[通信実験] [English]
ゲルマラジオの実験
つくばＡ３
昔から、「鉱石ラジオ」、「クリスタルラジオ」、「ゲルマニウムラジオ」とか、それを略して「ゲルマラジオ」と呼ばれる無電源で動作するラジオ（受信機）がある。
回路がとてもシンプルなので、電子工作を始める機会を与えてくれたり、また無線技術への興味を掻き立ててくれる一方、その感度の悪さに比べ、超小型でしかも高感度なラジオが数１０００円程度で手に入る昨今、やはり「何を今さら」感は否めない。しかし最近では、スマートフォンなどの携帯電話に搭載されているワイヤレス充電機能、また、SuicaやPASMOなどに使われているRFID技術（カード側は無電源）なども、非常に短い距離（～数センチ）ながら同様の原理で動作しているのである。
つまり、電波（電磁波）を使って電力を伝送し、それを利用している。
さて今回は、この原理にもう一度立ち戻り、ゲルマニウムラジオ（以下、ゲルマラジオ）で、実際どの程度、聞こえるのか？否、聞こえていたのか？再確認してみることにした。
実験に使ったゲルマラジオ
【このゲルマラジオで使われている部品】
ケース(最大：約幅50mm、長さ90mm、厚さ25mm)は、内蔵する各部品のサイズに合わせＣＡＤを使って設計し、３Ｄプリンタを使って製作した。
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| ゲルマラジオ（ケース内部の様子） |
使われた電子部品：すべて「千石電商」（秋葉原本店）で購入
| 部品 | 品番等 | 機能 |
|---|
| バーアンテナ | ～620 uH | 同調用のコイルでアンテナとしても動作 |
| ポリバリコン | ～160 pF | 同調用のコンデンサーとして容量を可変 |
| 選局用ダイヤル | | ポリバリコンの容量可変軸と繋ぎ、同調周波数を表示 |
| ゲルマニウムダイオード | 1N34 | 検波用ダイオード |
| イヤホン | セラミックイヤホン | 受信した音を復調（再生） |
中波放送の電波は、図１に示すように、電波の元になる搬送波を、音声や音楽などの音源の強弱によって、電波の強さに変える振幅変調器を使って変調（乗算）して、送信アンテナから空間へ放射される。市民ラジオ(27 MHz)や航空無線(VHF/UHF)なども同じ方式である。
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| 図１：中波放送局の概略 |
図２に示すように、送られてきた電波は、バーアンテナとポリバリコンで構成される同調回路が受ける。
今回使ったバーアンテナは、直径１ｃｍ弱の円筒（ボビン）に電線（リッツ線）を巻いたコイルと、長さ約８ｃｍのフェライト棒を組み合わせたもので、値（インダクタンス）は、ほぼ固定されているので、ポリバリコンの容量（キャパシタンス）を変化させて、目的の放送局の周波数と合わせることができる。
そして、その名の通り、電波を受けるためのアンテナとして動作するループアンテナの一種である。指向性があるので、電波が来る方向に対して、バーアンテナの長手方向を直角に向ける。
また中波放送局は、垂直偏波で送信されているので、バーアンテナは地面に対して水平に置く。
この同調回路の両端に繋ぐのが、それぞれ直列に繋いだゲルマニウムダイオードとセラミックイヤホンである。
受信された電波は、このダイオードで検波（半波整流）され、そして、さらにセラミックイヤホンを使うことによって、結果的にピーク検出、平滑化され、音声が復調（再生）される。
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| 図２：ゲルマラジオの回路図 |
シリコンベースのFET、トランジスターやダイオードが主流の現代、ゲルマニウムベースの半導体デバイスの存在感は薄くなってしまったようだが、ゲルマニウムダイオードは今のところ、まだ入手可能なようである。
