第一級陸上無線技術士試験 無線工学B 過去問題 R4.7(1) B-5 R3.1(2) B-5 R1.7 B-5 H28.7 B-5

R4.7(1) B-5

次の記述は、無損失給電線上の定在波の測定により、アンテナの給電線インピーダンスを求める過程について述べたものである。\(\boxed{\phantom{1234}}\,\)内に入れるべき字句を下の番号から選べ。ただし、給電線の特性インピーダンスを\(\,Z_0\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とする。

  1. 給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点の電圧\(\,V\,\)及び電流\(\,I\,\)は、給電点の電圧を\(\,V_L\,[\mathrm{V}]\,\)、電流を\(\,I_L\,[\mathrm{A}]\,\)、位相定数を\(\,\beta\,[\mathrm{rad/m}]\,\)とすれば、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V&=&V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l\,[\mathrm{V}]\cdots\text{①} \\ I&=&I_L\cos\beta l+j(V_L/Z_0)\sin\beta l\,[\mathrm{A}]\cdots\text{②} \end{eqnarray} \] したがって、給電点のインピーダンスを\(\,Z_L\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とすると、給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点のインピーダンス\(\,Z\,\)は、式①と②から次式で表される。 \[ Z=V/I=\boxed{\quad\text{ア}\quad}\,[\mathrm{\Omega}]\cdots\text{③} \]
  2. 電圧定在波の最小値を\(\,V_{min}\,\)、電流定在波の最大値を\(\,I_{max}\,\)、入射波電圧を\(\,V_f\,[\mathrm{V}]\,\)、反射波電圧を\(\,V_r\,[\mathrm{V}]\,\)及び反射係数を\(\,\varGamma\,\)とすれば、\(V_{min}\,\)と\(\,I_{max}\,\)は、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&\boxed{\quad\text{イ}\quad}\,[\mathrm{V}]\cdots\text{④} \\ I_{max}&=&\boxed{\quad\text{ウ}\quad}\,[\mathrm{A}]\cdots\text{⑤} \end{eqnarray} \]
  3. 給電点からの電圧定在波の最小点までの距離\(\,l_{min}\,\)の点は、電流定在波の最大になる点でもあるから、この点のインピーダンス\(\,Z_{min}\,[\mathrm{\Omega}]\,\)は、\(Z_0\,\)と\(\,|\varGamma|\,\)を用いて、次式で表される。 \[ Z_{min}=(\boxed{\quad\text{エ}\quad})\times Z_0=Z_0/S\cdots\text{⑥} \] ここで、\(S\,\)は電圧定在波比である。
  4. 式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入した式と式⑥が等しくなるので、\(Z_L\,\)は、次式で表される。 \[ Z_L=\boxed{\quad\text{オ}\quad}\,[\mathrm{\Omega}] \] 上式から、\(S\,\)と\(\,l_{min}\,\)が分かれば、\(Z_L\,\)を求めることができる。
\[ \begin{array}{l c} 1&Z_0\left(\cfrac{Z_0+jZ_L\tan\beta l}{Z_L+jZ_0\tan\beta l}\right) \\ 2&|V_f|(1+|\varGamma|) \\ 3&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0} \\ 4&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|} \\ 5&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right) \\ 6&Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l}{Z_0+jZ_L\tan\beta l}\right) \\ 7&|V_f|(1-|\varGamma|) \\ 8&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{Z_0} \\ 9&\cfrac{1+|\varGamma|}{1-|\varGamma|} \\ 10&Z_0\left(\cfrac{S-j\tan\beta l_{min}}{1-jS\tan\beta l_{min}}\right) \end{array} \]

解法

式③に式①、②を代入して

\[ \begin{eqnarray} Z&=&\cfrac VI \\ &=&\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l} \\ &=&\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)Z_0}{(I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l)Z_0} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left\{\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}{(I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}\right\} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{\frac{V_L}{I_L}\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+j\frac{V_L}{I_L}\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left(\cfrac{Z_L\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+jZ_L\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l}{Z_0+jZ_L\tan\beta l}\right)\cdots\boxed{\quad\text{ア}\quad} \end{eqnarray} \]

反射係数\(\,\varGamma\,\)は、次式で表される。

\[ \varGamma=\cfrac{V_r}{V_f} \]

