JP2005121494A - 相互変調測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
与えられた基本波成分と３次変調歪み波成分との強度比の測定下限が低い相互変調測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
測定対象１５の非線形性を評価する相互変調測定方法において、周波数の異なる複数の信号を測定対象１５に入力するステップと、測定対象１５の出力信号に含まれる、測定対象１５に入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と測定対象１５に入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号とのうち、基本波成分の強度を測定下限値以上の範囲内で選択的に減衰１４ｂさせるステップと、基本波成分および歪み波成分の周波数スペクトルを測定下限値以上の範囲で観測１６するステップと、観測１６した歪み波信号の強度と観測した減衰後の基本波成分の強度との比を測定することにより、測定対象１５の非線形性を評価するステップと、を有するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、素子や回路の非線形性の評価に関する。

高周波素子や回路の非線形性の評価に用いられる手法の一つに、相互変調測定法がある。この相互変調測定法は、周波数の異なる２つの信号を評価対象である高周波素子や回路に入力し、この高周波素子や回路から出力される入力信号と同じ周波数を持つ信号と、高周波素子や回路の有する非線形性によって発生し入力信号と異なる周波数を持つ相互変調信号と、の強度比を求めることによって、高周波素子や回路の非線形性を評価する手法である。

図４は、従来の相互変調測定装置の模式図である（非特許文献１参照）。

図４の２つの信号源４１ａ、４１ｂからそれぞれ発生した周波数ｆａ、ｆｂ（ｆａ＞ｆｂ）の信号は、合波器４３で合成される。一般に、合成される前の２つの信号の強度は、同一になるように設定される。なお、アイソレータ４２ａ、４２ｂは、他の部品からの反射信号から各信号源を絶縁する。

合波器４３で合成された信号は、フィルタ４４で高調波が除去され、経路４７ａを通して、高周波素子や回路などの測定対象４５に入力される。この測定対象４５に入力される信号の周波数スペクトルを図５に示す。

測定対象４５から出力される信号は、減衰器４８で減衰された後、スペクトラムアナライザ４６でその周波数スペクトルが測定される。なお、アイソレータ４２ｃは、スペクトラムアナライザ４６からの反射信号から他の部品を絶縁する。

図６は、スペクトラムアナライザ４６で測定された信号の周波数スペクトルを示す図である。
図６に示すように、測定対象４５の出力信号には、入力信号と同じ周波数を持つ基本波成分と呼ばれる信号成分（６１ａ、６１ｂ）と３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）と呼ばれる信号成分とが併存する。この３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）は、２つの入力信号の周波数差分（｜ｆａ−ｆｂ｜）だけ基本波成分（６１ａ、６１ｂ）から離れた周波数２ｆａ−ｆｂ、２ｆｂ−ｆａを有している。

この３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）は測定対象４５の非線形性から生じているため、基本波成分（６１ａ、６１ｂ）と３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）とを測定し、両者の強度比を求めれば、測定対象４５の非線形性を評価することができる。

ところで、従来の相互変調測定装置は減衰器４８を備えているが、この減衰器４８は、スペクトラムアナライザ４６に入力する信号の強度を下げて、スペクトラムアナライザ４６自身が生じさせる３次変調歪み信号を抑制するために挿入されている。

すなわち、スペクトラムアナライザ４６に入力される信号の強度が大きいと、スペクトラムアナライザ４６自身が生じさせる３次変調歪み信号の強度が雑音レベルを越えてしまうため、基本波成分（６１ａ、６１ｂ）の強度に較べて著しく小さい３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）の強度の測定が困難となる。

そこで、従来の相互変調測定装置は、スペクトラムアナライザ４６自身が生じさせる３次変調歪み信号の強度がスペクトラムアナライザ４６の雑音レベル以下になるように、スペクトラムアナライザ４６に入力される信号を減衰器４８において減衰していた。
Ｄ．Ｅ．Ｏａｔｅｓ著、Ｈ．Ｗｅｉｎｓｔｏｃｋ ａｎｄ Ｍ． Ｎｉｓｅｎｏｆｆ編、"Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ"、Ｄｏｒｄｅｒｅｃｈｔ、Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、２００１、ｐ．１１３１４８

