DUTの反射係数ΓまたはS11を測定する場合、反射信号の量はDUTの入力インピーダンスに依 存します。S11は、DUTのインピーダンスと測定システムの特性インピーダンスZoとの違いを示す 測定値です。ほとんどの高周波テスト機器は、50Ωの特性インピーダンスを持ちます。一部の低 周波アナライザには、CATVアプリケーション向けの75Ω特性インピーダンスの構成が用意されて います。DUTが50Ω終端の場合、S11の振幅は0。DUTがショート回路の場合、信号がすべて反射 され、S11の振幅は1 (0 dB)、位相は180°となります。
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Network Analyzer Basics
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R = 50 Ohms
L = 50 nH
S 11
DUT
周波数
= 30 kHz to 3 GHz
理想的な直列 R-L 回路
S11 フォーマットを表示の例
反射測定(S11またはS22)に役立つフォーマットについて知るために、この単純なR-L回路のS11測 定結果について検討します。インダクタLのインピーダンスは低周波ではきわめて小さく、回路から はショートに見えます。インダクタが短絡しているとDUTは50Ω終端に見えるため、反射係数の大 きさは非常に小さくなります。高周波ではインダクタのインピーダンスが非常に大きくなり、DUTは オープン回路に見えるようになります。この場合、反射係数が非常に大きくなります。この理想回 路に対して、周波数を30 kHzから3 GHzまで掃引し、複数の異なる表示フォーマットでS11を測定し ます。
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R = 50 Ohms
L = 50 nH
Z IN
L j R jX R
Z
IN= + = + w
30 kHzでは
W
» +
= 50 j 0 . 009 50
Z
IN“
マッチング良好”
3 GHzでは
W
» +
= 50 j 942 j 942
Z
IN“
オープン回路” 例
周波数依存項
入力インピーダンス Z IN の計算
DUTの入力インピーダンスは、振幅と位相、あるいは実数部と虚数部によって表現できます。イン ピーダンスの実数部は抵抗Rと呼ばれ、虚数部Xはリアクタンスと呼ばれます。リアクタンスは、測 定周波数におけるデバイス特性に応じて、誘導性にも容量性にもなります。理想インダクタのリア クタンスはωL、理想キャパシタのリアクタンスは1/ωCです。リアクタンスは通常、インピーダンス の周波数に依存する項で、多くのデバイスでは測定周波数に応じて誘導性にも容量性にもなりま す。例えば、チップ・キャパシタは低周波では容量性ですが、周波数が自己共振点を超えると、リー ドやパッケージのインダクタンスがキャパシタ自体の容量よりも大きくなるため誘導性に変わりま す。
上記の直列R-L回路の場合、30 kHzではリアクタンスは非常に小さく(X=0.009Ω)、回路の入力イ ンピーダンスは回路抵抗の50Ωにほぼ一致します。この付近の周波数ではDUTは50Ω終端で、
システムの特性インピーダンスとよく整合したデバイスです。周波数が増加するにつれ、R-L回路 はオープン回路に近づきます。3 GHzではインピーダンスは約942Ωで、非常に反射の大きいDUT となります。
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) ( log 20 )
( 10
11 dB = r
S
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STOP 3. 000 000 000 GHz
CH1 S11 log MAG
START . 000 030 000 GHz
5 dB / REF -20 dB
S11 を dB で表したものは Return Loss です
マッチング良好
S
11< -35 dB
マッチング悪い S 11 ~ 0dB
S11 の Log MAG フォーマット表示
S11=ρ∠θの場合 S11(LogMag)=20logρ 周波数(Hz)
(dB)
振幅比
Sパラメータに対して最も広く用いられる表示フォーマットの1つがLog MAGフォーマットです。S11ま たはS22測定でLog MAGフォーマットを選択した場合、その値は通常DUTのリターン・ロスと呼ばれ ます。
このフォーマットを計算するには、S11の測定結果の振幅の20 LOG10を取ります。
例えば測定したS11=0.5∠30°の場合、S11(LogMag)=20log0.5=-6dBとなります。
また、S11=a+jbといった表現からLogMagの値を計算する場合は、S11(LogMag)= 20log[√(a2+b2)]
となります。
注意すべき点として、リターン・ロスはdBで表わされるスカラ量です。リターン・ロスの定義にはマイ ナス符号が含まれているので、リターン・ロスの値は常に正です(ネットワーク・アナライザで対数 振幅フォーマットを使ってS11またはS22を測定した場合、結果のマイナス符号を無視するとリター ン・ロスが得られます)。リターン・ロスは、反射信号が入射信号より何dB下にあるかを示す値と考 えることができます。リターン・ロスは、無限大(Zoインピーダンスの場合)から0 dB(オープンまたは ショート回路の場合)のあいだで変化します。
この単純なR-L回路の場合、Log MAGスケールでS11を測定すると、低周波では非常に良好な整 合性が見られます。低周波でのDUTの入力インピーダンスは約50Ωです。S11の測定値は、30 kHzで-35 dBより上です。周波数が増加するにつれ、S11の値が-35 dBからほぼ0 dBまで増加す ることがわかります。0 dBのS11は、DUTによる完全反射を表わします(全反射の場合、反射係数r
= 1)。この例では、周波数が増加するにつれて、回路の誘導性部分が非常に大きくなり、反射デ バイスとなることがわかります。
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STOP 3. 000 000 000 GHz