感度に関わるバンドギャップが、シリコン(約1.2eV)に比べ、ゲルマニウム(約0.7eV)は狭いので、ゲルマニウムダイオードは、このような無電源ラジオには、必須のデバイスである。
音を再生するイヤホンは、昔、ロッシェル塩を使った「クリスタルイヤホン」が主流であったが、残念ながら現在では入手困難であり、圧電素子を使ったセラミックイヤホンしか入手できない。
しかし、これも今後いつまで入手できるのだろうか？
【受信テスト／予備実験】
組み立ての終わったゲルマラジオを屋外で受信を試みたが、ダイヤルをいくら探っても何も聞こえない。
そこで、動作しているのかどうか確かめるため、全長約５ｍの電線の一端を軒下（地上高約３ｍ）に固定して垂れ下げ、他端を給電点として、図２のゲルマニウムダイオードのアノード側に繋いだところ、NHK第一(594 KHz)、NHK第二(693 KHz)、文化放送(1134 KHz)、そして茨城放送(1458 KHz)が微かに聞こえた。このような簡単な仕掛けで、しかも電源がないのにも関わらず、音声や音楽が聞こえてくるのは、何度作っても不思議なものである。勿論、電源スイッチはないので、放送電波がある限り、音は「掛け流し」状態である。
送信所から空間を伝搬し、手元に届く頃にはすっかり弱くなってしまう電波。
これだけに頼るしかないゲルマラジオは、できるだけ大きな受信電力を得るため、実効高の高い大型のアンテナ（例：垂直１０ｍ、水平１０ｍ程度の逆Ｌ型アンテナとアース）が必要とされている。
しかし今回の実験では、敢えてバーアンテナだけを使って、どの程度受信できるのかを探ることにした。
つくば市内（距離：洞峰公園入口から概算）で受信可能な主な中波放送局(昼間：ICF-SW100S使用)
| 周波数(KHz) | 放送局名 | コールサイン | 出力(KW) | 設置場所 | 距離(Km) | 受信状況 |
|---|
| 594 | NHK第一 | JOAK | 300 | 埼玉県久喜市 | 44.3 | 非常に強い |
| 693 | NHK第二 | JOAB | 500 | 埼玉県久喜市 | 44.3 | 非常に強い |
| 810 | AFN | | 50 | 埼玉県和光市 | 55.5 | 良好 |
| 954 | TBSラジオ | JOKR | 100 | 埼玉県戸田市 | 50.5 | 良好 |
| 1134 | 文化放送 | JOQR | 100 | 埼玉県川口市 | 42.1 | 強い |
| 1197 | 茨城放送 | JOYF | 5 | 茨城県水戸市 | 50.3 | 非常に弱い |
| 1242 | ニッポン放送 | JOLF | 100 | 千葉県木更津市 | 74.8 | 良好 |
| 1422 | ラジオ日本 | JORF | 50 | 神奈川県川崎市 | 68.5 | 弱い |
| 1458 | 茨城放送 | JOYL | 1 | 茨城県土浦市 | 5.1 | 強い |
| 1458 | 茨城放送 | | 1 | 茨城県筑西市 | 27.2 | 不明 |
| 1530 | 栃木放送 | JOXF | 5 | 栃木県鹿沼市 | 59.2 | 非常に弱い |
【移動受信実験】
バーアンテナのみでは、ほとんど聞こえないことがわかったので、逆に送信所へ少しずつ近づき、どの辺りから受信可能となるのか、自転車で移動しながら探ることにした。
今回の実験で目標となる送信所は、つくば市中心部から最も近い場所、土浦市上高津にある茨城放送土浦放送局(1458 KHz/JOYL/1 KW)である。
茨城放送は、県内にあるＮＨＫ－ＦＭ（水戸）、各ＴＶ中継局、コミュニティＦＭ局などを除くと、茨城県内唯一の放送局であり、また珍しいことに茨城県は、４７都道府県で唯一、ローカルＴＶ局（ＮＨＫを除き）が存在しない県である。