しかしながら、この減衰器４８は基本波成分のみならずその３次変調歪み信号の強度をも減衰させる。また、減衰後の３次変調歪み信号の強度がスペクトラムアナライザ４６の雑音レベルよりも低い場合、３次変調歪み信号の測定は困難となる。

したがって、従来の相互変調測定装置では、減衰後の３次変調歪み信号の強度がスペクトラムアナライザ４６の雑音レベルと等しい場合の、減衰器４８を通過する前の経路４７ｂでの３次変調歪み信号成分（６２ａ、６２ｂ）の基本波成分に対する強度比が、測定下限になってしまうという問題があった。

以下、この問題を詳細に説明する。

まず、スペクトラムアナライザ４６の雑音レベルをＮＬ（ｄＢｍ）、スペクトルアナライザ４６自身が発生する３次変調歪み信号（６２ａ、６２ｂ）の強度がＮＬ（ｄＢｍ）となる入力信号レベルをＩＭＸ（ｄＢｍ）、基本波成分（６１ａ、６１ｂ）の強度をＩＦ（ｄＢｍ）として、

が成り立っている場合に、減衰器４８の減衰度をＡＴ（ｄＢ）とすると、

となる。したがって、測定の下限ＳＭＮ（ｄＢ）は、

により、

で与えられる。

そして、スペクトラムアナライザ４６のダイナミックレンジＤＲ（ｄＢ）を、
で定義すれば、

となる。

このように、従来の相互変調測定装置では、ＩＦ（ｄＢｍ）がＩＭＸ（ｄＢｍ）を越えている場合、基本波成分（６１ａ、６１ｂ）と３次変調歪み波成分（６２ａ、６２ｂ）の強度比がスペクトラムアナライザ４６のダイナミックレンジを越えると、測定不可能になる。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑み、与えられた基本波成分と３次変調歪み波成分との強度比の測定下限が低い相互変調測定方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記課題は、次の手段により解決される。

第１の発明は、測定対象の非線形性を評価する相互変調測定方法において、周波数の異なる複数の信号を前記測定対象に入力するステップと、前記測定対象の出力信号に含まれる、前記測定対象に入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記測定対象に入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号とのうち、前記基本波成分の強度を測定下限値以上の範囲内で選択的に減衰させるステップと、前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを前記測定下限値以上の範囲で観測するステップと、前記観測した歪み波信号の強度と前記観測した減衰後の基本波成分の強度との比を測定することにより、前記測定対象の非線形性を評価するステップと、を有することを特徴とする相互変調測定方法である。

第２の発明は、測定対象の非線形性を評価する相互変調測定方法において、周波数の異なる複数の信号を前記測定対象に入力するステップと、前記測定対象の出力信号に含まれる、前記測定対象に入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記測定対象に入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号とのうち、前記基本波成分の周波数における信号強度レベルと測定下限値との差よりも小さい範囲内で、前記歪み波成分の少なくとも１つよりも前記基本波成分を大きく減衰させるステップと、前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを前記測定下限値以上の範囲で観測するステップと、前記観測した歪み波信号の強度と前記観測した減衰後の基本波成分の強度との比を測定することにより、前記測定対象の非線形性を評価するステップと、を有することを特徴とする相互変調測定方法である。

第３の発明は、周波数の異なる複数の信号を入力された測定対象の出力信号に含まれる、前記入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号と、を測定する相互変調測定装置において、前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを観測する観測器と、前記測定対象と前記観測器との間の信号経路上に配置され、前記基本波成分の強度を前記観測器の測定下限値以上の範囲内で選択的に減衰させるフィルタと、を備えることを特徴とする相互変調測定装置である。

第４の発明は、前記フィルタは、前記基本波成分の周波数における信号強度レベルと前記観測器の測定下限値との差よりも小さい範囲内で、前記歪み波成分の少なくとも１つよりも前記基本波成分を大きく減衰させる、ことを特徴とする第３の発明に係る相互変調測定装置である。

以上説明したように、本発明によれば、与えられた基本波成分と３次変調歪み波成分との強度比の測定下限を、従来よりも低くすることができる。したがって、本発明によれば、種々の高周波装置や部品の微小な非線形性を精密に評価することが可能になる。よって、本発明によれば、近年急速に普及が拡大している携帯電話や無線ＬＡＮなどに代表される種々の無線通信システムに要求される高品質の高周波装置および部品の研究開発へ多大な貢献をなすことができる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置の模式図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置は、信号源１１ａ、１１ｂと、アイソレータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、合波器１３と、フィルタ１４ａ、１４ｂと、減衰器１８と、スペクトラムアナライザ１６と、を備えている。

