JP2008164418A - ベクトルネットワークアナライザ及びこれを用いた測定方法並びにプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）の測定精度及び測定ダイナミックを大幅に向上させる。
【解決手段】 被測定デバイスＤＵＴのＳパラメータを測定するＶＮＡに７ポート接合を使用する。電源ＶＳからの波をポートＰ１に入れ、ＤＵＴからの波をポートＰ２に入れ、測定ポートＰ３〜Ｐ７の検波出力に基づきＤＵＴのＳパラメータを算出する。位相の測定に際して、低雑音増幅器ＬＮＡ／減衰器ＡＴＴを含む振幅比調整手段１０によりポートＰ１の波とＰ２の波の振幅をほぼ同じように調整することで、測定誤差を小さくできるとともに、ダイナミックレンジを拡大できる。７ポート接合は、ポートＰ１の電力を測定するためのポートＰ３と、ポートＰ２の電力を測定するポートＰ４とを備えるので、振幅比の測定は容易である。
【選択図】 図１

Description

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）において、信号の振幅比と位相差を測定する技術に関する。

高周波領域で動作するデバイス、回路や機器の研究及び開発にとって、当該デバイス、回路や機器の入出力信号間の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 Analyzer：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る。

米国特許第４１０４５８３号 ６ポート型リフレクトメータ（Six-Port Reflectometer）が開示されている。これは、校正により得られるシステム固有のハードウェア情報（校正パラメータ）と、複数の電力測定値（スカラー量）から、２つの波の振幅比と位相差（ベクトル量）を導出するものである。この装置及びこれを用いた測定方法によれば、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。特許文献１記載の技術によれば、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。

リフレクトメータとは、ひとつの波（信号）に関して、その入射波と出射波を比較するための装置である。

本願発明者は、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は、２つの入力ポートに入力された波a1,a2の複素振幅比W=a2/a1を、残り４つのポートの電力値から算出することができるように構成してある。６ポート型コリレータの校正操作は、移相器（Phase Shifter）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を求めるだけで済み、比較的簡単である。

コリレータ（Wave-Correlator）とは、独立した２つの波（周波数は同じ）についてこれらを比較すること、すなわち複素振幅比を計測する装置である。

６ポート型コリレータによれば、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るとともに、６ポート型リフレクトメータの校正操作よりも簡単であるために校正精度が向上するという利点が生じる。

しかしながら、６ポート型コリレータによる実際の計測では、２つのポートに入力される独立した２つの波の振幅のバランスが崩れると測定精度が悪くなるという問題がある。この点を改良すべく、本願発明者は７ポート型コリレータを考案した（特許文献２）。

特開２００３−２１５１８３号公報 １つの波の振幅値をモニターするポート（基準ポート）に加え、もう１つの波の基準ポートを追加した。これにより独立した２つの波の振幅のバランスを保ちつつ計測を行うことができるようになった。７ポート型コリレータは、２つの６ポート型コリレータを組み合わせたものに相当する。

他に関連する先行技術として、下記特許文献３及び４がある。
特開２００５−２２１３７５号公報 公知のコリレータを使用することで、２つの波（電磁波）の複素振幅比を高精度に求めることができるが、これには厳密な校正手順と測定結果から複素振幅比を計算する手順が必要である。しかしながら、公知のコリレータを使用してＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）復調器あるいはＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）復調器を構成する場合、位相差が判れば十分である。このような用途に適する、簡単な校正と電力値（電圧値）の比較から直接位相差を測定する方式を開示する。 特開２００５−３２６３０８号公報 ＶＮＡの校正は、数種類の標準器（ショート、オープン、負荷、スルー、ライン等）を接続することによって行われているが、校正手順が複雑であるという問題がある。また、校正時に数種類の標準器の接続と取外しが必要であり、そのために測定精度低下の問題が発生していた。これらの問題を解決することのできる、複素反射係数が既知の１ポート可変負荷装置が開示されている。

従来のＶＮＡの改良に関する先行技術として、下記特許文献５がある。
特開２００６−１１２８９３号公報 高周波計測システムの主流となっているＶＮＡの校正方法は、校正時に数種類の標準器の接続と取り外しが必要であり、人為的ミスが発生する原因となっており、測定精度低下の問題が発生していた。この問題を解決することのできる、１つの移相器と、１つの複素反射係数既知の標準器のみで構成するＶＮＡが開示されている。

特許文献５のＶＮＡでは校正が容易になるものの、その測定精度はそれほど高くなかった。また、その測定可能なダイナミックレンジもそれほど高くなかった（３０ｄＢ程度）。

そこで、この発明は、ＶＮＡの測定精度及び測定ダイナミックを大幅に向上させたベクトルネットワークアナライザ及びこれを用いた測定方法並びにプログラムを提供することを目的とする。

