JP3540797B2 - 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 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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）などにおける、位相測定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波領域におけるデバイス、回路や機器の研究・開発にとって、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り、図４に従来型ＶＮＡの構成を示す。
【０００３】
従来型ＶＮＡは、中核部分が局部発振器とミクサから成るＰＬＬ(Phase-Locked Loop)回路を用いたヘテロダイン計測方式で構成されている。
また、一般にＶＮＡは１ポートまたは２ポートＤＵＴ測定用の、スイッチ回路と方向性結合器（テストセット）を装備している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来型ＶＮＡの測定精度は、その構成上、位相検出器を含む装置を構成する個々の部品の精度と確度に大きく依存する。
また、ＶＮＡを従来方式で構成している限り、測定周波数が高くなるに従って局部発振器とミクサの段数が増えるために、装置は複雑になることは避けられず、価格が著しく上昇する問題がある。
さらに、上記の理由により、周波数が高くなるに従って高精度測定が困難になり、現在のところ、従来の方式では２００ＧＨｚ（自由空間で波長が約１．５ｍｍ）程度が限界であると考えられており、今や測定限界周波数に限りなく近づいている。
そして、これらの問題は、未踏周波数領域であるサブミリ波や光領域のデバイス、回路や装置の研究・開発にとって大きな障害となっている。
【０００５】
１９７０年代、米国電気標準局（現ＮＩＳＴ）のＧ.Ｆ.Engenが、図５に示す６ポート型リフレクトメータ（Six-Port Reflectometer）を考案した。
この方式は、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。
即ち、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。
【０００６】
本願出願人は、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の回路構成は図６に示す通りであり、その機能を簡単に説明すると次の通りである。
図６に示すＱ_ｎは、図７に示す９０°ハイブリッドであって、入力された波ａ，ｂに対し、それぞれｃ，ｄが（１−１）、（１−２）式に示す波を出力する回路である。
【数１】

６ポート型コリレータは、それぞれ２つの入力ポート１と入力ポート２に入力された波ａ_１，ａ_２の複素振幅比Ｗ＝ａ_２／ａ_１を、残り４つのポートの電力値Ｐ_３〜Ｐ_６から算出することができるように構成してある。
また、基準ポート３に対する各ポートの電力比_３Ｐ_ｉ＝Ｐ_ｉ／Ｐ_３は次式のように記述できる。
【数２】

