JP2010181226A

JP2010181226A - 線形マルチポートのシステムパラメータの測定方法及びベクトルネットワークアナライザを用いた測定方法

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Publication number: JP2010181226A
Application number: JP2009023816A
Authority: JP
Inventors: Hajime Kondo; 肇近藤; Toshiyuki Yakabe; 利幸矢加部; Hatsuo Yabe; 初男矢部
Original assignee: University of Electro Communications NUC; Chuo Electronics Co Ltd; Campus Create Co Ltd
Current assignee: University of Electro Communications NUC; Chuo Electronics Co Ltd; Campus Create Co Ltd
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: US20110288800A1; US8725442B2; WO2010090173A1; JP5213124B2

Abstract

【課題】ＶＮＡ（Vector Network Analyzer：ベクトルネットワークアナライザ）に使用される５ポート接合のシステムパラメータの新規な測定方法を提供する。
【解決手段】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。新しい知見として、５ポート接合においては、SパラメータをHと電力差分率（｛P（S)／P（０）｝−１）とを使った線形結合で表せることを見いだした。新しい知見によりパラメータＨを直接計算することができるようになった。既知の標準器最低３個を使ってパラメータＨを計算で簡単に導出でき、従来よりも計算量を削減できる。
【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。

特開２００３−２１５１８３号公報「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」特開２００５−２２１３７５号公報「移相器を用いた直接校正によるコリレータ」特開２００５−３２６３０８号公報「６ポート型システムを用いた高周波広帯域１ポート可変負荷装置」特開２００６−１１２８９３号公報「６ポート型接合を用いたベクトル・ネットワーク・アナライザ装置とその校正方法」特開２００８−１６４４１８号公報「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」

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。

本発明は、上記先行技術文献記載の方法とは異なる方法により、ベクトルネットワークアナライザを用いて高周波領域の信号の振幅比と位相差を測定する技術を提供することを目的とし、新規なシステムパラメータの測定方法及びこれを使用したベクトルネットワークアナライザ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。

この発明は、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含む線形マルチポートについて、その固有の値であるシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11を測定する方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波（具体例を挙げれば、図４、図９などにおける電力分配器ＰＤの出力端の一方（符号Ｒ）から出る波）を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記整合終端を外し、前記第２入力ポートにショートの標準器（標準器はその通過特性及び反射特性が既知であるとする。以下同じ）を接続し、前記ショートの標準器に他の所定の波（具体例を挙げれば、図４、図９などにおける電力分配器ＰＤの出力端の他方（符号Ｍ）から出る波）を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[1]),P4(S11_s[1]),P5(S11_s[1])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ショートの標準器の前にライン１の標準器を挿入し、前記ライン１の標準器と前記ショートの標準器に前記他の所定の波を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[2]),P4(S11_s[2]),P5(S11_s[2])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ライン１の標準器に代えてライン２の標準器を挿入し、前記ライン２の標準器と前記ショートの標準器に前記他の所定の波を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[3]),P4(S11_s[3]),P5(S11_s[3])とする電力測定ステップと、
下記式によりシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11を計算するものである。

この発明は、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含む線形マルチポートについて、その固有の値であるシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12を測定する方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記整合終端を外し、前記第２入力ポートに他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[1]),P4(S12_s[1]),P5(S12_s[1])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートにライン１の標準器を接続し、前記ライン１の標準器を介して前記他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[2]),P4(S12_s[2]),P5(S12_s[2])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ライン１の標準器に代えてライン２の標準器を接続し、前記ライン２の標準器を介して前記他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[3]),P4(S12_s[3]),P5(S12_s[3])とする電力測定ステップと、
下記式によりシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12を計算するものである。