この発明に係るベクトルネットワークアナライザは、マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯や赤外線、可視光線、紫外線などの高周波信号を発生する電源と、前記電源の出力を少なくとも２つに分配する電力分配器と、前記電力分配器で分配された波をそれぞれ受ける２つの入力ポートＰ１とＰ２及び５個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ７を含む７ポート接合と、前記７ポート接合の前記出力ポートＰ３乃至Ｐ７から出る波をそれぞれ検波する検波器と、前記電力分配器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた切換機構と、前記切換機構から受けた波の位相を変化させて前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２へ入れる移相器と、前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１に入る波と前記入力ポートＰ２に入る波の振幅比を調整する振幅比調整手段とを備え、
前記切換機構は、被測定デバイスの一方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに当該ポートから出る波を前記移相器へ入れる第１接続、前記被測定デバイスの前記一方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに他方のポートから出る波を前記移相器へ入れる第２接続、前記被測定デバイスの前記他方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに前記一方のポートから出る波を前記移相器へ入れる第３接続、及び、前記被測定デバイスの前記他方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに当該ポートから出る波を前記移相器へ入れる第４接続、のいずれかを選択するものである。

前記振幅比調整手段は、例えば、前記電力分配器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、前記電力分配器と前記切換機構の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、及び、前記移相器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、の全部又は一部を備える。

この発明に係るベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法は、マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯や赤外線、可視光線、紫外線などの高周波信号を発生する電源からの波を、７ポート接合の入力ポートＰ１と、被測定デバイスに入力し、前記被測定デバイスからの波を移相器を経由して前記７ポート接合の入力ポートＰ２に入れ、前記移相器での移相量を変化させつつ前記７ポート接合の５個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ７の検波出力を測定し、その結果に基づき前記被測定デバイスに関するベクトル量を測定するベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法であって、
前記７ポート接合の出力ポートＰ３とＰ４の検波出力に基づき前記入力ポートＰ１に入る波と前記入力ポートＰ２に入る波の振幅比を測定するステップと、
前記電源と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、前記電源と前記被測定デバイスの間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、及び、前記移相器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、の全部又は一部の増幅率及び／又は減衰率を調整することにより、前記振幅比を１に近づけるステップと、
前記ベクトルネットワークアナライザの校正パラメータを取得するステップと、
前記校正パラメータを使用して、前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１に入る波と入力ポートＰ２に入る波の位相差を測定するステップと、を備えるものである。

この発明は、上記方法をコンピュータに実行させるためのプログラムである。
この発明に係るプログラムは、例えば、記録媒体に記録される。
媒体には、例えば、ＥＰＲＯＭデバイス、フラッシュメモリデバイス、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、ＣＤ（ＣＤ−ＲＯＭ、Ｖｉｄｅｏ−ＣＤを含む）、ＤＶＤ（ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭを含む）、ＲＯＭカートリッジ、バッテリバックアップ付きのＲＡＭメモリカートリッジ、フラッシュメモリカートリッジ、不揮発性ＲＡＭカートリッジ等を含む。

媒体とは、何等かの物理的手段により情報（主にデジタルデータ、プログラム）が記録されているものであって、コンピュータ、専用プロセッサ等の処理装置に所定の機能を行わせることができるものである。

本発明によれば、位相の測定に際して、振幅比調整手段により７ポート接合の入力ポートＰ１の波とＰ２の波の振幅をほぼ同じように調整することで、測定誤差を小さくできるとともにダイナミックレンジを拡大できる。位相差を精度よく求めることができ、正確なベクトル量を測定することが可能になる。

図１に、発明の実施の形態に係る高周波信号計測システム（ベクトル・ネットワーク・アナライザ Vector Network Analyzer：ＶＮＡ）のブロック図を示す。これは、７ポート接合を用いた２ポートデバイス計測用ベクトルネットワークアナライザ装置である。

ＶＳは、所定の周波数の信号を供給する電源（信号源）である。
ＰＤは、電源ＶＳからの波を２つに分配する電力分配器である。

ＳＷ１は、電力分配器ＰＤで分配された一方の波を２つの方向性結合器ＤＣ１又はＤＣ２のいずれか一方へ送るスイッチである。スイッチＳＷ１が一方の選択しているとき、選択されていない他方の側には図示しない整合負荷（無反射終端）が接続され、無用な反射が生じないようになっている。この点は、スイッチＳＷ２についても同じである。