実に貴重な存在である放送局（送信所）が、意外に近い場所にあることは、幸運といえるかもしれない。
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| 洞峰公園入口（つくば市二の宮） |
実験のスタート地点に選んだ場所は、つくば市二の宮にある「洞峰公園」とした。入り口の看板の直下は水準点になっていて、目標の送信所からほぼ西へ約５．１ｋｍ離れた場所にある。つくば市内を南北に貫く西大通り沿いにある公園で、その南側に「気象研究所」があり、公園内に温水プール、体育館、テニスコートなどがあって、中心に大きな池（洞峰池）がある。この池の畔で、バーアンテナの向きを変えて送信所の方向を探ったり、ダイヤルを微調整したが、結局、何も聞こえなかった。
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| 洞峰池（つくば市二の宮：距離約５．０ｋｍ地点） |
次に洞峰公園北側には、西大通りから東大通り（西大通りとほぼ平行に走る道路）へ抜ける道があり、東へ約１．２ｋｍ走り、「ＪＡＸＡ」と「産業技術総合研究所」の間を通過すると、東大通り並木１丁目交差点に出てくる。この交差点には、東大通りに架かる陸橋（歩道）があり、そこで聞いてみることにした。この橋の上から東大通りを走る自動車の往来を見ながら探ったが、まったく聞こえない。
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| 並木北橋（つくば市並木一丁目交差点：距離約３．９ｋｍ地点） |
次に東大通り沿いの自転車道をこの陸橋から南東へ約１ｋｍ進むと、梅園二丁目交差点手前に、同じような陸橋があり、登って聞いてみると、同様に聞こえる気配はなかった。
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| 並木ＳＣ入口（つくば市梅園二丁目交差点：距離約３．３ｋｍ地点） |
さらに、並木ショッピングセンター入口から直線距離で北東へ約１．２ｋｍの地点に、花室川に架かる橋（ささぎばし）がある。
送信所までの距離は僅か約２．５ｋｍであるが、まったく入感しない。河川敷なので見通しはいいのだが、標高が低いのも影響しているのかもしれない。
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| ささぎばし（つくば市大角豆（ささぎ）花室川：距離約２．５ｋｍ地点） |
この橋から花室川沿いを下流方向へ移動。常磐自動車道の高架下を潜り、途中、未舗装の河川敷沿いの道を約２．５ｋｍ進むと、左手に土浦市永国台へ向かう坂道が見えてくる。この緩やかな坂道を約４００ｍ進むと、右手に小さな公園を見つけた。ここで休憩も兼ね、何か聞こえないか、ベンチに腰かけてダイヤルを探ることにした。すると、何らかの音が聞こえてくるが、何の音なのかまったく聞き取れない。音が小さすぎるというよりも、音そのものが歪んでいるようで、判別できないのである。送信所至近まで行かないと聞こえないのかなと諦めかかっていたが、ここへ来てようやく、茨城放送からと思われる電波を捉えた。
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| ひだまり公園（土浦市永国台：距離約１．２ｋｍ地点） |
休憩を終え、さらに永国台の坂道を登ると、天川団地内に入る。そしてゴルフ場脇の小路を抜け、「土浦用水」沿いの道へ入ると、送信所の鉄塔が大きく姿を現した。さらに進み、この用水路の地下トンネルの入り口付近まで来たところで、ダイヤルを探ってみると、小さな音ではあるが、はっきりと聞こえてきた。茨城放送の「あっ茨城が、、、」が聞こえ始めたのである。そして、あれこれ、動いて探ってみたところ、突然、音が大きくなったので原因を調べてみると、どうやら自転車の金属フレームがアンテナとなり、ここから誘導された電波をゲルマラジオが拾っていたと思われる。また、缶コーヒーの空き缶に近づけるだけでも、同様の効果があることがわかった。バーアンテナの実効高があまりにも低いようだ。