この発明は、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２つに分け、一方を、２つの入力ポートと３つ以上の出力ポートを備える線形マルチポートの第１入力ポートに、他方を被測定デバイスに入力するとともに、前記被測定デバイスを通過した波又は前記被測定デバイスで反射された波を前記線形マルチポートの第２入力ポートに入れ、この状態で前記線形マルチポートの３つ以上の電力計測用の出力ポートそれぞれ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であって、前記線形マルチポートは、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含むものを用いた測定方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートに前記被測定デバイスで反射された波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11),P4(S11),P5(S11)とする電力測定ステップと、
前記P3(0),P4(0),P5(0)、前記P3(S11),P4(S11),P5(S11)、予め求められたシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11及び下記式に基づき、前記被測定デバイスの反射特性S11を計算するものである。

この発明は、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２つに分け、一方を、２つの入力ポートと３つ以上の出力ポートを備える線形マルチポートの第１入力ポートに、他方を被測定デバイスに入力するとともに、前記被測定デバイスを通過した波又は前記被測定デバイスで反射された波を前記線形マルチポートの第２入力ポートに入れ、この状態で前記線形マルチポートの３つ以上の電力計測用の出力ポートそれぞれ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であって、前記線形マルチポートは、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含むものを用いた測定方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートに前記被測定デバイスを通過した波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12),P4(S12),P5(S12)とする電力測定ステップと、
前記P3(0),P4(0),P5(0)、前記P3(S12),P4(S12),P5(S12)、予め求められたシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12及び下記式に基づき、前記被測定デバイスの通過特性S12を計算するものである。

この発明に適用されるベクトルネットワークアナライザは、例えば、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３個の電力計測用の出力ポートＰ３乃至Ｐ５を含む５ポート接合と、前記５ポート接合の前記出力ポートＰ３乃至Ｐ５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５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入力ポートＰ２へ入れる第１接続、前記被測定デバイスの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入力ポートＰ２へ入れる第２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前記他方のポートから出る波を前記入力ポートＰ２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入力ポートＰ２へ入れる第４接続、のいずれかを選択するものである。

例えば、図４のＳＷ１，ＳＷ２は切換機構を構成する。

請求項１及び請求項３は、例えば、前記第１接続又は前記第４接続で適用され、請求項２及び請求項４は、例えば、前記第２接続又は前記第３接続で適用される。

ＳパラメータのS22は、本発明のS11の手順を同様に適用することができる。また、ＳパラメータのS21は、本発明のS12の手順を同様に適用することができる。システムパラメータH3_22,H4_22,H5_22及びH3_21,H4_21,H5_21についても同様である。

５ポート接合の内部ブロック図である。５ポート接合の説明図である。５ポート接合の説明図（ポート２を整合終端）である。測定回路（VNA)のブロック図である。 H3_11,H4_11,H5_11の測定手順を示すフローチャートである。 H3_12,H4_12,H5_12の測定手順を示すフローチャートである。 H3_21,H4_21,H5_21の測定手順を示すフローチャートである。 H3_22,H4_22,H5_22の測定手順を示すフローチャートである。 H3_11,H4_11,H5_11測定の回路接続を示す図である（「ロード」接続）。 H3_11,H4_11,H5_11測定の回路接続を示す図である（「ライン１／２」＋「ロード」接続）。 H3_12,H4_12,H5_12測定の回路接続を示す図である（「ライン１／２」接続）。 H3_12,H4_12,H5_12測定の回路接続を示す図である（直結）。 DUTのS11,S12,S21,S22の測定手順を示すフローチャートである。５．１ポート接合の内部ブロック図である。パラメータH3_21,H4_21,H5_21の計算式を示す図である。パラメータH3_21,H4_21,H5_21の計算式を示す図である。

発明の実施の形態１．
５ポート接合の一例を、図１に示す。図中、５ＰＪは５ポート接合を示す。Ｑは公知の９０°ハイブリッド、ＰＤは公知の電力分配器である。ポート１及びポート２は入力ポートである。３〜５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。

５ポート接合５ＰＪの動作は次のようなものである。
５ポートコリレータ（Five-port correlator)は、２つのポートに入る正弦波の大きさと位相の相互関係を、残りの３つのポートから出る電力値から測定する線形回路システムである。
図２の線形５ポート接合において、入力ポート１、２から入る波の複素振幅をa1、a2とすると、サイドアームポート３、４、５から出てくる波の電力は次のように書ける。

