JP4149428B2 - Vector network analyzer and calibration method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、高周波領域(マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯、テラヘルツ帯)、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。 The present invention relates to a phase measurement technique in a high frequency region (microwave band, millimeter wave band, submillimeter wave band, terahertz band), optical region (infrared ray, visible ray, ultraviolet ray) and the like.
現在のベクトルネットワークアナライザ(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。
従来から用いられているVNAの校正方法は、校正手順が複雑であるという問題がある。
この校正手順が複雑であるために、人為的ミスが発生する原因となる。また、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、そのために測定精度低下の問題が発生する。
Conventional VNA calibration methods have a problem that the calibration procedure is complicated.
This calibration procedure is complicated and causes human error. In addition, it is necessary to connect and remove several kinds of standard devices at the time of calibration, which causes a problem of deterioration in measurement accuracy.
この発明に係るベクトルネットワークアナライザは、 The vector network analyzer according to the present invention is:
高周波信号を発生する発振源と、 An oscillation source that generates a high-frequency signal;
前記発振源の出力を2つに分配する電力分配器と、 A power distributor that distributes the output of the oscillation source in two;
2つの入力ポート1と2及び4個の電力計測用の出力ポート3乃至6を含み、前記入力ポート1で前記電力分配器の一方から出る波を受ける6ポート接合と、 A 6-port junction comprising two
前記6ポート接合の前記出力ポート3乃至6から出る波をそれぞれ検波する検波器と、 A detector for detecting each of the waves output from the output ports 3 to 6 of the 6-port junction;
前記電力分配器の他方から出る波を受け、その位相を変化させる移相器と、 Receiving a wave from the other of the power distributor and changing its phase;
前記移相器から出る波を受け、これを出口(1)又は(2)のいずれか一方へ出す第1スイッチと、 A first switch that receives the wave exiting the phase shifter and exits it to either the outlet (1) or (2);
入口(1)及び(2)のいずれか一方を選択して、そこに入った波を前記6ポート接合の前記入力ポート2に入れる第2スイッチと、 A second switch that selects any one of the inlets (1) and (2) and puts the wave that enters the inlet into the
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(1)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(1)に接続され、他のひとつの端は第1無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP1となる第1方向性結合器と、 It has four ends, one end is connected to the outlet (1) of the first switch, the other end is connected to the inlet (1) of the second switch, and the other end is A first directional coupler connected to the first non-reflective terminator, the remaining one end being the measurement port P1,
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(2)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(2)に接続され、他のひとつの端は第2無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP2となる第2方向性結合器と、を備えるものである。 It has four ends, one end is connected to the outlet (2) of the first switch, the other end is connected to the inlet (2) of the second switch, and the other end is A second directional coupler connected to the second non-reflecting terminator and having the remaining one end serving as the measurement port P2 is provided.
本願発明に係るベクトルネットワークアナライザ及びその校正方法によれば、従来のベクトルネットワークアナライザにおける校正方法のような複雑な手順を踏むことなく、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校正することができるので校正精度が向上し、Sパラメータを算出する際の誤差を減少させることができる。 According to the vector network analyzer and the calibration method thereof according to the present invention , one standard phase shifter and one standard reference having a known complex reflection coefficient can be used without performing complicated procedures as in the calibration method in the conventional vector network analyzer . Thus, the calibration accuracy can be improved, and the error in calculating the S parameter can be reduced.
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の実施の形態では、図1に示すように、6ポート接合16、検波器11、スイッチSW1・13,SW2・14、方向性結合器22,23、電力分配器26、発振源21、移相器15、無反射終端器24,25を用いることにより、従来のヘテロダイン方式VNAの測定原理とは異なるホモダイン方式VNAを実現している。以下、本VNAを6ポートVNAと呼び、この6ポートVNAの測定ポート1をポートP1、測定ポート2をポートP2と表現する。 In the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a 6-
6ポート接合16について説明を加える。6ポート接合そのものは公知である。
6ポート接合16は、高周波測定用の装置である。6ポート接合16は、校正により得られるハードウェア固有の情報(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)を導出する測定装置である。6ポート接合16は、図2に示すようにリフレクトメータと図3に示すようにコリレータのいずれにも使用することができる。リフレクトメータとは、供試デバイス(Device Under Test:DUT)の複素反射係数を測定する装置であり、コリレータとは2つの波の複素振幅比を測定する装置である。
The 6-
The 6-
図2では、ポート1に発振源19を、ポート2に1ポート供試デバイス(Device Under Test:DUT)18を接続し、ポート2から出力する波b In FIG. 2, an oscillation source 19 is connected to
γ=a γ = a
22
/b/ B
22
・・・・・ (1) (1)
を測定する。Measure.