図１の２つの信号源１１ａ、１１ｂからそれぞれ発生した周波数ｆａ、ｆｂ（ｆａ＞ｆｂ）の信号は、合波器１３で合成される。一般に、合成される前の２つの信号の強度は、同一になるように設定する。なお、アイソレータ１２ａ、１２ｂは、他の部品からの反射信号から各信号源を絶縁する。

合波器１３で合成された信号は、フィルタ１４ａで高調波が除去され、経路１７ａを通して、高周波素子や回路などの測定対象１５に入力される。この測定対象１５に入力される信号の周波数スペクトルは、図５に示すとおりである。また、この測定対象１５から出力される信号の周波数スペクトラムは、図６に示すとおりである。図６に示すように、測定対象１５の出力信号には、基本波成分（１１ａ、１１ｂ）と３次変調歪み波成分（１２ａ、１２ｂ）とが併存する。この３次変調歪み波成分（１２ａ、１２ｂ）は、２つの入力信号の周波数差分（｜ｆａ−ｆｂ｜）だけ基本波成分から離れた周波数２ｆａ−ｆｂ、２ｆｂ−ｆａを有している。

測定対象１５の出力信号は、スペクトラムアナライザ１６に到達する前にフィルタ１４ｂを通過する。このフィルタ１４ｂは、周波数ｆａ、ｆｂでの減衰度が周波数２ｆａ−ｆｂまたは２ｆｂ−ｆａの少なくとも一方での減衰度よりも大きく、周波数ｆａまたはｆｂの少なくとも一方での減衰度がその周波数における信号強度レベルとスペクトラムアナライザの雑音レベルの差よりも小さくなるという周波数特性を有している。このフィルタ１４ｂの周波数特性の一例を図２に示す。

図２中、フィルタ１４ｂでの周波数２ｆａ−ｆｂ、ｆａにおける減衰度を、それぞれＡＴ１（ｄＢ）、ＡＴ２（ｄＢ）とする。ＡＴ１（ｄＢ）は、ＡＴ２（ｄＢ）よりも小さく設定されている。また、ＡＴ２（ｄＢ）は、経路１７ｂでの信号のうちの周波数ｆａを持つ基本波成分の強度とスペクトラムアナライザ１６の雑音レベルの差よりも小さく設定されている。
したがって、図２のフィルタ１４ｂ通過後の基本波成分（周波数ｆａ）の強度は、スペクトラムアナライザ１６の雑音レベルよりも高い。よって、図２のフィルタ１４ｂによれば、スペクトラムアナライザ１６で基本波成分の強度を測定できる。

このように、フィルタ１４ｂによれば、測定対象１５の出力信号における基本波成分を、２つの３次変調歪み波成分のうちの少なくとも１つに較べて相対的に大きく減衰させることができるため、３次変調歪み波成分がスペクトラムアナライザに到達するまでに受ける減衰を従来の相互変調測定装置に較べて小さくすることができる。また、このフィルタ１４ｂによれば、２つの基本波成分のうちの少なくとも１つの減衰後の信号強度をスペクトラムアナライザの雑音レベル以上にすることができる。したがって、このフィルタ１４ｂを備える本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置によれば、基本波成分と３次変調歪み波成分との強度比の測定下限を下げることができる。

本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置は、測定対象１５からの信号をスペクトラムアナライザ１６へ導く経路にフィルタ１４ｂを配置して、基本波成分の強度をスペクトラムアナライザ１６の雑音レベル以上の範囲内で選択的に減衰させる点で、従来の相互変調測定装置と大きく異なる。

フィルタ１４ｂから出力された信号は、減衰器１８で減衰された後、スペクトラムアナライザ１６でその周波数スペクトルが測定される。ここで、減衰器１８の減衰度は、この減衰した基本波成分３１ａによってスペクトラムアナライザ１６自身が発生する３次変調歪み信号の強度がスペクトラムアナライザ１６の雑音レベル以下になるレベルに設定される。したがって、３次変調歪み波成分がスペクトラムアナライザ１６に到達するまで（フィルタ１４ａ、減衰器１８）に受ける減衰の合計は、従来よりも小さくなる。なお、アイソレータ１２ｃは、スペクトラムアナライザ１６からの反射信号から他の部品を絶縁する。

