JP2003315395A

JP2003315395A - ベクトル・ネットワーク・アナライザおよびその位相測定方法

Info

Publication number: JP2003315395A
Application number: JP2002119240A
Authority: JP
Inventors: Yukio Iida; 幸生飯田
Original assignee: Sony Ericsson Mobile Communications Japan Inc
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-04-22
Filing date: 2002-04-22
Publication date: 2003-11-06

Abstract

(57)【要約】【課題】位相比較範囲が１８０度の位相比較器を用いた
位相差の測定範囲を３６０度にまで拡張して実用性を高
める。【解決手段】第１の位相比較器９は、第１の基準信号１
を被測定回路５に印加して生じた反射波Ｂと第１の基準
信号１とを位相比較し両者の位相差信号を出力する。第
２の位相比較器１１は、第１の基準信号１と位相が直交
関係にある第２の基準信号２と反射波Ｂとを位相比較し
両者の位相差信号を出力する。処理部１３は、両位相差
信号に基づいて、３６０度の範囲で反射波の位相を測定
する。その際、例えば、処理１３は、第１の位相比較器
９により得られた位相差情報の符号を第２の位相比較器
１１の出力の符号に基づいて決定する。処理部１３は、
両位相差信号の各々の線形な部分を選択して利用するこ
とも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡易的な構成を有
するベクトル・ネットワーク・アナライザおよびその位
相測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ベクトル・ネットワーク・アナライザ
（以下、ＶＮＡ）は、一般に、高周波のインピーダンス
（振幅および位相）を測定する機器である。従来、ＶＮ
Ａを簡易的に構成する方法として、図１２に示すよう
に、ログアンプ（Log Amp）７及び８と位相比較器９と
加算器１０を用いて、基準信号１とこの基準信号の被測
定回路(Device Under Test）５による反射波との位相差
および振幅比を測定する方法がある。アナログデバイセ
ス社のＡＤ８３０２，RF/IF Gain and Phase Detector
は、図１２中のログアンプ７及び８と位相比較器９と加
算器１０を１チップにした集積回路であり、ＶＮＡとし
ての用途を想定している。

【０００３】以下に、図１２のＶＮＡの動作を説明す
る。

【０００４】基準信号１をスプリッタ３で分岐した一方
を方向性結合器４を通して被測定回路５に入射する。入
射波の一部は被測定回路５で反射するので、この反射波
を方向性結合器４で取りだして一方のログアンプ８に入
力する。スプリッタ３で分岐したもう一方の基準信号は
他方のログアンプ７に入力する。ここで、ログアンプ７
と８は入力を増幅する働きと、信号強度を対数に変換す
る働きがある。図ではログアンプを示すブロックの上辺
からの出力が対数変換された出力であり、右辺からの出
力が（振幅制限）増幅された出力である。

【０００５】ログアンプ７と８で増幅された反射波と基
準信号は位相比較器９で位相比較されて、その出力端子
に、位相差に比例した位相差電圧が出力される。この位
相差電圧はＡＤコンバータ１２でデジタル値に変換さ
れ、処理部１３にて位相差に変換される。

【０００６】ログアンプ７と８で夫々に対数変換された
反射波と基準信号の信号強度は、反射波の信号強度から
基準信号の信号強度を加算器１０で減算されて、その出
力端子に、反射波と基準信号の振幅比に比例した振幅比
電圧が出力される。振幅比電圧はＡＤコンバータ１２で
デジタル値に変換され、処理部１３にて対数の電圧値か
ら真数の振幅比に変換される。

【０００７】ＶＮＡでは一般的に、測定した振幅比と位
相差すなわち測定反射係数Γｍの値から、式（１）に示
すように各種の誤差補正を行なって反射係数Γを求めて
いる。

【０００８】

【数１】式（１）において、Ｅｄは方向性結合器に関する誤差係
数、Ｅｓは測定基準面のインピーダンスに関する誤差係
数、Ｅｒは反射波の伝送損失に関する誤差係数であり、
測定に先だって式（２）により事前に求めておく。

