6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置とその校正方法
【課題】 高周波計測システムの主流となっているVNAの校正方法は、校正時に数種類の標準器の接続と取り外しが必要であり、人為的ミスが発生する原因となっており、測定精度低下の問題が発生していた。
【解決手段】 本願出願人が発明した積分校正法は、従来のような複雑な校正手順を踏むことなしに、1つの移相器と、1つの複素反射係数既知の標準器のみで校正することができるので、校正精度が向上し、Sパラメータを算出する際の誤差を減少させることができる。
【解決手段】 本願出願人が発明した積分校正法は、従来のような複雑な校正手順を踏むことなしに、1つの移相器と、1つの複素反射係数既知の標準器のみで校正することができるので、校正精度が向上し、Sパラメータを算出する際の誤差を減少させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波領域(マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯、テラヘルツ帯)、光領域(赤外線、可視光線、紫外線)などにおける位相測定技術に関する。
【背景技術】
【0002】
高周波測定装置である、6ポート型リフレクトメータ、6ポート型コリレータは、校正により得られるハードウェア固有の情報(校正パラメータ)と、複数の電力測定値(スカラー量)から、2つの波の振幅比と位相差(ベクトル量)を導出する測定装置である。
本測定装置を実現するために用いられるハードウェア(junction:接合)は、6ポートである場合でも6ポートではない場合でも「型」という表現を付加し、「6ポート型接合」と呼ぶ。そして、この「6ポート型接合」を用いた測定装置も同様に「型」という表現を付加し、「6ポート型リフレクトメータ」、「6ポート型コリレータ」と呼ぶ。
以下、6ポートのハードウェアを例に説明する。したがって、「6ポート接合」、「6ポートリフレクトメータ」、「6ポートコリレータ」と表現する。
【0003】
現在のベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)の校正は、数種類の標準器(ショート、オープン、負荷、スルー、ライン等)を接続することによって行われている。
本願出願人は図1に示すように、6ポート接合16、検波器11、スイッチSW1・13,SW2・14、方向性結合器22,23、電力分配器26、発振源21、移相器15、無反射終端器24,25を用いることにより、従来のVNAの測定原理とは異なるVNAを実現している。以下、本VNAを6ポートVNAと呼び、この6ポートVNAの測定ポート1をポートP1、測定ポート2をポートP2と表現する。
この6ポートVNAの校正方法は、現在のところ、6ポート接合部分については、本願出願人が発明した積分校正法によって校正を行い、その他の回路部分については、従来のVNAと同様の校正方法を適用している。
【0004】
図2に示すように、ポート1に発振源19を、ポート2に1ポート供試デバイス(Device Under Test:DUT)18を接続し、ポート2から出力する波b2と入力する波a2との比、つまり、ポート2から1ポートDUT18側を見た複素反射係数γ
γ=a2/b2 ・・・・・ (1)
の測定装置をリフレクトメータと呼ぶ。
また、図3に示すように、ポート1から入力する波a1とポート2から入力する波a2の複素振幅比W
W=a2/a1 ・・・・・ (2)
の測定装置をコリレータと呼ぶ。
6ポート接合は、回路が線形で単一モードのみが伝播する条件下で、出力する波b3,b4,b5,b6はポート1,2に対して入出力する波a1,a2,b2の線形結合で表わすことができる。
すなわち、bi(i=3,4,5,6)はa1,a2,b2を用いて、
bi=Aia1+Bia2 ・・・・・ (3)
bi=Cia2+Dib2 ・・・・・ (4)
と表わすことができる。
ただし、Ai,Bi,Ci,Diは6ポート接合固有の周波数に依存する複素定数である。
そして、ポートiに接続した検波器による電力測定値をPiとするとPiは出力する波biの振幅の二乗に比例し、αを比例定数とすると、
Pi=α|Aia1+Bia2|2 ・・・・・ (5)
Pi=α|Cia2+Dib2|2 ・・・・・ (6)
と表わすことができる。そして、ポート3に対するポートh(h=4,5,6)の電力比3Phは、
と表わされる。この3Th,th,3Kh,khは校正によって求められる校正パラメータである。
【特許文献1】特許第3540797号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来から用いられているVNAの校正方法は、校正手順が複雑であるという問題がある。
この校正手順が複雑であるために、人為的ミスが発生する原因となる。また、校正時に数種類の標準器の接続と取り外しが必要であり、そのために測定精度低下の問題が発生する。
本願出願人が発明した6ポートVNAを用いてDUTのSパラメータを算出する場合、従来の方法では、6ポート接合部分に対する校正パラメータ、その他の回路部分に対する校正パラメータという2種類の校正パラメータを必要とする。
