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Agilent ベクトル・ネットワーク・アナライザを 使用したS

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Agilent ベクトル・ネットワーク・アナライザを 使用したS
Agilent
ベクトル・ネットワーク・アナライザを
使用したSパラメータ・ネットワークの
ディエンベディングおよびエンベディング
Application Note 1364-1
はじめに
従来から、RFコンポーネントとマイ
クロ波コンポーネントは同軸インタフ
ェースをベースに設計されてきまし
た。このような同軸コンポーネント
を複数接続することで複雑なシステ
ムも容易に製造することができます。
また、コンポーネントやシステムの
パフォーマンスの測定も、同様の同
軸インタフェースを使用したテスト
機器を用いて容易に行うことができま
す。
しかし、最新のシステムでは、より
高いレベルのコンポーネントの統合、
より低い消費電力、製造コストの削
減が要求されています。したがって、
RFコンポーネントは価格の高い同軸
インタフェースを使用した設計から、
プリント回路基板や表面実装技術
(SMT)を使用した設計に急速に移行
しつつあります。最終製品に、従来
の同軸インタフェースがない場合も
あります。このため、RFコンポーネ
ントやマイクロ波コンポーネントの
パフォーマンスを、従来の同軸イン
タフェースが必要な機器を使用して
どう測定するかが設計者にとっての
課題となっています。その解決策は、
同軸と非同軸の伝送ラインの両方に
接続できるテスト・フィクスチャを
使用することです。
プリント回路伝送ラインには多くの
種類があるため、種類と寸法が異な
る様々なマイクロストリップとコプ
レーナ伝送ライン 1(図1)のすべてに
接続できるテスト機器の製作は困難
です。テスト機器には、テスト・フィ
クスチャを経由して一部の伝送メデ
ィアに接続できるインタフェースが
必要となります。
測定対象の表面実装デバイス(DUT)
の正確な特性評価を行うには、テス
ト・フィクスチャの特性を測定結果
から取り除く必要があります。RFコ
ンポーネントとマイクロ波コンポー
ネントの特性評価に通常使用される
テスト機器は、標準の50Ωまたは75
Ω同軸インタフェースをテスト・ポ
ートに備えたベクトル・ネットワー
ク・アナライザ(VNA)です。このア
ナライザの校正は同軸インタフェー
スで行いますが、このインタフェー
スが“測定面”です。また、測定が
行われるのは表面実装デバイスがプ
リント回路基板に接続されるポイン
トすなわち“デバイス面”です
(図2)。
標準構成キットを使用してVNAを同
軸インタフェースで校正する際には、
DUTの測定値にテスト・フィクスチ
ャの影響が含まれます。
長年に渡って、測定値からテスト・フ
ィクスチャの影響を取り除くために、
さまざまな方法が開発されてきまし
た。これらの方法は基本的に、直接
測定とディエンベディングの2つに分
類できます。直接測定では特殊な校
正標準が必要で、これをテスト・フィ
クスチャに挿入して測定します。デ
バイス測定の精度は、この物理的標
準2の質で決まります。ディエンベデ
ィングは、テスト・フィクスチャの
モデルを使用してフィクスチャの特
性が測定値全体から数学的に取り除
くことを言います。フィクスチャの
“ディエンベディング”手順を用いる
と、複雑な非同軸校正標準を使用し
なくても非同軸DUTで非常に正確な
結果が得られます。
コプレーナ
マイクロストリップ
図1.プリント回路伝送ラインの種類
デバイス面
測定面
測定面
SMT
デバイス
同軸
インタフェース
同軸
インタフェース
テスト・フィクスチャ
図2.測定面とデバイス面を示したテスト・フィクスチャ構成
2
テスト・フィクスチャをDUT測定値
からディエンベディングするプロセ
スは、Sパラメータ(Tパラメータ)を
使用して実行することができます 3 。
この場合は、テスト・フィクスチャ
とDUTを合わせて行った測定から、
ポスト・プロセシングによりディエン
ベディングされた測定値を求めるこ
とができます。Agilent EEsofアドバン
スド・デザイン・システム(ADS)な
どの最新のCAEツールにも、否定コ
ンポーネント・モデル(negation component model)を使用して、VNAの測
定値からテスト・フィクスチャを直
接ディエンベディングする機能があ
ります3。ただし、これらの方法では、
ユーザに対してリアルタイムのフィ
ードバックを行うことはできません。
これは、テスト・フィクスチャの影響
を取り除くには、測定データを取り込
んでポスト・プロセシングする必要
があるためです。
Sパラメータおよび
信号フロー・グラフ
RFネットワークとマイクロ波ネットワ
ークは、多くの場合Sパラメータを使
用して特性評価します4。ネットワー
クのSパラメータから、デバイスの伝
送および反射パフォーマンスに関す
る明確な物理的解釈が得られます。2
ポート・ネットワークのSパラメータ
は、反射波または入射波b1およびb2を
従属変数として、入射波a1およびa2を
独立変数として使用して定義します
(図3)。これらの波をSパラメータの
関数とした一般式は、次のようにな
ります。
b1=S11a1+S12a2
b2=S21a1+S22a2
これらの式を使用すれば、反射また
は伝送された波と、出力に確実な終
端が配置された場合の入射波の比を
したがって、リアルタイムのディエ 取ることで個々のパラメータを求め
ンベディングされた測定値が必要な ることができます。例えば、ポート1
場合には、別の方法を使う必要があり からの反射パラメータ(S11)を求める
ます。別の校正モデルを使用すれば、 には、ポート2で確実な終端を使用し
VNAでディエンベディングを直接実 て反射波b 1 と入射波a 1 の比を取りま
行することが可能です。テスト・フ す。理想的な負荷からの反射はない
ィクスチャの影響をVNA校正誤差係 ため、終端が確実であればa2=0とな
数の中に含めておけば、リアルタイム ります。他のSパラメータS 21 、S 22 、
のディエンベディングされた測定値 S12も、同じように定義されます5。こ
を直接VNAで表示することができま れらの4つのSパラメータにより、2ポ
す。この場合には、フィクスチャを ート・ネットワークの特性がすべて
測定値に含めないでコンポーネント 定義されます。Agilent E8358Aなどの
をリアルタイムでチューニングする 最新のベクトル・ネットワーク・ア
ことが可能です。
ナライザは、2ポート・デバイスの
Sパラメータを簡単に測定することが
本書では、Sパラメータと信号フロ できます。
ー・グラフの他に、E8358A PNAシリ
ーズ・ネットワーク・アナライザな
どのAgilentベクトル・ネットワー
ク・アナライザでの標準の1ポートお
よび2ポート校正で用いられる誤差補
正プロセスを説明します。次に、測
定面とデバイス面の間に配置したテス
ト・フクスチャの影響を取り除くデ
ィエンベディング・プロセスを細か
く説明します。また、同じプロセス
を仮定すなわち“仮想”ネットワー
クをDUTの測定値にエンベディング
するために使用する方法も説明しま
す。
ネットワークのSパラメータは、信号
フロー・グラフ(図4)を使用して表す
こともできます。フロー・グラフは、
ネットワークから伝送された信号と
反射された信号の表示と解析に使用
します。フロー・グラフの線には方
向が示されており、これが2ポート・
デバイスでの信号の流れを表します。
例えば、ノードa1からb1へ流れる信号
が、ポート1すなわちS11からの反射で