【０００９】

【数２】式（２）においてΓ１、Γ２、Γ３は校正標準器の既知
の反射係数であり、校正標準器のこれらの反射係数を実
際に測定して得られた測定反射係数値がΓ１ｍ，Γ２
ｍ、Γ３ｍである。このような誤差補正はＶＮＡを使用
する際に一般的に行なわれておりキャリブレーションと
呼ばれている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図１２の位相比較器９
は、数１００ｋＨｚから数ＧＨｚまでの広帯域で位相差
を検出するためにアナログ乗算器や排他的論理和等の回
路が用いられていて、これらの回路は広帯域である反
面、図３に示すように位相比較範囲が１８０度までしか
なく、ＶＮＡがキャリブレーションを実行するために必
要な３６０度の範囲での反射係数を測定できないという
欠点がある。このため、従来例の簡易的なＶＮＡでは誤
差補正を実行することができずに不正確な測定しか行な
えないという欠陥があった。

【００１１】本発明は、このような背景の下になされた
ものであり、位相比較範囲が１８０度の位相比較器を用
いた位相差の測定範囲を３６０度にまで拡張して実用性
を高めることができる、簡易的な構成を有するベクトル
・ネットワーク・アナライザおよびその位相測定方法を
提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によるベクトル・
ネットワーク・アナライザは、位相の直交する第１と第
２の基準信号を発生する基準信号源と、少なくとも１個
の位相比較器とを具備し、前記第１の基準信号を被測定
回路に印加して生じた反射波と前記第１基準信号とを位
相比較器で位相比較した第１の位相差情報と、前記反射
波と前記第２の基準信号とを位相比較器で位相比較した
第２の位相差情報を用いて、３６０度の範囲で反射波の
位相を測定することを特徴とする。

【００１３】より具体的には、本発明によるベクトル・
ネットワーク・アナライザは、位相の直交する第１およ
び第２の基準信号を発生する基準信号源と、前記第１の
基準信号を被測定回路に印加して生じた反射波と前記第
１の基準信号とを位相比較し両者の位相差信号を出力す
る第１の位相比較器と、前記反射波と前記第２の基準信
号とを位相比較し両者の位相差信号を出力する第２の位
相比較器と、前記第１および第２の位相比較器の両位相
差信号に基づいて、３６０度の範囲で前記反射波の位相
を測定する処理手段とを備えたことを特徴とする。

【００１４】このように第１の基準信号と位相が直交す
る第２の基準信号を用いてこの第２の基準信号と反射波
との位相差信号を得ることにより、単独では１８０度の
範囲での反射波の位相しか測定できなくても、２つの位
相差信号を総合的に判断することにより３６０度の範囲
で反射波の位相を測定することが可能となる。例えば、
前記処理手段は、前記第１の位相比較器により得られた
位相差情報の符号を前記第２の位相比較器の出力の符号
に基づいて決定することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】図１に、本発明のベクトル・ネットワーク
・アナライザ（ＶＮＡ）の第１の実施の形態に係る構成
例を示す。このＶＮＡの構成が図１２の従来構成と比べ
て大きく異なる点は、第１の基準信号１と位相が直交し
た第２の基準信号２を用いていることである。直交する
２波の基準信号１，２はダイレクトデジタルシンセサイ
ザ（以下ＤＤＳ）を用いて発生することが可能であり、
そのような信号源１６は例えばアナログデバイセス社の
ＡＤ９８５４，CMOS 300MSPS quadrature complete DDS
のような直交関係にある２個の信号発生器を１チップに
した集積回路で容易に実現できる。

【００１７】第１の基準信号１をスプリッタ３で分けた
一方を方向性結合器４を通して被測定回路５に入射す
る。被測定回路５で反射した反射波Ｂを方向性結合器４
で取りだしてログアンプ８に入力する。スプリッタ３で
分けたもう一方の第１の基準信号Ａはログアンプ７に入
力する。第２の基準信号２である基準信号Ｃはログアン
プ６に入力する。ここで、ログアンプ６，７，８は、図
１２について説明したと同様、入力を増幅する働きと、
信号強度を対数に変換する働きがある。ログアンプ６の
対数変換出力は利用しないが、ログアンプ７，８と同様
の条件で振幅制限増幅出力を得るためにのみ用いてい
る。