そして、その他の回路部分に対する校正パラメータの精度は、6ポート接合部分の校正パラメータの精度とその他の回路部分の校正時に測定する電力測定値の精度に依存する。従って、DUTのSパラメータを算出する際の誤差が増大する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願出願人が発明した積分校正法は、任意の6ポート接合に適用可能である。そして、6ポート接合にスイッチ、方向性結合器を追加した6ポートVNAもまた6ポート接合として取り扱える。従って、6ポートVNAに対して積分校正法を適用することができる。
【発明の効果】
【0007】
本願出願人が発明した積分校正法を用いると、6ポートVNAは従来の校正方法のような複雑な手順を踏むことなく、1つの移相器と、1つの複素反射係数既知の標準器のみで校正することができるので校正精度が向上し、Sパラメータを算出する際の誤差を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本発明は、S11,S12,S21,S22を測定する4通りの回路の状態それぞれについて、本願出願人が発明した積分校正法を実行し、4通りの校正パラメータを算出する。
算出した校正パラメータをS11測定時にはS11測定用に校正した校正パラメータ、S12測定時にはS12測定用に校正した校正パラメータ、S21測定時にはS21測定用に校正した校正パラメータ、S22測定時にはS22測定用に校正した校正パラメータを使用する。
【0009】
図4は、2ポートDUT17のS11測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、既知の標準器12をポートP1に接続する。この状態は図5に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS11測定用の校正パラメータ3K4,3K5,3K6,k3,k4,k5,k6を算出する。
【0010】
図6は、2ポートDUT17のS12測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は図7に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS12測定用の校正パラメータ3T4,3T5,3T6,t3,t4,t5,t6を算出する。
【0011】
図8は、2ポートDUT17のS21測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は、図9に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS21測定用の校正パラメータ3T4´,3T5´,3T6´,t3´,t4´,t5´,t6´を算出する。
【0012】
図10は、2ポートDUT17のS22測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、既知の標準器12をポートP2に接続する。この状態は、図11に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS22測定用の校正パラメータ3K4´,3K5´,3K6´,k3´,k4´,k5´,k6´を算出する。
以上述べた手順により、従来の校正方法と比較し、6ポートVNAを簡単かつ高精度に校正することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】6ポートVNAの構成図。
【図2】リフレクトメータ。
【図3】コリレータ。
【図4】S11測定用校正回路図。
【図5】S11測定用校正回路に対応する6ポートリフレクトメータ。
【図6】S12測定用校正回路図。
【図7】S12測定用校正回路に対応する6ポートコリレータ。
【図8】S21測定用校正回路図。
【図9】S21測定用校正回路に対応する6ポートコリレータ。
【図10】S22測定用校正回路図。
【図11】S22測定用校正回路に対応する6ポートリフレクトメータ。
【符号の説明】
【0014】
1,2,3,4,5,6 ポート1〜ポート6
11 検波器
12 標準器
13,14 スイッチ
15 移相器
16 6ポート接合
17 DUT(2ポート供試デバイス)
18 DUT(1ポート供試デバイス)
19,20,21 発振源
22,23 方向性結合器
24,25 無反射終端器
26 電力分配器
【技術分野】
【0001】
本発明は、高周波領域(マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯、テラヘルツ帯)、光領域(赤外線、可視光線、紫外線)などにおける位相測定技術に関する。
【背景技術】
【0002】
高周波測定装置である、6ポート型リフレクトメータ、6ポート型コリレータは、校正により得られるハードウェア固有の情報(校正パラメータ)と、複数の電力測定値(スカラー量)から、2つの波の振幅比と位相差(ベクトル量)を導出する測定装置である。
本測定装置を実現するために用いられるハードウェア(junction:接合)は、6ポートである場合でも6ポートではない場合でも「型」という表現を付加し、「6ポート型接合」と呼ぶ。そして、この「6ポート型接合」を用いた測定装置も同様に「型」という表現を付加し、「6ポート型リフレクトメータ」、「6ポート型コリレータ」と呼ぶ。
以下、6ポートのハードウェアを例に説明する。したがって、「6ポート接合」、「6ポートリフレクトメータ」、「6ポートコリレータ」と表現する。
【0003】
現在のベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA)の校正は、数種類の標準器(ショート、オープン、負荷、スルー、ライン等)を接続することによって行われている。