電圧定在波の最小値は、\(V_f-V_r\,\)で表されるので、

\[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&V_f-V_r \\ &=&|V_f|(1-\cfrac{V_r}{V_f}) \\ &=&|V_f|(1-|\varGamma|)\cdots\boxed{\quad\text{イ}\quad} \end{eqnarray} \]

電流定在波の最大値は、入射波電流を\(\,I_f\,[\mathrm{A}]\,\)、反射波電流を\(\,I_r\,[\mathrm{A}]\,\)とすれば、\(I_f+I_r\,\)で表されるが、\(I_f=V_f/Z_0\,\)、\(I_r=V_r/Z_0\,\)なので、

\[ \begin{eqnarray} I_{max}&=&\cfrac{V_f}{Z_0}+\cfrac{V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{V_f+V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+\frac{V_r}{V_f})}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}\cdots\boxed{\quad\text{ウ}\quad} \end{eqnarray} \]

(3)の題意より、給電点から距離\(\,l_{min}\,\)の点において電圧定在波は最小となり電流定在波は最大となる。このときのインピーダンスは、式③ですでに示されているが\(\,V_{min}/I_{max}\,\)となるので、

\[ \begin{eqnarray} Z_{min}&=&\cfrac{V_{min}}{I_{max}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{\frac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{|V_f|(1+|\varGamma|)}Z_0 \\ &=&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|}Z_0\cdots\boxed{\quad\text{エ}\quad} \end{eqnarray} \]

(4)の題意より、式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入したものと、式⑥が等しくなるので

\[ \begin{eqnarray} Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&\cfrac{Z_0}S \\ S\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&1 \\ S(Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min})&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L+jSZ_0\tan\beta l_{min}&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L-jZ_L\tan\beta l_{min}&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L(S-j\tan\beta l_{min})&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L&=&\cfrac{Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&\cfrac{Z_0(1-jS\tan\beta l_{min})}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right)\cdots\boxed{\quad\text{オ}\quad} \end{eqnarray} \]

答え…ア-6 イ-7 ウ-3 エ-4 オ-5

R3.1(2) B-5

次の記述は、無損失給電線上の定在波の測定により、アンテナの給電線インピーダンスを求める過程について述べたものである。\(\boxed{\phantom{1234}}\,\)内に入れるべき字句を下の番号から選べ。ただし、給電線の特性インピーダンスを\(\,Z_0\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とする。

  1. 給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点の電圧\(\,V\,\)及び電流\(\,I\,\)は、給電点の電圧を\(\,V_L\,[\mathrm{V}]\,\)、電流を\(\,I_L\,[\mathrm{A}]\,\)、位相定数を\(\,\beta\,[\mathrm{rad/m}]\,\)とすれば、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V&=&V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l\,[\mathrm{V}]\cdots\text{①} \\ I&=&I_L\cos\beta l+j(V_L/Z_0)\sin\beta l\,[\mathrm{A}]\cdots\text{②} \end{eqnarray} \] したがって、給電点のインピーダンスを\(\,Z_L\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とすると、給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点のインピーダンス\(\,Z\,\)は、式①と②から次式で表される。 \[ Z=V/I=\boxed{\quad\text{ア}\quad}\,[\mathrm{\Omega}]\cdots\text{③} \]
  2. 電圧定在波の最小値を\(\,V_{min}\,\)、電流定在波の最大値を\(\,I_{max}\,\)、入射波電圧を\(\,V_f\,[\mathrm{V}]\,\)、反射波電圧を\(\,V_r\,[\mathrm{V}]\,\)及び反射係数を\(\,\varGamma\,\)とすれば、\(V_{min}\,\)と\(\,I_{max}\,\)は、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&\boxed{\quad\text{イ}\quad}\,[\mathrm{V}]\cdots\text{④} \\ I_{max}&=&\boxed{\quad\text{ウ}\quad}\,[\mathrm{A}]\cdots\text{⑤} \end{eqnarray} \]
  3. 給電点からの電圧定在波の最小点までの距離\(\,l_{min}\,\)の点は、電流定在波の最大になる点でもあるから、この点のインピーダンス\(\,Z_{min}\,[\mathrm{\Omega}]\,\)は、\(Z_0\,\)と\(\,|\varGamma|\,\)を用いて、次式で表される。 \[ Z_{min}=(\boxed{\quad\text{エ}\quad})\times Z_0=Z_0/S\cdots\text{⑥} \] ここで、\(S\,\)は電圧定在波比である。
  4. 式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入した式と式⑥が等しくなるので、\(Z_L\,\)は、次式で表される。 \[ Z_L=\boxed{\quad\text{オ}\quad}\,[\mathrm{\Omega}] \] 上式から、\(S\,\)と\(\,l_{min}\,\)が分かれば、\(Z_L\,\)を求めることができる。
\[ \begin{array}{l c} 1&Z_0\left(\cfrac{Z_0+jZ_L\tan\beta l}{Z_L+jZ_0\tan\beta l}\right) \\ 2&|V_f|(1-|\varGamma|) \\ 3&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0} \\ 4&\cfrac{1+|\varGamma|}{1-|\varGamma|} \\ 5&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right) \\ 6&Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l}{Z_0+jZ_L\tan\beta l}\right) \\ 7&|V_f|(1+|\varGamma|) \\ 8&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{Z_0} \\ 9&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|} \\ 10&Z_0\left(\cfrac{S-j\tan\beta l_{min}}{1-jS\tan\beta l_{min}}\right) \end{array} \]