ＳＷ２は、２つの方向性結合器ＤＣ１又はＤＣ２のいずれかを選択し、選択された方からの波を移相器ＰＳへ送るスイッチである。

ＤＣ１及びＤＣ２は方向性結合器である。方向性結合器ＤＣ１の一方の側の２つの端（図中の符号ＡとＣ）は第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２に接続され、他方の側の１つの端（図中の符号Ｄ）は２ポートの供試デバイス（Device Under Test：以下「ＤＵＴ」と記す）の一方の端に接続され、残りの一端（図中の符号Ｂ）は終端されている。方向性結合器ＤＣ２も同様である。方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２は、特定の方向に進行する波に対してのみ他の端を結合する装置である。反対方向に進行する波は除去される。図１の符号を参照すれば、Ａ点からの入力はＢ点とＤ点に出力されるが、Ｃ点には出力されない（Ｃ点の入力についても同じ）。左右対称なので、Ｄ点からの入力は、Ａ点とＣ点に出力される。

第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２は、ＤＵＴの４つのＳパラメータ（Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１，Ｓ２２）をそれぞれ計測するための接続を実現する切換機構２０を構成する。具体的には、ＤＵＴの２つのポートをＰＡ及びＰＢとしたとき、切換機構２０は次の（１）〜（４）のいずれかの接続動作を行う。

（１）第１接続
Ｓ１１を計測するために、第１スイッチＳＷ１は、電力分配器ＰＤからの波を方向性結合器ＤＣ１のＣ点（すなわちＤＵＴのポートＰＡ）に供給するとともに、第２スイッチＳＷ２は、方向性結合器ＤＣ１のＡ点（すなわちＤＵＴのポートＰＡ）からの波を移相器ＰＳに供給する。このとき、ＤＵＴのポートＰＢは第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２の選択されていない端に接続されるが、前述のように、当該端には図示しない整合負荷（無反射終端）が接続されているので、ポートＰＢに入る波はない。

（２）第２接続
Ｓ１２を計測するために、第１スイッチＳＷ１は、電力分配器ＰＤからの波を方向性結合器ＤＣ２のＣ点（すなわちＤＵＴのポートＰＢ）に供給するとともに、第２スイッチＳＷ２は、方向性結合器ＤＣ１のＡ点（すなわちＤＵＴのポートＰＡ）からの波を移相器ＰＳに供給する。

（３）第３接続
Ｓ２１を計測するために、第１スイッチＳＷ１は、電力分配器ＰＤからの波を方向性結合器ＤＣ１のＣ点（すなわちＤＵＴのポートＰＡ）に供給するとともに、第２スイッチＳＷ２は、方向性結合器ＤＣ２のＡ点（すなわちＤＵＴのポートＰＢ）からの波を移相器ＰＳに供給する。

（４）第４接続
Ｓ２２を計測するために、第１スイッチＳＷ１は、電力分配器ＰＤからの波を方向性結合器ＤＣ２のＣ点（すなわちＤＵＴのポートＰＢ）に供給するとともに、第２スイッチＳＷ２は、方向性結合器ＤＣ２のＡ点（すなわちＤＵＴのポートＰＢ）からの波を移相器ＰＳに供給する。このとき、ＤＵＴのポートＰＡは第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２の選択されていない端に接続されるが、前述のように、当該端には図示しない整合負荷（無反射終端）が接続されているので、ポートＰＡに入る波はない。

ＰＳは、二つの波の間の位相関係を変えるのに用いられる移相器（phase shifter）である。移相器ＰＳにより、後述の７ポート型コリレータ７ＰＪのポートＰ１とＰ２の波の間の位相関係を変えることができる。

ＰＭは、移相器ＰＳの位相関係を調整するためのパルスモータである。パルスモータＰＭにより移相器ＰＳの図示しない可動部分（位相調整用の部材）を移動させることで、位相関係が変化する。

７ＰＪは、２つの入力ポートＰ１及びＰ２と、５個の出力ポートＰ３〜Ｐ７を備える公知の７ポート接合である（特許文献２）。７ポート接合７ＰＪは、コリレータ（Wave-Correlator）として機能する。リフレクトメータとは、１ポートのＤＵＴを一方のポート（例えばＰ１）に接続したとき、他方のポートにおける入射波と反射波の比、すなわち複素反射計数を計測する装置である。具体的には、ポートＰ２から入力する波a2とポートＰ２から出力する波b2の複素振幅比Γ＝a2/b2を計測するためのものである。コリレータ（Wave-Correlator）とは、独立した２つの波についてこれらを比較すること、すなわち複素振幅比を計測する装置である。具体的には、ポートＰ１から入力する波a1とポートＰ２から入力する波a2の複素振幅比Ｗ＝a2/a1を測定するためのものである。

７ポート接合７ＰＪおよび減衰器ATT、方向性結合器DC1、DC2、低雑音増幅器LNA、移相器PS、高周波スイッチSW1、SW2は、総合してリフレクトメータ及びコリレータの両方の機能を果たす。