本願出願人は図1に示すように、6ポート接合16、検波器11、スイッチSW1・13,SW2・14、方向性結合器22,23、電力分配器26、発振源21、移相器15、無反射終端器24,25を用いることにより、従来のVNAの測定原理とは異なるVNAを実現している。以下、本VNAを6ポートVNAと呼び、この6ポートVNAの測定ポート1をポートP1、測定ポート2をポートP2と表現する。
この6ポートVNAの校正方法は、現在のところ、6ポート接合部分については、本願出願人が発明した積分校正法によって校正を行い、その他の回路部分については、従来のVNAと同様の校正方法を適用している。
【0004】
図2に示すように、ポート1に発振源19を、ポート2に1ポート供試デバイス(Device Under Test:DUT)18を接続し、ポート2から出力する波b2と入力する波a2との比、つまり、ポート2から1ポートDUT18側を見た複素反射係数γ
γ=a2/b2 ・・・・・ (1)
の測定装置をリフレクトメータと呼ぶ。
また、図3に示すように、ポート1から入力する波a1とポート2から入力する波a2の複素振幅比W
W=a2/a1 ・・・・・ (2)
の測定装置をコリレータと呼ぶ。
6ポート接合は、回路が線形で単一モードのみが伝播する条件下で、出力する波b3,b4,b5,b6はポート1,2に対して入出力する波a1,a2,b2の線形結合で表わすことができる。
すなわち、bi(i=3,4,5,6)はa1,a2,b2を用いて、
bi=Aia1+Bia2 ・・・・・ (3)
bi=Cia2+Dib2 ・・・・・ (4)
と表わすことができる。
ただし、Ai,Bi,Ci,Diは6ポート接合固有の周波数に依存する複素定数である。
そして、ポートiに接続した検波器による電力測定値をPiとするとPiは出力する波biの振幅の二乗に比例し、αを比例定数とすると、
Pi=α|Aia1+Bia2|2 ・・・・・ (5)
Pi=α|Cia2+Dib2|2 ・・・・・ (6)
と表わすことができる。そして、ポート3に対するポートh(h=4,5,6)の電力比3Phは、
と表わされる。この3Th,th,3Kh,khは校正によって求められる校正パラメータである。
【特許文献1】特許第3540797号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来から用いられているVNAの校正方法は、校正手順が複雑であるという問題がある。
この校正手順が複雑であるために、人為的ミスが発生する原因となる。また、校正時に数種類の標準器の接続と取り外しが必要であり、そのために測定精度低下の問題が発生する。
本願出願人が発明した6ポートVNAを用いてDUTのSパラメータを算出する場合、従来の方法では、6ポート接合部分に対する校正パラメータ、その他の回路部分に対する校正パラメータという2種類の校正パラメータを必要とする。
そして、その他の回路部分に対する校正パラメータの精度は、6ポート接合部分の校正パラメータの精度とその他の回路部分の校正時に測定する電力測定値の精度に依存する。従って、DUTのSパラメータを算出する際の誤差が増大する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本願出願人が発明した積分校正法は、任意の6ポート接合に適用可能である。そして、6ポート接合にスイッチ、方向性結合器を追加した6ポートVNAもまた6ポート接合として取り扱える。従って、6ポートVNAに対して積分校正法を適用することができる。
【発明の効果】
【0007】
本願出願人が発明した積分校正法を用いると、6ポートVNAは従来の校正方法のような複雑な手順を踏むことなく、1つの移相器と、1つの複素反射係数既知の標準器のみで校正することができるので校正精度が向上し、Sパラメータを算出する際の誤差を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本発明は、S11,S12,S21,S22を測定する4通りの回路の状態それぞれについて、本願出願人が発明した積分校正法を実行し、4通りの校正パラメータを算出する。
算出した校正パラメータをS11測定時にはS11測定用に校正した校正パラメータ、S12測定時にはS12測定用に校正した校正パラメータ、S21測定時にはS21測定用に校正した校正パラメータ、S22測定時にはS22測定用に校正した校正パラメータを使用する。
【0009】
図4は、2ポートDUT17のS11測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、既知の標準器12をポートP1に接続する。この状態は図5に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS11測定用の校正パラメータ3K4,3K5,3K6,k3,k4,k5,k6を算出する。
【0010】
図6は、2ポートDUT17のS12測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は図7に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS12測定用の校正パラメータ3T4,3T5,3T6,t3,t4,t5,t6を算出する。
【0011】
図8は、2ポートDUT17のS21測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は、図9に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS21測定用の校正パラメータ3T4´,3T5´,3T6´,t3´,t4´,t5´,t6´を算出する。
