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ネットワークアナライザ

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  1. ネットワークアナライザとは
  2. スペアナとネットアナの違い
  3. ベクトルネットワークアナライザの簡単な仕組み
  4. Sパラメータについて
  5. 機種選定の際の仕様について
  6. 校正(キャリブレーション)について
  7. 同軸コネクタについて
  8. その他

 

 

1.ネットワークアナライザとは

ネットワークアナライザは回路や材料の高周波特性を測定する計測器として欠かせないものになっています。

ここでいうネットワークとは回路網のことになります。

 

ネットワークアナライザ(ネットアナと略します)には、スカラネットアナとベクトルネットアナがありますが最近ではネットアナといえばベクトルネットアナ(VNA)を指すことが多いようです。

 

スカラネットアナは振幅の測定によって周波数特性を測定するもので、ベクトルネットアナは、振幅に加えて位相の測定も可能になっています。

また高周波測定器にスペクトラムアナライザがありますが、こちらは受信部のみの測定器で(トラッキングジェネレータ内蔵モデルあり)縦軸は絶対値を測定するものですが、VNAは受信部と信号源が一体となった測定器で、縦軸は基準信号と測定信号との相対値での測定となります。

 



2.スペクトラムアナライザとネットワークアナライザの主な違い

 

  スペクトラムアナライザ スペクトラムアナライザ(TG付) ベクトルネットワークアナライザ
パラメータ 測定対象の振幅 DUTを通過した信号の振幅 複数個所の信号の振幅と位相差
信号源
絶対値 絶対値 相対値

*TG = トラッキングジェネレータ スペアナの掃引周波数と同じ周波数の信号を出力します。

 

VNAはフィルタやアンプ、ミキサー、マルチポートモジュールなどのパッシブコンポーネントやアクティブコンポーネントの解析に最適です。

このコラムではベクトルネットアナ(VNAと略します)について簡単なしくみ、仕様や用途、注意点等を述させていただきます。

 

 

 

 

 

 

3.VNAの簡単なしくみ

VNA内部信号源は周波数掃引(スイープ)され、一方が内蔵の基準レシーバに保存され、同時にもう一方がDUT(被測定物)への信号として出力されます。

その反射信号、伝送信号を測定します。

伝送(通過)信号からそのDUTの通過減衰量を知ることができ、反射信号からインピーダンス特性を知ることができます。

 

 

 

一例としまして(次の図参照)

内蔵SGから設定した周波数範囲で正弦波がPort1から出力されます(同時にPort1側の基準レシーバに保存)

その信号がDUTを通ってPort2に入力されます。

Port2に入力された値と保存されているPort1側の基準レシーバの値とを比較します。

その比を測定結果として表示します。

 

詳細は後述のSパラメータの項で説明いたします。

 

 

 

 

 

4.Sパラメータについて

前述で出てきましたS11やS12といった、Sパラメータ(Scattering parameter)はDUT(Device Under Test)の入出力特性-伝送及び反射特性-を表すパラメータです。

回路の特性を評価する場合、一般的(低周波の場合)には電圧や電流を測定します。

ところが高周波の場合、寄生容量やインダクタンスの影響があるため、電圧や電流を正しく測定することはできません。

でも電力だと簡単に測定できるので電力であらわせば便利という事です。

 

Sパラメータは回路に入っていく電力と回路から出て行く電力の関係を表したものです。

 

Sパラメータを表現するために必要となる入射波と反射(又は伝送)波が振幅と位相の情報を持っているため、S パラメータも振幅と位相の情報を持っています。

このコラムは入門的なものになっていますのでこれ以上のSパラメータの説明は他の参考書等におまかせしたいと思います。

 

下図のように2つのポートを持つVNAの場合、Port1側の反射パラメータがS11で、Port2側の反射パラメータがS22になります。

Port1からPport2への伝送パラメータが S21で、Port2 から Port1 への伝送パラメータが S12 になります。

 

 

ネットワークアナライザのブロック図

 

 

S11 :ポート1からDUTに入射した信号の一部がポート1へ反射される信号の比

S11=b1/a1 

 

S21 :ポート1からDUTに入射した信号がポート2へ伝送される信号の比

S21=b2/a1 

 

S12 :ポート2からDUTに入射した信号がポート1へ伝送される信号の比

S12=b1/a2 

 

S22 :ポート2からDUTに入射した信号の一部がポート2へ反射される信号の比

S22=b2/a2

 

 