図３に７ポート接合７ＰＪのブロック図を示す。図中、Ｑ１〜Ｑ５は公知の９０°ハイブリッド、Ｚ１は公知の終端である。ポートＰ１及びポートＰ２は入力ポートである。Ｐ３〜Ｐ７は電力計測用のポートである。９０°ハイブリッドとは、一方の側のひとつのポートに高周波信号を入力すると、その高周波信号の半分の振幅の高周波信号が反対側の対向するポートに出力され、残りの半分が反対側の他方のポートに出力され、前記対向するポートと前記他方のポートとの高周波信号の位相差が９０°となるというものである。また、Q1、Q2は方向性結合器DCに置き換えることが出来る。

ポートＰ３には、ポートＰ１が９０°ハイブリッドＱ１を経て接続される。そこを伝播する波は、ハイブリッドＱ１でおよそ９０°遅れる。

ポートＰ４には、ポートＰ２が９０°ハイブリッドＱ２を経て接続される。そこを伝播する波は、ハイブリッドＱ２でおよそ９０°遅れる。

ポートＰ５には、ポートＰ１が９０°ハイブリッドＱ１、Ｑ３及びＱ５を経て接続されるとともに、ポートＰ２が９０°ハイブリッドＱ２、Ｑ４及びＱ５を経て接続される。ポートＰ５への経路を伝播するポートＰ２からの波は、９０°ハイブリッドＱ５でおよそ９０°遅れる。

ポートＰ６には、ポートＰ１が９０°ハイブリッドＱ１、Ｑ３及びＱ５を経て接続されるとともに、ポートＰ２が９０°ハイブリッドＱ２、Ｑ４及びＱ５を経て接続される。ポートＰ６への経路を伝播するポートＰ１からの波は、９０°ハイブリッドＱ３及びＱ４でおよそ９０°それぞれ遅れる。

ポートＰ７には、ポートＰ１が９０°ハイブリッドＱ１、Ｑ３及びＱ４を経て接続されるとともに、ポートＰ２が９０°ハイブリッドＱ２及びＱ４を経て接続される。ポートＰ７への経路を伝播するポートＰ１からの波は、９０°ハイブリッドＱ３でおよそ９０°遅れる。ポートＰ７への経路を伝播するポートＰ２からの波は、９０°ハイブリッドＱ４でおよそ９０°遅れる。

なお、７ポート結合は、６ポート結合を２つ組み合わせたものとして扱うことができる。すなわち、ポートＰ１〜Ｐ３，Ｐ５〜Ｐ７をひとつの６ポート結合として扱い、ポートＰ１及びＰ２、Ｐ４〜Ｐ７をひとつの６ポート結合として扱うことができる。

ポートＰ３は入力ポートＰ１にのみ依存する電力計測用のポートである。ポートＰ４は入力ポートＰ２にのみ依存する電力計測用のポートである。

ＤＥＴは、７ポート接合７ＰＪの５個の出力ポートＰ３〜Ｐ７からの波をそれぞれ検波する検波器である。
ＡＭＰは、検波器ＤＥＴの出力をそれぞれ増幅してパソコンＰＣに供給する増幅器である。

ＰＣは、増幅器ＡＭＰの出力を受け、その出力（すなわち７ポート接合７ＰＪの５個の出力ポートＰ３〜Ｐ７の検波出力）に基づき、２つの入力ポートＰ１及びＰ２に入力された２つの波の複素振幅比（少なくとも位相差）を求めるとともに、パルスモータＰＭの駆動制御を行うパソコン（コンピュータ）である。

１０は、７ポート接合７ＰＪの２つの入力ポートＰ１及びＰ２に入力される２つの波の振幅比を調整するための振幅比調整手段である。具体的には、振幅比調整手段１０は、低雑音増幅器ＬＮＡ及び／又は減衰器ＡＴＴを備えるものである（例えば、ＬＮＡのみを備える、ＡＴＴのみを備える、ＬＡＮとＡＴＴを直列に接続したものを備える、のいずれか）。

以上まとめると、図１のブロック図は次のように表現できる。

電源ＶＳと、電源ＶＳの出力を２つに分配する電力分配器ＰＤと、電力分配器ＰＤで分配された２つの波をそれぞれ受ける２つの入力ポートＰ１及びＰ２並びに５個の電力計測用の出力ポートＰ３〜Ｐ７を含む７ポート接合と、７ポート接合７ＰＪの出力ポートＰ３〜Ｐ７から出る波をそれぞれ検波する検波器ＤＥＴと、電力分配器ＰＤと７ポート接合７ＰＪの入力ポートＰ２の間に設けられた切換機構２０及び移相器ＰＳと、７ポート接合７ＰＪの入力ポートＰ１に入る波と入力ポートＰ２に入る波の振幅比を調整する振幅比調整手段１０と、を備える。

