JP6530916B2 - 電気特性測定装置及び測定システム - Google Patents

Description

本発明は、電気特性測定装置及び測定システムに関し、特に、変調波を増幅する増幅器の電気特性を測定する装置及びシステムに関する。

放送・通信システムなどでは、システム内に設置する増幅器の電気特性を予め測定して把握し、増幅器の入出力電力特性等に基づいて最適な動作条件を設定し、信号増幅を行うことが求められている。

また、近年、放送や通信など無線通信システムでは、電力の有効利用、周波数資源の有効活用などの観点から、アレーアンテナを活用するシステムが研究開発されている。アレーアンテナでは、高精度な放射パターンの形成に向けて、位相の設定・制御が必要になる。したがって、無線通信システムで実運用する信号、すなわち、変調波に対する入出力位相特性を求めることも重要となっている。

これまで、一般的に利用されている電気特性測定としては、無変調波を利用して増幅器の入出力特性を測定することや、増幅器の高調波歪み特性を測定することが、実施されている（非特許文献１）。

図４に、振幅・位相比較器を用いて、増幅器の入出力特性を評価する測定系統を示す。

振幅・位相比較器１０は、その内部に信号発生部１１と振幅・位相測定部１２とを備えている。信号発生部１１は、任意の出力電力で任意の周波数の無変調波（ＣＷ：continuous wave）を出力することができ、また、振幅・位相測定部１２は、信号発生部１１が出力した無変調波を基準信号として、入力された信号の振幅・位相を測定し、比較する。このような振幅・位相比較器１０は、一般に、ネットワークアナライザとして市販されており、容易に入手できる。

測定の際は、振幅・位相比較器１０（信号発生部１１）の出力である無変調波を、被測定装置である増幅器９０の入力端子に入力し、増幅器９０の出力を振幅・位相比較器１０（振幅・位相測定部１２）に入力する。これにより、増幅器９０の入力電力に対する出力電力および位相差を測定し、１つの無変調波を使用した場合の増幅器９０の入出力電力特性及び入出力位相特性が測定できる。

なお、図４においては、振幅・位相比較器１０の出力を直接、被測定装置である増幅器９０に入力したが、両者の間に可変減衰器（図示せず）を介在させて電力制御を行なっても良い。また、一般的なネットワークアナライザは、被測定装置の反射電力等の測定も可能であり、被測定装置のＳパラメータ等を測定することができるが、図面の振幅・位相比較器１０では、詳細な内部構成及び機能は省略されて記載されている。

図５は、増幅器９０の高調波歪み特性を評価する測定系統である。

この測定系統は、第１の周波数の無変調波を出力する第１の信号発生器２１と、第１の周波数と異なる第２の周波数の無変調波を出力する第２の信号発生器２２と、第１の周波数の無変調波と第２の周波数の無変調波を合成する（加える）合成器３０と、合成器３０の出力を減衰させ、被測定装置である増幅器９０の入力電力を制御する可変減衰器４０とにより、入力側が構成されている。被測定装置である増幅器９０の出力は、スペクトラムアナライザ５０に入力される。スペクトラムアナライザ５０は、一定の周波数範囲にわたって、増幅器９０の出力電力分布を測定・表示することができる。

これにより、無変調波２波を使用して、入力電力に対する３次や５次などの相互変調波（高次歪み）の出力電力を測定でき、増幅器９０の高調波歪み特性が測定できる。

松崎敬文、亀井雅、他、「８Ｋ ＵＨＤＴＶ衛星放送に向けた衛星搭載ＴＷＴＡ非線形特性の評価」、映像情報メディア学会技術報告、ITE Technical Report Vol.38, No.30, BCT2014-67 (Jul. 2014), pp.21-24

放送・通信システムなどの実際の運用では、データを変調波に重畳して伝送するため、変調波が増幅器に入出力される。そのため、放送・通信システムでは、実運用で使用している伝送信号、すなわち、変調波において、出力電力が規定されている。

このような放送・通信システムに使用される増幅器は、放送・通信事業者ではなく、メーカによる製造・評価・実装が行われており、その特性評価は無変調波を用いて行われることが一般的である。しかしながら、衛星中継器の増幅器を最大出力電力で動作する放送・通信衛星システムにおいては、実際に変調波を伝送させる際、メーカにおいて無変調波で評価された最大出力電力まで、増幅器出力が到達しない状況がある。

これは、増幅器では、変調波を入出力した場合の電気特性と、無変調波を入出力した場合の電気特性には差異が生じるためである。特に、増幅器の動作点を飽和レベルに近づけるにつれ、非線形特性が強くなるため、その差異が大きくなることが知られている（非特許文献１）。

