高周波回路とは？特徴や低周波回路との違いをわかりやすく解説！

インピーダンスマッチングとは

インピーダンスとは交流信号に対する電圧と電流の比を示す量であり、直流における抵抗を高周波領域まで拡張した概念です。送信側と受信側のインピーダンスを一致させることで、信号が反射することなく負荷側へと電力を最大限伝送できます。この状態をインピーダンスマッチング、またはインピーダンス整合と呼び、通信品質や伝送効率を確保するための基本となっています。

インピーダンスマッチングの方法>

抵抗を用いる方法は、回路を直列または並列に接続して等価インピーダンスを整えるもので、構成が簡単で広い周波数帯域に渡って安定した整合が得られます。ただし、信号エネルギーの一部を抵抗で熱として消費してしまうため、送信電力が小さい用途や測定環境で用いられることが一般的です。

インダクタとコンデンサを組み合わせる方法では、共振特性を利用して特定の周波数でインピーダンスを整えます。例えば、L型やπ型、T型と呼ばれる構成があり、アンテナやRFフロントエンドでよく用いられます。損失が小さく高効率な整合が可能ですが、設計した共振周波数から外れると整合が崩れるため、狭い周波数範囲に限定されます。

トランスを利用する方法は、巻数比を変えることでインピーダンス比を電磁誘導により変換します。RFトランスやバランは受信機の増幅段などで広い周波数帯の整合に用いられます。低損失で信号の振幅を変えずに整合できる利点があるものの、巻線構造やコア材に起因する周波数特性の制約があり、適用できるインピーダンス範囲にも限りがあります。

用途や必要な帯域幅、許容損失に応じて、これらの方法を単独または組み合わせて選択します。

インピーダンスマッチングが無い場合の問題点

整合が取れていない場合、負荷側で消費されなかった電力が反射波として送信側に戻ります。反射波と進行波が干渉すると伝送線路上の位置によって電圧が極端に高くなったり低くなったりする定在波が発生します。その結果、電力伝送効率の低下や回路素子への過大電圧、さらには不要な電磁放射の増加によるノイズ干渉などが生じ、通信性能と信頼性を大きく損ないます。高周波回路では、この反射と定在波を抑制するために適切なインピーダンスマッチングを設計段階から確保することが重要です。