JP2016024197A

JP2016024197A - Ｓパラメータを求める方法及び試験測定システム

Info

Publication number: JP2016024197A
Application number: JP2015142303A
Authority: JP
Inventors: カン・タン; Kan Tan; ジョーン・ジェイ・ピカード; J Pickerd John
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2016-02-08
Also published as: CN105277800A; US10145874B2; US20160018450A1; EP3051302A1

Abstract

【課題】リアルタイム・オシロスコープを用いて、被測定デバイス（ＤＵＴ）のＳパラメータを測定できるようにする。【解決手段】図２の構成において、信号発生装置２０２が信号を生成したときに、オシロスコープ２００で測定した第１電圧に基づいて、Ｎポート（Ｎは２以上の整数）のＤＵＴ２０６の各ポートの反射係数を計算する。また、図４の構成において、信号発生装置２０２が信号を生成したときに、オシロスコープ２００で測定したＤＵＴ２０６の各ポートの第２電圧に基づいて、ＤＵＴ２０６のポート間の伝達係数を計算することで、ＤＵＴ２０６の伝達係数も求める。【選択図】図２

Description

本発明は、オシロスコープを用いて、２ポート及びマルチ・ポートの被測定デバイスのＳパラメータを求める方法及び試験測定システムに関する

ベクトル・ネットワーク・アナライザや、サンプリング・オシロスコープを用いるタイム・ドメイン・リフレクトメータ（ＴＤＲ）システムでは、伝統的に、被測定デバイス（ＤＵＴ）の特性を評価するのに、Ｓパラメータ測定値を得る必要がある。Ｓパラメータを測定するのにフィクスチャを用いる場合では、フィクスチャのＳパラメータを測定し、次に、ＤＵＴとフィクスチャを合わせたＳパラメータを測定した後、フィクスチャが原因のエラーを取り除いてＤＵＴの特性だけを得るために、フル・ディエンベッド処理を実行すれば良い。しかし、ベクトル・ネットワーク・アナライザやタイム・ドメイン・リフレクトメータ（ＴＤＲ）システムは、高価である。

データ転送等におけるビット・レートが高速になるにつれ、高速シリアル・データ・リンクのシミュレーションや測定では、エンベッド及びディエンベッド処理のためにシミュレートしたリンク内のコンポーネントの特性を記述するのに、ＤＵＴのＳパラメータを利用することが必要となっている。例えば、図１は、シリアル・データ・リンク・システムを示すが、このシリアル・データ・リンクの特性を完全に記述してシミュレートするには、送信器Ｔｘ１００の出力インピーダンス、受信器Ｒｘ１０２の入力インピーダンス及びチャンネル１０４の全Ｓパラメータの全てが必要であり、そうすれば、ＤＵＴの正確な試験と測定が行える。

特開２００６−１０５９８４号公報特開２０１５−６４３５６号公報

市川古都美、市川裕一著、「高周波回路設計のためのＳパラメータ詳解」、初版、ＣＱ出版株式会社、２００８年１月１日発行、Ｓパラメータ全般の背景技術の参考文献「Sパラメータ」の記事、［online］、Wikipedia（日本語版）、［２０１５年７月６日検索］、インターネット<URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/Sパラメータ>

リアルタイム・オシロスコープは、高速シリアル・データ・リンクのデバッグ、試験及び測定を行うのに広く利用されている。このリアルタイム・オシロスコープを、他の複数の機器を使うことなしに、ＤＵＴのＳパラメータの測定にも利用し、更に、他の測定やシミュレーションのために測定されたＳパラメータを利用できることが望ましい。