また、図3では、ポート1から入力する波a In FIG. 3, the wave a input from
W=a W = a
22
/a/ A
11
・・・・・ (2) (2)
を測定する。Measure.
回路が線形で単一モードのみが伝播する条件下で、6ポート接合から出力される波b Wave b output from a 6-port junction under conditions where the circuit is linear and only a single mode propagates
3Three
,b, B
4Four
,b, B
5Five
,b, B
66
は、ポート1,2に対して入出力する波aIs the wave a that is input to and output from
すなわち、b That is, b
ii
(i=3,4,5,6)はa(I = 3,4,5,6) is a
11
,a, A
22
,b, B
22
を用いて、Using,
b b
ii
=A= A
ii
aa
11
+B+ B
ii
aa
22
・・・・・ (3) (3)
b b
ii
=C= C
ii
aa
22
+D+ D
ii
bb
22
・・・・・ (4) (4)
と表わすことができる。Can be expressed as
ただし、A However, A
ii
,B, B
ii
,C, C
ii
,D, D
ii
は6ポート接合固有の周波数に依存する複素定数である。Is a complex constant that depends on the frequency inherent to the 6-port junction.
ポートiに接続した検波器による電力測定値をP The power measured by the detector connected to port i is P
ii
とすると、PThen, P
ii
は出力する波bIs the output wave b
ii
の振幅の二乗に比例する。αを比例定数とすると、Is proportional to the square of the amplitude of. If α is a proportional constant,
P P
ii
=α|A= Α | A
ii
aa
11
+B+ B
ii
aa
22
||
22
・・・・・ (5) (5)
P P
ii
=α|C= Α | C
ii
aa
22
+D+ D
ii
bb
22
||
22
・・・・・ (6) (6)
と表わすことができる。Can be expressed as
そして、ポート3に対するポートh(h=4,5,6)の電力比 And the power ratio of port h (h = 4, 5, 6) to port 3
3Three
PP
hh
は、Is
と表わされる。このIt is expressed as this 3Three TT hh ,t, T hh ,, 3Three KK hh ,k, K hh は校正によって求められる校正パラメータである。Is a calibration parameter obtained by calibration.
本発明の実施の形態では、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(T.Yakabe, et al., IEEE IM, vol.50, no.2 pp377-380, Apr. 2001)を実行し、4通りの校正パラメータを算出する。
算出した4通りの校正パラメータを用い、検波器11による電力測定値(スカラー量)からDUTのS11,S12,S21,S22を測定する。すなわち、S11測定時にはS11測定用に校正した校正パラメータを使用し、S12測定時にはS12測定用に校正した校正パラメータを使用し、S21測定時にはS21測定用に校正した校正パラメータを使用し、S22測定時にはS22測定用に校正した校正パラメータを使用する。
In the embodiment of the present invention, a known integral calibration method (T. Yakabe, et al., IEEE IM, vol. 4) is used for each of four circuit states for measuring S 11 , S 12 , S 21 , and S 22 . 50, no.2 pp377-380, Apr. 2001) and calculate the four calibration parameters.
Using the calculated four calibration parameters, D 11 S 11 , S 12 , S 21 and S 22 are measured from the power measurement value (scalar amount) by the detector 11. That is, when S 11 measured using the calibration parameters calibrated for S 11 measured, the calibration parameters at S 12 measured using the calibration parameters calibrated for S 12 measurements, the time S 21 measurements calibrated for S 21 measured use, at the time of S 22 measured using the calibration parameters calibrated for measuring S 22.
図4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。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、既知の標準器12をポートP1に接続する。この状態は図5に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS11測定用の校正パラメータ3K4,3K5,3K6,k3,k4,k5,k6を算出する。
FIG. 4 shows a circuit state when calculating calibration parameters for S 11 measurement of the 2-
Next, while moving the movable part of the phase shifter 15, the power of P 3 to P 6 of the detector 11 is measured for one period.
Calculating the S 11 calibration parameters 3 K 4 for measuring, 3 K 5, 3 K 6 , k 3, k 4, k 5,
図6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。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(1)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は図7に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS12測定用の校正パラメータ3T4,3T5,3T6,t3,t4,t5,t6を算出する。
FIG. 6 shows a circuit state when calculating calibration parameters for S 12 measurement of the 2-
Next, while moving the movable part of the phase shifter 15, the power of P 3 to P 6 of the detector 11 is measured for one period.
