ケーブルのインピーダンスに関する質問

質問

ケーブルのインピーダンスマッチングをとるために、
例えば25Ωの回路に対して25Ωの抵抗器を直列に繋ぎ、50Ωとし、マッチングを行うということは一般的に知られていますが、もし回路がインピーダンスが100Ωでこれを50Ωに下げたい場合にはどうすれば良いのでしょうか？

これは最近知ったことなのですが、ケーブルには最大可能上限周波数が決まっているようなのですが、もしこれを超えて使用するとどうなるのでしょうか？私の見た本ではSMAやBNCなどについては載っていたのですが、
http://www.suzuden.co.jp/shops/sh/uboncable/uboncable.htmlこういった普通のシールドケーブルはどれくらいが最大可能上限周波数なのでしょうか？

何卒よろしくお願い致します。

回答No.4

candle2007 · ベストアンサー

>他の方もお書きですが、抵抗でマッチングを取るのは一般的ではありません。減衰してしまいます。
専門家の間で笑い話としては一般的ですが。

そんなことはありません。
抵抗器を使ったマッチングパッドは極めて広帯域の特性が得られるので、測定系では多用されています。
http://www.stack-elec.co.jp/products/accessories/matching_pad/matching_pad.html

PD225は5.72dBの減衰を持ちますが、DC-2GHzと広帯域です。
（回路図pdfをクリックすると回路定数が見られます）
PD057は減衰量を6dBというキリのよい値に設定したもので、f特はちょっと悪くなっています。
PD022はトランスによるもので、低域がカットされています。

なお、5.72dBはどちらから見ても5.72dBです。
これは50Ω系と75Ω系で[0dBm]の電圧値に1.75dBの差があるためです。
抵抗器を使ったマッチングパッドの詳細計算式については、こちらをご参照ください。
http://gate.ruru.ne.jp/rfdn/Tools/ImpAttForm.asp#p2

マイクロストリップラインを使うと自由なインピーダンスマッチングが行えます。
http://www.mwave-lab.jp/matching_pad.htm
スミスチャートを使った設計法が出ています。
[HOME]（左下）から「マイクロストリップライン型インピーダンス変換器」に入って見て下さい。

抵抗器を使ったマッチングパッドは、小電力にしか使えません。
電力を扱うとなると、トランス形式をとらざるを得ません。
（マイクロストリップラインは数十Ｗ程度までは使える）

トランス形式は大電力が扱えますが、値が飛び飛びになります。
http://www.ddd-daishin.co.jp/db.htm
　50Ω：110Ω　2:3の巻数比
　50Ω：200Ω　1:2の　〃
　50Ω：450Ω　1:3の　〃
　50Ω：600Ω　1:4の　〃　(正確には700Ωであるが、SWR 1.2であり殆ど問題ない)

トランス形式の低域は「インダクタンス」によって決まります。
そのため、トロイダル・コアなどを使ってなるべくインダクタンスを稼ぎます。
高域は、「巻線長が、波長の1/4λになるところが限界」です。
したがって、広帯域にするためには、「コアでインダクタンスを稼ぎ、且つ、なるべく短い巻線長に収める」ことが必須となります。
結合度を密にするため、バイファイラ、トリファイラ巻きを行います。
平衡、不平衡は巻き線の組み合わせで決めます。（対称に巻けば平衡）

広帯域トランスの製作については、山村英穂著「トロイダル・コア活用百科」のP69[伝送線路トランス]に詳しい解説があります。
この本は、高周波トランス製作のバイブルとも言われているものです。
是非ご一読をおすすめします。

回答No.5

ruto

簡単な整合回路としてLC回路の計算例を示すと。
100Ωに並列にXC＝100Ωを接続するとその合成インピーダンスZrcは
Zrc＝50-j50Ωになる、このZrcに直列にXL＝50Ωを繋ぐとZ＝50Ωになり、ケーブルと整合がとれる。

回答No.3

tadys

マッチング回路にはいろいろな種類がありますが
大きな分類としては
・ロスがあっても良いものとロスがあっては悪いもの
・帯域が広いものと狭いもの
・直流を含むものと含まないもの
・信号側あるいは負荷側の片方がマッチングしていれば良いものと両方のマッチングが必要なもの
等があります。
質問の「25Ωを直列」の場合は、ロスがあっても良い、帯域が広い（直流を含む）片側がマッチングしていれば良い、
の場合に相当します。
同じ条件でよければ、100Ωを50Ωに下げるのであれば100Ωを並列に接続すれば良いです。
25Ωの場合で信号側、負荷側両方でマッチングさせるには35.4Ωを並列に入れた後35.4Ωを直列にすれば良いです。

