JP2003215183A - 7ポート型コリレータとその校正方法および7ポート型コリレータを用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置 - Google Patents

7ポート型コリレータとその校正方法および7ポート型コリレータを用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置

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JP2003215183A JP2002010352A JP2002010352A JP2003215183A JP 2003215183 A JP2003215183 A JP 2003215183A JP 2002010352 A JP2002010352 A JP 2002010352A JP 2002010352 A JP2002010352 A JP 2002010352A JP 2003215183 A JP2003215183 A JP 2003215183A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超高周波領域および光領域における高精度か
つ簡易な位相測定方式である6ポート型コリレータの欠
点(2つの波a,aの複素振幅比W=a/a
求める際、|a|<|a|のときに測定精度が悪く
なる)を解消させる。 【解決手段】 aの振幅値をモニターするポート(基
準ポート)に加え、aの基準ポートを追加することに
より、6ポート型コリレータが2組あるように構成した
7ポート型コリレータを設け、複素振幅比を|a|≧
|a|のときはW=a/aを、|a|<|a
|のときはW−1=a/aを求めることにより、常
に単位円内に拘束させて高精度な測定を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波領域(特
に、マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯)や光領域
(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。
【0002】
【従来の技術】高周波領域におけるデバイス、回路や機
器の研究・開発にとって、位相差を測定することは不可
欠なことである。従来からVNA(Vector Network Ana
lyzer:ベクトル・ネットワーク・アナライザ)がその
役割を果たしてきた。VNAは、DUT(Device Under
Test:被測定デバイス)の入射波と反射波、または入
射波と透過波の振幅比と位相差(Sパラメータ:散乱行
列要素)を測定するための装置であり、図4に従来型V
NAの構成を示す。
【0003】従来型VNAは、中核部分が局部発振器と
ミクサから成るPLL(Phase-Locked Loop)回路を用い
たヘテロダイン計測方式で構成されている。また、一般
にVNAは1ポートまたは2ポートDUT測定用の、ス
イッチ回路と方向性結合器(テストセット)を装備して
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来型VNAの測定精
度は、その構成上、位相検出器を含む装置を構成する個
々の部品の精度と確度に大きく依存する。また、VNA
を従来方式で構成している限り、測定周波数が高くなる
に従って局部発振器とミクサの段数が増えるために、装
置は複雑になることは避けられず、価格が著しく上昇す
る問題がある。さらに、上記の理由により、周波数が高
くなるに従って高精度測定が困難になり、現在のとこ
ろ、従来の方式では200GHz(自由空間で波長が約
1.5mm)程度が限界であると考えられており、今や
測定限界周波数に限りなく近づいている。そして、これ
らの問題は、未踏周波数領域であるサブミリ波や光領域
のデバイス、回路や装置の研究・開発にとって大きな障
害となっている。
【0005】1970年代、米国電気標準局(現NIS
T)のG.F.Engenが、図5に示す6ポート型リフレク
トメータ(Six-Port Reflectometer)を考案した。この
方式は、従来方式では周波数が高くなるに従って高精度
な測定が困難となる位相差を、電磁波計測において基本
測定量であり、かつ、計測精度が周波数に殆ど依存しな
い、電力値というスカラー量の計測を基に求めることが
できる。即ち、従来の高精度なハードウェアの要請から
開放され、4つの電力測定と、ハードウェアの不完全さ
を校正と呼ばれるソフトウェア(システムパラメータ)
で補正することが特徴である。
【0006】本願出願人は、6ポート型リフレクトメー
タを1個の複素反射係数未知の可動負荷校正器と、1個
の複素反射係数既知の標準器のみで高精度に校正できる
方式を考案した。さらに、上記方式を発展させて6ポー
ト型コリレータ(Six-Port based Wave-Correlator)を
考案した。6ポート型コリレータの回路構成は図6に示
す通りであり、その機能を簡単に説明すると次の通りで
