100 Mbps–1 Gbpsを実現しますが、伝搬損失を補うために1.2メートルのディッシュが必要です。
• データセンター間接続 (80 GHz)は1 km先に400 Gbpsを伝送しますが、霧のない天候を必要とします（霧は3 dB/kmの損失を追加します）。

用途とアプリケーション

マイクロ波技術と電波技術は、その物理的特性の違いから、現代の通信システムにおいて根本的に異なる目的で利用されています。電波 (3 kHz–6 GHz)は広域カバレッジと障害物透過率を必要とする用途で主流であり、マイクロ波 (6 GHz–300 GHz)は速度と精度が重要な高容量・短距離リンクで優れた性能を発揮します。例えば、世界のFMラジオ放送の95%は88–108 MHzで動作しており、半径50–100 kmをカバーする50–100 kWの送信機で車や家庭に音声を届けています。一方、現代の5Gミリ波展開の60%は24–40 GHz帯を使用しており、1–3 Gbpsの速度を実現していますが、200–500メートルのセル範囲に制限されるため、人口密集地のホットスポットに限定されます。

通信業界は4G/5Gネットワークのサブ6 GHzインフラに年間1800億ドルを費やしているのに対し、ミリ波機器には120億ドルを費やしており、カバレッジシナリオにおける電波のコスト優位性を反映して15:1の比率となっています。しかし、マイクロ波には重要なニッチ市場があります。世界のデータ通信の75%は14/28 GHz衛星リンクを経由し、各静止衛星は36,000 kmの軌道上で500 Gbps以上の容量を処理しています。地球上では、38 GHzのマイクロ波バックホールが都市部の携帯電話基地局の60%を接続しており、険しい地形において光ファイバーより安価なギガバイトあたり0.02ドルでリンクあたり10–40 Gbpsを転送しています。

産業界では、24 GHzレーダーセンサーが液体タンクのレベルの90%を±0.5 mmの精度で監視しており、一方433 MHzのRFIDタグが金属棚越しに倉庫の在庫を6メートルの読み取り範囲で追跡しています。医療分野でも同様の乖離が見られます。MRI装置は全身イメージングに64–128 MHzの電波を使用しますが、空港の60 GHzボディスキャナーは2 mmの解像度で隠し物を検出しますが、1.5メートルの距離でしか機能しません。

消費者向けデバイスは最も目に見えるトレードオフを示しています。900 MHzのLoRaWAN IoTデバイスは0.1ワットのバッテリーで10 km送信できますが、60 GHzのWiGigノートPCドックは7 Gbpsを提供できるものの、カーテンの後ろに回ると通信が途切れます。これが、IoT導入の78%がサブGHz帯の無線を選択する一方で、サンダーボルトドックがミリ波のみを使用する理由です。天候も役割を果たしており、豪雨は80 GHzリンクを15 dB/km減衰させるため、バックアップ無線が引き継ぐ必要があります。これは、嵐の中でも機能する600 MHzのNB-IoTネットワークでは問題にならないことです。

軍は両極端を利用しています。HF無線（3–30 MHz）は電離層で反射して10,000 kmの海軍通信を可能にする一方、94 GHzのミサイルシーカーは0.1°の角度精度で煙越しに戦車のエンジンを特定します。民間航空は音声通信に108–137 MHzを使用しますが、衝突回避のために1030/1090 MHzのトランスポンダに依存しています。これは、大気吸収のためにマイクロ波周波数では不可能な仕事です。