ロスがあっても良くて広帯域にしたい場合は抵抗を使ったマッチング回路を使用することがあります。
ロスなしのマッチング回路を作る場合には抵抗は使えません。
（ロスなしといっても完全にロスの無いものは実際上は出来ませんが）
そのため、直流を含むロスなしのマッチング回路は作れません。
帯域が狭い場合にはLCを使ったものや伝送線路を使ったものが使用できます。
帯域が広い場合にはトランスを使ったものを使用します。

シールドケーブルの上限周波数はメーカーが保証してくれませんしロットが変わったら変化するかもしれません。
特性インピーダンスが不明の線路を使用する場合はミスマッチの影響が大きくない範囲で使用することになります。
マッチングが取れていない線路が使用可能なのはおよそ信号の波長の10～1/20以下の長さと考えていればいいでしょう。
その場合には線路を単純なL、Cに置き換えて考えれば良いです。

回答No.2

take0_0

他の方もお書きですが、抵抗でマッチングを取るのは一般的ではありません。減衰してしまいます。
専門家の間で笑い話としては一般的ですが。

基本的にはNo.1の方が書かれている通りです。
例えばLCの場合、インピーダンスを下げるならシャントにＣを入れて下げ、その後に適当なＬＣでマッチングを取ります。
低いなら、シリーズにＬを入れて上げてから。
必ず純抵抗なわけではないので、ケースバイケースですが。
本当に純抵抗に近く、マイクロ波くらいの周波数なら、λ/4の線路でインピーダンス変換することも多いです。

ケーブルの上限周波数は、２つの意味があります。
普通にカットオフ周波数といった場合は、TEMモードで伝搬する限界周波数を指します。これは太さ（正確には、内部導体と外部導体の径）で決まります。細いほど高い周波数で使えます。
もうひとつは減衰量で、細ければ減衰も大きくなるので兼ね合いで決めます。この辺の制限を伸ばす材質とか構造に各ケーブルメーカーのノウハウがあるわけです。

シールドケーブルは高周波特性が管理されていないので、そもそも使えません。が、仮に一様だと仮定すれば上限周波数自体は簡単に計算できます。

参考URL：

http://www.cqpub.co.jp/toragi/TRBN/contents/2004/tr0410/0410sp5.pdf

回答No.1

tance

抵抗を使ってインピーダンスマッチングをとることはほとんど行われ
ません。インピーダンスマッチングのためには普通はコイルとコンデンサ
をつかいます。もしくは、トランス、伝送線路トランスを使うことも
あります。トランジスタなどの能動デバイスを使うこともあります。

100Ωのインピーダンスを50Ωに下げたいときは、一定の周波数なら
LCの組み合わせでマッチングをとります。広帯域の場合はトランスが
良いでしょう。トランスが使えないほど広帯域だと、何らかの能動
デバイスで帰還を併用したりします。

普通のシールドケーブルは同軸ケーブルとは違います。特性インピー
ダンスは定義しにくいでしょう。特に多芯のものはいくつものインピー
ダンスが存在し、おそらくどれも一定の値になるようには考慮されて
いないでしょうから、特性インピーダンスが問題になる回路では
使えないと思った方がよいです。

上限周波数は、ちゃんとした同軸ケーブルであれば、周波数に対する
伝送ロスやリターンロスの特性が明らかになっているはずです。
ところが、普通のシールド線ではこれらはほとんど仕様にありません。

また、どのような機器に使うかによっても、大幅に判断が変わって
きます。信号が大幅に減衰しても構わない用途か、高周波成分が
失われても構わない用途か、0.01%の振幅誤差が致命傷の用途か・・・
それによってどのくらいの周波数まで使えるかは大幅に変わります。

かと言って、用途や仕様がわかっても肝心のシールド線の特性が不明
では答えはでません。大雑把に言えば、インピーダンスマッチングが
重要な回路にはシールド線は使えないということと、シールド線では
10kHz以上の周波数の信号は注意が必要であり、MHzオーダーの信号では
たいていの場合使えないと思って良いでしょう。