ここで、Ah、Bhは５ポート接合固有の複素定数、αhは変換係数である。
コリレータでは、ポート１から入る波a1を基準波（Reference wave)、ポート２から入る波a2を測定波（Measurement wave)とし、基準波に対する測定波の複素振幅比Wを測定する。
そこで、図３のように、ポート２を整合終端して a2=0 とし、基準波入力のみのサイドアームポート電力を、基準ポート電力Phrと定義し、式（１）を次のように書き換えることができる。

５ポート接合５ＰＪを備えるコリレータを用いて計測を行うには、各出力ポートの波の電力値を計測するとともに、電力値とシステムパラメータを所定の数式に代入し計算する。システムパラメータとは、５ポート接合５ＰＪに固有の値である。システムパラメータは、以下に説明する手順に従い、測定に先立ち予め求めておく必要がある。
この点については、後にさらに詳しく説明する。

図４に、測定回路の例を示す。
図４において、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。なお、図示しないが、図４の装置は、出力ポートの電力を測定するための検波器、検波器の出力を増幅する増幅器、増幅器の出力を受け、その出力（すなわち５ポート接合５ＰＪの３個の出力ポートＰ３〜Ｐ５の検波出力）に基づきシステムパラメータを計算するパソコン（コンピュータ）を備えていてもよい。

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、残りの一端は終端されている。方向性結合器ＤＣ２も同様である。ＳＷ１は、電力分配器ＰＤからの波を２つの方向性結合器ＤＣ１又はＤＣ２のいずれかに入れるスイッチである。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５ポート接合５ＰＪのポート２へ送るスイッチである。

第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２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を構成する。

なお、以下の説明で、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２などを、単にＳＷ１、ＳＷ２と略記することがある。
図４のＳＷ１，ＳＷ２は切換機構を構成する。切換機構は、電力分配器ＰＤと５ポート接合５ＰＪの入力ポートＰ２の間に設けられ、被測定デバイス（ＤＵＴ）の一方のポートに電力分配器ＰＤ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入力ポートＰ２へ入れる第１接続、ＤＵＴの他方のポートに電力分配器ＰＤ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入力ポートＰ２へ入れる第２接続、ＤＵＴの前記一方のポートに電力分配器ＰＤで分配された波を入れるとともに前記他方のポートから出る波を入力ポートＰ２へ入れる第３接続、及び、ＤＵＴの前記他方のポートに電力分配器ＰＤ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入力ポートＰ２へ入れる第４接続、のいずれかを選択するものである。
以下に説明する図５乃至図８のフローチャートは、それぞれ、第１接続〜第４接続に対応している。

図５乃至図８は、５ポート接合５ＰＪを用いたコリレータのシステムパラメータの測定方法のフローチャートである。システムパラメータH3_11,・・・については、後に詳しく説明する。なお、以下の説明にある、「ロード」「ショート」「ライン１」「ライン２」などは標準器であり、その特性は既知であるとする。

（１）H3_11,H4_11,H5_11の測定手順（図５参照）
STEP1：SW1を左側、SW２を左側に設定する（DC1を選択する）。そして、PAに「ロード」を接続し（整合終端）、PBに「ロード」を接続する（図９参照）。
STEP2：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3(0)、P4(0)、P5(0)とする。
STEP3：PAの「ロード」を「ショート」（短絡）に変更する。PBの「ロード」は変更しない。
STEP4：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S11＿s[1]）、P4（S11＿s[1]）、P5（S11＿s[1]）とする。
STEP5：PAの「ショート」を「ライン１（アダプタ等）」+「ショート」に変更する（図１０参照）。PBの「ロード」は変更しない。
STEP6：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S11＿s[2]）、P4（S11＿s[2]）、P5（S11＿s[2]）とする。
STEP7：PAの「ライン１（アダプタ等）」+「ショート」を「ライン２（ライン１とは別の長さのアダプタ等）」+「ショート」に変更する。
STEP8：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S11＿s[3]）、P4（S11＿s[3]）、P5（S11＿s[3]）とする。
STEP9：上記ステップで得られた、P3(0)、P4(0)、P5(0)、（S11＿s[1]）、P4（S11＿s[1]）、P5（S11＿s[1]）、P3（S11＿s[2]）、P4（S11＿s[2]）、P5（S11＿s[2]）、P3（S11＿s[3]）、P4（S11＿s[3]）、P5（S11＿s[3]）を図１６の式に代入することにより、H3_11,H4_11,H5_11を求めることができる。