す。2ポート・ネットワークがカスケ
ード接続されている場合は、隣り合
ったネットワークのフロー・グラフ
を接続することでこれを表すことが
できます。これは、1つのネットワー
クの出力波が次のネットワークの入
力波と同じになるためです6。カスケ
ード接続されたネットワーク全体の
解析は、メーソンの法則6を使用して
行うことができます。信号フロー・
グラフを応用して、ネットワークのデ
ィエンベディングやVNAでの誤差係
数の変更の基礎となる数理演算を作
成します。
図4. 2ポートSパラメータ・ネットワーク信号の
フロー・グラフ表現
図3. 2ポートSパラメータ・ネットワークの定義
3
テスト・フィクスチャと
DUTの定義
ディエンベディングの演算プロセス
を作成する前に、テスト・フィクス
チャとDUTを使いやすい形で表す必
要があります。信号フロー・グラフ
を使用すれば、フィクスチャとデバ
イスを3つの2ポート・ネットワーク
として表すことができます(図5)。こ
の方法では、テスト・フィクスチャ
を2つに分割して、DUTの両側の同
軸−非同軸インタフェースとして表
します。2つに分割したフィクスチャ
は、左側と右側をそれぞれフィクス
チャAおよびフィクスチャBとしま
す。SパラメータFA xx(xx=11、21、
12、22)を使用してテスト・フィクス
チャの左半分のSパラメータを表し、
FBxxを使用して右半分を表します。
フィクスチャA
ットワークT A、T DUTおよびT Bを簡単
にかけ合わせることができます。行
列式を単純にこの形で書けるのは、Tパ
ラメータを使用した場合だけです。
この行列演算は、VNAにより測定面
で測定したテスト・フィクスチャと
DUTのTパラメータを表します。
フィクスチャB
図5. 2つに分割したテスト・フィクスチャと被
測定デバイス(DUT)を表す信号フロー・グラフ
3つのネットワークの行列を直接かけ
合わせる場合には、Sパラメータを
Tパラメータに変更する方が演算する
上で便利です。SパラメータとTパラ
メータの数学的な関係は、付録Aで解
説します。2ポートTパラメータの行
列を[T]として表し、ここで[T]は
ネットワークの4つのパラメータを持
つものとして定義します。テスト・
フィクスチャとDUTをカスケード接続
されたネットワークとして定義してい
るので、それぞれのTパラメータ・ネ
4
一般的な行列理論では、行列式がゼ
ロに等しくない場合、その行列には
逆行列があり、この行列と逆行列を
かけると単位行列になります。例え
ば、次のようにTパラメータの行列に
逆行列をかけると、単位行列が得ら
れます。
ここでは、フィクスチャの両側T Aと
T Bをディエンベディングして、DUT
すなわちT DUT から情報を収集するこ
とが目的になります。この行列の反
転をカスケード接続されたフィクス
チャとDUT行列に応用し、測定結果
の各側にフィクスチャの逆Tパラメー
タ行列をかけると、DUTだけのTパラ
メータが得られます。次に、付録Aの
式を使用して、このTパラメータの行
列を必要なSパラメータに変換して戻
します。
テスト・フィクスチャのSまたはTパ
ラメータと、フィクスチャとDUTを
組み合わせた全体のVNA測定を使用
すれば、上記の行列式を応用してフ
ィクスチャを測定値からディエンベ
ディングすることができます。通常
このプロセスは、測定値がVNAから
取り込まれた後に実行されます。デ
ィエンベディングされた測定値を
VNAでリアルタイムで表示したい場
合が多くあります。このためには、
VNA校正プロセスで用いる誤差係数
を変更する方法を使用します。
テスト・フィクスチャ・
モデル
テスト・フィクスチャをデバイスの
測定値から数学的にディエンベディ
ングするには、2等分したフィクスチ
ャ個々のSまたはTパラメータ・ネッ
トワークをモデル化する必要があり
ます。プリント回路の種類とテスト・
フィクスチャの設計は多様なため、正
確なモデルを作成するための教科書
的な公式はありません。ディエンベ
ディングのプロセス全体で言えば、
最も難しいのはテスト・フィクスチ
ャの正確なモデルを作成することで
す。フィクスチャのモデル作成を補助
する方法は多くあり、Agilentアドバ
ンスド・デザイン・システム(ADS)、
Agilent高周波ストラクチャ・シミュ
レータ(HFSS)や他のシミュレーショ
ン・ツールなどがこれにあたります。
多くの場合、テスト・フィクスチャが
物理的にどのような構造になってい
るかを観察することが初期フィクス
チャ・モデル作成のために必要です。
さらに、フィクスチャの測定を用い
て、繰り返しながらフィクスチャ・
モデルを最適化してゆきます。ほと
んどのネットワーク・アナライザで
使用できるタイム・ドメイン手法も、
フィクスチャモデルを最適化する際
に非常に役に立ちます2。
ディエンベディング・プロセスに使
用できるフィクスチャ・モデルをい
くつか説明します。Tパラメータの行
列演算を使用しなくても、ベクト
ル・ネットワーク・アナライザのフ
ァームウェアで直接適切なディエン
ベディングを実行する方法について
も後述します。
最も単純なモデルでは、2つに分割し
たフィクスチャが既知の電気長の確
実な伝送ラインで構成されているこ
とが前提です。ここでは、測定対象
のSパラメータ(図6)の位相角を回転
することで測定面をDUT面に移行し
ます。位相角θ A およびθ B がそれぞれ
右および左のテスト・フィクスチャ
を表すものとすると、フィクスチャ
のSパラメータ・モデルは次の式で表
されます。
位相角は、フィクスチャの長さに伝
送ラインの位相定数をかけたものの
関数です。位相定数βの定義は、位相
速度を周波数で割ったもので単位は
ラジアンです。この単純なモデルで
は、システムの特性インピーダンス
に整合した無損失伝送ラインである
ことが前提です。この理想伝送ライ
ンのSパラメータの最も簡単な計算方
法は、Agilent ADSなどのソフトウェ
ア・シミュレータを使用することで
す。ここでは、テスト・フィクスチ
ャの各サイドを、適切な位相角と基
準周波数を使用して50Ω伝送ライン
としてモデル化することができます
(図7)。シミュレータにより回路のす
べてのSパラメータが計算されれば、
これをデータ・ファイルに保存してデ
ィエンベディング・プロセスで使用
することができます。
このモデルは、測定面とデバイス面
の間の位相長のみを表します。場合
によっては、フィクスチャが低損失
の誘電材料で製造されていて、同軸
から非同軸への変換部の整合がよく
とれていれば、このモデルでもディ
エンベディングを実行する際に十分
な測定確度が得られます。
図7. 理想2ポート伝送ラインを使用したテス
ト・フィクスチャのAgilent ADSモデル
上記のモデルを改良したのが、フィ
クスチャの挿入損失を含めたフィク
スチャ・モデルです。これには、非
同軸伝送ラインの任意の特性インピ
ーダンスZ AまたはZ Bを含めることも
できます(図8)。挿入損失は伝送ライ
ンの関数で、誘電体と導体の損失を
これに含めることができます。この
損失は、減衰係数αまたは誘電正接
tanδを使用して表します。
ポート1
ポート2
測定面
デバイス面
デバイス面
測定面
図6. 理想伝送ラインを使用したフィクスチャのモデリング
5
一番最後のモデルをここで説明しま
す。このモデルには、同軸−非同軸
変換部の複雑な影響と、前述のフィ
クスチャ損失およびインピーダンス
の差異が含まれます。このモデルは
ポート1
ポート2
最も正確ですが、フィクスチャ内で
発生する分散、放射、結合などのノ
ンリニアな影響をすべて含める必要
があるために作成は最も難しくなり
測定面
デバイス面
デバイス面
測定面
ます。このモデルを求める方法の1つ
は、フィクスチャ(伝送ラインの直線