これらSパラメータで何がわかるかといいますと、

反射のSパラメータ(S11,S22)からはリターンロス、VSWR(定在波比)、複素インピーダンスが評価できます。

伝送のSパラメータ(S21,S12)からは伝送損失、挿入位相、群遅延が評価できます。

 

リターンロス:信号の反射量の大きさを表します。

VSWR(定在波比)反射の大きさを振幅比で表したものです。反射が0の時は「1」全反射は「∞」となります。

複素インピーダンス:交流回路における位相も変える特殊な抵抗のようなもの。抵抗性・誘導性・容量性で構成されます

伝送損失:信号の通過減衰量を表します。

挿入位相:入力信号と伝送信号の位相差です。

群遅延:信号がDUTを通過する時間です。

 

VSWR 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0
ロス(%) 0 0.2 0.8 1.7 2.8 4 5.3 6.7 8.2 9.6 11.1
効率(%) 100 99.8 99.2 98.3 97.2 96 94.7 93.3 91.8 90.4 88.9

 

 

 

 

 

 

5.機種選定時の仕様について

それではVNAを使用・選択するうえで重要な仕様について順次説明させていただきます。

 

カタログでよく出てくるVNAの仕様例

 

ポート数:2ポート

測定周波数レンジ(範囲):5KHz-6GHz

ダイナミックレンジ:120dB

出力パワー:0dBm

測定ポイント:1-100001

測定スピード:20mS(401ポイント IFBW 100kHz時)

 

 

【測定ポート数】につきましては、よく使われているのは2ポートや4ポートになりますが、20ポートを超えるものまであります。

たとえば、アンテナの測定では1ポートで測定可能な場合もありますし、フィルタの測定であれば入出力の2ポートで測定が可能です。

複数のDUTを一度に測定する場合や、携帯電話や無線LANのモジュールのように複雑・高機能のものを測定するには4ポートやそれ以上のポート数を必要とする場合もあります。

また、据え置き型だけではなく、ポータブルタイプのものや、USB接続等でPCと連携し小型軽量のVNAもあります。

 

【測定周波数範囲】の確認について、これも他の高周波用測定器と同様に、下限周波数、上限周波数の確認が必要ですね。

当然のことながらこの周波数範囲以外の物は測定出来ません。

メーカーやモデルによって最高周波数は数10GHzからTHzのものまであります。

 

測定【ダイナミックレンジ】も重要な仕様になります。

内蔵信号源の最大パワーと、ある位置におけるノイズフロアとの差になります。

たとえば最大出力が+10Bmでノイズフロアが-110Bmだとすると、ダイナミックレンジは120dB となります。

ちなみにノイズフロアはVNAが持つ自身のノイズのことになります。

ノイズフロアが高いと小さい測定信号はこれに埋もれてしまうことにもなりかねませんし、ダイナミックレンジも狭くなってしまいます。

 

【出力パワー】については、今までも述べていますようにVNAには信号源が内蔵されています。

その出力がどのくらいだせるか?という仕様になります。

高出力は信号対雑音比の改善や、アンプの特性評価に役立ちます。

DUTによってこの出力で十分なのか確認する必要がありますね。

 

【測定ポイント】はその名の通り測定時の横軸のポイント数です。

 

ただし【測定スピード】につきましては、ポイント数以外に測定スパンとIFBW(測定帯域幅)によって仕様が変わり、製品により基準も違いますので単純に比較はできません。

 

 

 

 

 

 

 

 

6.校正(calibration)について

まず皆さんは校正と聞くと、年に1度など定期的に行う計測器の校正というイメージが強いのではないでしょうか?

この場合の校正というのは、測定器が表示(測定)した数値とあるべき数値(仕様)との差を明らかにして、正しい数値を示しているか確認することですね。

 

また較正という文字もありますが、校正は計量法に基づくものであり、較正は電波法に基づくものになります。

 

前置きが長くなりましたが、VNAでいうところの校正について説明いたします。

VNAは比較測定(相対値)を行う測定器と言ってきましたが、比較するには基準が必要になります。

その基準(面)を決めることが校正するということになります。

校正を取らずに測定しますと何らかの数値は出てきますが、基準がなにかわからないのでその数値は全く意味のないものになります。

測定を行う前に校正することにより、誤差補正を行います。

言い換えればゼロリセットのイメージですね。

一般的にはDUTを直接VNAに接続して測定することはあまりありません。

同軸ケーブル等を使ってVNADUTを接続することになりますがDUT直前で校正を取る(DUTと接続するケーブルの先端で校正を取る)ことによって、ケーブルやコネクタによる測定への影響を取り除く事が出来ます。

 