本発明は、こうした従来技術の課題やその他の制約を解決しようとするものである。

本発明の実施形態としては、リアルタイム・オシロスコープを用いて被測定デバイスのＳパラメータ（scattering parameter）を求める方法がある。この方法には、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のポートを有する被測定デバイスのポートのそれぞれの反射係数を求める処理が含まれ、この反射係数を求める処理には、被測定デバイスの測定しないポートを抵抗器で終端する処理と、信号発生装置が信号を生成したときにリアルタイム・オシロスコープによって測定される第１電圧に基づいて、被測定デバイスの測定するポートの反射係数を計算する処理とを含んでいる。このＳパラメータを求める方法には、更に、被測定デバイスの２つの異なるポート間の伝達係数（挿入損失又はクロストーク）を求める処理も含まれ、この処理は、信号発生装置が信号を生成したときにリアルタイム・オシロスコープによって測定される第２電圧に基づいて、被測定デバイスの測定するポート間の伝達係数（挿入損失又はクロストーク）を計算する処理を含んでいる。

本発明の実施形態としてはシステムもあり、このシステムは、パワー分配器と、信号発生装置と、リアルタイム・オシロスコープとを有する。このとき、信号発生装置は、信号を生成するよう構成され、パワー分配器、リアルタイム・オシロスコープ又は被測定デバイスと信号をやり取りする。リアルタイム・オシロスコープは、信号発生装置、パワー分配器及び被測定デバイスと信号をやり取りする。リアルタイム・オシロスコープは、信号発生装置が信号を生成したときに、リアルタイム・オシロスコープで測定される第１電圧に基づいて、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のポートを有する被測定デバイスの被測定ポートそれぞれの反射係数を計算すると共に、信号発生装置が第２信号を生成したときにリアルタイム・オシロスコープによって測定される第２電圧に基づいて被測定デバイスの被測定ポートの伝達係数（挿入損失）を計算する。信号発生装置及びリアルタイム・オシロスコープ間に配置される同期トリガ供給部は、反射係数（又は反射損失（リターン・ロス））の測定時、伝達係数（又は挿入損失／クロストーク）測定時に、絶対的な時間基準信号を供給する。

図１は、シリアル・データ・リンク・システムを示す。図２は、本発明の実施形態による反射係数測定システムのブロック図である。図３は、図２に示したシステムのシグナル・フロー・グラフである。図４は、本発明の実施形態による伝達係数測定システムのブロック図である。図５は、図４に示したシステムのシグナル・フロー・グラフである。図６は、図２のパワー分配器の例である。

以下に示す複数の図面において、類似又は対応する要素には、同じ符号を付して説明する。なお、これら図面において、各要素の縮尺は、説明の都合上、必ずしも同一ではない。

図２は、本発明の実施形態による反射係数（又は反射損失）測定システムのブロック図である。本発明は、図２に示すように、リアルタイム・オシロスコープ２００、信号発生装置２０２及びパワー分配器２０４を利用して、ＤＵＴ２０６のＳパラメータを測定する。２ポートＤＵＴ２０６には、反射係数ｓ^DUT ₁₁、ｓ^DUT ₂₂と、伝達係数ｓ^DUT ₁₂、ｓ^DUT ₂₁の４つのＳパラメータがある。反射係数ｓ^DUT ₁₁の絶対値のデシベル表示は、ＤＵＴのポート1の反射損失（リターンロス）を示し、反射係数ｓ^DUT ₂₂の絶対値のデシベル表示は、ＤＵＴのポート２の反射損失を示す。また、伝達係数ｓ^DUT ₁₂の絶対値のデシベル表示は、ポート２に信号が入力されてポート１から出力されるときの挿入損失（インサーション・ロス）を示し、伝達係数ｓ^DUT ₂₁の絶対値のデシベル表示は、ポート１に信号が入力されてポート２から出力されるときの挿入損失を示す。

図２に示す構成では、信号発生装置２０２とリアルタイム・オシロスコープ２００との間に配置された同期トリガ供給部２０８が、反射係数と、伝達係数（挿入損失又はクロストーク項）に関する絶対的な時間基準を供給する。この同期動作によって、オシロスコープ２００の信号取込み（アクイジション）システムに関するゼロ時間基準点又はゼロ位相基準点が設定される。信号発生装置２０２は、広い帯域幅をカバーする掃引正弦波信号又は高速ステップ信号のどちらかを出力するようにすると良い。例えば、高速ステップ信号は、５０ＧＨｚを超える帯域幅をカバーできる。掃引正弦波信号の場合では、ゼロ位相が基準点になる。高速ステップ信号の場合では、ゼロ時点が基準点である。