図8. 損失のある伝送ラインを使用したフィクス
部分のように単純なもの)に取り付け
チャのモデリング
た既知のデバイスを測定するととも
フィクスチャ・モデルを改良するた ここでも、ソフトウェア・シミュレ に、この測定に合わせて値を最適化
めに、フィクスチャの物理的特性を ータを使用してこのモデルの必要な したコンピュータ・モデルを使用す
測定し、また材料の誘電率が分かっ Sパラメータを計算することができま ることです。より厳密な方法として
ていればこれを使用してインピーダ す。図9は、減衰が誘電正接により指 は、Agilent HFSSなどの電磁(EM)シ
ンスを計算することで、テスト・フ 定さている、損失のある伝送ライン ミュレータを使用して、テスト・フ
ィクスチャの伝送ラインの実際の特 を使用したテスト・フィクスチャの ィクスチャのSパラメータを計算する
定インピーダンスZ AおよびZ Bを求め 片側のモデルです。このモデルでは、 方法があります。このEM法は、テス
ることが可能です。メーカの指定し 伝送ライン幅と誘電体の厚みの物理 ト・フィクスチャの物理的特性がシ
た誘電率が公称値で許容誤差が大き 的測定値と誘電率の公称値を使用し ミュレータ内で正確にモデル化され
い場合には、実際のライン・インピ て、ライン・インピーダンスの値が ている限り非常に正確です。
ーダンスも広い範囲でばらつくこと 48Ωに変更されています。
例として、実際のテスト・フィクス
があります。この場合は、実際の誘
チ ャを使用して行った測定を基に、
電率をできる限り正確に予測するか、
コンピュータ・シミュレーションを
あるいはラインの特性インピーダン
最適化して作成するモデルを説明し
スを測定します。方法の1つは、ベク
ます。まず、同軸からマイクロスト
トル・ネットワーク・アナライザの
リップへの変換部を、集中定数の直
タイム・ドメイン・オプションを使
列インダクタンスと並列キャパシタ
用したものです。伝送ラインの直線
ンスとしてモデル化します(図10)。
部分を使用してフィクスチャの周波
インダクタンスとキャパシタンスの値
数応答を測定することで、アナライ
は、テスト・フィクスチャに取り付け
ザがこの測定値をタイム・ドメイ
た直線の50Ωマイクロストリップの
ン・リフレクトメータ(TDR)応答に
測定結果を使用して最適化します。
変換します。この応答を使用して、 図9. 損失のある2ポート伝送ラインを使用した
テスト・フィクスチャのADSモデル
次に、この集中定数素子モデルを使
伝送ラインのインピーダンスを求め
用してテスト・フィクスチャとマイ
ることができます。詳細はアナライ
ザのユーザーズ・ガイドを参照して 後述するAgilent E8358Aなどの多数の クロストリップ・ラインのADSモデ
ベクトル・ネットワーク・アナライ ルを作成します。
ください。
ザでは、損失、電気的遅延および測
定インピーダンスをアナライザの
“スルー校正”定義に直接入力できる
ため、このモデルを簡単に実装する
同軸
マイクロ
ことができます。
ストリップ
図10. 同軸からマイクロストリップへの変換部の
簡略モデル
6
図11に示すAgilent ADSモデルでは、
同じ集中定数コンポーネントを両側
に配置して、2つのテスト・フィクス
チャ変換部をモデル化しています。
短い同軸を使用して各同軸−マイク
ロストリップ・コネクタの同軸部分
を表しています。物理的パラメータ
と電気的パラメータが実際のテス
ト・フィクスチャの測定対象ライン
に一致するマイクロストリップ・ス
ルー・ラインが中央に配置されてい
ます。このマイクロストリップ・モデ
ルでは、使用されている基盤の誘電
率と誘電正接の正確な値が必要とな
ります。これらの値が不確かであれ
ば、モデルの精度に直接影響します。
次に、Agilent E8358Aなどのベクト
ル・ネットワーク・アナライザを使
用して、テスト・フィクスチャとマ
イクロストリップ・スルー・ライン
のSパラメータを測定します。4つの
Sパラメータは、GPIBを使用して
ADSソフトウェアに直接インポート
できます。さらに、これらのインダク
タンスとキャパシタンスのモデル値
を、ADSを使用して測定値とシミュ
レート結果が良く一致するまで最適
化します。例として、テスト・フィ
クスチャとマイクロストリップ・ラ
インを使用した場合のS11の大きさの
測定結果と最適化結果を図12に示し
ます。モデル値の精度を確認するた
め、4つのSパラメータをすべて最適
化して測定したSパラメータと比較し
てください。変換部にはノンリニア
な影響があるため、この変換部を簡
略化した集中定数素子モデルは、お
およそ狭い周波数範囲でのみ有効で
す。広帯域での動作が必要な場合は、
改良されたモデルを実装して、測定
対象のSパラメータのノンリニア動作
を周波数の関数として組み込む必要
があります。
集中定数素子パラメータが最適化さ
れれば、テスト・フィクスチャの各
半分のSパラメータをシミュレートし
て、ディエンベディング・アルゴリズ
ムで使用するために保存することが
できます。テスト・フィクスチャの
各半分のSパラメータを計算する際に
は、変換部とデバイス間のマイクロ
ストリップ・ラインの実際の長さを
含めることが必要です。
図11. テスト・フィクスチャとマイクロストリ
ップ・ラインのAgilent ADSモデル
図12. 測定したマイクロストリップ・スルー・
ラインとモデル化したマイクロストリップ・ラ
インのS11の比較
7
ディエンベディング・
プロセス
理想伝送ラインの長さなどの簡略し
たモデルを使用するのか、それとも
EMシミュレータを使用して作成した
複雑なモデルをテスト・フィクスチ
ャに対して使用するのかに関係なく、
このSパラメータ・モデルを使用して
ディエンベディング・プロセスを実
行することが必要です。ディエンベ
ディング・プロセスを実行する方法
は大きく分けて2つあります。1つ目
の方法では、ネットワーク・アナラ
イザの測定データを使用して、この
データを前のセクションで説明した
Tパラメータ行列計算を使用して処理
します。2番目の方法はネットワー
ク・アナライザを使用してディエン
ベディングの計算を直接実行し、ユ
ーザがディエンベディング応答をリ
アルタイムで確認できるようにする
ことです。この方法は、アナライザ
のメモリ内の校正誤差項を変更する
ことで行います。
静的アプローチ
この方法では、測定面で収集したテ
スト・フィクスチャとDUTの測定デ
ータを使用します。データはネット
ワーク・アナライザからエクスポー
トするか、GPIBを介してADSなどの
シミュレーション・ツールに直接イ
ンポートすることができます。フィ
クスチャ・モデルを使用すれば、デ
ィエンベディング・プロセスがTパラ
メータの行列計算またはADSの否定
モデル(negation model)3を使用して実
行されます。測定値がディエンベデ
ィングされれば、データを静的にコ
ンピュータ画面に表示するか、アナ
ライザの表示用メモリにダウンロー
ドすることができます。
8
Tパラメータを使用してテスト・フィ
クスチャをディエンベディングする
プロセスには、5つのステップがあり
ます。
ステップ1 : SまたはTパラメータを使
用してフィクスチャの各半分を表し
て、テスト・フィクスチャの数学モ
デルを作成します。
ス テ ッ プ 2 : ベクトル・ネットワー
ク・アナライザを用い、標準同軸校
正キットを使用してアナライザを校
正して、デバイスとフィクスチャの
Sパラメータを一緒に測定します。Sパ
ラメータは複素数で表されます。
ステップ3:測定されたSパラメータを
Tパラメータに変換します。
ステップ4:テスト・フィクスチャの
Tパラメータ・モデルを使って、ディ
エンベディング式を測定したTパラメ
ータに適用します。
