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ネットワークアナライザの基礎

1950’

1960’

1985’

2010’

2Page

１. Sパラメータについて

２. ネットワークアナライザの構造と動作原理

３. 誤差解析と測定確度向上

４．ネットワークアナライザのラインアップと測定例

目次

3Page

1. Sパラメータ伝送・反射測定における振幅変化を測定

入射信号

反射信号

伝送信号

反射係数

DUT

伝送係数 B R

RA A/R

B/R

4Page

Sパラメータの定義（順方向特性）

Vi

Vr

Vt

Z0

入射波

反射波

伝送波

（順方向の反射係数）入射波電圧

反射波電圧Γ

V

V

i

r11

S

（順方向の伝送係数）入射波電圧

伝送波電圧

i

t21

V

VS

特性インピーダンスで終端

S11

S12

S21

S22ポート１ ポート2

DUT

5Page

Sパラメータの定義（逆方向特性）

Vi

Vr

Vt

0Z

入射波

反射波

伝送波

（逆方向の伝送係数）入射波電圧

伝送波電圧

i

t12

V

VS

特性インピーダンスで終端

S11

S12

S21

S22ポート１ ポート2

（逆方向の反射係数）入射波電圧

反射波電圧Γ

V

V

i

r22

S

DUT

6Page

Sパラメータの定義

2221

1211

SS

SS

ijS入力ポート

出力ポート

:

:

j

i

番号の付け方

ポート1 ポート2

右にある番号が入力

7Page

Sパラメータの特長

高周波で測りやすい

• DUTを特性インピーダンスで終端して測定できるため、発振や過電流等の問題が少なく、安定した測定ができる

• ネットワークアナライザを使用した測定が可能

直感的でわかり易い

• パラメータがゲイン、ロス、反射などの物理パラメータを表している

回路網解析に使用し易い

• H,Y,Z,Fパラメータなど他のパラメータに変換できる

dB )|(|20log Gain/Loss 2110 S

dB )|(|20log- LossReturn 1110 S

8Page

Sパラメータの活用例

高周波増幅器の整合回路の開発

• 利得、NF、消費電流、発振抑制等の様々なトレードオフを考慮する必要あり

• 増幅器、アンテナ、フィルタの正確なSパラメータもとにスミスチャートを駆使して最適な整合回路を設計

S

出力整合回路

増幅器入力

整合回路

S S

9Page

Sパラメータの活用例

高速デジタル伝送評価や波形の観測点移動

Sパラパッケージ＆基板

Sパラケーブル

KeysightオシロスコープInfiniisim オプション

Keysight Infiniisimシミュレーション・ソフトBr （5991-0759JAJP）より

10Page

２.ネットワークアナライザの構造と動作原理

11Page

信号源 Z0 ロード

信号分離（テスト・セット）

検波器と受信器

プロセッサと

デイスプレイ入射波 反射波 伝送波

DUT1

2

3

4

ネットワーク・アナライザ4つのブロック

12Page

信号源

システムに信号を供給周波数／パワーを掃引現在販売されているアナライザのほとんどはシンセサイザに統一

シンセサイザ内蔵

1

13Page

スプリッタ抵抗性 (損失)無方向性

広帯域

入射基準信号の測定

-6 dB50 W

50 W-6 dB

方向性結合器方向性あり低損失アイソレーション、方向性が良好

低周波域での測定が困難

デバイスへの入力信号

基準用の信号

2 信号分離

基準用の信号

デバイスへの入力信号

14Page

2

方向性(dB)＝アイソレーション(dB)－結合係数(dB)

方向性結合器：入射波と反射波を分離

Directivity Coupler

15Page

ネットワーク・アナライザの基本構成

S11 (反射) = A/R

S21 (伝送) = B/R

基準信号

R

反射信号

A

信号源

方向性結合器またはパワースプリッタ

方向性結合器

DUT

伝送信号

B

Z0 ロード

方向性結合器

16Page

Sパラメータ・テストセット

PNAの例：

17Page

IF フィルタ（IF Bandwidth）について

掃引時間：遅くなる

ノイズ：小さくなる(高ダイナミックレンジ)

IFBWを絞ると入力ノイズレベルも下がります。

掃引時間：速くなる

ノイズ：大きくなる(低ダイナミックレンジ)

10 Hz IFBW 30 kHz IFBW

f

測定ポイント周波数以外のノイズ成分をカットしながら掃引

R2

BA

R1

Port1 Port2

IFBWを広くする

IFBWを狭くするトレードオフ

RF

LO

IFIFBW

レシーバー・

ブロック

18Page

データ表示4

IF フィルタ

IF = F LO F RF±RF

LO

ADC / DSP

19Page

測定フォーマット 振幅系

2017/1/18

LogMag(dB)=

LinMag

SWR（Standing Wave Ratio)