ある。図6に示すQは、図7に示す90°ハイブリッ
ドであって、入力された波a,bに対し、それぞれc,
dが(1−1)、(1−2)式に示す波を出力する回路
である。
【数1】 6ポート型コリレータは、それぞれ2つの入力ポート1
と入力ポート2に入力された波a,aの複素振幅比
W=a/aを、残り4つのポートの電力値P 〜P
から算出することができるように構成してある。ま
た、基準ポート3に対する各ポートの電力比=P
/Pは次式のように記述できる。
【数2】 ここで、,tは、6ポート型コリレータの回路
構成と周波数に依存するシステムパラメータで、3個の
実数量と、4個の複素量(8個
の実数)t,t,t,tの、合わせて11個の
実数から成る。複素振幅比Wは、複素平面上で3つのポ
ート電力比と、システムパラメータで決定される3つの
円の交点として得られる。円の中心は、システムパラメ
ータのみによって決定され、円の半径はシステムパラメ
ータとa,aの振幅比によって決定される。理論的
には3つの円の交点は1点で交わる。6ポート型コリレ
ータにより、従来の6ポート型リフレクトメータでは不
可能であった2つの波の情報を全て計測に使用でき、か
つ、校正操作が移相器(PhaseShifter)の任意の位置か
ら1周期分動かしながら、各ステップにおける電力値P
〜Pを求める操作のみで済むようになるため、校正
精度が向上した。
【0007】
【課題を解決するための手段】しかし乍ら、実際の計測
では、aの振幅がaの振幅より大きくなる(|a
|<|a|)と、複素平面上で複素振幅比Wが3つの
円の中心を頂点とする三角形の外側となり、三角形重心
より遠くになるに従って(|W|>>1)測定精度が悪
くなる問題がある。一般に3つの円は、電力計測の誤差
などのために1点で交わらない。3つの円が交わる範囲
が広くなるほど、測定精度が悪くなる。複素振幅比Wが
三角形の内側に収まる場合(|a|≧|a|)は、
3つの円が交わる範囲は小さいため精度は良いが、外側
にある場合(|a|<|a|)は、内側に収まる場
合に比べて3つの円が交わる範囲が広くなるため、精度
が悪くなる。
【0008】本発明に係る7ポート型コリレータ(Seve
n-Port based Wave-Correlator)は、上述した従来技術
の欠点を解消するためになされたものであって、それぞ
れa のみに依存するポートと、aのみに依存するポ
ートを設け、a,aの振幅を比較することにより、
複素振幅比Wが複素平面上で常に単位円内に拘束できる
手段を備えるようにしたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しながら説明する。図1は、本発明に係る7ポート
型コリレータの構成図であって、11,12,13は無
反射終端を示し、21,22,23,24,25は90
°ハイブリッドを示す。図6に示す6ポート型コリレー
タが1つの波aの基準ポート3のみを設定しているの
に対し、図1の7ポート型コリレータはaの基準ポー
ト4を追加した構成になっている。これにより、それぞ
れa,aの基準ポート3,4を設定することがで
き、常に2つの振幅比を1以下に拘束することができ
る。即ち、|a|≧|a|のときはW=a/a
を計測し、|a|<|a|のときはW−1=a
を計測すればよい。この方法は、基準ポートを2つ
にしたことにより、他の3つの電力計測ポート5,6,
7を共有する2組の6ポート型コリレータを7ポート型
コリレータで実現したと言える。また、|a|,|a
|の振幅比も容易に測定することができる。7ポート
型コリレータは、6ポート型コリレータと同様に、ハー
ドウェアの不完全さは校正で得られるシステムパラメー
タで補正するので、主要構成部品は必ずしも精密である
必要はなく、汎用の部品でよい。
【0010】7ポート型コリレータの校正方法は、本願
出願人が考案した6ポート型コリレータの校正方法(移
相器を任意の位置から1周期分動かす)に基づいて、W
とW −1を計測するための2組のシステムパラメータを
一度に導出することができる。図2は7ポート型コリレ
ータを校正する場合の説明図である。発振源31が発生
する波は、電力分配器32に入力して2方向に分配され
る。7ポート接合34のポート1には電力分配器32か
ら分配された波aが直接入力するように、ポート2に
は移相器33を介して電力分配器32から分配される波
が入力するように構成してある。ポート3〜7は電
力計測ポートであって、ポート1またはポート2から入
力した波aまたはaに対応した電力値を計測する。
移相器33を任意の位置から1周期分動かしながら、そ
れぞれのステップにおける入力波aおよびaに対応
する電力値を電力計測ポート3〜7において計測する。
7ポート型コリレータの構成は、6ポート型コリレータ
が2組あると考えることができ、それぞれ基準ポート3
から見たときのシステムパラメータを
,t,t,t,tとし、基準ポート4か
ら見たときのシステムパラメータをT´
´T´,t´,t´,t´,t´とし
て、これら22個を一度の校正操作で同時に求めること
ができる。
【0011】また、7ポート型コリレータに、発振源、
テストセット、電力計測装置、マイクロコンピュータを
