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インピーダンスと整合 いんぴーだんす

4アマ 3アマ 三陸特 二陸特 一陸技

交流に対する流れにくさを抵抗 R とリアクタンス X を合わせて表した量 Z〔Ω〕。送信機・給電線・アンテナのインピーダンスをそろえることを整合といい、そろっていないと反射が起きて電力が無駄になる。

試験ではここ

4アマで「半波長ダイポールの給電点インピーダンスはほぼ幾ら」（75〔Ω〕）。3アマで「整合がとれていないと起こる現象」（反射波・定在波で損失増）、「整合がとれているときの SWR」（1）、「ダイポールと同軸の整合器」（バラン）。同軸の特性インピーダンスは 50〔Ω〕か 75〔Ω〕で、長さには関係しない。

直流では流れにくさは抵抗だけですが、交流ではコイルやコンデンサのリアクタンスも電流を妨げます。両方を合わせた「交流に対する抵抗」がインピーダンスで、単位は同じ〔Ω〕です。抵抗とリアクタンスは位相が 90 度ずれているので、単純に足さず直角三角形の斜辺として合成します。

インピーダンスの大きさ
Z = \sqrt{R^2 + X^2} \qquad X = X_L - X_C

R は抵抗、X はリアクタンス（コイル分 XL からコンデンサ分 XC を引く）。共振すると X＝0 で Z＝R

インピーダンス Z＝√(R²＋X²)
R と X は直角、Z は斜辺。R＝30、X＝40 なら Z＝50〔Ω〕

たとえば R＝30〔Ω〕、X＝40〔Ω〕なら Z＝√(30²＋40²)＝√2500＝50〔Ω〕です。R＝30 と X＝40 を足して 70 にはなりません。共振して X が 0 になれば Z は R だけになり、これが共振回路で「直列共振は Z 最小」と言っていることの中身です。

整合＝インピーダンスをそろえて電力を無駄なく渡す

整合と不整合
整合がとれていれば電力は全部アンテナへ。不整合だと一部が反射して戻る

送信機の出力インピーダンス、給電線の特性インピーダンス、アンテナの給電点インピーダンスが等しいとき、電力は反射せずに全部アンテナへ渡ります。これが整合で、最大電力が伝わる条件です。どこかで値が食い違うと、その境目で電力の一部が跳ね返り（反射波）、進行波と重なって給電線上に定在波が立ちます。

覚えておく代表的な値

覚えておくインピーダンスの値
36・73・300・50/75〔Ω〕。アンテナの形と値を対で覚える

典型問題の解き方（整合がとれていないときに起こる現象）

3アマ オリジナル No.3 問28。アンテナと給電線の整合がとれていないと

  1. 境目で反射が起こる アンテナの給電点インピーダンスと給電線の特性インピーダンスが違うと、電力の一部がアンテナで反射して送信機側へ戻る
  2. 定在波が立つ 進行波と反射波が重なって給電線上に電圧の山と谷ができ、SWR が 1 より大きくなる
  3. 結果 給電線の損失が増え、放射される電力が減り、送信機の終段にも負担がかかる。これが正答
  4. 誤りの肢 「指向性が鋭くなる」「発振周波数が変動する」「SWR が 1 に近づく」は整合の良否と無関係か、向きが逆

整合がとれているかは SWR メータで確かめます。整合が完全なら反射波がなく SWR＝1、不整合が大きいほど 1 から離れます。反射係数との関係や測り方は定在波比（SWR）で扱います。

平衡と不平衡の整合はバラン

半波長ダイポールは左右対称の平衡形アンテナ、同軸ケーブルは外部導体を接地する不平衡形の給電線です。直結すると同軸の外皮に電流が流れて指向性が乱れるので、間にバラン（平衡・不平衡変換器）を入れます。3アマ CBT例題 No.3 問27 の「ダイポールと同軸の整合器」の正答がバランです。分配器や SWR メータは整合をとる器具ではありません。

平衡と不平衡はバランでつなぐ
平衡形のダイポールと不平衡形の同軸はバランでつなぐ
ひっかけ

「同軸ケーブルの特性インピーダンスは長さに比例して大きくなる」は誤りです。長さで増えるのは損失（減衰量）で、特性インピーダンスは太さの比と絶縁物で決まります。ダイポールの給電点を 50〔Ω〕とする肢も誤りで、約 73〔Ω〕（ほぼ 75〔Ω〕）です。

上部の看板「整合がとれると反射ゼロ、SWR＝1
整合がとれると反射ゼロ、SWR＝1

この用語を押さえる問題

4アマ ・ 日本無線協会 CBT例題 無線工学 No.2 問21

図に示す半波長ダイポールアンテナの給電点インピーダンスは、ほぼ幾らか。

正答: 75〔Ω〕

半波長ダイポールアンテナは中央で給電すると電流が最大となり、給電点インピーダンスは理論上約 73〔Ω〕、実用上ほぼ 75〔Ω〕の純抵抗になる。そのため 75〔Ω〕の同軸ケーブルで整合よく給電できる。

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3アマ ・ ブートラボ オリジナル問題 無線工学 No.3 問28

アンテナと給電線の整合がとれていないときに起こる現象として、正しいのは次のうちどれか。

正答: 給電線上に反射波が生じて定在波が立ち、給電線の損失が増える。

正しい。アンテナの給電点インピーダンスと給電線の特性インピーダンスが異なると、電力の一部がアンテナで反射して送信機側へ戻る。進行波と反射波が重なって定在波が生じ、SWR が大きくなって給電線の損失が増え、送信機の終段にも負担がかかる。

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3アマ ・ 日本無線協会 CBT例題 無線工学 No.3 問27

半波長ダイポールアンテナと同軸給電線を接続するときの整合器として、一般に用いられるものは次のどれか。

正答: バラン

半波長ダイポールは平衡形アンテナ、同軸ケーブルは不平衡形給電線なので、平衡・不平衡を変換するバランを介して接続する。直結すると同軸外皮に電流が流れて指向性が乱れる。

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3アマ ・ ブートラボ オリジナル問題 無線工学 No.1 問28

同軸ケーブル（同軸給電線）についての記述で、誤っているのは次のうちどれか。

正答: 特性インピーダンスは、ケーブルの長さに比例して大きくなる。

誤った記述。特性インピーダンスは内部導体と外部導体の寸法比や絶縁物の誘電率で決まり、ケーブルの長さには関係しない。長さに比例して増えるのは損失（減衰量）である。

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問われた問題 37

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