インピーダンスなど値をdB以外の単位で読みたい時

)(log20 10 Sab

Keysight Restricted

20Page

測定フォーマット 位相系

Phase

Positive Phase

Expand Phase

Group Delay

0から360度へ折り返し

-180から180度へ折り返し

郡遅延＝Δ周波数

Δ位相

折り返しなし

Keysight Restricted

21Page

測定フォーマット ベクトル系

Smith Polar

Real Imag

選択したフォーマットでマーカー値が表示されます。

チャート上のトレース表示は変化しませんが、データ保存の際の形式が変わります。

22Page

捕捉：定在波シミュレーション: 反射係数=0.5

23Page

捕捉：定在波シミュレーション: 反射係数=0(理想伝送路)

24Page

捕捉：定在波シミュレーション: 反射係数=1(オープン)

25Page

捕捉：定在波シミュレーション: 反射係数=-1(ショート)

26Page

３. 誤差解析と測定確度向上

S11 M

S11 A

A B

ソースマッチ ロードマッチ

クロストーク方向性

DUT

R

27Page

終端アダプタ DUT

システムの方向性（最悪ケース）

28 dB

17 dB

14 dB

APC-7 to SMA (m)

SWR:1.06

APC-7 to N (f) + N (m) to SMA (m)

SWR:1.05 SWR:1.25

APC-7 to N (m) + N (f) to SMA (f) + SMA (m) to (m)

SWR:1.05 SWR:1.25 SWR:1.15

APC-7 から SMA (m)への変換

カプラの方向性 = 40 dB

方向性による信号

希望測定信号アダプタからの反射

DUT のコネクタ： SMA (f)

誤差の要因:再現性のある誤差:システマティック測定誤差例：アダプタの反射による影響

ρmeasured=方向性＋ρadapter＋ρDUT

28Page

A B

ソースマッチ：ＥＳ ロードマッチ：ＥＬ

クロストーク：ＸＣ方向性：ＥＤ

DUT

周波数応答 反射トラッキング (A/R)：ＥＲＴ 伝送トラッキング (B/R)：ＥＴＴ

R

２ポートデバイス測定では、順方向6つ、逆方向6つの合計１２ターム誤差を測定

システマティック測定誤差

反射 ＥＲ 伝送 ＥＴ

29Page

主たる2つの誤差補正:

●レスポンス校正 (正規化)

シンプルトラッキング誤差のみの補正基準トレースをメモリーに保存し、 データをメモリー値で割る

●ベクトル誤差補正：高精度より多くの標準器が必要位相測定が必要システマティック誤差の全ての要因を評価

S11 M

S11 ALOAD

1-PORT2-PORT

THRU

SHORT

OPEN

OR

OR

THRU

誤差補正の種類

SHORT

OPEN

30Page

ED = 方向性

ERT = 反射測定のトラッキング

ES = ソースマッチ

S11M = 測定値

S11A = 真値

S11MS11AES

ERT

ED

1RF in

エラーアダプタ

・システマティック誤差が既知なら、真のSパラメータが求まる・3つの標準器 (open, short, Z0 load) により3つの誤差が測定される

1ポート誤差モデル（反射）

S11Aを解くための3つの方程式と3つの未知数がある

AS

ARTDM

SE

SEES

111

1111

31Page

１ポート校正

Port1 Port2

Reflection (反射)

Open

Short

Load

・反射測定用・特性の良いターミネーションが必要・３つの誤差を除去:

方向性、ソース・マッチ反射トラッキング

S11=1Δ 0°

S11=1Δ180°

S11=0

32Page

1ポート誤差補正の効果

33Page

Ｓパラメータの真値は４つのＳパラメータの関数になる。

どのＳパラメータを求めるにも順方向と逆方向の両方のデータが必要になる。

計算式はネットワーク・アナライザの機能に入っているので、ユーザはこの式を解く必要はありません！

= 順方向方向性

=順方向ソースマッチ

= 順方向反射トラッキング

= 順方向ロードマッチ

= 順方向伝送トラッキング

= 順方向アイソレーション

ES

ED

ERT

ETT

EL

EX

Port 1 Port 2E

S11

S 21

S 12

S 22

E SE D

E RT

ETT

E L

a 1

b1

A

A

A

A

X

a 2

b 2

順方向モデル

= 逆方向反射トラッキング

= 逆方向伝送トラッキング

= 逆方向方向性

= 逆方向ソースマッチ

= 逆方向ロードマッチ

= 逆方向アイソレーション

E S'

ED'

E RT'

ETT'

EL'

EX'

Port 1 Port 2

S11

S

S12

S 22 E S'E D'

E RT'

E TT'

E L'

a1

b1A

A

A

E X'