加えることで、簡単、高精度かつ安価にVNAを実現す
ることができる。図3は、7ポート型VNAの構成図で
ある。例えば、システムパラメータのうちS12(=b
/a|a=0)を求める場合、予めテストセット
のシステムパラメータを求めておき、スイッチは図3に
示す状態で、W(=b´/a´)を計測することに
より求めることができる。
【0012】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による7ポ
ート型コリレータとその校正方法および7ポート型コリ
レータを用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装
置は、それぞれa,aの基準ポート3,4を設け、
2つの波の複素振幅比を複素平面上で常に単位円に拘束
することにより、高精度測定を可能にする。また、7ポ
ート型コリレータを用いることにより、従来方式に比べ
簡単かつ安価に高精度なVNAを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る7ポート型コリレータの構成図。
【図2】本発明に係る7ポート型コリレータの校正時の
構成図。
【図3】7ポート型VNAの構成図。
【図4】従来型VNAの構成図。
【図5】6ポート型リフレクトメータの構成図。
【図6】6ポート型コリレータの構成図。
【図7】90°ハイブリッドの説明図。
【符号の説明】
1,2 入力ポート 3〜7 電力計測ポート 11〜13 無反射終端 21〜25 90°ハイブリッド 31 発振源 32 電力分配器 33 移相器 34 7ポート接合
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 圭 東京都八王子市元本郷町1丁目9番9号 中央電子株式会社内 Fターム(参考) 2G028 AA01 BD01 CG19 FK10 2G030 AA01 AD00 AD08 AG07

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ポート1とポート2より成る2つの入力
    ポートと、残り5つのポートを電力計測ポートとして構
    成した7ポート型コリレータであって、 入力ポート1にのみ依存する電力計測ポート3と、入力
    ポート2にのみ依存する電力計測ポート4を持ち、入力
    ポート1と入力ポート2の電力比によって計測の基準ポ
    ートをポート3またはポート4に切り替え、入力ポート
    1と入力ポート2に入力した2つの波aとaの複素
    振幅比を求めることを特徴とする7ポート型コリレー
    タ。
  2. 【請求項2】 2つの入力ポート(ポート1とポート
    2)と、残りのポートが電力計測ポート(それぞれポー
    ト3〜7)より成る入力ポート1と入力ポート2に入力
    した2つの波aとaの複素振幅比を測定するコリレ
    ータであって、 ポート1から見た場合は、ポート1にのみ依存する電力
    計測ポート3とポート5〜7を持つ組と、ポート2から
    見た場合はポート2にのみ依存する電力計測ポート4と
    ポート5〜7を持つ組の、ポート5〜7を共有する2組
    の6ポート型コリレータを持ち、入力ポート1と入力ポ
    ート2の電力比によって、計測の基準ポートをポート3
    またはポート4に切り替えることを特徴とする7ポート
    型コリレータ。
  3. 【請求項3】 発振源からの波を2方向に分配する電力
    分配器を設け、前記電力分配器から分配される波a
    入力するポート1と、移相器を介して前記電力分配器か
    ら分配される波aを入力するポート2を備えた7ポー
    ト型コリレータにおいて、 前記移相器を任意の位置から一周期分動かしながら、そ
    れぞれのステップにおける電力計測ポート3〜7に入力
    した電力値を求めておき、ポート1に入力した波a
    場合はポート3を基準ポートとしてシステムパラメータ
    (校正定数)を求め、ポート2に入力した波aの場合
    はポート4を基準ポートとしてシステムパラメータ(校
    正定数)を求めるようにしたことを特徴とする請求項1
    または請求項2に記載の7ポート型コリレータの校正方
    法。
  4. 【請求項4】 請求項1または請求項2に記載の7ポー
    ト型コリレータに、発振源、テストセット、電力計測装
    置、およびマイクロコンピュータを設けて構成したこと
    を特徴とする7ポート型コリレータを用いたベクトル・
    ネットワーク・アナライザ装置。
JP2002010352A 2002-01-18 2002-01-18 7ポート型コリレータとその校正方法および7ポート型コリレータを用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置 Expired - Lifetime JP3540797B2 (ja)

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