なお、図１６の式の右辺はS21となっているが、S11,S12,S22についても同様に成立する。図１６の式の右辺のS21＿s[i]をS11＿s[i]に読み替えて、上記値を代入する（以下、同様）。これにより得られるパラメータはH3_11,H4_11,H5_11である。

（２）H3_12,H4_12,H5_12の測定手順（図６参照）
STEP11：SW1を右側（DC2を選択）、SW２を左側に設定する（DC1を選択する）。そして、PAに「ロード」を接続し（整合終端）、PBに「ロード」を接続する。
STEP12：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3(0)、P4(0)、P5(0)とする。
STEP13：PAとPBを直結する（図１２参照）。
STEP14：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S12＿s[1]）、P4（S12＿s[1]）、P5（S12＿s[1]）とする。
STEP15：PAとPBの間に「ライン１」を接続する（図１１参照）。
STEP16：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S12＿s[2]）、P4（S12＿s[2]）、P5（S12＿s[2]）とする。
STEP17：PAとPBの間の「ライン１」を「ライン２」に変更する（図１１参照）。
STEP18：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S12＿s[3]）、P4（S12＿s[3]）、P5（S12＿s[3]）とする。
STEP19：上記ステップで得られた、P3(0)、P4(0)、P5(0)、P3（S12＿s[1]）、P4（S12＿s[1]）、P5（S12＿s[1]）、P3（S12＿s[2]）、P4（S12＿s[2]）、P5（S12＿s[2]）、P3（S12＿s[3]）、P4（S12＿s[3]）、P5（S12＿s[3]）を図１６の式に代入することにより、H3_12,H4_12,H5_12を求めることができる。

図１６の式の右辺のS21＿s[i]をS12＿s[i]に読み替えて、上記値を代入する。

（３）H3_21,H4_21,H5_21の測定手順（図７参照）
STEP21：SW1を左側（DC1を選択）、SW２を右側に設定する（DC2を選択する）。そして、PAに「ロード」を接続し（整合終端）、PBに「ロード」を接続する。
STEP22：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3(0)、P4(0)、P5(0)とする。
STEP23：PAとPBを直結する。
STEP24：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S21＿s[1]）、P4（S21＿s[1]）、P5（S21＿s[1]）とする。
STEP25：PAとPBの間に「ライン１」を接続する。
STEP26：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S21＿s[2]）、P4（S21＿s[2]）、P5（S21＿s[2]）とする。
STEP27：PAとPBの間の「ライン１」を「ライン２」に変更する。
STEP28：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S21＿s[3]）、P4（S21＿s[3]）、P5（S21＿s[3]）とする。
STEP29：上記ステップで得られた、P3(0)、P4(0)、P5(0)、（S21＿s[1]）、P4（S21＿s[1]）、P5（S21＿s[1]）、P3（S21＿s[2]）、P4（S21＿s[2]）、P5（S21＿s[2]）、P3（S21＿s[3]）、P4（S21＿s[3]）、P5（S21＿s[3]）を図１６の式に代入することにより、H3_21,H4_21,H5_21を求めることができる。