切換機構２０は次のいずれかの動作を行う。
（１）ＤＵＴの一方のポートに電力分配器ＰＤで分配された波のひとつを入れるとともに、当該ポートから出る波を移相器ＰＳへ入れる。
（２）ＤＵＴの一方のポートに電力分配器ＰＤで分配された波のひとつを入れるとともに、他方のポートから出る波を移相器ＰＳへ入れる。
（３）ＤＵＴの前記他方のポートに電力分配器ＰＤで分配された波のひとつを入れるとともに、前記一方のポートから出る波を移相器ＰＳへ入れる。
（４）ＤＵＴの前記他方のポートに電力分配器ＰＤで分配された波のひとつを入れるとともに、当該ポートから出る波を移相器ＰＳへ入れる。

振幅比調整手段１０は、具体的には、（ａ）電力分配器ＰＤと７ポート接合７ＰＪの入力ポートＰ１の間に設けられたＬＮＡ及び／又はＡＴＴ、（ｂ）電力分配器ＰＤと切換機構２０の間に設けられたＬＮＡ及び／又はＡＴＴ、（ｃ）移相器ＰＳと７ポート接合７ＰＪの入力ポートＰ２の間に設けられたＬＮＡ及び／又はＡＴＴ、の全部又は一部を備えるものである。

発明の実施の形態に係る装置を用いた計測方法について説明を加える。
発明の実施の形態に係る装置は、７ポート接合を用いた２ポートデバイス計測用ベクトルネットワークアナライザ装置である。これは、測定精度の向上と測定ダイナミックレンジの拡大を目的に、コリレータの特徴である独立した２つの波の複素振幅比計測を積極的に活用するために、低損失アンプ（ＬＮＡ）及び／又は減衰器（ＡＴＴ）を新たに導入して７ポート接合の２つの入力波の振幅を制御するものである。入力波の振幅をモニタするために７ポート接合を用いた点、及び、ＬＮＡ及び／又はＡＴＴを含む振幅比調整手段１０を備える点に特徴がある。

図２は、発明の実施の形態に係る測定方法のフローチャートである。

ＳＴＥＰ１：測定に先立ち、図１のシステムの校正を行う。

従来は、７ポート接合ではなく、６ポート接合が用いられていた（特許文献５）。７ポート接合を使用したＶＮＡを用いてＤＵＴのＳパラメータを算出するための校正パラメータを、７ポート接合部分７ＰＪに対する校正パラメータと、その他の回路部分に対する校正パラメータとに区別することなく、ここでは、これらをまとめた校正パラメータを取得することにする。

Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２を測定する４通りの回路の状態それぞれについて、公知の積分校正法を実行し、４通りの校正パラメータを算出する。そして、Ｓ１１測定時にはＳ１１測定用に校正した校正パラメータ、Ｓ１２測定時にはＳ１２測定用に校正した校正パラメータ、Ｓ２１測定時にはＳ２１測定用に校正した校正パラメータ、Ｓ２２測定時にはＳ２２測定用に校正した校正パラメータを、それぞれ使用する。

校正パラメータを算出する具体的な手順ＳＴＥＰ１−１〜ＳＴＥＰ１−４を説明する。

ＳＴＥＰ１−１：Ｓ１１についての校正
図４（ａ）は、２ポートＤＵＴ１７のＳ１１測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。図４（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をポートＰＡを選択するように切り換えるとともに、ＤＵＴに代えて標準器ＳＴをポートＰＡに接続する。標準器ＳＴは、ショート（short:短絡）及びスルー（through:そのまま通過）のいずれかの状態を実現するものである。図４では、標準器ＳＴはポートＰＡのショートを実現しており、電力分配器ＰＤ、スイッチＳＷ１及び方向性結合器ＤＣ１を経てポートＰＡに入る電源ＶＳの波は、その全部が反射されてそこから出て行き、その一部が方向性結合器ＤＣ１、スイッチＳＷ２及び移相器ＰＳを経て７ポート接合７ＰＪのポートＰ２に入る。なお、図４（ａ）において、振幅比調整手段１０の操作は行わない（以下の説明においても、特に言及しない限り同じ）。

図４（ｂ）はその動作説明図を示す。図４（ｂ）から判るように、７ポート接合７ＰＪおよび減衰器ATT、方向性結合器DC1、DC2、低雑音増幅器LNA、移相器PS、高周波スイッチSW1、SW2は７ポート型リフレクトメータとして機能する。