ステップ5:最終的なTパラメータを変
換してSパラメータに戻し、結果を表
示します。この行列はデバイスのみ
のSパラメータを表します。テスト・
フィクスチャの影響は取り除かれて
います。
リアルタイム・アプローチ
このリアルタイム法は、本書の次の
セクションで詳しく説明します。こ
の方法では、テスト・フィクスチャ
Sパラメータ・モデルをベクトル・ネ
ットワーク・アナライザの校正誤差
項の中に組み込みます。これによっ
て、アナライザがすべてのディエン
ベディングの計算を実行し、テス
ト・フィクスチャの影響を受けず
DUTのリアルタイム測定値を表示す
ることができます。
ほとんどのベクトル・ネットワー
ク・アナライザは、直接フロント・
パネルから誤差項をある程度変更で
きる機能を備えています。これには、
ポート拡張や校正“スルー”定義の
変更などがあります。従来の12ター
ム誤差モデルを変更してテスト・フ
ィクスチャの各サイドのSパラメー
タ・モデル全体を含める方法などの
個々方法をこれから説明します。
フィクスチャの影響の
単純な補正
ポート・エクステンション
ディエンベディングの最も単純な形
はポート・エクステンションで、こ
れは測定面をDUTに向かって数学的
に延長するというものです。この機
能は、Agilent E8358Aなどの最新の
ネットワーク アナライザのほとんど
のファームウェアに含まれています。
ポート・エクステンションでは、テス
ト・フィクスチャが既知の位相長の
確実な伝送ラインであることが前提で
す。また、フィクスチャは無損失で位
相応答はリニアであり、インピーダ
ンスは一定であることも前提です。
ポート・エクステンションは、通常
はテスト・ケーブルの端で2ポート校
正を実行した後に測定に対して適用
します。フィクスチャのパフォーマ
ンスが、DUTの仕様に比べて非常に
良い場合には、この方法で十分です。
ポート・エクステンションでは、測
定 さ れ た S パ ラ メ ータに対して位相
長が増減されるだけです。フィクス
チャの損失またはインピーダンスの
不連続は補正されません。ほとんど
の場合は、同軸−フィクスチャ変換
部とDUTの間にはある量の不整合が
あり、このために測定されたSパラメ
ータに不確かさが生じます。通常こ
の不確かさは、広い周波数範囲で測
定を行った場合に、Sパラメータのリ
ップルとして現れます。例として、
図13に示すインピーダンスが一定の2
つの種類の異なる伝送ライン、すな
わち高品質同軸エアライン
(上の曲線)
とマイクロストリップ伝送ライン(下
の曲線)の端に配置したショートの測
定値を見てみます。ここでは、ポー
ト・エクステンションを使用して測定
面をショートに移しています。ただ
し、図から分かるように、ポート・
エクステンションでは伝送ラインの
損失は補正されません。また、エア
ラインで測定されたS11のトレースに
低いリップルが現れていますが、こ
れに対して同軸−マイクロストリッ
プ・テスト・フィクスチャではリップ
ルがかなり大きくなっていることに
も注意してください。一般的にこのリ
ップルは、測定面とデバイス面の不
連続部の相互作用により生じます。
下のトレースでリップルが大きくな
っているのは、マイクロストリップ
変換部のリターン・ロスが悪いため
です(エアラインの>45dBに対して
20dB)。変換部分のリターン・ロスが
改善されれば、このリップルを低減す
ることができます。
図13. エアライン(上のトレース)の端とマイク
ロストリップ伝送ライン(下のトレース)の端に接
続したショートの測定にポート・エクステンショ
ンを適用した場合
9
校正標準の変更
ベクトル・ネットワーク・アナライ
ザの校正中、測定器ではオープン、
ショート、ロード、スルーなどの定
義された標準を測定して、その測定
値を各標準の理想モデルと比較しま
す。測定値とモデル間の差から、測
定セットアップ内に含まれる誤差項
を計算します。次に、これらの誤差
項を使用して、被試験デバイスの実
際の測定結果を数学的に補正します。
この校正プロセスでは標準が接続さ
れるポイントに基準面または校正面
を作成します。各校正標準の正確な
モデルが既知であれば、正確な基準
面を確立できます。たとえば、
Agilentの同軸校正キットの中には、
ショート標準が基準面で真のショー
トではなく、実際には「オフセット」
ショートのものがあります。オフセ
ット・ショートとは、コネクタと真
のショート間に配置される小さな同
軸伝送ラインです。校正キット
(定義)
を選択する際、測定器を設定してオ
フセット・ショートに最適なモデル
を用います。たとえば、Agilent
85033C 3.5mm同軸校正キットを使用
する場合、ショート標準では16.695ps
の遅延と等価な50Ω伝送ラインのオ
フセット長を使用します。アナライ
ザでこのオフセット・ショートに該
当するモデルが使用されていると、
基準が正しく計算されます。
10
基準面や前のセクションで説明した
ポート・エクステンションを実装す
る別の方法として、各校正標準に対
して校正キットの定義を再定義する
方法があります。たとえば、各基準
面を校正ポイントから100ps前の値に
する場合、各標準の定義を変更して
この100psのオフセットを含めること
ができます。この値はショート、オ
ープン、ロード標準の元のオフセッ
ト遅延から引き算されます。
「スルー」
の定義には、各ポートからのこの延
長の全遅延が含まれています。たと
えば、Agilent 85033E校正キットを使
用する場合、ショートの定義を変更
して68.202psのオフセット遅延を含め
ます(元の3.5mmショートの遅延が
31.798psの場合、31.798−100psを計算
します)。同じ方法がオープンおよび
ロード標準にも適用されます。「スル
ー」の定義では−200ps( 0psの元のス
ルー遅延を使用して、0−100−100p
を計算)のオフセット遅延となる場合
があります。スルーの定義にはポー
ト1とポート2のポート・エクステン
ションからの遅延も必要です。
校正キットの定義には、実際には各
標準に対する3つのオフセット特性が
含まれています。 7 オフセット遅延、
オフセット損失、オフセット・イン
ピーダンス(Z0)です。アナライザが
各テスト・ポートの基準面を確立で
きるように、この3つの特性を使用し
て正確に各標準をモデル化します。
フィクスチャのディエンベディング
は、校正キットの定義テーブルを変
更してテスト・フィクスチャの影響
を含めることにより実現することが
できます。この方法では同軸校正プ
ロセスで求められた誤差項にフィク
スチャ特性のいくつかを含めること
ができます。校正が完了すると、ア
ナライザはフィクスチャによる遅延、
損失、インピーダンスを数学的に除
去します。前述のポート・エクステ
ンション技術では、何らかの確度の
向上が見られましたが、フィクスチ
ャ・モデルに対して行われた仮定の
中にはシステムの全測定確度を制限
するものがあることに注意してくだ
さい。ここから、テスト・フィクス
チャの特性を含めるための校正キッ
トの定義の変更方法と制限事項を説
明します。
オフセット遅延
テスト・フィクスチャでは、フィク
スチャでの信号伝送時間のために測
定面とDUTの間で電気的な遅延があ
ります。同軸伝送ラインの場合、物
理的長さ、自由空間中の光速および
誘電率からこの遅延が求められます。
遅延(s)=
r=物理的長さ(単位m)
εr=相対誘電率
c=2.997925×108m/s
この例では、相対誘電率µrを1と仮定
します。マイクロストリップなど、
同軸以外の伝送ラインの電気的遅延
では、伝送媒体の有効誘電率が変わ
るため、上記の式を変更する必要が
あるので注意してください。Agilent