（４）H3_22,H4_22,H5_22の測定手順（図８参照）
STEP31：SW1を右側、SW２を右側に設定する（DC2を選択する）。そして、PAに「ロード」を接続し（整合終端）、PBに「ロード」を接続する。
STEP32：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3(0)、P4(0)、P5(0)とする。
STEP33：PBの「ロード」を「ショート」（短絡）に変更する。PAの「ロード」は変更しない。
STEP34：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S22＿s[1]）、P4（S22＿s[1]）、P5（S22＿s[1]）とする。
STEP35：PBの「ショート」を「ライン１」+「ショート」に変更する。PAの「ロード」は変更しない。
STEP36：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S22＿s[2]）、P4（S22＿s[2]）、P5（S22＿s[2]）とする。
STEP37：PBの「ライン１」+「ショート」を「ライン２」+「ショート」に変更する。
STEP38：５ポート接合５PJのP3、P4、P5から電力の値を取得する。これら電力値をP3（S22＿s[3]）、P4（S22＿s[3]）、P5（S22＿s[3]）とする。
STEP39：上記ステップで得られた、P3(0)、P4(0)、P5(0)、（S22＿s[1]）、P4（S22＿s[1]）、P5（S22＿s[1]）、P3（S22＿s[2]）、P4（S22＿s[2]）、P5（S22＿s[2]）、P3（S22＿s[3]）、P4（S22＿s[3]）、P5（S22＿s[3]）を図１６の式に代入することにより、H3_22,H4_22,H5_22を求めることができる。

図１６の式の右辺のS21＿s[i]をS22＿s[i]に読み替えて、上記値を代入する。

ここで使用している「ショート」「ロード」「ライン１」「ライン２」は、すべてその特性が分かっているものを使用する。

なお、上記測定方法は、後述の５．１ポートに関しても、同様に適用することができる。

図１３は、５ポート接合５ＰＪを用いたＤＵＴのＳパラメータの測定方法のフローチャートである。同図で使用する式は次のものである。

図１３を参照して測定手順を説明する。
STEP41：図４のようにDUTを接続する（PA+DUT+PB）。
STEP42：SW１及びSW2でDC１を選択する（SW1を左側、SW２を左側にする）。
STEP43：５ポート接合のP3、P4、P5から電力の値を取得する。これらをP3（S11）、P4（S11）、P5（S11）とする。上記のS11の式に、これらと既に求めていたP3(0)、P4(0)、P5(0)（図５及びその説明参照）及びH3_11,H4_11,H5_11を代入して、S11を求める。
STEP44：SW１でDC２を選択し、SW2でDC１を選択する。
STEP45：５ポート接合のP3、P4、P5から電力の値を取得する。これらをP3（S12）、P4（S12）、P5（S12）とする。上記のS12の式に、これらと既に求めていたP3(0)、P4(0)、P5(0)（図６及びその説明参照）及びH3_12,H4_12,H5_12を代入して、S12を求める。
STEP46：SW１でDC1を選択し、SW2でDC2を選択する。
STEP47：５ポート接合のP3、P4、P5から電力の値を取得する。これらをP3（S21）、P4（S21）、P5（S21）とする。上記のS21の式に、これらと既に求めていたP3(0)、P4(0)、P5(0)（図７及びその説明参照）及びH3_21,H4_21,H5_21を代入して、S21を求める。
STEP48：SW１及びSW2でDC2を選択する。
STEP49：５ポート接合のP3、P4、P5から電力の値を取得する。これらをP3（S22）、P4（S22）、P5（S22）とする。上記のS22の式に、これらと既に求めていたP3(0)、P4(0)、P5(0)（図８及びその説明参照）及びH3_22,H4_22,H5_22を代入して、S22を求める。

従来においては、システムパラメータHを求める際に円の交点を計算していた。円の交点を求めるための計算が複雑であるとともに、交点を正確に求めることが困難であり、このため測定誤差が生じていた。

新しい知見として、５ポートにおいては、SパラメータをHと電力差分率（｛P（S)／P（０）｝−１）とを使った線形結合で表せることを見いだした。この知見によりパラメータＨを直接計算することができるようになった。本発明の実施の形態によれば、既知の標準器最低３個を使ってパラメータＨを計算で簡単に導出でき、計算量を削減できる。

以下、式の導出について説明を加える。

Ａ．最小二乗法を用いた５ポートシステムのシステムパラメータの求め方
まず、５ポートシステムの基本式について説明する。
ポート1からの入力波をa1、ポート2からの入力波をa2とおくと、出力ポートiの電力はAi, Biを複素定数として