解法

式③に式①、②を代入して

\[ \begin{eqnarray} Z&=&\cfrac VI \\ &=&\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l} \\ &=&\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)Z_0}{(I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l)Z_0} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left\{\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}{(I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}\right\} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{\frac{V_L}{I_L}\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+j\frac{V_L}{I_L}\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left(\cfrac{Z_L\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+jZ_L\sin\beta l}\right)\cdots\boxed{\quad\text{ア}\quad} \end{eqnarray} \]

反射係数\(\,\varGamma\,\)は、次式で表される。

\[ \varGamma=\cfrac{V_r}{V_f} \]

電圧定在波の最小値は、\(V_f-V_r\,\)で表されるので、

\[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&V_f-V_r \\ &=&|V_f|(1-\cfrac{V_r}{V_f}) \\ &=&|V_f|(1-|\varGamma|)\cdots\boxed{\quad\text{イ}\quad} \end{eqnarray} \]

電流定在波の最大値は、入射波電流を\(\,I_f\,[\mathrm{A}]\,\)、反射波電流を\(\,I_r\,[\mathrm{A}]\,\)とすれば、\(I_f+I_r\,\)で表されるが、\(I_f=V_f/Z_0\,\)、\(I_r=V_r/Z_0\,\)なので、

\[ \begin{eqnarray} I_{max}&=&\cfrac{V_f}{Z_0}+\cfrac{V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{V_f+V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+\frac{V_r}{V_f})}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}\cdots\boxed{\quad\text{ウ}\quad} \end{eqnarray} \]

(3)の題意より、給電点から距離\(\,l_{min}\,\)の点において電圧定在波は最小となり電流定在波は最大となる。このときのインピーダンスは、式③ですでに示されているが\(\,V_{min}/I_{max}\,\)となるので、

\[ \begin{eqnarray} Z_{min}&=&\cfrac{V_{min}}{I_{max}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{\frac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{|V_f|(1+|\varGamma|)}Z_0 \\ &=&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|}Z_0\cdots\boxed{\quad\text{エ}\quad} \end{eqnarray} \]

(4)の題意より、式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入したものと、式⑥が等しくなるので

\[ \begin{eqnarray} Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&\cfrac{Z_0}S \\ S\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&1 \\ S(Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min})&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L+jSZ_0\tan\beta l_{min}&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L-jZ_L\tan\beta l_{min}&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L(S-j\tan\beta l_{min})&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L&=&\cfrac{Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&\cfrac{Z_0(1-jS\tan\beta l_{min})}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right)\cdots\boxed{\quad\text{オ}\quad} \end{eqnarray} \]

答え…ア-6 イ-2 ウ-3 エ-9 オ-5

R1.7 B-5

次の記述は、無損失給電線上の定在波の測定により、アンテナの給電線インピーダンスを求める過程について述べたものである。\(\boxed{\phantom{1234}}\,\)内に入れるべき字句を下の番号から選べ。ただし、給電線の特性インピーダンスを\(\,Z_0\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とする。