ADS LineCalcツールなどのRFソフト
ウェア・シミュレータは、回路の物
理的パラメータに基づいて伝送ライ
ンの有効位相長と有効誘電率を計算
します。有効位相は、次の式を使用
して電気的遅延に変換することがで
ききます。
遅延(s)=
φ=有効位相(度)
f =周波数(Hz)
「スルー」標準を変更すると、全フィ
クスチャ長からの遅延を含めること
ができます。両側に半分ずつ基準面
を延長するために、ショート、オー
プン、ロードの標準をこの遅延の2分
の1に変更します。ここで、被試験デ
バイスはフィクスチャの中央に直接
配置されているものと仮定します。
フィクスチャが非対称の場合、校正
キットの定義テーブルが変更される
場合があることに注意してください。
この場合は、各テスト・ポートに対
して別々のセット、つまり2セットの
ショート、オープン、ロードが定義
されます。
11
オフセット損失
ネットワーク・アナライザは、オフセ
ット損失を使用して同軸標準器の表
皮効果による振幅損失をモデル化で
きます。フィクスチャは非同軸であ
るため、周波数の関数としての損失
は同軸伝送ラインの損失に追従しま
せん。したがって、入力する値はフ
ィクスチャの真の損失の概略値でか
まいません。損失の値は、1GHzにお
けるGΩ/sまたはΩ/ns単位で標準定義
テーブルに入力します。
GΩ/s単位のオフセット損失は、1GHz
における測定損失と標準の物理的長
さから次の式で計算することができ
ます。
オフセット損失
GΩ
s
1GHz
c
= dBloss 1GHz
10 log10(e)
ε r Z0
ここで、
dB [email protected]=1GHzにおける測定挿
入損失
Z0=オフセットZ0
図14は、マイクロストリップ・スル
ー・ラインの真の挿入損失を示しま
す(下のトレース)。この図には、校
正キットの定義を変更してフィクス
チャ損失の影響を含めた後のフィク
スチャ“スルー”のS21測定値も示し
てあります(上の曲線)。この場合、
フィクスチャ「スルー」の実測の損
失(校正後)は、挿入損失が0dBの直
線となることが期待されます。実際
の測定ではオフセット損失を変更し
て帯域の中央に最適化することによ
り、高周波と低周波間のトレードオ
フが示されます。オフセット損失は、
使用されているFR-4材質に対して10G
Ω/sに設定されています。この場合は、
概略誘電率が4.3、誘電正接が0.012、
長さが3インチのマイクロストリップ
50Ω伝送ラインを使用しています。
オフセット損失の値10GΩ/sは、
300kHz∼9GHzの周波数範囲でうまく
釣り合いをとったものです。この値
は容易に変更が可能で、対象の周波
数範囲でのオフセット損失を最適化
することができます。
r=オフセットの物理的長さ
図14. マイクロストリップ“スルー”ライン
(下のトレース)と、変更したアダプタ損失を使用してVNAを校正した後のテスト・フィクス
チャ“スルー”
(上のトレース)の測定
12
オフセットZ0
オフセットの定義の変更により、リ
ニア位相シフト、一定のインピーダ
ンス、いくらかのテスト・フィクス
チャの損失が補正されます。ここで
はフィクスチャの損失が同軸伝送の
表皮損失に比例すると仮定していま
標準の定義の変更
すが、多くの場合、正確ではありま
校正キットの標準の定義の変更は
せん。また、変換部の不整合がイン
E8358A上でAdvanced Modify Cal Kitダ 標準の定義が変更されてテスト・フ ピーダンスの不連続によってのみ生
イアログから簡単に行えます。図15 ィクスチャの特性が含まれると、更 じることも前提です。一般的に同軸
はショート、オープン、ロード、ス 新済み校正キットがユーザ・キット から非同軸への変換部はこのように
ルー・モデルの定義のオフセット遅 として保存されます。アナライザの 単純にはモデル化することはできず、
延、オフセット損失、オフセット・ メモリ内に保存されている他のキッ テスト・フィクスチャの詳細なモデ
インピーダンスを変更する場合に使 トと区別がつくように、新しい校正 ルを実装することが必要です。フィ
用する定義テーブルを示しています。 キットに区別可能な名前を付けてく クスチャの複雑なモデルを導入する
ださい。また、E8358A PNAは、キッ には、誤差補正プロセス中にVNAが
このプロセスは、対象の周波数レン トのID番号を各校正キットの定義テ 使用する12ターム誤差モデル全体の
ジ に 対 し て ベ ク ト ル ・ ネ ッ ト ワ ー ーブルに指定します。
変更が必要になります。次のセクシ
ク・アナライザを校正する際に使用
ョンでは、ベクトル・ネットワー
する同軸校正キットを選択すること こうして、校正キットの種類に合わ ク・アナライザの誤差モデルとアナ
から始まります。また、テスト・フ せて選択された新しい定義により、 ライザのメモリ内に保存された誤差
ィクスチャのオフセット遅延、損失、 標準同軸、フル2ポート校正を使用し 項を変更するプロセスについて説明
インピーダンスの値が必要です。例 てアナライザの校正を行うことがで します。
えば、フィクスチャの全「スルー」 きます。同軸校正が完全に終了する
遅延を650psと仮定すると、オフセッ までテスト・フィクスチャを接続し
ト損失は10GΩ/s、オフセット・イン ません。アナライザにおける誤差補
ピーダンスは50Ωと求められます。 正には、校正時のフィクスチャ損失、
また、フィクスチャは対称であり、 遅延、インピーダンスの影響が含ま
フィクスチャの半分ずつに325psの遅 れています。
延があると仮定します(この値を使用
してショート、オープン、ロードの
定義が変更されます)。ここで、選択
した同軸校正キットの定義を変更し
てテスト・フィクスチャの特性を含
めます。
オフセットZ 0 はオフセット長内での
特性インピーダンスです。この項を
変更して、フィクスチャの特性イン
ピーダンスの入力に使用することが
できます。
スルー遅延を変更し、元の遅延から
テスト・フィクチャのスルー遅延の
合計を引き算した値にします。たと
えば、元の遅延は0psなので、変更し
た遅延は−650psに設定します。また、
スルー損失は10GΩ/s、Z0は50Ωに設
定します。
フィクスチャの半分からの遅延を元
の定義から引くことにより、ショー
ト遅延を変更します。たとえば、
85033E 3.5mm校正キットを使用して
いる場合、元のオフセット遅延は
31.798psと定義されています。この値
を(この例では31.798ps−325psを計算
して)−293.202psに変更します。損失
を10GΩ/sに変更します。この例では
オフセット・インピーダンスは50Ω
のままにできます。オープンの定義
とロードの定義についても同じ変更
を行います。
図15. 変更した校正キット定義を示すE8358A PNAダイアログ
13
12ターム誤差モデルの変更
ある意味では、VNAの校正プロセス
はシステム誤差を測定値からディエ
ンベディングすることです。図16は、
1ポート・デバイスを測定する場合に
関係する3つのシステマチック誤差を
示したものです。これらの誤差が
DUTの測定値と理想測定システムの
間に入ります。Edfは、ポート1の方向
性カプラを通る信号漏れにより生じ
る順方向方向性誤差項です。E rf は、
テスト経路と基準経路の経路差異に
VNAの校正と誤差モデル
より生じる順方向反射トラッキング
項です。Esfは、VNAのテスト・ポー
どのようなネットワーク測定でも測 ト・インピーダンスがソース・イン
定誤差が存在します。VNAを測定に ピーダンスと確実に整合していない
使用する場合には、不確かさの原因 ために生じる順方向ソース整合項で
を測定するか計算することで測定の す。これら3つの項を、1ポート測定