【0012】
図10は、2ポートDUT17のS22測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、既知の標準器12をポートP2に接続する。この状態は、図11に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS22測定用の校正パラメータ3K4´,3K5´,3K6´,k3´,k4´,k5´,k6´を算出する。
以上述べた手順により、従来の校正方法と比較し、6ポートVNAを簡単かつ高精度に校正することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】6ポートVNAの構成図。
【図2】リフレクトメータ。
【図3】コリレータ。
【図4】S11測定用校正回路図。
【図5】S11測定用校正回路に対応する6ポートリフレクトメータ。
【図6】S12測定用校正回路図。
【図7】S12測定用校正回路に対応する6ポートコリレータ。
【図8】S21測定用校正回路図。
【図9】S21測定用校正回路に対応する6ポートコリレータ。
【図10】S22測定用校正回路図。
【図11】S22測定用校正回路に対応する6ポートリフレクトメータ。
【符号の説明】
【0014】
1,2,3,4,5,6 ポート1〜ポート6
11 検波器
12 標準器
13,14 スイッチ
15 移相器
16 6ポート接合
17 DUT(2ポート供試デバイス)
18 DUT(1ポート供試デバイス)
19,20,21 発振源
22,23 方向性結合器
24,25 無反射終端器
26 電力分配器
【特許請求の範囲】
【請求項1】
6ポート型接合、検波器、スイッチ、方向性結合器、電力分配器、発振源、移相器、無反射終端器により構成される回路において、DUTの接続を変更することなく、DUTの全Sパラメータを算出することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置。
【請求項2】
1つの移相器で6ポート型コリレータを校正する積分校正法を、請求項1に記載の6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置に適用し、6ポート型コリレータとして校正することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置の校正方法。
【請求項3】
1つの移相器と1つの複素反射係数既知の標準器で6ポート型リフレクトメータを校正する積分校正法を、請求項1に記載の6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置に適用し、6ポート型リフレクトメータとして校正することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置の校正方法。
【請求項1】
6ポート型接合、検波器、スイッチ、方向性結合器、電力分配器、発振源、移相器、無反射終端器により構成される回路において、DUTの接続を変更することなく、DUTの全Sパラメータを算出することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置。
【請求項2】
1つの移相器で6ポート型コリレータを校正する積分校正法を、請求項1に記載の6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置に適用し、6ポート型コリレータとして校正することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置の校正方法。
【請求項3】
1つの移相器と1つの複素反射係数既知の標準器で6ポート型リフレクトメータを校正する積分校正法を、請求項1に記載の6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置に適用し、6ポート型リフレクトメータとして校正することを特徴とする、6ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置の校正方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2006−112893(P2006−112893A)
【公開日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−299813(P2004−299813)
【出願日】平成16年10月14日(2004.10.14)
【出願人】(504133110)国立大学法人 電気通信大学 (383)
【出願人】(000210964)中央電子株式会社 (81)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年4月27日(2006.4.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年10月14日(2004.10.14)
【出願人】(504133110)国立大学法人 電気通信大学 (383)
【出願人】(000210964)中央電子株式会社 (81)
【Fターム(参考)】
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