  1. 給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点の電圧\(\,V\,\)及び電流\(\,I\,\)は、給電点の電圧を\(\,V_L\,[\mathrm{V}]\,\)、電流を\(\,I_L\,[\mathrm{A}]\,\)、位相定数を\(\,\beta\,[\mathrm{rad/m}]\,\)とすれば、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V&=&V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l\,[\mathrm{V}]\cdots\text{①} \\ I&=&I_L\cos\beta l+j(V_L/Z_0)\sin\beta l\,[\mathrm{A}]\cdots\text{②} \end{eqnarray} \] したがって、給電点のインピーダンスを\(\,Z_L\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とすると、給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点のインピーダンス\(\,Z\,\)は、式①と②から次式で表される。 \[ Z=V/I=\boxed{\quad\text{ア}\quad}\,[\mathrm{\Omega}]\cdots\text{③} \]
  2. 電圧定在波の最小値を\(\,V_{min}\,\)、電流定在波の最大値を\(\,I_{max}\,\)、入射波電圧を\(\,V_f\,[\mathrm{V}]\,\)、反射波電圧を\(\,V_r\,[\mathrm{V}]\,\)及び反射係数を\(\,\varGamma\,\)とすれば、\(V_{min}\,\)と\(\,I_{max}\,\)は、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&\boxed{\quad\text{イ}\quad}\,[\mathrm{V}]\cdots\text{④} \\ I_{max}&=&\boxed{\quad\text{ウ}\quad}\,[\mathrm{A}]\cdots\text{⑤} \end{eqnarray} \]
  3. 給電点からの電圧定在波の最小点までの距離\(\,l_{min}\,\)の点は、電流定在波の最大になる点でもあるから、この点のインピーダンス\(\,Z_{min}\,[\mathrm{\Omega}]\,\)は、\(Z_0\,\)と\(\,|\varGamma|\,\)を用いて、次式で表される。 \[ Z_{min}=(\boxed{\quad\text{エ}\quad})\times Z_0=Z_0/S\cdots\text{⑥} \] ここで、\(S\,\)は電圧定在波比である。
  4. 式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入した式と式⑥が等しくなるので、\(Z_L\,\)は、次式で表される。 \[ Z_L=\boxed{\quad\text{オ}\quad}\,[\mathrm{\Omega}] \] 上式から、\(S\,\)と\(\,l_{min}\,\)が分かれば、\(Z_L\,\)を求めることができる。
\[ \begin{array}{l c} 1&Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l}{Z_0+jZ_L\tan\beta l}\right) \\ 2&|V_f|(1+|\varGamma|) \\ 3&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{Z_0} \\ 4&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|} \\ 5&Z_0\left(\cfrac{S-j\tan\beta l_{min}}{1-jS\tan\beta l_{min}}\right) \\ 6&Z_0\left(\cfrac{Z_0+jZ_L\tan\beta l}{Z_L+jZ_0\tan\beta l}\right) \\ 7&|V_f|(1-|\varGamma|) \\ 8&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0} \\ 9&\cfrac{1+|\varGamma|}{1-|\varGamma|} \\ 10&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right) \end{array} \]

解法

式③に式①、②を代入して

\[ \begin{eqnarray} Z&=&\cfrac VI \\ &=&\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l} \\ &=&\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)Z_0}{(I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l)Z_0} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left\{\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}{(I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}\right\} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{\frac{V_L}{I_L}\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+j\frac{V_L}{I_L}\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left(\cfrac{Z_L\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+jZ_L\sin\beta l}\right)\cdots\boxed{\quad\text{ア}\quad} \end{eqnarray} \]

反射係数\(\,\varGamma\,\)は、次式で表される。

\[ \varGamma=\cfrac{V_r}{V_f} \]

電圧定在波の最小値は、\(V_f-V_r\,\)で表されるので、

\[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&V_f-V_r \\ &=&|V_f|(1-\cfrac{V_r}{V_f}) \\ &=&|V_f|(1-|\varGamma|)\cdots\boxed{\quad\text{イ}\quad} \end{eqnarray} \]

電流定在波の最大値は、入射波電流を\(\,I_f\,[\mathrm{A}]\,\)、反射波電流を\(\,I_r\,[\mathrm{A}]\,\)とすれば、\(I_f+I_r\,\)で表されるが、\(I_f=V_f/Z_0\,\)、\(I_r=V_r/Z_0\,\)なので、

\[ \begin{eqnarray} I_{max}&=&\cfrac{V_f}{Z_0}+\cfrac{V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{V_f+V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+\frac{V_r}{V_f})}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}\cdots\boxed{\quad\text{ウ}\quad} \end{eqnarray} \]