The calibration parameters 3 T 4 , 3 T 5 , 3 T 6 , t 3 , t 4 , t 5 , t 6 for the S 12 measurement of the 2-
図8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。スイッチSW1・13を接点(1)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、ポートP1とポートP2を直結する。この状態は、図9に示されている6ポートコリレータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP 3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS21測定用の校正パラメータ3T4´,3T5´,3T6´,t3´,t4´,t5´,t6´を算出する。
FIG. 8 shows a circuit state when calculating calibration parameters for S 21 measurement of the 2-
Next, while moving the movable part of the phase shifter 15, the power of P 3 to P 6 of the detector 11 is measured for one period.
Using the above power measurement values, calibration parameters 3 T 4 ′, 3 T 5 ′, 3 T 6 ′, t 3 ′, t 4 ′, t 5 ′, t 6 ′ for S 21 measurement of the 2-
図10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。スイッチSW1・13を接点(2)に、スイッチSW2・14を接点(2)に接続し、既知の標準器12をポートP2に接続する。この状態は、図11に示されている6ポートリフレクトメータに対応する。この状態で移相器15の可動部分を始動位置に固定後、検波器11のP3〜P6の電力を測定し、基準とする。
次に、移相器15の可動部分を動かしながら、検波器11のP3〜P6の電力を一周期分測定する。
以上の電力測定値を用いて2ポートDUT17のS22測定用の校正パラメータ3K4´,3K5´,3K6´,k3´,k4´,k5´,k6´を算出する。
以上述べた手順により、従来の校正方法と比較し、6ポートVNAを簡単かつ高精度に校正することができる。
FIG. 10 shows a circuit state when calculating calibration parameters for S 22 measurement of the 2-
Next, while moving the movable part of the phase shifter 15, the power of P 3 to P 6 of the detector 11 is measured for one period.
Using the above measured power values, calibration parameters 3 K 4 ′, 3 K 5 ′, 3 K 6 ′, k 3 ′, k 4 ′, k 5 ′, k 6 ′ for S 22 measurement of the 2-
By the procedure described above, the 6-port VNA can be calibrated easily and with high accuracy as compared with the conventional calibration method.
1,2,3,4,5,6 ポート1〜ポート6
11 検波器
12 標準器
13,14 スイッチ
15 移相器
16 6ポート接合
17 DUT(2ポート供試デバイス)
18 DUT(1ポート供試デバイス)
19,20,21 発振源
22,23 方向性結合器
24,25 無反射終端器
26 電力分配器
1, 2, 3, 4, 5, 6
11
18 DUT (1 port EUT)
19, 20, 21 Oscillation source 22, 23
Claims (2)
前記発振源の出力を2つに分配する電力分配器と、 A power distributor that distributes the output of the oscillation source in two;
2つの入力ポート1と2及び4個の電力計測用の出力ポート3乃至6を含み、前記入力ポート1で前記電力分配器の一方から出る波を受ける6ポート接合と、 A 6-port junction comprising two input ports 1 and 2 and 4 power measurement output ports 3 to 6 for receiving a wave from one of the power distributors at the input port 1;
前記6ポート接合の前記出力ポート3乃至6から出る波をそれぞれ検波する検波器と、 A detector for detecting each of the waves output from the output ports 3 to 6 of the 6-port junction;
前記電力分配器の他方から出る波を受け、その位相を変化させる移相器と、 Receiving a wave from the other of the power distributor and changing its phase;
前記移相器から出る波を受け、これを出口(1)又は(2)のいずれか一方へ出す第1スイッチと、 A first switch that receives the wave exiting the phase shifter and exits it to either the outlet (1) or (2);
入口(1)及び(2)のいずれか一方を選択して、そこに入った波を前記6ポート接合の前記入力ポート2に入れる第2スイッチと、 A second switch that selects any one of the inlets (1) and (2) and puts the wave that enters the inlet into the input port 2 of the 6-port junction;
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(1)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(1)に接続され、他のひとつの端は第1無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP1となる第1方向性結合器と、 It has four ends, one end is connected to the outlet (1) of the first switch, the other end is connected to the inlet (1) of the second switch, and the other end is A first directional coupler connected to the first non-reflective terminator, the remaining one end being the measurement port P1,
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(2)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(2)に接続され、他のひとつの端は第2無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP2となる第2方向性結合器と、を備えるベクトルネットワークアナライザ。 It has four ends, one end is connected to the outlet (2) of the first switch, the other end is connected to the inlet (2) of the second switch, and the other end is A vector network analyzer comprising: a second directional coupler connected to the second non-reflecting terminator and having the remaining one end serving as a measurement port P2.