【００１８】ログアンプ７と８で夫々に対数変換された
反射波と第１の基準信号の信号強度は加算器１０で減算
されて反射波と第１の基準信号の振幅比に比例した振幅
比電圧が出力される。振幅比電圧はＡＤコンバータ１２
でデジタル値に変換され、処理部１３にて対数の電圧値
から真数の振幅比に変換される。ログアンプ６と７と８
で増幅された、反射波Ｅと第１の基準信号Ｄは位相比較
器９で位相比較され、同様に反射波Ｅと第２の基準信号
Ｆは位相比較器１１で位相比較される。各位相比較器
９，１１の出力電圧はＡＤコンバータ１２でデジタル値
に変換され、処理部１３に送られる。

【００１９】位相比較器９から出力される、反射波と第
１の基準信号の位相差電圧は図３に示したように偶関数
であり、位相差電圧（図の縦軸）が求められても、これ
に対応する位相差は一意に定まらない。これに対して、
位相比較器１１から出力される、反射波と第２の基準信
号の位相差電圧は図４に示すように奇関数であり、位相
差電圧（図の縦軸）が正か負かで、位相差が正か負かを
判定できる。

【００２０】なお、図４における横軸上の「位相差」
は、図３と同じく、第１の基準信号と反射波との位相差
であることに留意されたい。

【００２１】図２に、図１の本実施の形態に係る各部の
概略の信号波形の例を示す。図から分かるように、基準
信号Ｂは基準信号Ａに対して位相が９０度ずれている。
基準信号Ａと反射波Ｂとはｘ度の位相差があり、反射波
Ｂは基準信号Ａに比べて振幅が減衰している。波形Ｄ，
Ｅ，Ｆはそれぞれ信号Ａ，Ｂ，Ｃの位相を反映したログ
アンプ７，８，６から出力される矩形波を示している。

【００２２】本実施の形態における位相判定方法につい
て、図５にフローチャートにより説明する。まず、第１
の基準信号による位相差電圧から１８０度の範囲で位相
を求める（Ｓ１１）。次に、第２の基準信号による位相
差電圧の符号をチェックする（Ｓ１２）。この符号が正
であれば、当該位相差電圧に対応する位相が正であると
判断する（Ｓ１４）。符号が負であれば、当該位相差電
圧に対応する位相が負であると判断する（Ｓ１３）。例
えば、第１の基準信号による位相差電圧が０Ｖのとき、
図３から位相差は＋９０度又は−９０度のどちらかにな
るが、第２の基準信号による位相差電圧が正ならば＋９
０度、負であれば−９０度であると判断できる。

【００２３】なお、信号源１６の第１および第２の基準
信号は所定の周波数範囲内で掃引しながら測定を行って
もよい。

【００２４】ところで、位相比較器の検出電圧が図３に
示したように線形ならば図５の判定法で問題ないが、現
実の位相比較器では図６、図７に示すように非線形で誤
差の大きい位相領域がある。そこで、第１の実施の形態
の変形例として、第１の基準信号による位相差電圧と第
２の基準信号による位相差電圧を組み合わせて非線形な
位相領域を除外する方法を説明する。この方法の処理手
順を、図８のフローチャートに示す。

【００２５】先ず、図５の手法により、第１の基準信号
による位相差電圧から３６０度の範囲で位相を求める。
その結果が−１３５度以上で−４５度以下すなわち図６
の左側線形部分６０１（Ｓ２２）、若しくは４５度以上
で１３５度以下すなわち図６の右側線形部分６０２なら
ば（Ｓ２３）、求められた位相を選択する。それ以外の
場合は、第２の基準信号による位相差電圧から求められ
た位相を選択する（Ｓ２４）。すなわち、第２の基準信
号による位相差電圧から３６０度の範囲で位相を求める
には、第１の基準信号による位相差電圧が負の場合、第
２の基準信号による位相差電圧は図７の中央部分７０１
を利用する。第１の基準信号による位相差電圧が正の場
合は第２の基準信号による位相差電圧が正ならば図７の
右端線形部分７０２、負ならば左端線形部分７０３を利
用する。