(3)の題意より、給電点から距離\(\,l_{min}\,\)の点において電圧定在波は最小となり電流定在波は最大となる。このときのインピーダンスは、式③ですでに示されているが\(\,V_{min}/I_{max}\,\)となるので、

\[ \begin{eqnarray} Z_{min}&=&\cfrac{V_{min}}{I_{max}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{\frac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{|V_f|(1+|\varGamma|)}Z_0 \\ &=&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|}Z_0\cdots\boxed{\quad\text{エ}\quad} \end{eqnarray} \]

(4)の題意より、式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入したものと、式⑥が等しくなるので

\[ \begin{eqnarray} Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&\cfrac{Z_0}S \\ S\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&1 \\ S(Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min})&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L+jSZ_0\tan\beta l_{min}&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L-jZ_L\tan\beta l_{min}&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L(S-j\tan\beta l_{min})&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L&=&\cfrac{Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&\cfrac{Z_0(1-jS\tan\beta l_{min})}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right)\cdots\boxed{\quad\text{オ}\quad} \end{eqnarray} \]

答え…ア-1 イ-7 ウ-8 エ-4 オ-10

H28.7 B-5

次の記述は、無損失給電線上の定在波の測定により、アンテナの給電線インピーダンスを求める過程について述べたものである。\(\boxed{\phantom{1234}}\,\)内に入れるべき字句を下の番号から選べ。ただし、給電線の特性インピーダンスを\(\,Z_0\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とする。

  1. 給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点の電圧\(\,V\,\)及び電流\(\,I\,\)は、給電点の電圧を\(\,V_L\,[\mathrm{V}]\,\)、電流を\(\,I_L\,[\mathrm{A}]\,\)、位相定数を\(\,\beta\,[\mathrm{rad/m}]\,\)とすれば、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V&=&V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l\,[\mathrm{V}]\cdots\text{①} \\ I&=&I_L\cos\beta l+j(V_L/Z_0)\sin\beta l\,[\mathrm{A}]\cdots\text{②} \end{eqnarray} \] したがって、給電点のインピーダンスを\(\,Z_L\,[\mathrm{\Omega}]\,\)とすると、給電点から\(\,l\,[\mathrm{m}]\,\)だけ離れた給電線上の点のインピーダンス\(\,Z\,\)は、式①と②から次式で表される。 \[ Z=V/I=\boxed{\quad\text{ア}\quad}\,[\mathrm{\Omega}]\cdots\text{③} \]
  2. 電圧定在波の最小値を\(\,V_{min}\,\)、電流定在波の最大値を\(\,I_{max}\,\)、入射波電圧を\(\,V_f\,[\mathrm{V}]\,\)、反射波電圧を\(\,V_r\,[\mathrm{V}]\,\)及び反射係数を\(\,\varGamma\,\)とすれば、\(V_{min}\,\)と\(\,I_{max}\,\)は、次式で表される。 \[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&\boxed{\quad\text{イ}\quad}\,[\mathrm{V}]\cdots\text{④} \\ I_{max}&=&\boxed{\quad\text{ウ}\quad}\,[\mathrm{A}]\cdots\text{⑤} \end{eqnarray} \]
  3. 給電点からの電圧定在波の最小点までの距離\(\,l_{min}\,\)の点は、電流定在波の最大になる点でもあるから、この点のインピーダンス\(\,Z_{min}\,[\mathrm{\Omega}]\,\)は、\(Z_0\,\)と\(\,|\varGamma|\,\)を用いて、次式で表される。 \[ Z_{min}=(\boxed{\quad\text{エ}\quad})\times Z_0=Z_0/S\cdots\text{⑥} \] ここで、\(S\,\)は電圧定在波比である。
  4. 式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入した式と式⑥が等しくなるので、\(Z_L\,\)は、次式で表される。 \[ Z_L=\boxed{\quad\text{オ}\quad}\,[\mathrm{\Omega}] \] 上式から、\(S\,\)と\(\,l_{min}\,\)が分かれば、\(Z_L\,\)を求めることができる。
\[ \begin{array}{l c} 1&Z_0\left(\cfrac{Z_0+jZ_L\tan\beta l}{Z_L+jZ_0\tan\beta l}\right) \\ 2&|V_f|(1+|\varGamma|) \\ 3&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0} \\ 4&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|} \\ 5&Z_0\left(\cfrac{S-j\tan\beta l_{min}}{1-jS\tan\beta l_{min}}\right) \\ 6&Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l}{Z_0+jZ_L\tan\beta l}\right) \\ 7&|V_f|(1-|\varGamma|) \\ 4&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{Z_0} \\ 9&\cfrac{1+|\varGamma|}{1-|\varGamma|} \\ 10&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right) \end{array} \]