ここで、_３Ｔ_ｉ，ｔ_ｉは、６ポート型コリレータの回路構成と周波数に依存するシステムパラメータで、３個の実数量_３Ｔ_４，_３Ｔ_５，_３Ｔ_６と、４個の複素量（８個の実数）ｔ_３，ｔ_４，ｔ_５，ｔ_６の、合わせて１１個の実数から成る。
複素振幅比Ｗは、複素平面上で３つのポート電力比と、システムパラメータで決定される３つの円の交点として得られる。
円の中心は、システムパラメータのみによって決定され、円の半径はシステムパラメータとａ_１，ａ_２の振幅比によって決定される。理論的には３つの円の交点は１点で交わる。
６ポート型コリレータにより、従来の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、かつ、校正操作が移相器（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Ｐ_３〜Ｐ_６を求める操作のみで済むようになるため、校正精度が向上した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
しかし乍ら、実際の計測では、ａ_２の振幅がａ_１の振幅より大きくなる（｜ａ_１｜＜｜ａ_２｜）と、複素平面上で複素振幅比Ｗ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（｜Ｗ｜＞＞１）測定精度が悪くなる問題がある。
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（｜ａ_１｜≧｜ａ_２｜）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（｜ａ_１｜＜｜ａ_２｜）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。
【０００８】
本発明に係る７ポート型コリレータ（Seven-Port based Wave-Correlator）は、上述した従来技術の欠点を解消するためになされたものであって、それぞれａ_１のみに依存するポートと、ａ_２のみに依存するポートを設け、ａ_１，ａ_２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手段を備えるようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る７ポート型コリレータの構成図であって、１１，１２，１３は無反射終端を示し、２１，２２，２３，２４，２５は９０°ハイブリッドを示す。
図６に示す６ポート型コリレータが１つの波ａ_１の基準ポート３のみを設定しているのに対し、図１の７ポート型コリレータはａ_２の基準ポート４を追加した構成になっている。
これにより、それぞれａ_１，ａ_２の基準ポート３，４を設定することができ、常に２つの振幅比を１以下に拘束することができる。
即ち、｜ａ_１｜≧｜ａ_２｜のときはＷ＝ａ_２／ａ_１を計測し、｜ａ_１｜＜｜ａ_２｜のときはＷ^−１＝ａ_１／ａ_２を計測すればよい。
この方法は、基準ポートを２つにしたことにより、他の３つの電力計測ポート５，６，７を共有する２組の６ポート型コリレータを７ポート型コリレータで実現したと言える。
また、｜ａ_１｜，｜ａ_２｜の振幅比も容易に測定することができる。
７ポート型コリレータは、６ポート型コリレータと同様に、ハードウェアの不完全さは校正で得られるシステムパラメータで補正するので、主要構成部品は必ずしも精密である必要はなく、汎用の部品でよい。
【００１０】
７ポート型コリレータの校正方法は、本願出願人が考案した６ポート型コリレータの校正方法（移相器を任意の位置から１周期分動かす）に基づいて、ＷとＷ^−１を計測するための２組のシステムパラメータを一度に導出することができる。
図２は７ポート型コリレータを校正する場合の説明図である。
発振源３１が発生する波は、電力分配器３２に入力して２方向に分配される。７ポート接合３４のポート１には電力分配器３２から分配された波ａ_１が直接入力するように、ポート２には移相器３３を介して電力分配器３２から分配される波ａ_２が入力するように構成してある。
ポート３〜７は電力計測ポートであって、ポート１またはポート２から入力した波ａ_１またはａ_２に対応した電力値を計測する。
移相器３３を任意の位置から１周期分動かしながら、それぞれのステップにおける入力波ａ_１およびａ_２に対応する電力値を電力計測ポート３〜７において計測する。
７ポート型コリレータの構成は、６ポート型コリレータが２組あると考えることができ、それぞれ基準ポート３から見たときのシステムパラメータを_３Ｔ_５，_３Ｔ_６，_３Ｔ_７，ｔ_３，ｔ_５，ｔ_６，ｔ_７とし、基準ポート４から見たときのシステムパラメータを_４Ｔ´_５，_４Ｔ´_６，_４Ｔ´_７，ｔ´_４，ｔ´_５，ｔ´_６，ｔ´_７として、これら２２個を一度の校正操作で同時に求めることができる。
【００１１】
また、７ポート型コリレータに、発振源、テストセット、電力計測装置、マイクロコンピュータを加えることで、簡単、高精度かつ安価にＶＮＡを実現することができる。
図３は、７ポート型ＶＮＡの構成図である。
例えば、システムパラメータのうちＳ_１２（＝ｂ_１／ａ_２｜ａ_１＝０）を求める場合、予めテストセットのシステムパラメータを求めておき、スイッチは図３に示す状態で、Ｗ（＝ｂ´_１／ａ´_２）を計測することにより求めることができる。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による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・アナライザ装置は、それぞれａ_１，ａ_２の基準ポート３，４を設け、２つの波の複素振幅比を複素平面上で常に単位円に拘束することにより、高精度測定を可能にする。
また、７ポート型コリレータを用いることにより、従来方式に比べ簡単かつ安価に高精度なＶＮＡを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る７ポート型コリレータの構成図。
【図２】本発明に係る７ポート型コリレータの校正時の構成図。
【図３】７ポート型ＶＮＡの構成図。
【図４】従来型ＶＮＡの構成図。
【図５】６ポート型リフレクトメータの構成図。
【図６】６ポート型コリレータの構成図。
【図７】９０°ハイブリッドの説明図。
【符号の説明】
１，２ 入力ポート
３〜７ 電力計測ポート
１１〜１３ 無反射終端
２１〜２５ ９０°ハイブリッド
３１ 発振源
３２ 電力分配器
３３ 移相器
３４ ７ポート接合

Claims (4)

1. ポート１とポート２より成る２つの入力ポートと、残り５つのポートを電力計測ポートとして構成した７ポート型コリレータであって、
   入力ポート１にのみ依存する電力計測ポート３と、入力ポート２にのみ依存する電力計測ポート４を持ち、入力ポート１と入力ポート２の電力比によって計測の基準ポートをポート３またはポート４に切り替え、入力ポート１と入力ポート２に入力した２つの波ａ_１とａ_２の複素振幅比を求めることを特徴とする７ポート型コリレータ。
2. ２つの入力ポート（ポート１とポート２）と、残りのポートが電力計測ポート（それぞれポート３〜７）より成る入力ポート１と入力ポート２に入力した２つの波ａ_１とａ_２の複素振幅比を測定するコリレータであって、ポート１から見た場合は、ポート１にのみ依存する電力計測ポート３とポート５〜７を持つ組と、ポート２から見た場合はポート２にのみ依存する電力計測ポート４とポート５〜７を持つ組の、ポート５〜７を共有する２組の６ポート型コリレータを持ち、入力ポート１と入力ポート２の電力比によって、計測の基準ポートをポート３またはポート４に切り替えることを特徴とする７ポート型コリレータ。
3. 発振源からの波を２方向に分配する電力分配器を設け、前記電力分配器から分配される波ａ_１を入力するポート１と、移相器を介して前記電力分配器から分配される波ａ_２を入力するポート２を備えた７ポート型コリレータにおいて、
   前記移相器を任意の位置から一周期分動かしながら、それぞれのステップにおける電力計測ポート３〜７に入力した電力値を求めておき、ポート１に入力した波ａ_１の場合はポート３を基準ポートとしてシステムパラメータ（校正定数）を求め、ポート２に入力した波ａ_２の場合はポート４を基準ポートとしてシステムパラメータ（校正定数）を求めるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の７ポート型コリレータの校正方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の７ポート型コリレータに、発振源、テストセット、電力計測装置、およびマイクロコンピュータを設けて構成したことを特徴とする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。

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