図４の状態で移相器ＰＳの図示しない可動部分を始動位置に固定後、検波器ＤＥＴのポートＰ３、Ｐ５〜Ｐ７（又はＰ４〜Ｐ７）の電力を測定し、これを基準とする。次に、移相器ＰＳの可動部分を動かしながら、検波器ＤＥＴのポートＰ３、Ｐ５〜Ｐ７（又はＰ４〜Ｐ７）の電力を一周期分測定する。以上の電力測定値を用いて、Ｓ１１測定用の校正パラメータ3K5, 3K6, 3K7, k3, k5, k6, k7を算出する。

前述のように、７ポート接合７ＰＪは２つの６ポート接合を含んでいると解釈できるので、その一方の出力ポートを使用することで、校正パラメータの算出やＳパラメータの算出において６ポート接合（６ポート型コリレータ）として扱うことができる。

７ポート接合７ＰＪは、６ポート接合の欠点、すなわち、ポートＰ１に入る波a1とポートＰ２に入るa2の振幅が大きく異なると、複素平面上で複素振幅比Ｗ（＝a2/a1）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測定精度が悪くなるという問題を解決するためのものである（後述の説明も参照されたい）。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（｜a1｜≧｜a2｜）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（｜a1｜＜｜a2｜）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。７ポート結合７ＰＪは、a1のみに依存するポートＰ３と、a2のみに依存するポートＰ４を備え、これらの検波出力にもとづきa1,a2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ようにしたものである。

すなわち、｜a1｜≧｜a2｜のときはＷ＝a2/a1を計測し、｜a1｜＜｜a2｜のときはＷ=a1/a2を計測する。ポートＰ３とＰ４により、｜a1｜と｜a2｜の振幅比も容易に測定することができる。基準ポートＰ３から見たときのシステムパラメータを3K5, 3K6, 3K7, k3, k5, k6, k7とし、基準ポートＰ４から見たときのシステムパラメータを4K'5, 4K'6, 4K'7, k'3, k'5, k'6, k'7とする。これらのパラメータは一度の校正操作で同時に求めることができる。

なお以下では、基準ポートをＰ３としたときを例にとり説明する。

ここで用いられる校正手法は、公知の積分校正法である。積分校正法は、少なくとも一周期分位相を変化させながら各ポートの電力を測定し、その結果得られたグラフについてそのｎ次高調波の複素フーリエ係数を計算し、この複素フーリエ係数に基づき上記校正パラメータを決定するものである。

なお、上記校正パラメータ3K5, 3K6, 3K7, k3, k5, k6, k7を用いてＤＵＴの反射係数Γ（＝a2/b2）を算出するには、次式を用いる。

ＳＴＥＰ１−２：Ｓ１２についての校正
図５（ａ）は、２ポートＤＵＴ１７のＳ１２測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。図５（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１をポートＰＢを選択するように、スイッチＳＷ２をポートＰＡを選択するように切り換える。標準器ＳＴでスルー（through:そのまま通過）を実現する。図５では、電力分配器ＰＤ、スイッチＳＷ１及び方向性結合器ＤＣ２を経てポートＰＢに入る電源ＶＳの波は、そのままポートＰＡに伝播し、その一部が方向性結合器ＤＣ１、スイッチＳＷ２及び移相器ＰＳを経て７ポート接合７ＰＪのポートＰ２に入る。

図５（ｂ）はその動作説明図を示す。図５（ｂ）から判るように、７ポート接合７ＰＪは７ポート型コリレータとして機能する。

図４の状態で移相器ＰＳの図示しない可動部分を始動位置に固定後、検波器ＤＥＴのポートＰ３、Ｐ５〜Ｐ７（又はＰ４〜Ｐ７）の電力を測定し、これを基準とする。次に、移相器ＰＳの可動部分を動かしながら、検波器ＤＥＴのポートＰ３、Ｐ５〜Ｐ７（又はＰ４〜Ｐ７）の電力を一周期分測定する。以上の電力測定値を用いて、Ｓ１２測定用の校正パラメータ3T5, 3T6, 3T7, t3, t5, t6, t7を算出する（積分校正法）。

なお、上記校正パラメータ3T5, 3T6, 3T7, t3, t5, t6, t7を用いて複素振幅比Ｗ（＝a2/a1）を算出するには、次式を用いる。

上記式に基づき複素振幅比Ｗを求めるが、このことは中心及び半径が次の式で与えられる複素平面上の３つの円の交点を求めることに相当する（図８）。

ＳＴＥＰ１−３：Ｓ２１についての校正
図６（ａ）は、２ポートＤＵＴ１７のＳ２１測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。図６（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１をポートＰＡを選択するように、スイッチＳＷ２をポートＰＢを選択するように切り換える。標準器ＳＴでスルー（through:そのまま通過）を実現する。図６では、電力分配器ＰＤ、スイッチＳＷ１及び方向性結合器ＤＣ１を経てポートＰＡに入る電源ＶＳの波は、そのままポートＰＢに伝播し、その一部が方向性結合器ＤＣ２、スイッチＳＷ２及び移相器ＰＳを経て７ポート接合７ＰＪのポートＰ２に入る。