解法

式③に式①、②を代入して

\[ \begin{eqnarray} Z&=&\cfrac VI \\ &=&\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l} \\ &=&\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)Z_0}{(I_L\cos\beta l+j\frac{V_L}{Z_0}\sin\beta l)Z_0} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l}{I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left\{\cfrac{(V_L\cos\beta l+jZ_0I_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}{(I_LZ_0\cos\beta l+jV_L\sin\beta l)\frac1{I_L}}\right\} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{\frac{V_L}{I_L}\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+j\frac{V_L}{I_L}\sin\beta l}\right) \\ &=&Z_0\left(\cfrac{Z_L\cos\beta l+jZ_0\sin\beta l}{Z_0\cos\beta l+jZ_L\sin\beta l}\right)\cdots\boxed{\quad\text{ア}\quad} \end{eqnarray} \]

反射係数\(\,\varGamma\,\)は、次式で表される。

\[ \varGamma=\cfrac{V_r}{V_f} \]

電圧定在波の最小値は、\(V_f-V_r\,\)で表されるので、

\[ \begin{eqnarray} V_{min}&=&V_f-V_r \\ &=&|V_f|(1-\cfrac{V_r}{V_f}) \\ &=&|V_f|(1-|\varGamma|)\cdots\boxed{\quad\text{イ}\quad} \end{eqnarray} \]

電流定在波の最大値は、入射波電流を\(\,I_f\,[\mathrm{A}]\,\)、反射波電流を\(\,I_r\,[\mathrm{A}]\,\)とすれば、\(I_f+I_r\,\)で表されるが、\(I_f=V_f/Z_0\,\)、\(I_r=V_r/Z_0\,\)なので、

\[ \begin{eqnarray} I_{max}&=&\cfrac{V_f}{Z_0}+\cfrac{V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{V_f+V_r}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+\frac{V_r}{V_f})}{Z_0} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}\cdots\boxed{\quad\text{ウ}\quad} \end{eqnarray} \]

(3)の題意より、給電点から距離\(\,l_{min}\,\)の点において電圧定在波は最小となり電流定在波は最大となる。このときのインピーダンスは、式③ですでに示されているが\(\,V_{min}/I_{max}\,\)となるので、

\[ \begin{eqnarray} Z_{min}&=&\cfrac{V_{min}}{I_{max}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{\frac{|V_f|(1+|\varGamma|)}{Z_0}} \\ &=&\cfrac{|V_f|(1-|\varGamma|)}{|V_f|(1+|\varGamma|)}Z_0 \\ &=&\cfrac{1-|\varGamma|}{1+|\varGamma|}Z_0\cdots\boxed{\quad\text{エ}\quad} \end{eqnarray} \]

(4)の題意より、式③の\(\,l\,\)に\(\,l_{min}\,\)を代入したものと、式⑥が等しくなるので

\[ \begin{eqnarray} Z_0\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&\cfrac{Z_0}S \\ S\left(\cfrac{Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min}}{Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min}}\right)&=&1 \\ S(Z_L+jZ_0\tan\beta l_{min})&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L+jSZ_0\tan\beta l_{min}&=&Z_0+jZ_L\tan\beta l_{min} \\ SZ_L-jZ_L\tan\beta l_{min}&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L(S-j\tan\beta l_{min})&=&Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min} \\ Z_L&=&\cfrac{Z_0-jSZ_0\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&\cfrac{Z_0(1-jS\tan\beta l_{min})}{S-j\tan\beta l_{min}} \\ &=&Z_0\left(\cfrac{1-jS\tan\beta l_{min}}{S-j\tan\beta l_{min}}\right)\cdots\boxed{\quad\text{オ}\quad} \end{eqnarray} \]

答え…ア-6 イ-7 ウ-3 エ-4 オ-10