21 A

a 2

b 2

逆方向モデル

S a

S m ED

ERT

S m ED

ERT

ES E L

S m E X

ETT

S m E X

ETT

S m ED'

ERT

ES

S m ED

ERT

ES E L EL

S m E X

ETT

S m E X

ETT

11

111

22 21 12

111

122 21 12

( )('

'' ) ( )(

'

')

( )('

'' ) ' ( )(

'

')

S a

S m E X

ETT

S m ED

ERT

ES EL

S m ED

ERT

ES

S m ED

ERT

ES EL

21

21 22

111

122

1

( )('

'( ' ))

( )('

'' ) ' ( )(

'

')EL

S m E X

ETT

S m E X

ETT

21 12

'S E S E (

')( ( ' ))

( )('

'' ) ' ( )(

'

')

m X

ETT

m D

ERT

ES EL

S m ED

ERT

ES

S m ED

ERT

ES EL E L

S m E X

ETT

S m E X

ETT

S a

121

11

111

122 21 12

12

('

')(

(

S m ED

ERT

S m ED

ERT

S a

22

111

22

) ' ( )(

'

')

S m ED

ERT

ES EL

S m E X

ETT

S m E X

ETT

11 21 12

ES

S m ED

ERT

ES EL EL

S m E X

ETT

S m E X

ETT

)('

'' ) ' ( )(

'

')1

22 21 12

1

2ポート誤差モデル

34Page

フル２ポート校正

Port1 Port2

Reflection (反射)

Open

Short

Load

Port1 Port2

Transmission (伝送)

Thru

・最高確度・以下の誤差を除去:

方向性、ソース・マッチロード・マッチ反射トラッキング伝送トラッキングクロストーク

35Page

4ポート誤差モデル

Ed : Ed1,Ed2,Ed3,Ed4

Ex : Ex21,Ex31,Ex41

Ex12,Ex32,Ex42

Ex13,Ex23,Ex43

Ex14,Ex24,Ex34

Es : Es1,Es2,Es3,Es4

El : El21,El31,El41

El12,El32,El42

El13,El23,El43

El14,El24,El34

Er : Er1,Er2,Er3,Er4

Et : Et21,Et31,Et41

Et12,Et32,Et42

Et13,Et23,Et43

Et14,Et24,Et34

Ed1 Es1

1

Er1

El21

El41

El31

Ex21

Et21Port 1

Port 2

Port 3

Port 4

Et41

Et31

Ex41

Ex31

４８タームの誤差要因

36Page

メカニカル校正キット

ＳＯＬＴキット

37Page

電子校正モジュール(ECal)

温度湿度の影響を低減するため、チップは密閉されたケースに入れられ、コネクタまでの経路も温湿度特性のよい特殊なものが用いられている

チップ上に形成されたECal

MMIC（モノリシックマイクロ波集積回路）

温度、湿度変化に対し安定した特性が得られる設計

38Page

オンウェハー測定システムと校正キット

39Page

基準面

標準器が接続された所が基準面と定義される(反射または伝送)

可能な限りDUTに近い所に設置する

校正後の理想的な特性 :