不確かさを減らすことができます。 システムの誤差アダプタ係数と呼び
VNAの校正中には、既知のデバイス ま す 。 こ れ ら は 順 方 向 誤 差 項 で 、
の振幅応答と位相応答が測定され、 VNAのポート1に関連する項として定
測定値とこのデバイスの実際の特性 義されています。逆方向に対しては、
が比較されます。その結果を使用し ポート2からの反射測定に関連する別
て ア ナ ラ イ ザ の 特 性 が 評 価 さ れ 、 の3つの項があります。
DUTの測定データからシステマチッ
ク誤差が効果的に取り除かれます8。
このセクションでは、テスト機器の
システマチック誤差の除去のために
VNAで使用される12ターム誤差モデ
ルを説明します。次に、テスト・フ
ィクスチャ・モデルをVNAの誤差モ
デルに統合するためにディエンベデ
ィング演算を作成します。これによ
って、フィクスチャの影響を含めず
VNAにより直接測定データを表示す
ることができます。
システマチック誤差は、理想的でな
い測定システムから生じる再現性の
ある誤差です。例えば、カプラの方
向性の影響、ケーブル損失、テス
ト・システムとDUTの不整合などか
ら測定誤差が生じます。典型的な2ポ
ート同軸テスト・システムは、補正
が可能な12の誤差を持つものとして
モデル化できます。これらの誤差は、
システムの校正中にその特性が評価
され、DUTの測定値から数学的に取
り除かれます。測定システムが時間
と温度に対して安定している限り、
これらの誤差には再現性があり、そ
れ以降のすべての測定に対して同じ
校正を使用することができます。
14
VNA校正手順では、十分な数量の既
知デバイスまたは校正標準が必要で
す。この場合は、3つの標準を1ポー
ト校正に使用します。誤差アダプタ
のこれらの項を、標準の直接測定値
すなわち生測定値を基にVNAが計算
します。典型的な同軸校正キットに
は、校正プロセスのこのステップで使
用するショート、オープン、ロードが
内蔵されています。誤差アダプタの
特性が評価されれば、DUTの補正さ
れた測定値をVNAディスプレイに直
接表示することができます。DUTの
実際のS11Aを計算する式は以下のよう
になります。この式では、3つの反射
誤差項とDUTのS 11M の測定値を使用
しています。
理想測定
システム
誤差アダプタ
図16. 1ポート誤差アダプタ・モデルの信号フロー図
誤差アダプタの上記モデルを2ポート
測定に拡張すると、順方向の測定値
にはさらに3つの誤差項が存在するこ
とが分かります。ここでも、順方向
測定をVNAのポート1から出力される
スティミュラス信号に関連する測定
として定義します。加わる誤差項は
Etf、Elf、Exfで、それぞれ順方向伝送、
順方向負荷整合および順方向クロス
トークです。誤差項の総数は12にな
り、順方向が6つ、逆方向が6つです。
2ポート誤差モデルの順方向誤差項の
フロー図を図17に示します。この図
には、DUTのSパラメータも示してあ
ります。この順方向誤差モデルは、
DUTの実際のS11とS21の計算に使用
します。実際のS12とS22の計算は、
逆方向誤差項を使用して行います。
逆方向の誤差モデルは図17と同じで、
順方向項をすべて逆方向項に置き換
えたものです8。
誤差項を変更してフィクスチャの
誤差を含める
順方向誤差モデルを検討してDUTの
前後にテスト・フィクスチャを挿入
すると、フィクスチャ項を含む新し
いフロー・グラフ・モデルができま
す。図18は、元の順方向校正項にフ
クスチャ誤差項をカスケード接続し
たものです。この図には、2組の誤差
項を組み合わせることで1組の新しい
順方向誤差項ができることも示して
あります。新しい誤差項はダッシュ
のついた変数で表しています。同じ
ことが逆方向誤差モデルにも当ては
まります。テスト機器のシステマチ
ック誤差とテスト・フィクスチャの
誤差の両方をVNAにより補正するた
めには、合成誤差モデルも従来の12
ターム誤差モデルの形でなければな
らないことに注意してください。こ
れには、フロー図の左側の順方向伝
送項に1の値を使用することも含まれ
ます9。
図17. 順方向2ポート誤差項の信号フロー図
図18. 順方向2ポート誤差項と組み合わせたテス
ト・フィクスチャのSパラメータの信号フロー図
15
変更した誤差項を再ノーマライズす
ると、測定器とフィクスチャの合成
誤差を表すために用いる1組の式が得
られます。これらの項をアナライザ
の誤差補正アルゴリズムに入力する
と、表示される測定値がデバイス面
におけるDUTの測定値のみになりま
す。テスト・フィクスチャの影響は
測定値からディエンベディングされ
ます。
式の中で変更されていない誤差項が
2つあります。順方向および逆方向ク
ロストーク誤差項のExfとExrです。こ
こで、テスト・フィクスチャでの漏
れ信号は、測定器内部のアイソレー
ション誤差項よりも低いものとしま
す。場合によってはこの仮定が当て
はまらないことがあり、特にマイク
ロストリップ伝送ラインのあるテス
ト・フィクスチャを使用する場合に
このことが言えます。多くの場合、
フィクスチャ内の放射によって測定
器の2つのテスト・ポート間のアイソ
レーションは低下します。アイソレ
ーション項をモデル化する前に、こ
の項によってDUTの測定値に大きな
誤差が生じるかどうかを見極める必
要があります。測定するDUTに10dB
の挿入損失(S21)があり、フィクスチ
ャのアイソレーションが60dBであれ
ば、これらの2つの信号の差は50dBと
なり、S21の測定値に加わる誤差は
0.03dBおよび0.2度未満です。DUT測
定にテスト・フィクスチャまたは測
定器のアイソレーションのオーダの
非常に大きな挿入損失がなければ、
クロストーク誤差項を変更しないで
使用することができ、また多くの場
合VNA校正からクロストーク誤差項
の両方を省略できます。
Edf=順方向(ポート1)方向性
Edr=逆方向(ポート2)方向性
Esf=順方向(ポート1)ソース・マッチ
Esr=逆方向(ポート2)ソース・マッチ
Erf=順方向(ポート1)反射トラッキング
Err=逆方向(ポート2)反射トラッキング
Exf=順方向(ポート1)アイソレーション
Exr=逆方向(ポート2)アイソレーション
Elf=順方向(ポート1)ロード・マッチ
Elr=逆方向(ポート2)ロード・マッチ
Etf=順方向(ポート1)伝送トラッキング
Etr=逆方向(ポート2)伝送トラッキング
FA11=S11テスト・フィクスチャA(左側)
FB11=S11テスト・フィクスチャB(右側)
FA21=S21テスト・フィクスチャA(左側)
FB21=S21テスト・フィクスチャB(右側)
FA12=S12テスト・フィクスチャA(左側)
FB12=S12テスト・フィクスチャB(右側)
FA22=S22テスト・フィクスチャA(左側)
FB22=S22テスト・フィクスチャB(右側)
16
DUTに非常に大きな挿入損失がある
場合は、ディエンベディング・モデ
ルにフィクスチャのアイソレーショ
ン項を含める必要があるでしょう。2
つの終端をテスト・フィクスチャ内
に配置し、フィクスチャの漏れまた
はアイソレーションを測定すること
でこの項を測定できます。
VNAでのディエンベディング・
ステップ
E8358A PNAシリーズ・ネットワー
ク・アナライザの自動化機能を使用
すれば、この方法を外部コンピュー
タを使用しないで容易に実行するこ
とができます。ネットワーク・アナ
ライザは、PCベースでWindows®
2000オペレーティング・システムを
次 の ス テ ッ プ で は 、 S O L T( S h o r t 、 搭載しています。フロッピー・ドラ
Open、Load、Thru)またはTRL(Thru、 イブ、内蔵LANインピーダンスまた