と表わされる。ここで、Bi/Ai=ki、a2/a1=W、また、PiはWの関数なのでPi≡Pi(W)とすると

となる。また、Pi(0)=α｜Aia1｜^2｜1+ki0｜^2=|Aia1|^2なので、上記式（数９）は

と書くことができる。５ポートVNAの場合、DUTの透過係数をS21とすると

と表わされる。
上記式（数１１）をポートi(i=3,4,5)に適用して整理し、S21を求める式を導出するとH3_21,H4_21,H5_21をシステム定数として

となる。なお、S11,S12,S22に関しても同様の式が成立する。

これらの式に、例えば、図７の測定値P3(0)、P4(0)、P5(0)、P3（S21＿s[1]）、P4（S21＿s[1]）、P5（S21＿s[1]）、P3（S21＿s[2]）、P4（S21＿s[2]）、P5（S21＿s[2]）、P3（S21＿s[3]）、P4（S21＿s[3]）、P5（S21＿s[3]）を代入したものは、３元連立一次方程式である。これを解いてシステムパラメータH3_21,H4_21,H5_21を求めることもできる。

S11,S12,S22に関しても同様にシステムパラメータを求めることができる。

最小二乗法によるシステムパラメータの決定方法
既知の標準器をi(i＝3,4,5,・・・)個用意し、S21_s[i]それぞれの標準器を接続したときの式（数１２）との差の二乗I

を求め、その偏微分を０とおいた式

を行列で表現すると、図１５に示す式となる。したがって、図１６に示す式で求めることができる。

５ポートシステムにおける、計算式の導出
上述した５ポートシステムの基本式（数１０）をポートi(i=3,4,5)に適用して整理し、Wを求める式を導出すると

より、行列で表現して

よって、

となる。式（数１８）を展開すると、

式（数１９）において

とおくと、これは定数となり、これにより式（数１９）は

という、線形結合で表すことができる。５ポートVNAの場合には測定したい特性によって
上記式（数１９）のWをそれぞれ、S11, S12, S21, S22と書き換え、それぞれ

と表すことができる。

発明の実施の形態２．
５ポート接合において、パラメータＨを取得できれば、ポート３，４，５のパワーからDUTのSパラメータを計算できることを示した。上記方法を適用可能なものは、物理的なポート数が５であることではなく、５ポート接合として機能する構造である。

その一例として、図１４に示すように、５ポート接合に電力分配器PDをひとつ付加した装置について説明を加える。同図の装置を便宜上５．１ポートと記すことにする。

５．１ポートシステムにおける、計算式の導出
ポート1からの入力波をa1、ポート2からの入力波をa2とおくと、出力ポートiの電力はAi, Biを複素定数として

と表わされる。ここで、出力ポートがa2に依存しないポート、つまりa2=0のポート（図１４におけるポート０）

を用意し、このポートとの比をとると

ここで、Pi/Ph=hPi, Ai/Ah=hAi, Bi/Ah=hki, a2/a1=W,また、hPiはWの関数なのでhPi≡hPi(W)とすると

となる。また、hPi(0)=|hAi|^2|1+hki(0)|^2=|hAi|^2なので、式（数２６）は

と書くことができる。
上記式（数２６）をポートh=0, i=3,4,5について適用し、Wを求める式を導出すると

より、行列で表現して

よって、

となる。式（数３０）を展開すると、

上記式（数３１）において

とおくと、これは定数となり、これにより上記式（数３１）は

という、線形結合で表すことができる。５．１ポートVNAの場合には測定したい特性によって式（数３３）のWをそれぞれ、S11, S12, S21, S22と書き換え、それぞれ