前記発振源の出力を2つに分配する電力分配器と、 A power distributor that distributes the output of the oscillation source in two;
2つの入力ポート1と2及び4個の電力計測用の出力ポート3乃至6を含み、前記入力ポート1で前記電力分配器の一方から出る波を受ける6ポート接合と、 A 6-port junction comprising two input ports 1 and 2 and 4 power measurement output ports 3 to 6 for receiving a wave from one of the power distributors at the input port 1;
前記6ポート接合の前記出力ポート3乃至6から出る波をそれぞれ検波する検波器と、 A detector for detecting each of the waves output from the output ports 3 to 6 of the 6-port junction;
前記電力分配器の他方から出る波を受け、その位相を変化させる移相器と、 Receiving a wave from the other of the power distributor and changing its phase;
前記移相器から出る波を受け、これを出口(1)又は(2)のいずれか一方へ出す第1スイッチと、 A first switch that receives the wave exiting the phase shifter and exits it to either the outlet (1) or (2);
入口(1)及び(2)のいずれか一方を選択して、そこに入った波を前記6ポート接合の前記入力ポート2に入れる第2スイッチと、 A second switch that selects any one of the inlets (1) and (2) and puts the wave that enters the inlet into the input port 2 of the 6-port junction;
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(1)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(1)に接続され、他のひとつの端は第1無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP1となる第1方向性結合器と、 It has four ends, one end is connected to the outlet (1) of the first switch, the other end is connected to the inlet (1) of the second switch, and the other end is A first directional coupler connected to the first non-reflective terminator, the remaining one end being the measurement port P1,
4つの端をもち、ひとつの端は前記第1スイッチの前記出口(2)に接続され、他のひとつの端は前記第2スイッチの前記入口(2)に接続され、他のひとつの端は第2無反射終端器に接続され、残りのひとつの端は測定ポートP2となる第2方向性結合器と、を備えるベクトルネットワークアナライザの校正方法であって、 It has four ends, one end is connected to the outlet (2) of the first switch, the other end is connected to the inlet (2) of the second switch, and the other end is A vector network analyzer calibration method comprising: a second directional coupler connected to a second non-reflecting terminator, and the remaining one end serving as a measurement port P2.
前記第1スイッチで前記出口(1)を選択し、前記第2スイッチで前記入口(1)を選択し、前記測定ポートP1に既知の標準器を接続し、前記移相器の可動部分を動かしながら前記検波器の電力を一周期分測定し、得られた電力測定値を用いてS Select the outlet (1) with the first switch, select the inlet (1) with the second switch, connect a known standard to the measurement port P1, and move the movable part of the phase shifter While measuring the power of the detector for one period, using the obtained power measurement value, S 1111 測定用の校正パラメータを算出するステップと、Calculating calibration parameters for measurement;
前記第1スイッチで前記出口(2)を選択し、前記第2スイッチで前記入口(1)を選択し、前記測定ポートP1とP2を直結し、前記移相器の可動部分を動かしながら前記検波器の電力を一周期分測定し、得られた電力測定値を用いてS The outlet (2) is selected by the first switch, the inlet (1) is selected by the second switch, the measurement ports P1 and P2 are directly connected, and the detection part is moved while moving the movable part of the phase shifter. Measure the power of the instrument for one cycle and use the power measurement value 1212 測定用の校正パラメータを算出するステップと、Calculating calibration parameters for measurement;
前記第1スイッチで前記出口(1)を選択し、前記第2スイッチで前記入口(2)を選択し、前記測定ポートP1とP2を直結し、前記移相器の可動部分を動かしながら前記検波器の電力を一周期分測定し、得られた電力測定値を用いてS The outlet (1) is selected by the first switch, the inlet (2) is selected by the second switch, the measurement ports P1 and P2 are directly connected, and the detection part is moved while moving the movable part of the phase shifter. Measure the power of the instrument for one cycle and use the power measurement value 21twenty one 測定用の校正パラメータを算出するステップと、Calculating calibration parameters for measurement;
前記第1スイッチで前記出口(2)を選択し、前記第2スイッチで前記入口(2)を選択し、前記測定ポートP2に既知の標準器を接続し、前記移相器の可動部分を動かしながら前記検波器の電力を一周期分測定し、得られた電力測定値を用いてS The outlet (2) is selected by the first switch, the inlet (2) is selected by the second switch, a known standard is connected to the measurement port P2, and the movable part of the phase shifter is moved. While measuring the power of the detector for one period, using the obtained power measurement value, S 22twenty two 測定用の校正パラメータを算出するステップと、を備えるベクトルネットワークアナライザの校正方法。A vector network analyzer calibration method comprising: calculating calibration parameters for measurement.
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