お茶碗のごはんの重さをはかる際に 先にお茶碗だけをキッチンスケールに載せて「0リセット」するイメージです。

 

 

校正キットについて

校正を行うためには基準となる校正キットを準備します。

上の図の場合、同軸ケーブルの先端に各種校正キットを接続し、VNAの操作を行ない(メニューに従って)校正を実施します。

同軸先端でSOLTShort-Open-Load-Thru)校正が最も一般的に使用されています。

これは各ポートに接続されたケーブル先端でShort0Ω) Open(∞) Load50Ω) Thru(伝送:Port1-2接続)各々の校正をとります。

たとえばPort1に接続されているケーブルのDUT側でShort0Ω)校正 Open(∞)校正 Load50Ω)校正を行います。

それぞれの校正キットを装着、取り外しをくりかえりし、同様にPort2側でも行い、Port1-Port2間でThru校正を行います。

これら手動で校正を行なう校正キットを機械式/メカニカル校正キットと呼び、高級なものですと木箱に入っていたりします。

さすがに高周波で基準となるものですね。

校正によって測定前に振幅を0dB、位相を0度にすることになります。

 

さて、ご理解いただけたと思うのですが、これらの校正作業を手作業で行うのは大変です。

2Portでこの作業ですから、4Portやそれ以上のPort数の校正は大変な作業量になります。

 

そこで自動校正キット(電子校正キット)を使うと効率よく校正ができます。

これは校正を始める前にすべての同軸ケーブル(校正面)をこの自動校正キットに接続します。

あとはVNA本体の操作で、校正キットを付け替えることなく、自動で校正を行うことができます。

ただし高額です。

 

校正キットを使う上で、対応周波数、コネクタ形状には注意が必要です。

たとえば同軸ケーブル先端(校正面)のタイプが、3.5mmプラグタイプであれば、校正キット側は3.5mmジャックタイプでなれれば接続できません(コネクタの項参照)。

同軸ケーブル先端(校正面)が3.5mmプラグの場合もあれば3.5mmジャックタイプの場合もあれば、校正キットも両方のタイプを用意する必要があります。

 

またVNA本体や校正キットと同軸ケーブルを接続する場合は、トルクレンチを使用し既定のトルクで接続してください。

 

 

 

 

 

 

7.コネクタについて

VNAに限らず他の測定器でも、同軸ケーブルをよく使用しますが、関連してここではケーブル先端のコネクタについて説明いたします。

それらコネクタを接続する場合に気を付けることの一つに、Malem)、PlugP)、オス、Femalef)、JackJ)、メスの区別があります。

コネクタを覗くと、ピンが突き出ているのが、Malem)、PlugP)、オスと呼ばれます。逆に中心ピンを受け入れられるように穴が開いているのがFemalef)、JackJ)、メスになります。

 

オス メス
Male (m) Female (f)
Plug (p) Jack (J)

 

Malem)とFemalef)、PlugP)とJackJ)、オスとメスがそれぞれ接続できます。

 

 

代表的なコネクタを紹介します。

名称 BNC N SMA 3.5mm 2.92mm 2.4mm 1.85mm
インピーダンス 50Ωまたは75Ω 50Ωまたは75Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω
周波数範囲 500MHz程度 18GHz 18GHz 34GHz 46GHz 50GHz 67GHz
別名       APC3.5 K APC2.4 V
備考     3.5mmと互換性有 SMAと互換性有      

*上記は目安値です

 

 

これらコネクタの多くは同軸ケーブルと組み合わされ製品となっています。

測定でこれらの製品をを使用する場合、たとえばSMA型コネクタが付いていても18GHzが保証されているわけではありません。

ケーブル自体の仕様もありますから製品全体の仕様を確認して使用してください。

  

 

 

 

8.その他

まずはメーカーの取り扱い説明書は読みましょう。特に安全についての部分はご注意ください。

使用する上で気をつけることは他の測定器と同様に静電気や過大入力に注意してください。

特にアンプの測定時には注意が必要です。

そのアンプのゲインが例えば30dBmで、VNAからの出力が0dBmであれば、入力側に30dB印加され故障の原因にいなります。

 

また同軸ケーブル/コネクタや校正キットの接続にも注意してください。

お互いのコネクタをまっすぐ一直線上に揃え接続します。

専用のトルクレンチを使いオスコネクタのナット部分を規定のトルクで締める事も正確な計測やコネクタの内部導体の摩耗や破損を防ぐ為に重要です。

綿棒やエチルアルコールを使いコネクタ内部をクリーニングしておけば更に正確に計測出来るようになります。

 

 

 

 

 

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