【００２６】次に図９に、本発明のＶＮＡの第２の実施
の形態に係る構成例を示す。図１と比較して分かるよう
に、本実施の形態は、第１の実施の形態における位相比
較器１１を省略して、位相比較器９をログアンプ６，７
の両出力に共用するものである。そのために、ログアン
プ６，７の両出力を選択的に位相比較器９に供給するス
イッチ１８を設けている。ログアンプ８で増幅された反
射波とログアンプ７で増幅された第１の基準信号とを位
相比較する場合は、スイッチ１８でログアンプ７側を選
択して、位相比較器９で位相比較する。同様に反射波と
第２の基準信号とを位相比較する場合は、スイッチ１８
でログアンプ６側を選択して、位相比較器９で位相比較
する。他の構成および動作は、第１の実施の形態と同様
である。すなわち、位相差を３６０度の範囲で判定する
方法自体は第１の実施の形態で示した判定法と変わらな
い。

【００２７】この第２の実施の形態では、第１の基準信
号と第２の基準信号とで共通の位相比較器９を使用する
ことにより、異なる位相比較器による誤差を除外するこ
とが可能となる。

【００２８】次に図１０に、本発明のＶＮＡの第３の実
施の形態に係る構成例を示す。本実施の形態において
は、第１の実施の形態における位相比較器１１を省略す
るだけでなく、ログアンプ６も省略する。そのために、
スイッチ１７を設けて、第２の基準信号とスプリッタ３
のログアンプ７側出力とを選択的にログアンプ７に供給
するようにしている。振幅比を測定する場合は、スイッ
チ１７で第１の基準信号を選択する。ログアンプ７と８
で夫々に対数変換された反射波と第１の基準信号の信号
強度は、加算器１０で減算されて反射波と第１の基準信
号の振幅比に比例した振幅比電圧が出力される。反射波
と第１の基準信号とを位相比較する場合は、スイッチ１
７で第１の基準信号を選択して、位相比較器９で位相比
較する。同様に反射波と第２の基準信号とを位相比較す
る場合はスイッチ１７で第２の基準信号を選択して、位
相比較器９で位相比較する。他の構成および動作は、上
記の実施の形態と同様である。位相差を３６０度の範囲
で判定する方法自体は第１の実施の形態で示した判定法
と同じである。

【００２９】この第３の実施の形態では、第１の基準信
号と第２の基準信号とで共通のログアンプ７と位相比較
器９を使用するので、ログアンプと位相比較器のばらつ
きによる誤差を除外することが可能となる。

【００３０】次に図１１により、本発明のＶＮＡの第４
の実施の形態に係る構成例を説明する。本実施の形態の
構成は基本的には図１に示した構成と同じであるが、位
相比較器１４と移相器１５とを追加した点で異なる。位
相比較器１４はログアンプ６、７の両出力を受け、その
位相差を示す信号を出力する。移相器１５は、ログアン
プ６に入力される第２の基準信号の信号経路内に挿入さ
れ、位相比較器１４の出力に応じて移相量がフィードバ
ック制御されるようになっている。すなわち、当該位相
差が正確に９０度になるように移相器１５が動作する。
他の構成および動作は、上記の実施の形態と同様であ
る。なお、移相器１５自体は既存のものを利用すること
ができるので、ここではその内部構成について詳述しな
い。移相器１５は、第２の基準信号の経路内に挿入した
が、第１の基準信号の信号経路内に挿入するようにして
もよい。

【００３１】この第４の実施の形態では、第１の基準信
号と第２の基準信号との位相差が正確に９０度になるよ
うに保証することが可能となる。これによって、配線の
長さの違いによる位相ずれなどを補正することができる
ので、配線上の制約が緩和される。