本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置によれば、基本波成分と３次変調歪み波成分との強度比の測定下限が、減衰後の３次変調歪み波成分３２ａの強度がスペクトラムアナライザ１６の雑音レベルと等しい場合の、減衰器を通過する前の経路１７ｂでの３次変調歪み信号の基本波信号に対する強度比で与えられる。

ここで、スペクトラムアナライザ１６の雑音レベルをＮＬ（ｄＢｍ）、スペクトルアナライザ１６自身が発生する３次変調歪み信号の強度がＮＬ（ｄＢｍ）となる入力信号レベルをＩＭＸ（ｄＢｍ）、基本波成分の強度をＩＦ（ｄＢｍ）、減衰器１８の減衰度をＡＴ（ｄＢ）として、

が成り立っているとする。

フィルタ１４ｂでの周波数２ｆａ−ｆｂ、ｆａにおける減衰度を、図２のように、それぞれＡＴ１（ｄＢ）、ＡＴ２（ｄＢ）として、両者の差をＡＴＤ（ｄＢ） （＝ＡＴ２（ｄＢ）−ＡＴ１（ｄＢ））とする。ここで、ＡＴ２（ｄＢ）はＩＦ（ｄＢｍ）−ＮＬ（ｄＢｍ）よりも小さく設定される。これは、基本波成分の強度を測定するためには、フィルタ１４ｂで減衰を受けた周波数ｆａにおける基本波成分の信号強度（ＩＦ（ｄＢｍ）−ＡＴ２（ｄＢ））が、ＮＬ（ｄＢｍ）よりも大きくなる必要があることによる。

ＡＴ２（ｄＢ）がＩＦ（ｄＢｍ）−ＩＭＸ（ｄＢｍ）よりも小さいか等しい場合、減衰器１８の減衰度ＡＴ（ｄＢ）は、

と設定される。

したがって、この場合の測定下限ＳＭＮ（ｄＢ）は、

により、

で与えられる。

スペクトラムアナライザ１６のダイナミックレンジＤＲ（ｄＢ）を、

で定義すれば、

となる。

ＡＴ２（ｄＢ）がＩＦ（ｄＢｍ）−ＩＭＸ（ｄＢｍ）よりも大きい場合には、フィルタ１４ｂで減衰を受けた周波数ｆａにおける基本波成分の信号強度は、

となり、ＩＭＸ（ｄＢｍ）よりも小さいため、減衰器１８の減衰度ＡＴ（ｄＢ）は０ｄＢに設定される。

したがって、この場合の測定下限ＳＭＮ（ｄＢ）は、
により、

で与えられる。

スペクトラムアナライザ１６のダイナミックレンジＤＲ（ｄＢ）の定義を用いれば、
となる。

以上の説明から、本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置では、ＡＴ２（ｄＢ）がＩＦ（ｄＢｍ）−ＩＭＸ（ｄＢｍ）よりも小さいか等しい場合にはＡＴＤ（ｄＢ）だけ、ＡＴ２（ｄＢ）がＩＦ（ｄＢｍ）−ＩＭＸ（ｄＢｍ）よりも大きい場合には（ＡＴＤ（ｄＢ）−（ＡＴ２（ｄＢ）−（ＩＦ（ｄＢｍ）−ＩＭＸ（ｄＢｍ）））だけ、それぞれ測定下限が従来の相互変調測定装置よりも下がり、基本波成分と３次変調歪み波成分の強度比がスペクトラムアナライザ１６のダイナミックレンジを越えた場合にも測定が可能になることがわかる。

したがって、本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置によれば、基本波成分の強度に較べて著しく小さい３次変調歪み波成分の強度の測定を、従来よりも容易に行うことができる。

なお、図１においては、測定対象１５−フィルタ１４ｂ−アイソレータ１２ｃ−減衰器１８−スペクトラムアナライザ１６と接続しているが、フィルタ１４ｂ、アイソレータ１２ｃ、減衰器１８の位置の順序は任意である。したがって、たとえば、測定対象１５−減衰器１８−アイソレータ１２ｃ−フィルタ１４ｂ−スペクトラムアナライザ１６と接続してもよいし、測定対象１５−アイソレータ１２ｃ−減衰器１８−フィルタ１４ｂ−スペクトラムアナライザ１６などと接続してよい。