パワー分配器２０４は、どのような形式のパワー分配器又はパワー・スプリッタでも良い。パワー分配器２０４は、例えば、図６に示すように、１６と２／３オームの３つの抵抗器を３つの分岐に配置した３ウェイ・パワー・ネットワークを形成するものであっても良い。

図３は、図２に示したシステムのシグナル・フロー・グラフである。パワー分配器２０４は、図３のシグナル・フロー・グラフに示すように、３ポート・ネットワークであり、次式ように、３ポートＳパラメータのデータ・セットで特性が記述される。

パワー分配器２０４のＳパラメータは、予め測定し、リアルタイム・オシロスコープ２００のメモリ（図示せず）に記憶しておくと良い。ＤＵＴ２０６は、２ポートＳパラメータのデータ・セットｓ^DUTとしてモデル化される。

ＤＵＴ２０６のポート１（２１０）の反射係数ｓ^DUT ₁₁を測定するには、ＤＵＴ２０６のポート２（２１２）を理想的な５０オームの抵抗器２１４で終端する。５０オームの抵抗器を使用しているのは、測定装置の基準インピーダンスとして、通常、５０オームが広く使われていることに基づくのであって（非特許文献１の２４〜２５頁参照）、一例に過ぎず、測定システムの基準インピーダンス（システム・インピーダンスとも呼ぶ）を用いれば良い。信号発生装置２０２は、その理想電圧ｖ_sでモデル化され、その出力ポートに反射係数ｓ^SS ₂₂がある。リアルタイム・オシロスコープ２００は、その入力ポートに反射係数ｓ^scope ₁₁がある。

パワー分配器は、３ポート・ネットワークであるが、そのポート３がＤＵＴ２０６で終端されているので、パワー分配器のポート１とポート２から、次のように２ポート・システムを導くことができる。

ここで、数式２中の一部分を次の数式３で記載することにする。

更に、数式３の一部分を次の数式４で記載することにする。

すると、数式３は、次のように書き換えできる。

数式２から、信号発生装置２０２の電圧源からリアルタイム・オシロスコープの入力端子への伝達関数は、次のように導くことができる。

数式５の成分を数式６に代入すると、数式６は次のように書き換えできる。

数式７において、ｖ_ｓは、信号発生装置２０２の電圧源の値であり、校正処理の過程で求めることができ、リアルタイム・オシロスコープ２００のメモリに記憶しておくことができる。ｂ_２は、ｖ_ｓを発生させたときにオシロスコープ２００で取り込まれる電圧なので、わかっている。このように、パワー分配器２０４に関する全てのＳパラメータの項は、予め測定でき、オシロスコープ２００のメモリに記憶しておくことができる。信号源の出力インピーダンスに対応するｓ^SS ₂₂も、予め測定し、オシロスコープ２００のメモリに記憶しておくことができる。リアルタイム・オシロスコープ２００の入力インピーダンスに対応するｓ^scope ₁₁も、予め測定でき、オシロスコープ２００のメモリに記憶しておくことができる。従って、未知なのは、ｓ^〜DUT ₁₁だけであるが、これは、数式７から演算で求めることができる。数式７からｓ^〜DUT ₁₁が得られれば、ＤＵＴ２０６のポート１の反射係数ｓ^DUT ₁₁は、上記数式４を用いて計算できる。なお、「ｓ^〜」は、数式中の「ｓ」の上に「〜」を付けたものを表す。

数式７は、いくつかの仮定を用いることで、単純化できる。第１に、パワー分配器のＳパラメータが理想的であるとすれば、次のようになる。

信号発生装置とリアルタイム・オシロスコープが理想的であるとすれば、信号源のインピーダンスと、オシロスコープの入力インピーダンスは、次のようにゼロとおける。

よって、パワー分配器２０４、信号発生装置２０２及びリアルタイム・オシロスコープ２００のＳパラメータが、理想的なモデルのものであると仮定することで、数式７は次のように単純化できる。