Relection、Line)などの任意の校正タ はUSB互換デバイスを使用してフィ
イプを使用して、VNAに対して標準 クスチャ・モデルをアナライザにダウ
同軸2ポート校正を実行します。この ンロードできます。
方法では、従来の12ターム誤差モデ
ルを用いるため、3個または4個のレ フィクスチャをディエンベディング
シーバを用いるネットワーク・アナ すると校正誤差係数にどのような影
ライザを使用することができます。 響があるかを見るため、方向性誤差
次に、この校正内容がアナライザの 項を調べてみます。図19は、E8358A
メモリに保存されます。この同じデ PNAシリーズ・ネットワーク・アナ
ィエンベディング方法を、最初の3つ ライザの順方向方向性誤差項を示し
の誤差項、すなわちポート1測定のEdf、 たものです。下のトレースは、標準
Esf、Erfとポート2測定のEdr、Esr、Errだ 3.5mm同軸校正キットを使用した場
けを変更することで1ポート・デバイ 合の方向性誤差です。上のトレース
は、同じ項を変更して同軸−マイク
スに応用できます。
ロストリップ・テスト・フィクスチ
フル2ポート校正を用いると、12の誤 ャの影響をディエンベディングした
差項がコンピュータ・プログラムに ものです。方向性は、テスト・ポー
ダウンロードされ、各サイドのテス トに良い終端を配置した場合にレシ
ト・フィクスチャのモデルを使用し ーバ入力に現れる漏れ信号の合計な
て変更されます。次に、変更された ので、一般的にこの誤差項の不確か
12の誤差項がアナライザの校正メモ さが、良く整合のとれたDUTの反射
リに戻されます。この時点で、VNA 測定に影響します。この例では、デ
はDUTのディエンベディングされた ィエンベディングを実行しなければ、
応答を表示します。4つのSパラメー テスト・フィクスチャによりリター
タのすべてをテスト・フィクスチャ ン・ロスの測定機能がフィクスチャ
の影響なくリアルタイムで表示する の生パフォーマンスにまで、この場
ことができます。
合は約15dBまで低下します。
ディエンベディング・プロセスでは、
最初にDUTの両側に配置したフィク
スチャのモデル作成します。このモ
デルの精度が、DUTのディエンベデ
ィングされた測定の精度に直接影響
します。
測定例として、マイクロストリッ
プ・テスト・フィクスチャに取り付
けた表面実装増幅器のリターン・ロ
スと利得を測定してみます。標準2ポ
ート同軸校正を使用してアナライザ
を校正した場合の測定結果と、同
軸−マイクロストリップ・フィクス
チャのモデルを使用してテスト・フ
ィクスチャをディエンベディングし
た場合の測定結果を比較します。図
20は、2GHzの帯域幅で測定した増幅
器のS11です。標準同軸校正を使用し
た場合は、測定されたS11から、応答
に過剰なリップルがあることが分か
りますが、これはテスト・フィクスチ
ャと表面実装増幅器の不整合による
相互作用が原因です。測定値からテ
スト・フィクスチャをディエンベディ
ングすると、表示される増幅器の実
際のパフォーマンスは、周波数の関
数としてのリニアな動作になります。
図19. 標準同軸校正を使用した場合の順方向方向性誤差項(1)
(下のトレース)とこれを
変更して同軸−マイクロストリップ・テスト・フィクスチャのディエンベディングの影
響を含めたもの(2)
(上のトレース)
17
テスト・フィクスチャのディエンベデ
ィングの影響がある状態とない状態
で測定したS21も調べてみます。図21
は、2∼4GHz帯域で測定した利得応
答です。S11応答とよく似ていますが、
標準同軸校正を使用した測定ではS21
応答に余分なリップルがあります。
測定にフィクスチャの挿入損失が含
まれるため、全体の利得も約0.5dB低
下しています。フィクスチャをディエ
ンベディングすると、測定される増
幅器利得は増加し、周波数帯域全体
でリップルも低くなります。
図20. 測定した表面実装増幅器のS11。大きなリップルのあるトレースは
標準同軸校正を使用した場合の応答です。リニア・トレースはディエンベ
ディングを行った場合の応答です。
図21. 測定した表面実装増幅器のS21。下のトレースは標準同軸校正を使
用した場合の応答で、上のトレースはディエンベディングを行った場合の
応答です。
18
仮想ネットワークの
エンベディング
ディエンベディング・プロセスは、
VNAの校正面または測定面とDUT面
の間に配置された物理的ネットワー
クの影響を取り除くために使用しま
す。逆に、同じ方法を使って、同じ2
つの面の間に“仮想”ネットワークを
挿入することもできます。これによ
り、実際には存在しない大きなシス
テム内にDUTが配置されているもの
として、ユーザがDUTを測定するこ
とが可能になります。多くの場合、
デバイスはまず単純な回路でチュー
ニングされ、その後で大きなネット
ワーク・アセンブリの中に配置しま
す。DUTとネットワークの間の相互作
用のために、通常は2回目のデバイ
スのチューニングが必要となります。
現在では本書で説明するディエンベ
ディング・プロセスを使用して、大
きなネットワーク・アセンブリを
VNA測定にエンベディングできるよ
うになりました。このため、仮想ネ
ットワークの影響を含めたDUTのリ
アルタイム測定が可能です。新たに
必要となるステップは、エンベディ
ングする仮想ネットワークのアンチ
ネットワーク・モデルを作成すること
だけです。
アンチネットワークとは、別の2ポー
ト・ネットワークにカスケード接続
すると単位ネットワークになる2ポー
ト・ネットワークと定義されていま
す。図22はカスケード接続したネッ
トワーク[S]と[SA]で、それぞれ元
のネットワークとアンチネットワー
クを表します。これら2つのネットワ
ークをカスケード接続すると、無反
射で無損失の理想ネットワークがで
きます。これら2つのネットワーク
[S]と[SA]を測定面とDUT面の間に
挿入すると、測定されるDUTのSパラ
メータに差はありません。ネットワ
ークをディエンベディングするプロ
セスでは、測定面がDUT面に近づき
ます。逆に、ネットワークをエンベ
ディングするプロセスでは、測定面
がデバイス面から遠ざかります
(図23)
。
したがって、アンチネットワーク[SA]
により測定面をDUTに近づけること
(ディエンベディング)は、ネットワ
ーク[S]により測定面をDUTから遠
ざけること(エンベディング)と同じ
です。
19
図22. ネットワークおよびアンチネットワーク
表現を使用した単位行列の定義
ディエンベディング
測定面
DUT面
エンベディング
測定面および
DUT面
図23. 2ポート・ネットワークのディエンベデ
ィングとエンベディングにおける測定面の移動
を示す図
ネットワークをエンベディングする
ためには、最初にアンチネットワー
クを計算して、前に作成した同じデ
ィエンベディング・アルゴリズムを
適用する必要があります。アンチ・
ネットワークの計算式は以下のとお
りです。
20
測定される応答への仮想ネットワー
クのエンベディングの例として、表
面実装増幅器とこの増幅器の後に配
置した仮想バンドパス・フィルタ・ネ
ットワークを測定してみます。図24
は、フィルタ・ネットワークをエン
ベディングする前後で測定した応答
です。上のトレースは、増幅器のみ
で測定した利得です。この場合、増
幅器の利得は2GHz帯域幅全体でほぼ
フラットになっています。下のトレ
ースは、増幅器とエンベディングし
たフィルタ・ネットワークの応答で
す。この場合には、測定した利得が変
化してバンドパス・フィルタ・ネット
ワークの影響が含まれています。仮
想フィルタをVNAの誤差項にエンベ
ディングすることで、実際の測定の
物理的部分ではないフィルタのモデ
