入力インピーダンスの偶・奇特性

偶関数,奇関数

 入力インピーダンス\(Z_{in}\)の分母,分子を,\(s=j \omega\) に関する偶関数(even)\(m_i(s) = m_i(-s)\)と,奇関数(odd)\(n_i(s) = -n_i(-s) \ \ (i=1,2)\)で表すと, \begin{gather} Z_{in} = \frac{m_1(s) + n_1(s)}{m_2(s) + n_2(s)} \end{gather} ここで,偶関数\(m_i(s)\)は偶多項式で表され(\(n\)は整数), \begin{eqnarray} m_i(s) &=& a_{2n} s^{2n} + a_{2n-2} s^{2n-2} + \cdots + a_2 s^2 + a_0 \nonumber \\ &=& m_i(-s) \end{eqnarray} このとき, \begin{eqnarray} s^{2n} &=& (j\omega)^{2n} \nonumber \\ &=& (-1)^n s^{2n} \end{eqnarray} より,\(m_i(s)\)は実数.また,奇関数\(n_i(s)\)は奇多項式で表され(\(n\)は整数), \begin{eqnarray} n_i(s) &=& a_{2n-1} s^{2n-1} + a_{2n-3} s^{2n-3} + \cdots + a_3 s^3 + a_1 s \nonumber \\ &=& -n_i(-s) \end{eqnarray} このとき, \begin{eqnarray} s^{2n+1} &=& (j\omega)^{2n+1} \nonumber \\ &=& j(-1)^n s^{2n+1} \end{eqnarray} より,\(n_i(s)\)は純虚数となることがわかる.そこで,\(\bar{n}_1\),\(\bar{n}_2\)を実数とすると, \begin{gather} n_1 \equiv j \bar{n}_1, \ \ \ \ \ n_2 \equiv j \bar{n}_2 \end{gather} これより, \begin{eqnarray} Z_{in} &=& \frac{m_1 + n_1}{m_2 + n_2} \nonumber \\ &=& \frac{m_1 + j \bar{n}_1}{m_2 + j \bar{n}_2} \nonumber \\ &=& \frac{m_1 + j \bar{n}_1}{m_2 + j \bar{n}_2} \cdot \frac{m_2 - j \bar{n}_2}{m_2 - j \bar{n}_2} \nonumber \\ &=& \frac{(m_1 m_2 - \bar{n}_1 \bar{n}_2) + j (m_1 \bar{n}_2 + m_2 \bar{n}_1)}{m_2^2 + \bar{n}_2^2} \nonumber \\ &=& \frac{1}{Y_{in}} \end{eqnarray} 上式より,\(Z_{in}\)の分母は偶関数である.一方,分子の実部は, \begin{eqnarray} m_1(-s) m_2(-s) - \bar{n}_1(-s) \bar{n}_2(-s) &=& m_1(s) m_2(s) - \big( -\bar{n}_1(s) \big) \big( -\bar{n}_2(s) \big) \nonumber \\ &=& m_1(s) m_2(s) - \bar{n}_1(s)\bar{n}_2(s) \end{eqnarray} ゆえ偶関数である.同様にして,分子の虚部は, \begin{eqnarray} m_1(-s) \bar{n}_2(-s) + m_2(-s) \bar{n}_1(-s) &=& m_1(s) \big( -\bar{n}_2(s) \big) + m_2(s) \big( -\bar{n}_1(s) \big) \nonumber \\ &=& - \big( m_1(s) \bar{n}_2(s) + m_2(s) \bar{n}_1(s) \big) \end{eqnarray} ゆえ奇関数であることがわかる.したがって, \begin{eqnarray} Z_{in} &=& \Re Z_{in} + \Im Z_{in} \nonumber \\ &\equiv& \mbox{Ev} (Z_{in}) + \mbox{Odd}(Z_{in}) \end{eqnarray} ただし,\(\mbox{Ev}(Z_{in})\),\(\mbox{Odd}(Z_{in})\)は\(Z_{in}\)の偶関数,奇関数, \(\Re (Z_{in})\),\(\Im (Z_{in})\)は\(Z_{in}\)の実部,虚部を各々示す. 以上をまとめると,入力インピーダンス\(Z_{in}\)について,

  • \(Z_{in}\)の偶関数の項を表す\(\mbox{Ev}(Z_{in})\)は実数
  • \(Z_{in}\)の奇関数の項を表す\(\mbox{Odd}(Z_{in})\)は純虚数
  • 入力アドミタンス\(Y_{in}\)も同様である.

    無損失回路

     無損失回路では入力インピーダンスは純虚数,つまり\(\Re (Z_{in}) =0\)ゆえ, \begin{eqnarray} Z_{in} &=& \frac{m_1 + j \bar{n}_1}{m_2 + j \bar{n}_2} \nonumber \\ &=& j\frac{m_1 \bar{n}_2 + m_2 \bar{n}_1}{m_2^2 + \bar{n}_2^2} \nonumber \\ &=& \Im (Z_{in}) \nonumber \\ &=& \mbox{Odd}(Z_{in}) \nonumber \\ &=& \frac{1}{Y_{in}} \end{eqnarray} よって,無損失回路では入力インピーダンス\(Z_{in}\),入力アドミタンス\(Y_{in}\)は純虚数かつ奇関数である.