図６（ｂ）はその動作説明図を示す。図６（ｂ）から判るように、７ポート接合７ＰＪおよび減衰器ATT、方向性結合器DC1、DC2、低雑音増幅器LNA、移相器PS、高周波スイッチSW1、SW2は７ポート型コリレータとして機能する。
以下は、Ｓ１２と同様の手順による。

ＳＴＥＰ１−４：Ｓ２２についての校正
図７（ａ）は、２ポートＤＵＴ１７のＳ２２測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す。図７（ａ）に示すように、スイッチＳＷ１をポートＰＢを選択するように、スイッチＳＷ２をポートＰＢを選択するように切り換える。標準器ＳＴでショートを実現する。図７では、電力分配器ＰＤ、スイッチＳＷ２及び方向性結合器ＤＣ２を経てポートＰＢに入る電源ＶＳの波は、その全てが反射され、その一部が方向性結合器ＤＣ２、スイッチＳＷ２及び移相器ＰＳを経て７ポート接合７ＰＪのポートＰ２に入る。

図７（ｂ）はその動作説明図を示す。図７（ｂ）から判るように、７ポート接合７ＰＪおよび減衰器ATT、方向性結合器DC1、DC2、低雑音増幅器LNA、移相器PS、高周波スイッチSW1、SW2は７ポート型リフレクトメータとして機能する。
以下は、Ｓ１１と同様の手順による。

ＳＴＥＰ２：７ポート接合のポートＰ１及びＰ２に入る２つの波の振幅比を測定する。

前述のように、７ポート接合のポートＰ３とＰ４で測定する電力に基づき、２つの波の振幅比（＝｜a1｜/｜a2｜）を求めることができる。
単にポートＰ３とＰ４の電力比から振幅比を求めるのであれば、ＳＴＥＰ１の校正手順を省くことも出来る。

ＳＴＥＰ３：振幅調整手段１０を用いて２つの波の振幅比を１に近づける。

｜a1｜＞｜a2｜であれば、次のいずれか又は全部を行う。
・電力分配器ＰＤと７ポート接合７ＰＪの間に設けられたアッテネータでポートＰ１に入る波を減衰させる。
・電力分配器ＰＤとスイッチＳＷ１の間に設けられた増幅器ＬＮＡでポートＰ２に入る波を増幅する。
・移相器ＰＳと７ポート接合７ＰＪの間に設けられた増幅器ＬＮＡでポートＰ２に入る波を増幅する。

｜a1｜＜｜a2｜であれば、次のいずれか又は全部を行う。
・電力分配器ＰＤと７ポート接合７ＰＪの間に設けられた増幅器ＬＮＡでポートＰ１に入る波を増幅する。
・電力分配器ＰＤとスイッチＳＷ１の間に設けられたアッテネータでポートＰ２に入る波を減衰させる。
・移相器ＰＳと７ポート接合７ＰＪの間に設けられたアッテネータでポートＰ２に入る波を減衰させる。

ＳＴＥＰ４：再び校正を行う。

ＳＴＥＰ５：校正パラメータを用いて、７ポート接合のポートＰ１及びＰ２に入る２つの波の位相差を測定する。

ＳＴＥＰ３で振幅比がほぼ１に設定されているので、複素平面上で複素振幅比Ｗ（＝a2/a1）が、３つの円の中心を頂点とする三角形の内側に位置するようになり（図８参照）、その精度を高く保つことが出来る。すなわち、測定誤差のために３つの円が一点で交わらないとしてもその範囲を極めて狭くすることができるのである。

従来でも振幅比（電力比：スカラー量）は比較的精度よく求めることができたが、位相差を精度よく求めることは非常に困難であった。しかし、発明の実施の形態によれば、位相差を精度よく求めることができ、正確なベクトル量を測定することが可能である。

発明の実施の形態によれば、高周波測定において、その測定精度を向上させることができる。振幅比±２％、位相差±２°を期待できる。さらに、振幅比を１に設定することで測定ダイナミックレンジを拡大することができる。６０ｄＢ以上を期待できる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

発明の実施の形態に係る高周波信号計測システム（ベクトルネットワークアナライザ：ＶＮＡ）のブロック図である。 発明の実施の形態に係る測定方法のフローチャートである。 ７ポート接合の内部ブロック図である。 図４（ａ）は、Ｓ１１測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す図、図４（ｂ）はその動作説明図である。 図５（ａ）は、Ｓ１２測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す図、図５（ｂ）はその動作説明図である。 図６（ａ）は、Ｓ２１測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す図、図６（ｂ）はその動作説明図である。 図７（ａ）は、Ｓ２２測定用の校正パラメータを算出する場合の回路状態を示す図、図７（ｂ）はその動作説明図である。 複素振幅比Ｗの求め方の説明図（複素平面上の３つの円がそれぞれi=5,6,7に相当する）。