• オープンの反射 = 1∠0°

• ショートの反射 = 1∠180°

• インピーダンス = Z0

基準面

DUTアダプタ アダプタ

Port1 Port2

０Ωショート

50Ω ∞Ωオープン

40Page

校正の検証

校正を終えた後、使用した校正キットを再び接続し、校正されていることを確認します。

Open Short

Load Thru

<±0.1dB

<-30～-40dB

<±0.1dB

<±0.1dB

41Page

捕捉：メカニカル校正キットの注意点校正後、校正キットのオープンとショートを測定したら…

校正キットのオフセット・インダクタンス成分により、点にはならない

校正キットのオフセット容量成分により、点にはならない

オープン ショート

42Page

標準校正キットのデータ

校正標準器には、高精度な校正データが添付されている周波数依存の３次多項式の係数で定義

オープン ショート基準面

基準面

正しい校正キットのタイプを選択

43Page

携帯型 箱型 モジュール型

５.ネットワークアナライザのラインアップと測定例

ENAシリーズテストコストを削減5 Hz to 20 GHz

＋

1スロットPXIネットアナ (M937xA)300 k to 26.5 GHz

高性能PXIネットアナ (M9485A)10 M to 9 GHz

FieldFox いつでもどこでも高精度測定30 k to 50 GHz

PNAシリーズ最高性能を実現300 k to 1.1 THz

幅広いラインナップからお選びいただけます

44Page

Keysight

Leadership in

Modular

箱型ネットアナのラインナップ

4

4

最高水準の信頼性

ENAシリーズテストコストを削減

PNAシリーズ最高性能を実現

PNA-L低価格のマイクロ波ネットアナ300 k to 8.5/13.5/20 GHz

10 M to 43.5/50 GHz

PNA高性能マイクロ波ネットアナ10 M to 13.5/26.5/43.5/50/67 GHz

Up to 1.1 THz with extenders

PNA-X業界最高水準ネットアナ10 M to 8.5/13.5/26.5/43.5/50/67 GHz

Up to 1.1 THz with extenders

E5063A

100 k to 18 GHz

E5061B

5 Hz to 3 GHz

E5071C

9 k to 20 GHz

E5072A

30 k to 8.5 GHz

E5080A

9 k to 9 GHz

ワイヤレスRF部品 大量生産の製造ラ

イン向け 高速デジタル通信 低周波-高周波部品 CATV向け75Ω部品

アンプなどの部品評価 計測、校正ラボ

アンテナテスト 超広帯域な部品評価 ワイヤレスミリ波通信 THz研究

ラックシステムの数ある測定器の機能を1台で実現。

アクティブ部品の線形、非線形の完全な特性評価。

ミリ波ソリューションUp to 1.1 THz

PNA-X

レシーバ

シンプルなSパラ測定 シグナル・インテグリティ 材料測定

電源周りックに最適（低周波対応）

高速伝送路のデバックに最適（TDR機能)

45Page

高速デジタル向けケーブルアセンブリ

ネットワーク・アナライザの用途

ポート数、測定の複雑さの広がり

試料のポート数

測定の複雑さ

アンテナ

パワーアンプ

ケーブルコネクタ

ミキサ

MIMOアンテナSAW

デュプレクサデュプレクサ

カプラ

4

基地局フィルタ

基地局アンテナ

PA + デュプレクサ (PAD)

フロントエンドモジュール

携帯端末用アンテナスイッチモジュール

多ポートスイッチ

TMA

LNA

コンバータ

携帯端末用アンテナ

フェーズドアレイアンテナ・スマートアンテナ

1

46Page

Interconnects

ネットワーク・アナライザの用途

ポート数、測定の複雑さの広がり

試料のポート数

測定の複雑さ

Antenna

PA

Cable

Connector

Adaptor

Mixer

MIMO AntennaSAW Duplexer

(dual-band)Duplexer

Coupler

4

Diplexer

BTS Filter Multi-band

BTS Antenna

PA + Duplexer

(PAD)

FEMiD

Antenna

Switch Module

SPnT SW

TMA

LNA

Converter

Handset

Antenna

Phased Array

Antenna /

Smart Antenna

PXI VNA (M9485A)

PXI VNA (M937X)

箱型ネットアナ(PNAシリーズ)

箱型ネットアナ(ENAシリーズ)

箱型 or モジュール型ネットアナ＋スイッチマトリックス

47Page

1）14GHzバンドパスフィルタ測定例

通過、反射特性 パスバンド通過、群遅延特性

48Page

2）Low Noise Amp測定例

Gain,RL特性

パワー掃引特性@2GHz

Gain特性

AM-PM変換特性

周波数掃引特性@-20dBm

49Page

3）基板の電源ラインのインピーダンス測定例

DC-DCコンバータをIC負荷ボードに接続、電源を５V印可

DC-DCコンバータの働きで

低周波のインピーダンスが数10mΩまで減少

3.3Vout 5Vin

Vref

PWM

+-C

L

1.2uH

180uF

Cout

1uF

50Page

4）USB Type-Cケーブル測定例

12ポート、15GHzのマルチポートSパラ測定– コンプライアンス試験で必要な全ての必須試験項目が一度の接続で測定可能！

• 周波数ドメイン（Sパラメータ）• 時間ドメイン（TDR)

– 測定手順書（MOI）と設定ファイルが以

下からダウンロード可能！設定、校正、測定が簡単にできます。

www.keysight.com/find/ena-tdr_compliance

51Page

１. Sパラメータについて

２. ネットワークアナライザの構造と動作原理

３. 誤差解析と測定確度向上

４．ネットワークアナライザのラインアップと測定例

まとめ

52Page

キーサイトの有償教育コース

• 集合形式トレーニングコース

• 弊社横浜オフィスにて定期開催。実機を用いた実践的なコースとなります。www.keysight.co.jp/find/training

• スタートアップトレーニング

• 製品購入時の取り扱い説明トレーニング。納品させていただいたお客様の現場にて実際に使われる方に納入させていただいた製品でトレーニングを行います。

• オンサイトトレーニング

• お客様のご希望によりオンサイトにてのトレーニングを実施することが可能です。お客様のご要望をとりいれたトレーニングが実施可能です

http://literature.cdn.keysig

ht.com/litweb/pdf/5990-

7268JAJP.pdf

ネットワークアナライザの集合形式トレーニングは次回は2月、4月、5月に予定されております