CM形電力計方向性結合器 VSWR測定容量結合誘導結合進行波電力反射波電力

無線工学 > １アマ > R04年08月期 > A-23
A-23	次の記述は、図に示すCM形方向性結合器の原理等について述べたものである。［　］内に入れるべき字句の組合せを下の番号から選べ。ただし、検出器の内部抵抗と終端抵抗の値は等しいものとし、静電容量をＣ、相互インダクタンスをＭとする。

(1)	無線機側から主線路に高周波電圧ｖ及び電流ｉを流すと、副線路には容量結合によって［Ａ］に比例した電流ｉ_cと、誘導結合によって［Ｂ］に比例した電流ｉ_mが流れる。
(2)	ｉ_cは検出器と終端抵抗に二分され、それぞれの流れる方向は逆方向となる。一方、誘導結合によって生じるｉ_mの流れる方向は、結合の方向により検出器側から終端抵抗側、又はその逆方向のいずれかの一方向となる。検出器に流れる電流を、ｉ_mと二分されたｉ_cの和となるように回路が構成されている場合、検出器において［Ｃ］電力を測定することができる。
(3)	次に、検出器と終端抵抗を入替え［Ｄ］電力を測定すれば、定在波比を算出することができる。

	Ａ	Ｂ	Ｃ	Ｄ
１	ｖ	ｉ	反射波	進行波
２	ｖ	ｉ	進行波	反射波
３	ｉ	ｖ	反射波	進行波
４	ｉ	ｖ	進行波	反射波

Fig.H3408A23a

　CM形電力計、というのは、CM形方向性結合器という（便利な）素子を応用した電力計で、進行波と反射波を分離して計測できるため、SWR計を組むことができるものです。まずはその「方向性結合器」というのは何なのか、という所から入って行きます。

［１］方向性結合器とは何か

　VSWRを測定する時、送信機からアンテナに向かう進行波と、不整合のためにアンテナから戻ってくる反射波を同時に測定しなければなりません。普通、商用電源の電線にテスターを当てても、進んで行く電力と戻ってくる電力を別々に測定できる、なんてことはありませんが、無線の周波数あたりになってくると、「ある方法」を使えば分離できるようになります。

Fig.HJ0601_a
方向性結合器の動作原理

　伝送線路中に挿入して、進行波と反射波にそれぞれ比例した出力を得る素子を、方向性結合器と言います。
　Fig.HJ0601_aにその概念図を示します。上に書いた「ある方法」というのが、この方向性結合器を使った方法です。
　進行波は、ポート１からポート２に向かって流れます。反射波はその逆です。進行波電力の一部がポート４に現れ、反射波電力の一部がポート３に現れます。
　伝送路１と伝送路２の間には、何らかの「結合部」があって、進行波や反射波の一部をそれぞれ取出す働きをします。

　このような素子が存在すれば、進行波電力Ｐ_fと反射波電力Ｐ_rからVSWR（ρとする）から、
　

でVSWRが求められます。
　ところで「そんな都合のいい素子、あるのか？」とお思いになると思いますが、それはこの後に書きます。

［２］CM形方向性結合器の動作原理

　CM形方向性結合器は、HFからVHF程度までの広い周波数範囲で使われている方向性結合器です。CMとは、容量性結合のＣと、誘導性結合（相互インダクタンス）のＭです。ＣだＭだといっても実際の動作原理を調べなければ良く分かりませんから、検出の原理的な所から話を進めましょう。

　Fig.HJ0601_bのように、主線路と言われるメインの電力が流れる伝送線路と、そこに容量性結合（Ｃ結合）と誘導性結合（Ｍ結合）している副線路があります。ここでは進行波がポート１に入り、ポート２に出て行くものとします。主線路と副線路がＣとＭの双方で結合しているのがポイントです。
　副線路にＣ結合で誘導した電圧は、線路のインピーダンスに応じた電流となって、ポート３方向に流れるものとポート４方向に流れるものに分かれます。
　一方、Ｍ結合で誘導した電流は、ポート４からポート３方向（回路によってはその逆）の、片方向にのみ流れます。