本発明の実施の形態に係る相互変調測定装置の模式図である。 本発明の実施の形態に係るフィルタの周波数特性の一例を示す図である。 フィルタ１４ｂによる減衰を受けた出力信号の周波数スペクトルを示す図である。 従来の相互変調測定装置の模式図である。 従来の相互変調測定装置における入力信号の周波数スペクトルを示す図である。 従来の相互変調測定装置における評価対象の出力信号の周波数スペクトルを示す図である。

符号の説明

１１ａ 周波数ｆａの信号源
１１ｂ 周波数ｆｂ（ｆａ＞ｆｂ）の信号源
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ アイソレータ
１３ 合波器
１４ａ、１４ｂ フィルタ
１５ 測定対象
１６ スペクトラムアナライザ
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ 信号の経路
１８ 減衰器
ＡＴ１（ｄＢ） 周波数２ｆａ−ｆｂでの減衰度
ＡＴ２（ｄＢ） 周波数ｆａ、ｆｂでの減衰度
ＡＴＤ（ｄＢ） ＡＴ２（ｄＢ）とＡＴ１（ｄＢ）の差
３１ａ、３１ｂ 周波数がｆａ、ｆｂの減衰を受けた基本波成分
３２ａ、３２ｂ 周波数２ｆａ−ｆｂ、２ｆｂ−ｆａの減衰を受けた３次変調歪み波成分
４１ａ 周波数ｆａの信号源
４１ｂ 周波数ｆｂ（ｆａ＞ｆｂ）の信号源
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ アイソレータ
４３ 合波器
４４ フィルタ
４５ 測定対象
４６ スペクトラムアナライザ
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ 信号の経路
４８ 減衰器
５１ａ 周波数ｆａの信号
５１ｂ 周波数ｆｂ（ｆａ＞ｆｂ）の信号
６１ａ、６１ｂ 周波数がｆａ、ｆｂの基本波成分
６２ａ、６２ｂ 周波数２ｆａ−ｆｂ、２ｆｂ−ｆａの３次変調歪み波成分

Claims (4)

1. 測定対象の非線形性を評価する相互変調測定方法において、
   周波数の異なる複数の信号を前記測定対象に入力するステップと、
   前記測定対象の出力信号に含まれる、前記測定対象に入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記測定対象に入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号とのうち、前記基本波成分の強度を測定下限値以上の範囲内で選択的に減衰させるステップと、
   前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを前記測定下限値以上の範囲で観測するステップと、
   前記観測した歪み波信号の強度と前記観測した減衰後の基本波成分の強度との比を測定することにより、前記測定対象の非線形性を評価するステップと、
   を有することを特徴とする相互変調測定方法。
2. 測定対象の非線形性を評価する相互変調測定方法において、
   周波数の異なる複数の信号を前記測定対象に入力するステップと、
   前記測定対象の出力信号に含まれる、前記測定対象に入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記測定対象に入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号とのうち、前記基本波成分の周波数における信号強度レベルと測定下限値との差よりも小さい範囲内で、前記歪み波成分の少なくとも１つよりも前記基本波成分を大きく減衰させるステップと、
   前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを前記測定下限値以上の範囲で観測するステップと、
   前記観測した歪み波信号の強度と前記観測した減衰後の基本波成分の強度との比を測定することにより、前記測定対象の非線形性を評価するステップと、
   を有することを特徴とする相互変調測定方法。
3. 周波数の異なる複数の信号を入力された測定対象の出力信号に含まれる、前記入力された信号と同じ周波数を持つ基本波成分と前記入力された信号と異なる周波数を持つ歪み波信号と、を測定する相互変調測定装置において、
   前記基本波成分および前記歪み波成分の周波数スペクトルを観測する観測器と、
   前記測定対象と前記観測器との間の信号経路上に配置され、前記基本波成分の強度を前記観測器の測定下限値以上の範囲内で選択的に減衰させるフィルタと、
   を備えることを特徴とする相互変調測定装置。
4. 前記フィルタは、前記基本波成分の周波数における信号強度レベルと前記観測器の測定下限値との差よりも小さい範囲内で、前記歪み波成分の少なくとも１つよりも前記基本波成分を大きく減衰させる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の相互変調測定装置。