もちろん、実際には、パワー分配器２０４、信号発生装置２０２及びリアルタイム・オシロスコープ２００のＳパラメータは、理想的ではないが、次のように仮定しても良いであろう。

従って、数式７は、次のように近似できる。

数式１２を用いることで、ＤＵＴ２０６のポート１の反射係数ｓ^DUT ₁₁の実用的な近似値が得られる。

ＤＵＴ２０６のポート２の反射係数ｓ^DUT ₂₂を測定するためには、ＤＵＴ２０６のポート２（２１２）をパワー分配器２０４のポート３に接続し、ＤＵＴ２０６のポート１（２１０）を理想的な５０オームの抵抗器２１４で終端する。続いて、上述したポート１（２１０）の反射係数ｓ^DUT ₁₁を測定するのに用いたのと同じ処理を、ポート２（２１２）の反射係数ｓ^DUT ₂₂を計算するのに繰り返せば良い。

挿入損失（クロストーク）項である伝達係数ｓ^DUT ₁₂及びｓ^DUT ₂₁は、図４に示すシステムを用いて測定できる。このシステムは、信号発生装置２０２、ＤＵＴ２０６、リアルタイム・オシロスコープ２００及び同期トリガ供給部２０８を含む。同期トリガ供給部２０８は、時間基準信号を供給し、これによって、Ｓパラメータの測定値の位相が補正される。このとき、ｓ^DUT ₂₁を測定する場合には、ＤＵＴ２０６のポート１を信号発生装置２０２に接続し、ＤＵＴ２０６のポート２をリアルタイム・オシロスコープ２００に接続する。図５は、ｓ^DUT ₂₁を測定する場合における図４のシステムのシグナル・フロー・グラフを示す。

信号発生装置２０２の電圧源からリアルタイム・オシロスコープ２００の入力端子への伝達関数は、数式６と同じやり方で導かれる。

数式１１の仮定を用いることで、数式１３は、次のように近似できる。

ｓ^DUT ₁₁及びｓ^DUT ₂₂は、上述の如く算出されるので、数式１４中で唯一の未知の変数は、ｓ^DUT ₂₁だけである。従って、数式１４は、ｓ^DUT ₂₁に関して解くことができる。数式１４のｂ_２は、各装置が図４のように構成した状態で、ｖ_ｓを発生させたときに、オシロスコープ２００で取り込まれる電圧である。

ｓ^DUT ₁₂を測定するには、ＤＵＴ２０６のポート２を信号発生装置２０２に接続し、ＤＵＴ２０６のポート１をリアルタイム・オシロスコープ２００に接続した上で、ｓ^DUT ₂₁を測定する場合と同じ処理を繰り返せば良い。

上述した方法は、マルチ・ポートＤＵＴに関する反射係数と伝達係数（挿入損失又はクロストーク項）を測定するのに拡張できる。Ｎポート・ネットワークを測定する場合では、上述した本発明の方法を利用すると、パワー分配器に接続されたポートを除くＤＵＴの全ポートを理想的な５０オームのインピーダンスで終端することによって、反射係数を測定及び計算できる。続いて、伝達係数は、上述した伝達係数（挿入損失及びクロストーク）測定方法を利用すると、信号発生装置及びリアルタイム・オシロスコープに接続された２つのポートを除く全ポートを理想的な５０オームのインピーダンスで終端することによって測定できる。

上述のように、ＤＵＴのＳパラメータ・データ・セットが求まれば、反射損失及び挿入損失を計算で求めることができる（非特許文献２参照）。例えば、ＤＵＴのポート１からポート２への伝達係数ｓ^DUT ₂₁から対応する挿入損失を求めるには、次の式を利用すれば良い。
挿入損失＝−２０ｌｏｇ_１０｜ｓ^DUT ₂₁｜ｄＢ
また、例えば、ＤＵＴのポート１の反射係数ｓ^DUT ₁₁からＤＵＴのポート１の反射損失を求めるには、次の式に従えば良い。
反射損失＝−２０ｌｏｇ_１０｜ｓ^DUT ₁₁｜ｄＢ