【００３２】上記各実施の形態によれば、集積化された
ログアンプ、位相比較器、ＤＤＳを用いて、簡易的であ
りながらキャリブレーションを実行できる正確なＶＮＡ
を小型で廉価に構成することが可能になる。したがっ
て、このようなＶＮＡの一つの応用例として、例えば携
帯電話機のような無線通信機器に内蔵することで、アン
テナの設置状態によって変化する反射係数を測定して整
合状態を補正することが可能になる。これにより、無線
通信機器内のアイソレータを除去し、装置の小型化およ
び低損失化を図ることができる。また、直交関係の基準
信号の信号源として機器内の既存の部品を利用すること
も可能である。

【００３３】但し、本発明のＶＮＡの用途は無線通信機
器に限るものではなく、高周波の部品や回路、ネットワ
ーク（例えば、ローカルエリアネットワーク）などのイ
ンピーダンス測定にも利用することができる。

【００３４】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、種々の変形、変更が可能である。例えば、
種々の実施の形態や変形例を示したが、可能な範囲でそ
れらを互いに組み合わせて使用することが可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明のベクトル・ネットワーク・アナ
ライザおよびその位相測定方法によれば、位相比較範囲
が１８０度の位相比較器を用いた位相差の測定範囲を３
６０度にまで拡張することができるので、その実用性を
高めることができる。また、構成が比較的簡易なので、
装置が安価かつ小型となり、他の装置に組み込んで使用
するような用途にも適する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のベクトル・ネットワーク・アナライザ
（ＶＮＡ）の第１の実施の形態に係る構成例を示す回路
ブロック図である。