符号の説明

１０ 振幅比調整手段
２０ 切換機構
７ＰＪ ７ポート結合（７ポート型リフレクトメータ、７ポート型コリレータ）
ＡＭＰ 増幅器
ＡＴＴ 減衰器
ＤＣ１、ＤＣ２ 方向性結合器
ＤＥＴ 検波器
ＤＵＴ 被測定デバイス
ＬＮＡ 低雑音増幅器
ＰＣ パソコン
ＰＤ 電力分配器
ＰＭ パルスモータ
ＰＳ 移相器
ＳＷ１、ＳＷ２ 高周波スイッチ
ＶＳ 電源

Claims (4)

1. マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯や赤外線、可視光線、紫外線などの高周波信号を発生する電源と、前記電源の出力を少なくとも２つに分配する電力分配器と、前記電力分配器で分配された波をそれぞれ受ける２つの入力ポートＰ１とＰ２及び５個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ７を含む７ポート接合と、前記７ポート接合の前記出力ポートＰ３乃至Ｐ７から出る波をそれぞれ検波する検波器と、前記電力分配器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた切換機構と、前記切換機構から受けた波の位相を変化させて前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２へ入れる移相器と、前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１に入る波と前記入力ポートＰ２に入る波の振幅比を調整する振幅比調整手段とを備え、
   前記切換機構は、被測定デバイスの一方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに当該ポートから出る波を前記移相器へ入れる第１接続、前記被測定デバイスの前記一方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに他方のポートから出る波を前記移相器へ入れる第２接続、前記被測定デバイスの前記他方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに前記一方のポートから出る波を前記移相器へ入れる第３接続、及び、前記被測定デバイスの前記他方のポートに前記電力分配器で分配された波を入れるとともに当該ポートから出る波を前記移相器へ入れる第４接続、のいずれかを選択するものであることを特徴とするベクトルネットワークアナライザ。
2. 前記振幅比調整手段は、前記電力分配器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、前記電力分配器と前記切換機構の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、及び、前記移相器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、の全部又は一部を備える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。
3. マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯や赤外線、可視光線、紫外線などの高周波信号を発生する電源からの波を、７ポート接合の入力ポートＰ１と、被測定デバイスに入力し、前記被測定デバイスからの波を移相器を経由して前記７ポート接合の入力ポートＰ２に入れ、前記移相器での移相量を変化させつつ前記７ポート接合の５個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ７の検波出力を測定し、その結果に基づき前記被測定デバイスに関するベクトル量を測定するベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法であって、
   前記７ポート接合の出力ポートＰ３とＰ４の検波出力に基づき前記入力ポートＰ１に入る波と前記入力ポートＰ２に入る波の振幅比を測定するステップと、
   前記電源と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、前記電源と前記被測定デバイスの間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、及び、前記移相器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、の全部又は一部の増幅率及び／又は減衰率を調整することにより、前記振幅比を１に近づけるステップと、
   前記ベクトルネットワークアナライザの校正パラメータを取得するステップと、
   前記校正パラメータを使用して、前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１に入る波と入力ポートＰ２に入る波の位相差を測定するステップと、を備えるベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法。
4. マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯や赤外線、可視光線、紫外線などの高周波信号を発生する電源からの波を、７ポート接合の入力ポートＰ１と、被測定デバイスに入力し、前記被測定デバイスからの波を移相器を経由して前記７ポート接合の入力ポートＰ２に入れ、前記移相器での移相量を変化させつつ前記７ポート接合の５個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ７の検波出力を測定し、その結果に基づき前記被測定デバイスに関するベクトル量を測定するベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記７ポート接合の出力ポートＰ３とＰ４の検波出力に基づき前記入力ポートＰ１に入る波と前記入力ポートＰ２に入る波の振幅比を測定するステップと、
   前記電源と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、前記電源と前記被測定デバイスの間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、及び、前記移相器と前記７ポート接合の前記入力ポートＰ２の間に設けられた増幅器及び／又は減衰器、の全部又は一部の増幅率及び／又は減衰率を調整することにより、前記振幅比を１に近づけるステップと、
   前記ベクトルネットワークアナライザの校正パラメータを取得するステップと、
   前記校正パラメータを使用して、前記７ポート接合の前記入力ポートＰ１に入る波と入力ポートＰ２に入る波の位相差を測定するステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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