以上、本発明の具体的な実施形態の例を説明してきたが、本発明の概念をいくつかの観点から説明すると、本発明の概念１は、リアルタイム・オシロスコープを用いて被測定デバイスのＳパラメータを求める方法であって、
Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のポートを有する被測定デバイスの測定しない上記ポートを抵抗器で終端する処理と、信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される第１電圧に基づいて上記被測定デバイスのポートの反射係数を計算する処理とを含む上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの上記反射係数を求める処理と、
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの第２電圧に基づいて上記被測定デバイスの上記ポート間の伝達係数を計算する処理を含む上記伝達係数を求める処理と、
上記信号発生装置及び上記リアルタイム・オシロスコープに同期トリガ部を介して絶対時間基準を供給する処理と
を具えている。

本発明の概念２は、上記概念１の方法であって、
上記信号発生装置が生成した上記信号をパワー分配器の第１ポートに供給する処理と、
上記被測定デバイスを上記パワー分配器の第３ポートに接続し、上記パワー分配器の第２ポートにおいて、上記リアルタイム・オシロスコープによって上記第１電圧を測定する処理と
を更に有している。

本発明の概念３は、上記概念１又は２の方法であって、上記Ｎが２であり、
上記信号発生装置が生成した上記信号を、上記被測定デバイスの上記リアルタイム・オシロスコープで測定しない上記ポートに送る処理と、
生成された上記信号に基づいて、上記リアルタイム・オシロスコープが上記被測定デバイスの測定する上記ポートにおいて上記第２電圧を測定する処理と
を更に有している。

本発明の概念４は、上記概念１又は２の方法であって、上記Ｎが２より大きく、
上記信号発生装置が生成した上記信号を、上記被測定デバイスの上記リアルタイム・オシロスコープで測定しない１つの上記ポートに送る処理と、
上記被測定デバイスの測定しない残りの上記ポートを抵抗器で終端する処理と、
生成された上記信号に基づいて、上記リアルタイム・オシロスコープが上記被測定デバイスの測定する上記ポートにおいて上記第２電圧を測定する処理と
を更に有している。

本発明の概念５は、上記概念１の方法であって、このとき、上記抵抗器が５０オームの抵抗器である。

本発明の概念６は、上記概念２の方法であって、上記反射係数であるｓ^DUT ₁₁を、数式１２及び数式４を用いて計算することを特徴としている。

本発明の概念７は、上記概念３の方法であって、上記Ｎが２であり、上記反射係数であるｓ^DUT ₁₁を、数式１２及び数式４を用いて計算することを特徴としている。

本発明の概念８は、上記概念７の方法であって、上記被測定デバイスの上記第１ポートの計算された反射係数はｓ^DUT ₁₁であり、上記被測定デバイスの上記第２ポートの計算された反射係数はｓ^DUT ₂₂であって、上記被測定デバイスの上記伝達係数であるｓ^DUT ₂₁が数式１４を用いて計算される。

本発明の概念９は、試験測定システムであって、
パワー分配器と、
信号を生成するよう構成され、上記パワー分配器又は被測定デバイスと信号をやり取りする信号発生装置と、
上記パワー分配器又は上記被測定デバイスと信号をやり取りするリアルタイム・オシロスコープとを具え、
上記リアルタイム・オシロスコープが、
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される第１電圧に基づいて上記被測定デバイスの測定するポートそれぞれの反射係数を計算すると共に
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの第２電圧に基づいて上記被測定デバイスの上記ポート間の伝達係数を計算するよう構成される。

本発明の概念１０は、上記概念９の試験測定システムであって、上記信号発生装置及び上記リアルタイム・オシロスコープ間に配置され、絶対時間基準を供給する同期トリガ供給装置を更に具えている。