Fig.HJ0601_b
CM形方向性結合器

　通常の使い方では、ポート３もポート４も、副線路の特性インピーダンスで整合を取ります。これらのポートで反射が起こらないようにするためです。Fig.HJ0601_bのように、ポート３では、Ｃ成分とＭ成分が足し合わされ、ポート４ではＣ成分とＭ成分の差分が出力されます。結合の調整などにより、ＣとＭの大きさが等しくなるようにしてやれば、ポート４は減算なので、出力はゼロになります。
　このような状態の下で、ポート３に電力計、ポート４に整合終端を接続してやれば、電力計には進行波電力に比例した電力が得られます。
　反射波を測定する時には、逆にポート４に電力計、ポート３に整合終端を切替えてやれば測ることができます。両方同時に測れれば、リアルタイムで(1)式に示したVSWRが測定できます（これを使ったのがクロスメータ）。
　HFからVHFで使われているCM形方向性結合器は、結合にコンデンサやコイル（トランス）を使ったものになります。以下、もう少し細かく見て行きます。

Fig.HJ0601_c
VHF程度までの方向性結合器

　Fig.0601_cの左にディスクリート部品（集中定数）で組んだCM形方向性結合器の原理図、右に実際の応用を示します。
　原理図で、進行波は左から右に、反射波は右から左に流れるものとします。こうすると、図の真ん中にあるトランスに、進行波に比例した電流Ⅰ_mF、反射波に比例した電流Ⅰ_mRがそれぞれ重なって生じます。また、トランスの両側にあるコンデンサからはそれぞれ電流Ⅰ_c1（負荷側）と電流Ⅰ_c2（送信機側）が流れます。
　ここで、簡単のため、VSWR=1で反射波がない（Ｉ_mR＝0）とすると、進行波のみに着目（紫色の矢印）して、

　つまり、Ⅰ_c2＝Ｉ_mFとなるように部品定数を選べば、(3)式はゼロになるので、副線路の送信機側の端子には進行波（電力の平方根）に比例した電圧が出てくるとともに、副線路の負荷側の端子には電圧が出ません。
　また、この回路は進行波に対しても反射波に対しても対称の形をしているので、ここまで書いたことは、反射波にも成り立っています。すなわち、この図でいうと進行波（電力の平方根）に比例した電圧が副線路の送信機側に、反射波（電力の平方根）に比例した電圧が副線路の負荷側に、それぞれ出てくることになります。
　これを実際の回路に応用したのがFig.HJ0601_c右の回路で、トロイダルコアに巻いたトランスの両側にそれぞれ進行波の検波回路、反射波の検波回路を設け、電流計につなげば、クロスメータの出来上がり、というわけです。

［３］導波管の方向性結合器

　上記で書いたものは、集中定数の回路ですからマイクロ波では通常、使えません。マイクロ波でVSWRを測定するには、以下のような方向性結合器を使用します（マイクロ波帯では、この他にも様々な方向性結合器があります）。

　Fig.HJ0601_dが導波管を用いた方向性結合器です。構造は簡単で、ポートＡが送信機側でポートＢが負荷側です。これにもう一本の導波管が「くっついて」おり、側面に２箇所穴が開いています。この穴の間隔は、管内波長の1/4となるようになっています。
　このように作ると、ポートＤにのみ進行波に比例した電力が現れ、ポートＣには進行波は出てきません。
　反射波がある場合は、ポートＣにのみ反射波に比例した電力が現れ、ポートＤには反射波は何も出てきません。

Fig.HJ0601_d
マイクロ波用の方向性結合器

　ここでもまた、進行波に着目してみます。
　ポートＡから２つの穴を抜けてポートＤに至る２本の経路１と経路２は、その経路差がありません。経路差がありませんから弱めあうこともなく、ポートＤに到達します。
　ポートＡから２つの穴を抜けてポートＣに至る２本の経路３と経路４は、経路２の方がＵターンしている部分で、片道λ/4の２倍のλ/2の経路差を持ちます。経路差がλ/2であるということは、半周期ずれた正弦波の合成になるので、経路３と経路４の電波の強さが同じであれば、打ち消しあって何も出てこないことになります。
　このようにして、マイクロ波でも方向性結合器を構成することができて、VSWRが計測できます。しかしながら、この方法は、穴の間隔が関内波長の1/4に合う周波数でしか、方向性結合器として動作しないので、狭帯域です。マイクロ波では、他にも広帯域で動作する方向性結合器が、開発されています。

それでは、解答に移ります。

Ａ…	容量性結合で副線路に誘導する電流は電圧ｖに比例した電流になります
Ｂ…	誘導性結合で副線路に誘導する電流は、主線路の電流ｉに比例したものになります
Ｃ…	題意のように回路を構成して得られるのは進行波に比例した成分です
Ｄ…	検出器と終端抵抗を入替えれば反射波に比例した成分が測定できます

となりますから、正解は２と分かります。