【図２】図１の実施の形態に係る各部の信号波形の例を
示す波形図である。

【図３】図１の位相比較器１１および図１２の位相比較
器９から出力される、反射波と第１の基準信号の位相差
電圧と位相差との関係を示すグラフである。

【図４】図１の位相比較器１１から出力される、反射波
と第２の基準信号の位相差電圧と位相差との関係を示す
グラフである。

【図５】本発明の第１の実施の形態における位相判定方
法の処理手順を示すフローチャートである。

【図６】非線形の位相領域を有する図３対応の波形図で
ある。

【図７】非線形の位相領域を有する図４対応の波形図で
ある。

【図８】本発明の第１の実施の形態の変形例における位
相判定方法の処理手順を示すフローチャートである。

【図９】本発明のＶＮＡの第２の実施の形態に係る構成
例を示す回路ブロック図である。

【図１０】本発明のＶＮＡの第３の実施の形態に係る構
成例を示す回路ブロック図である。

【図１１】本発明のＶＮＡの第４の実施の形態に係る構
成例を示す回路ブロック図である。

【図１２】従来の簡易的構成のベクトル・ネットワーク
・アナライザの構成を示す回路ブロック図である。

【符号の説明】

１，２…基準信号、３…スプリッタ、４…方向性結合
器、５…被測定回路、６，７，８…ログアンプ、９，１
１…位相比較器、１０…加算器、１２…ＡＤＣ、１３…
処理部、１５…移相器、１７，１８…スイッチ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位相の直交する第１および第２の基準信号
を発生する基準信号源と、前記第１の基準信号を被測定回路に印加して生じた反射
波と前記第１の基準信号とを位相比較し両者の位相差信
号を出力する第１の位相比較器と、前記反射波と前記第２の基準信号とを位相比較し両者の
位相差信号を出力する第２の位相比較器と、前記第１および第２の位相比較器の両位相差信号に基づ
いて、３６０度の範囲で前記反射波の位相を測定する処
理手段とを備えたことを特徴とするベクトル・ネットワ
ーク・アナライザ。
【請求項２】前記第１および第２の基準信号を選択的に
前記第１の位相比較器へ供給するスイッチを備え、前記
第１の位相比較器を前記第２の位相比較器として共用し
たことを特徴とする請求項１記載のベクトル・ネットワ
ーク・アナライザ。
【請求項３】前記第１の基準信号を増幅した出力信号お
よび信号強度を対数に変換した出力信号を生成する第１
のログアンプと、前記第２の基準信号を増幅した出力信号および信号強度
を対数に変換した出力信号を生成する第２のログアンプ
と、前記反射波を増幅した出力信号および信号強度を対数に
変換した出力信号を生成する第３のログアンプとを備
え、各ログアンプの増幅出力信号を前記第１および第２の位
相比較器に入力したことを特徴とする請求項１記載のベ
クトル・ネットワーク・アナライザ。
【請求項４】前記第１および第２の基準信号を選択的に
当該第１のログアンプへ供給するスイッチを備え、前記
第１のログアンプを前記第２のログアンプとして共用し
たことを特徴とする請求項３記載のベクトル・ネットワ
ーク・アナライザ。
【請求項５】前記第１および第２のログアンプの両出力
を位相比較し両者の位相差信号を出力する第３の位相比
較器と、この第３の位相比較器に出力に基づいて前記第１および
第２のログアンプの両出力の位相差が９０度となるよう
に前記第１および第２の基準信号のいずれか一方の位相
を調整する移相器とをさらに備えたことを特徴とする請
求項３記載のベクトル・ネットワーク・アナライザ。
【請求項６】前記処理手段は、前記第１の位相比較器に
より得られた位相差情報の符号を前記第２の位相比較器
の出力の符号に基づいて決定することを特徴とする請求
項１〜５のいずれかに記載のベクトル・ネットワーク・
アナライザ。
【請求項７】前記処理手段は、前記第１および第２の位
相比較器から出力される両位相差信号の各々の線形な部
分を選択して利用することを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載のベクトル・ネットワーク・アナライ
ザ。
【請求項８】位相の直交する第１と第２の基準信号を発
生する基準信号源と、少なくとも１個の位相比較器とを
具備し、前記第１の基準信号を被測定回路に印加して生
じた反射波と前記第１基準信号とを位相比較器で位相比
較した第１の位相差情報と、前記反射波と前記第２の基
準信号とを位相比較器で位相比較した第２の位相差情報
を用いて、３６０度の範囲で反射波の位相を測定するこ
とを特徴とするベクトル・ネットワーク・アナライザ。
【請求項９】ベクトル・ネットワーク・アナライザの位
相測定方法であって、第１の基準信号を被測定回路に印加して生じた反射波と
第１の基準信号とを位相比較し第１の位相差情報を求め
るステップと、前記第１の基準信号と位相の直交する第２の基準信号と
前記反射波とを位相比較し第２の位相差情報を求めるス
テップと、前記第１の位相比較器により得られた位相差情報の符号
を前記第２の位相比較器の出力の符号に基づいて決定す
るステップとを備え、前記第１および第２の位相差情報に基づいて、３６０度
の範囲で前記反射波の位相を測定することを特徴とす
る、ベクトル・ネットワーク・アナライザの位相測定方
法。
【請求項１０】前記第１および第２の位相差情報を求め
るために同一の位相比較器を共用する場合、前記第１の
基準信号を前記位相比較器へ供給し、ついで、前記第２
の基準信号を前記位相比較器へ供給することを特徴とす
る請求項９記載の、ベクトル・ネットワーク・アナライ
ザの位相測定方法。
【請求項１１】前記第１および第２の基準信号を増幅し
た出力信号および信号強度を対数に変換した出力信号を
生成するために同一のログアンプを共用する場合、前記
第１の基準信号を前記ログアンプへ供給し、ついで、前
記第２の基準信号を前記ログアンプへ供給することを特
徴とする請求項１０記載の、ベクトル・ネットワーク・
アナライザの位相測定方法。
【請求項１２】前記第１および第２の基準信号を増幅し
た出力信号および信号強度を対数に変換した出力信号を
生成するための第１および第２のログアンプの両出力を
位相比較し両者の位相差情報を求めるステップと、この位相差情報に基づいて前記第１および第２のログア
ンプの両出力の位相差が９０度となるように前記第１お
よび第２の基準信号のいずれか一方の位相を調整するス
テップとをさらに備えたことを特徴とする請求項９記載
の、ベクトル・ネットワーク・アナライザの位相測定方
法。
【請求項１３】前記第１および第２の位相差情報の各々
の線形な部分を選択して利用するステップをさらに備え
たことを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載
の、ベクトル・ネットワーク・アナライザの位相測定方
法。