本発明の概念１１は、上記概念９の試験測定システムであって、
上記リアルタイム・オシロスコープが、上記被測定デバイスを上記パワー分配器の第３ポートに接続しているときに、生成された上記信号に基づいて、上記パワー分配器の第２ポートにおいて上記第１電圧を測定するよう更に構成されている。

本発明の概念１２は、上記概念１１の試験測定システムであって、上記Ｎが２であり、
上記信号発生装置が生成した上記信号を、上記被測定デバイスの上記リアルタイム・オシロスコープで測定しない上記ポートに送ると共に、
上記リアルタイム・オシロスコープが、生成された上記信号に基づいて、上記被測定デバイスの測定する上記ポートにおいて上記第２電圧を測定するよう構成される。

本発明の概念１３は、上記概念１２の試験測定システムであって、上記Ｎが２であり、上記リアルタイム・オシロスコープが、上記反射係数であるｓ^DUT ₁₁を、数式１２及び数式４を用いて計算するよう更に構成されている。

本発明の概念１４は、上記概念１３の試験測定システムであって、上記被測定デバイスの上記第１ポートの計算された反射係数はｓ^DUT ₁₁であり、上記被測定デバイスの上記第２ポートの計算された反射係数はｓ^DUT ₂₂であって、上記リアルタイム・オシロスコープが、上記被測定デバイスの上記伝達係数であるｓ^DUT ₂₁を、数式１４を用いて計算するよう更に構成される。

図示した実施形態を参照しながら本発明の原理を説明してきたが、こうした原理から離れることなく、図示した実施形態の構成や細部を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。

２００リアルタイム・オシロスコープ
２０２信号発生装置
２０６ＤＵＴ
２０８同期トリガ供給部
２１０ＤＵＴのポート１
２１２ＤＵＴのポート２
２１４５０オーム抵抗器

Claims

リアルタイム・オシロスコープを用いて被測定デバイスのＳパラメータを求める方法であって、
Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のポートを有する被測定デバイスの測定しない上記ポートを抵抗器で終端する処理と、信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される第１電圧に基づいて上記被測定デバイスの上記ポートの反射係数を計算する処理とを含む上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの上記反射係数を求める処理と、
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの第２電圧に基づいて上記被測定デバイスの上記ポート間の伝達係数を計算する処理を含む上記伝達係数を求める処理と、
上記信号発生装置及び上記リアルタイム・オシロスコープに同期トリガ部を介して絶対時間基準を供給する処理と
を具えるＳパラメータを求める方法。
上記信号発生装置が生成した上記信号をパワー分配器の第１ポートに供給する処理と、
上記被測定デバイスを上記パワー分配器の第３ポートに接続し、上記パワー分配器の第２ポートにおいて、上記リアルタイム・オシロスコープによって上記第１電圧を測定する処理と
を更に具える請求項１記載のＳパラメータを求める方法。
上記信号発生装置が生成した上記信号を、上記被測定デバイスの上記リアルタイム・オシロスコープで測定しない上記ポートに送る処理と、
生成された上記信号に基づいて、上記リアルタイム・オシロスコープが上記被測定デバイスの測定する上記ポートにおいて上記第２電圧を測定する処理と
を更に有する請求項１又は２記載のＳパラメータを求める方法。
パワー分配器と、
信号を生成するよう構成され、上記パワー分配器又は被測定デバイスと信号をやり取りする信号発生装置と、
信号発生装置、上記パワー分配器及び上記被測定デバイスと信号をやり取りするリアルタイム・オシロスコープとを具え、
上記リアルタイム・オシロスコープが、
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される第１電圧に基づいて、上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの反射係数を計算すると共に
上記信号発生装置が信号を生成したときに上記リアルタイム・オシロスコープによって測定される上記被測定デバイスの上記ポートそれぞれの第２電圧に基づいて上記被測定デバイスの上記ポート間の伝達係数を計算するよう構成される
試験測定システム。