ルを使用して増幅器の利得を最適化
することができます。
まとめ
本書では、Sパラメータ・ネットワー
クを被測定デバイスにディエンベデ
ィングおよびエンベディングする方
法を説明しました。ベクトル・ネッ
トワーク・アナライザのエラー補正
アルゴリズムを使用すれば、エラー
係数を変更して、2ポート・ネットワ
ークをディエンベディングまたはエ
ンベディングするプロセスを直接ア
ナライザからリアルタイムで行うこ
とができます。
図24. 仮想バンドパス・フィルタ・ネットワーク
を表面実装増幅器の測定にエンベディングした場
合の影響を示すS21の測定値。上のトレースは、
増幅器のみで測定した応答です。下のトレースは、
エンベディングしたフィルタ・ネットワークを含
む応答です。
21
付録A:
SおよびTパラメータ行
列の関係
2ポート・ネットワークのTパラメータ
を求めるには、従属波はネットワー
クのポート1に関連し、独立波はポー
ト2の関数となるように入射波と反射
波を調整する必要があります(図A1
を参照)。この定義は、1つのネット
ワークの出力波が次のネットワーク
の入力波と同一の複数の2ポート・ネ
ットワークをカスケード接続する場
合に便利です。これにより、2ポー
ト・ネットワークの特性ブロックで
単純な行列の掛け算を行うことが可
能になります。
TパラメータとSパラメータの間の数
学的関係は図A2のとおりです。
図A1. 2ポートTパラメータ・ネットワークの定義
図A2. TパラメータとSパラメータの関係
22
参考文献
1)Edwards, T.C.『 Foundations of
Microstrip Circuit Design』 John
Wiley&Sons、1981年
2)
『ベクトル・ネットワーク・アナラ
イザを使用したインフィクスチャ測
定 Agilent Application Note 1287-9』
1999年5月
3)
『Use Agilent EEsof and a Vector
Network Analyzer to Simply Fixture
Deembedding Agilent White Paper』
カタログ番号5968-7845E、1999年
10月
4)
『 S Parameter Design HewlettPackard Application Note 154』1972
年4月(最新版については、同書を
参照)
5)
『ベクトル・ネットワーク解析の
基礎 Agilent Application Note 1287-1』
1997年5月
6)Hunton, J.K.『Analysis of Microwave
Measurement Techniques by Means of
Signal Flow Graphs』IRE Transactions
on Microwave Theory and Techniques、
1960年3月、IEEE MTT Microwave
Digital Archiveで入手可能、IEEE
Product Number JP-17-0-0-C-0
7)
『Specifying Calibration Standards
For The Agilent 8510 Network
Analyzer Product Note 8510-5A』
2000年7月
8)
『ネットワーク アナライザ測定に
対 す る 誤 差 補 正 の 適 用 Agilent
Application Note 1287-3』1999年4月
9)Elmore, G.『De-embedded Measurements
Using the 8510 Microwave Network
Analyzer』Hewlett-Packard RF&
Microwave Symposium、1985年
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サポート、サービス、およびアシスタンス
アジレント・テクノロジー株式会社
アジレント・テクノロジーが、サービスおよびサポートにおいてお約束できることは明確です。リ
スクを最小限に抑え、さまざまな問題の解決を図りながら、お客様の利益を最大限に高めることに
あります。アジレント・テクノロジーは、お客様が納得できる計測機能の提供、お客様のニーズに
応じたサポート体制の確立に努めています。アジレント・テクノロジーの多種多様なサポート・リ
ソースとサービスを利用すれば、用途に合ったアジレント・テクノロジーの製品を選択し、製品を
十分に活用することができます。アジレント・テクノロジーのすべての測定器およびシステムには、
グローバル保証が付いています。製品の製造終了後、最低5年間はサポートを提供します。アジレ
ント・テクノロジーのサポート政策全体を貫く2つの理念が、「アジレント・テクノロジーのプロミ
ス」と「お客様のアドバンテージ」です。
本社〒192-8510 東京都八王子市高倉町9-1
アジレント・テクノロジーのプロミス
お客様が新たに製品の購入をお考えの時、アジレント・テクノロジーの経験豊富なテスト・エンジ
ニアが現実的な性能や実用的な製品の推奨を含む製品情報をお届けします。お客様がアジレント・
テクノロジーの製品をお使いになる時、アジレント・テクノロジーは製品が約束どおりの性能を発
揮することを保証します。それらは以下のようなことです。
● 機器が正しく動作するか動作確認を行います。
● 機器操作のサポートを行います。
● データシートに載っている基本的な測定に係わるアシストを提供します。
● セルフヘルプ・ツールの提供。
● 世界中のアジレント・テクノロジー・サービス・センタでサービスが受けられるグローバル保証。
計測お客様窓口
受付時間 9:00-19:00
(12:00-13:00もお受けしています。土・日・祭日を除く)
FAX 、E-mail 、Web は 24 時 間 受 け 付 け て い ま す 。
TEL ■■ 0120-421-345
(0426-56-7832)
FAX ■■ 0120-421-678
(0426-56-7840)
Email
www.agilent.co.jp/find/tm
●
お客様のアドバンテージ
お客様は、アジレント・テクノロジーが提供する多様な専門的テストおよび測定サービスを利用す
ることができます。こうしたサービスは、お客様それぞれの技術的ニーズおよびビジネス・ニーズ
に応じて購入することが可能です。お客様は、設計、システム統合、プロジェクト管理、その他の
専門的なサービスのほか、校正、追加料金によるアップグレード、保証期間終了後の修理、オンサ
イトの教育およびトレーニングなどのサービスを購入することにより、問題を効率良く解決して、
市場のきびしい競争に勝ち抜くことができます。世界各地の経験豊富なアジレント・テクノロジー
のエンジニアが、お客様の生産性の向上、設備投資の回収率の最大化、製品の測定確度の維持をお
手伝いします。
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Agilent電子計測ソフトウェアおよびコネクティビティ
Agilentの電子計測ソフトウェアおよびコネクティビティ製品、ソリューション、デベロッパ・ネ
ットワークは、PC標準に基づくツールによって測定器とコンピュータとの接続時間を短縮し、
本来の仕事に集中することを可能にします。詳細についてはwww.agilent.co.jp/find/jpconnectivity
を参照してください。
Windows®およびMS Windows®は、Microsoft Corpの米国における登録商標です。
January 19, 2004
5980-2784JA
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