そして、もう一つ気が付いた事がある。近づいていけば、少しずつ受信音が大きくなるのでは？と実験前は思っていた。ところが、ある閾（しきい）値を超えないと聞こえ難い。ゲルマラジオというと、超「アナログ」な印象を持っていたのだが、ダイオードの「生」の特性が表れているためか、実際は、信号が非常に弱い場合、動作が「デジタル」な感じで、永国台での受信状況などを振り返ってみても、セラミックイヤホンの特性なのかもしれないが、エラー訂正が十分にできないデジタル無線機のようにも感じた。
このような発見は、複雑で高感度なラジオでは気が付かないかもしれない。
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| 土浦用水地下トンネル入口付近（土浦市天川：距離約４００ｍ地点） |
流石に送信所前では、何ら問題なく受信できる。「土浦放送局概要」と書かれた掲示板があり、昭和４０年（１９６５年）１月２０日開局、放送周波数は「１４６０ＫＨｚ」と書かれていて、９ＫＨｚ移行前（１９７８年１１月～）のままである。空中線電力は１９７２年１２月に１００Ｗから掲示板に書かれている現在の１ＫＷへ増力されたようなので、この期間に建てられたものかもしれない。
ここからアンテナを見上げると、一般の中波放送局でよく見られるアンテナ頂上部に円形の容量冠（キャパシティハット）が見当たらない。空中線の高さ「８８．５ｍ」と書かれており、高さは十分で、必要ないのかもしれない。もしかすると、垂直半波長ダイポールアンテナとして動作していて、電圧給電なのかもしれない。
この掲示板、ご覧の通り、だいぶ錆びついていて、一見、古寺や遺跡の案内板のようでもあり、長い時の流れを感じさせてくれる。
現在は、主に中継局としての役割を担っているようだが、以前、水戸局（JOYF)とは別のプログラム（以下の番組表を参照）を時々放送していた時期もあったらしい。最近、インターネットでも聞け、またＦＭ補完放送（９４．６ＭＨｚ／８８．１ＭＨｚ）も始まり、中波放送の存在感が薄れつつあるが、災害時など重要な情報源であることに変わりなく、この小さな灯は今後も絶やさずにいてほしい。
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| 土浦放送局（土浦市上高津：送信所前） |
| 12:55から５分間、★YF（水戸局）と★YL（土浦局）で別々の番組が放送されていた。 |
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| IBS番組表の一部(出典：茨城放送／きょうとYM39局提供) |
【実験結果】
今回の移動受信実験をまとめてみると、以下の通り。
| 移動地 | 距離(km) | 受信状況 |
|---|
| 洞峰公園洞峰池（つくば市二の宮） | 5.0 | 聞こえない |
| 並木北橋（並木一丁目交差点付近） | 3.9 | 聞こえない |
| 並木ＳＣ入口付近陸橋（梅園二丁目交差点手前） | 3.3 | 聞こえない |
| ささぎばし（つくば市大角豆花室川） | 2.5 | 聞こえない |
| ひだまり公園（土浦市永国台） | 1.2 | 何か聞こえる |
| 土浦用水地下トンネル入口付近（土浦市天川） | 0.4 | 良好 |
| 送信所前アンテナ至近（土浦市上高津） | 0.0 | 強い |
【市販のＡＭラジオとの差は？】
| きょうとＹＭ３９局によると、ＪＯＹＬは、ポケットラジオ（ＰＪ－３５：ＯＬＹＭＰＵＳ製）単体で、
しかも特別な工夫などなく、ノイズが多い京都市内中心部（距離：約４００ｋｍ）でも夕刻、受信できるのだそうです。
