インピーダンス整合 — 完全ガイド

インピーダンスの不整合があると電力が信号源側へ反射し、効率が下がり、アンプを損傷するおそれもあります。反射係数 Γ = (Z_L − Z0) / (Z_L + Z0) が、反射されるエネルギーの量を決めます。VSWR 2:1 でも、送信電力の 11% 近くが無駄になります。

VSWR、リターンロス、|Γ| は、同じ不整合を 3 通りに表したものです。VSWR・リターンロス計算ツールを使えば、これらを即座に相互変換できます。リターンロス (dB) = −20·log10|Γ|。リターンロス 20 dB は VSWR 1.22:1 に相当します。

スミスチャートは、正規化インピーダンスを単位円上に表します。定抵抗円に沿って移動すると直列リアクタンスが加わり、定コンダクタンス円に沿って移動すると並列サセプタンスが加わります。スミスチャート計算ツールで信号源と負荷のインピーダンスをプロットし、回路トポロジーを決める前に整合の軌跡を確認しましょう。

L型回路は、2つのリアクタンス素子で、ある周波数においてインピーダンスを別のインピーダンスに変換します。必要な Q は Q = sqrt(R_high/R_low − 1) です。インピーダンス整合ツールは L型、π型、T型のトポロジーを解き、挿入損失を確認するための S パラメータファイルを書き出します。広帯域整合には、バラン・トランス計算ツールで帯域幅を評価することも検討してください。

整合回路を組んだら、VNA か方向性結合器でリターンロスを測定します。リターンロス誤差計算ツールは、結合器の方向性とポート整合の不確かさが測定にどう影響するかを定量化します。−20 dB より良いリターンロスをうたう場合には欠かせません。

数百 MHz を超えると、集中定数素子に代わって 1/4 波長の伝送線路やマイクロストリップのスタブが使われます。マイクロストリップインピーダンス計算ツールで目標の特性インピーダンスに合わせた線路幅を決め、同軸スタブには同軸インピーダンス計算ツールを使います。