と表すことができる。
したがって、５．１ポートに関しても、図１３の手順にしたがってDUTのSパラメータを測定することができる。

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。

５ＰＪ５ポート接合
ＤＣ１、ＤＣ２方向性結合器
ＤＵＴ被測定デバイス
ＰＤ電力分配器
ＳＷ１、ＳＷ２高周波スイッチ
ＶＳ電源

Claims

第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含む線形マルチポートについて、その固有の値であるシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11を測定する方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記整合終端を外し、前記第２入力ポートにショートの標準器（標準器はその通過特性及び反射特性が既知であるとする。以下同じ）を接続し、前記ショートの標準器に他の所定の波を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[1]),P4(S11_s[1]),P5(S11_s[1])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ショートの標準器の前にライン１の標準器を挿入し、前記ライン１の標準器と前記ショートの標準器に前記他の所定の波を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[2]),P4(S11_s[2]),P5(S11_s[2])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ライン１の標準器に代えてライン２の標準器を挿入し、前記ライン２の標準器と前記ショートの標準器に前記他の所定の波を入れ、その反射波を前記第２入力ポートに入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11_s[3]),P4(S11_s[3]),P5(S11_s[3])とする電力測定ステップと、
下記式によりシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11を計算するステップとを備えることを特徴とする線形マルチポートのシステムパラメータ測定方法。
第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含む線形マルチポートについて、その固有の値であるシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12を測定する方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記整合終端を外し、前記第２入力ポートに他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[1]),P4(S12_s[1]),P5(S12_s[1])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートにライン１の標準器を接続し、前記ライン１の標準器を介して前記他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[2]),P4(S12_s[2]),P5(S12_s[2])とする電力測定ステップと、
前記第２入力ポートの前記ライン１の標準器に代えてライン２の標準器を接続し、前記ライン２の標準器を介して前記他の所定の波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12_s[3]),P4(S12_s[3]),P5(S12_s[3])とする電力測定ステップと、
下記式によりシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12を計算するステップとを備えることを特徴とする線形マルチポートのシステムパラメータ測定方法。
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２つに分け、一方を、２つの入力ポートと３つ以上の出力ポートを備える線形マルチポートの第１入力ポートに、他方を被測定デバイスに入力するとともに、前記被測定デバイスを通過した波又は前記被測定デバイスで反射された波を前記線形マルチポートの第２入力ポートに入れ、この状態で前記線形マルチポートの３つ以上の電力計測用の出力ポートそれぞれ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であって、前記線形マルチポートは、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含むものを用いた測定方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートに前記被測定デバイスで反射された波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S11),P4(S11),P5(S11)とする電力測定ステップと、
前記P3(0),P4(0),P5(0)、前記P3(S11),P4(S11),P5(S11)、予め求められたシステムパラメータH3_11,H4_11,H5_11及び下記式に基づき、前記被測定デバイスの反射特性S11を計算するステップとを備えることを特徴と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。
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２つに分け、一方を、２つの入力ポートと３つ以上の出力ポートを備える線形マルチポートの第１入力ポートに、他方を被測定デバイスに入力するとともに、前記被測定デバイスを通過した波又は前記被測定デバイスで反射された波を前記線形マルチポートの第２入力ポートに入れ、この状態で前記線形マルチポートの３つ以上の電力計測用の出力ポートそれぞれ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であって、前記線形マルチポートは、第１入力ポート及び第２入力ポートと、前記第１入力ポートからの入力波と第２入力ポートからの入力波の線形結合で出力波がそれぞれ表される第３出力ポート、第４出力ポート及び第５出力ポートを含むものを用いた測定方法であって、
前記第１入力ポートに所定の波を入れ、前記第２入力ポートを整合終端した状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(0),P4(0),P5(0)とする基準電力測定ステップと、
前記第２入力ポートに前記被測定デバイスを通過した波を入れた状態で、前記第３出力ポート、前記第４出力ポート及び前記第５出力ポートの電力を測定し、それらをP3(S12),P4(S12),P5(S12)とする電力測定ステップと、
前記P3(0),P4(0),P5(0)、前記P3(S12),P4(S12),P5(S12)、予め求められたシステムパラメータH3_12,H4_12,H5_12及び下記式に基づき、前記被測定デバイスの通過特性S12を計算するステップとを備えることを特徴と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。