以下の受信音は、茨城放送からの交通情報と他の同一周波数の放送局（長崎放送、他？）の番組が混信し、
互いにＱＳＢ（フェージング）を伴いながら聞こえます。 |
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| 茨城放送(1458KHz)の受信音（2019年3月14日18時頃、亀岡市にて：きょうとYM39局受信) |
市販のＡＭラジオを使った上記受信例（茨城放送：1458 KHz/1 KW）から、この場合の受信限界距離を４００ｋｍ程度と仮定すると、
今回実験したゲルマラジオの限界は４００ｍ程度だったので、電離層の反射などの影響を無視し、単純に距離の比較だけで考えると、
市販のＡＭラジオと今回実験したゲルマラジオの受信感度（電界強度）では、少なくとも約１０００倍（６０ｄＢ）以上の差があると考えられる。よって、大型（現実的なサイズ）のアンテナを使ったとしても、市販のＡＭラジオの感度には、遠く及ばない。つまり、真空管やトランジスタなどの発明によるメリットは、計り知れないのである。
【考察】
今回実験で使ったバーアンテナは、ループアンテナの一種なので、アンテナの実効高（同調時）は、以下の式①から概算できる。
実効高：Ｈ ＝（Ｑ * ２π * Ｔ * Ｓ * μe）／ λ （ｍ) ... 式①
ループアンテナから出力される受信電圧Ｒ(Ｖ)は、実効高Ｈ(ｍ)と、電界強度Ｅ(Ｖ／ｍ)の積なので、
受信電圧：Ｒ ＝ Ｈ * Ｅ （Ｖ）... 式②
電界強度：Ｅ(Ｖ／ｍ)は、ここで紹介した以下の式から概算（地表波が主なので若干違いあり）してみる。
Ｅ = ７ * (√Ｐｒ * √Ｇｒ) ／ ｄ (Ｖ／ｍ) ... 式③
各変数（使用したバーアンテナ、茨城放送：ＪＯＹＬの場合）を以下のように仮定する。
| 変数 | 内容 | 値 |
|---|
| Ｑ | コイルの品質係数 | 100.00 |
| ２π | 円周率の２倍 | 6.28 |
| Ｔ | コイルの巻き数 | 100.00 |
| Ｓ | フェライト棒の断面積（㎡） | 4.00E-5 |
| μe | フェライト棒の実効比透磁率 | 20.00 |
| λ | 送信波長（ｍ） | 205.76 |
| Ｐｒ | 送信電力（Ｗ） | 1000.00 |
| Ｇｒ | 送信アンテナ利得 | 1.00 |
ゲルマニウムダイオードが動作する最低限の受信電圧（受信限界）を、Ｒ＝１００（ｍＶ）とし、式①、式②、式③から、受信限界地点（屋外）と送信所との距離ｄ（ｍ）を概算してみると、
ｄ ＝ ５４０．４９（ｍ） となる。
実験の結果から、受信限界が４００～１２００（ｍ）付近にあるようなので、この値と概ね一致しそうである。
他の放送局（～半径１００ｋｍ程度：昼間）も、目的の送信所の送信電力（Ｗ）や距離（ｍ）などの情報を基に、十分なアンテナのサイズ（実効高）を求めておけば、無電源のゲルマラジオで中波放送を受信できるかもしれない。
【今後の実験】
その他の茨城放送の中波送信所は、水戸局（水戸市下国井町:1197 KHz/JOYF/5 KW）や県西中継局（筑西市辻:1458 KHz/1 KW）があり、また機会を見て、このゲルマラジオでの受信状況をレポートする予定である。
【謝辞】
今回の実験に際し、貴重な番組表（１９９１年１２月～）や、実際の受信音の提供など「きょうとＹＭ３９局」に感謝いたします。
【参考文献】
ぼくらの鉱石ラジオ（筑摩書房：小林健二 著）
ゲルマラジオ製作徹底ガイド（誠文堂新光社：初歩のラジオ編集部 編）
Lucky FM 茨城放送ＨＰ（株式会社 茨城放送）
【更新】
２０１９年 ３月１０日：Initial Release
２０１９年 ４月１９日：誤字、脱字の修正、図の追加など
２０２４年 ３月１６日：現在停波中の追加など
【ご注意】
本記事を利用して生じたトラブルに関しては、筆者は責任を負いかねますので、ご了承ください。