無変調波を入出力した場合の増幅器の電気特性は、図４及び図５に示すような、簡易な測定系統で評価できる。一方、変調波を入出力した場合の増幅器の電気特性は、実際に伝送する変調波に対応した機器を用いた複雑な測定系統による評価が必要となる。

図６は、変調波における増幅器の入出力電力特性及び入出力位相特性を評価するための測定系統の例である。非測定装置である増幅器９０に対して、伝送する変調波を生成・測定するための多数の機器６１〜７４が用いられる。

測定系統は、変調波を発生させる変調波発生器６１、変調波を２つに分配する分配器６２、伝送周波数にシフトするための高周波を発生させる信号発生器６３、変調波と高周波をミキシングするミキサ（アップコンバータ）６４、伝送される変調波以外を除去するフィルタ６５、変調波の電力（増幅器９０への入力）を制御する可変減衰器６６、増幅器９０の非線形特性により生じた不要波成分を制限するフィルタ６７、増幅器９０の出力電力を検出するパワーメータ６８、信号周波数を戻すための高周波を発生させる信号発生器６９、増幅器出力と高周波をミキシングするミキサ（ダウンコンバータ）７０、元の周波数帯の変調波以外を除去するフィルタ７１、位相をシフトさせる移相器７２、入力と出力の変調波を合成する合成器７３、及び、合成器出力を検出するパワーメータ７４により、構成される。

動作概要を説明する。変調波発生器６１で発生した例えば１ＧＨｚ帯の変調波は、信号発生器６３から発生する例えば９ＧＨｚの高周波信号によりミキサ６４でアップコンバートされ、フィルタ６５で必要な信号のみを選択し、１０ＧＨｚ帯の変調波となる。この変調波の電力を可変減衰器６６で制御することにより、非測定装置である増幅器９０には、現実の動作条件に近い変調波が入力される。

増幅器９０の出力は、フィルタ６７で不要波を制限した後、パワーメータ６８で電力測定される。可変減衰器６６の出力電力（増幅器９０の入力）とパワーメータ６８で測定された電力とを比較することにより、増幅器９０の入出力電力特性が測定できる。

また、増幅器９０の出力を、信号発生器６９から発生する例えば９ＧＨｚの高周波信号によりミキサ７０でダウンコンバートし、フィルタ７１で必要な信号のみを選択し、１ＧＨｚ帯の変調波に戻す。この増幅器９０を経た変調波を移相器７２で移相（０度〜３６０度）しつつ、変調波発生器６１で発生された基準となる変調波と合成器７３で合成し、この結果の電力をパワーメータ７４で観察すると、移相の度合いにより電力がピークとヌルの間で変化する。この電力の変化から２つの変調波の位相のずれが求められ、増幅器９０の入出力位相特性が測定できる。

しかしながら、増幅器の変調波による入出力特性を求めるために、このような大規模な測定系統を設計することは負担が大きく、より簡易な測定システムが求められている。

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、放送・通信システムなどに用いられる増幅器の変調波伝送時の電気特性を、無変調波による簡易な測定系統で評価することを可能とする、電気特性測定装置及び測定システムを提供することにある。

変調波を入出力した場合の増幅器の電気特性は、経験上、複数の信号を入出力した場合の増幅器の電気特性と同様の傾向を示すことが知られている。そこで、本発明は、２系統の信号発生器により、少なくとも１つの無変調波を使用して、入力信号に対する出力信号の振幅と位相を比較し、変調波を入出力した場合の増幅器の入出力特性を簡易に評価する。

上記課題を解決するために本発明に係る電気特性測定装置は、無変調波からなる第１の周波数の第１の信号を発生する信号発生部と、振幅・位相測定部とを備える振幅・位相比較器と、前記第１の周波数と異なる周波数を有し前記第１の信号と同じ出力電力の第２の信号を発生する信号発生器と、前記第１の信号と前記第２の信号を合成する合成器と、を備え、前記合成器の出力を被測定装置の入力信号とすると共に、前記被測定装置の出力信号を前記振幅・位相測定部に入力し、前記出力信号の前記第１の周波数の信号成分についての電力と位相を測定して前記入力信号の電力及び前記入力信号の前記第１の周波数の信号成分の位相と比較し、前記第１の信号と前記第２の信号の電力比に基づいて入出力電力特性を補正し、前記被測定装置の入出力特性を求めることを特徴とする。

また、前記電気特性測定装置は、さらに可変減衰器を備え、前記合成器の出力を前記可変減衰器で制御して、被測定装置の入力信号とするとともに、前記被測定装置への入力電力をパワーメータで求めることが望ましい。

また、前記電気特性測定装置は、前記第２の信号は、前記第１の信号と周波数の異なる無変調波であることが望ましい。

また、前記電気特性測定装置は、被測定装置は増幅器であり、入出力特性は、入出力電力特性と入出力位相特性であることが望ましい。

また、前記電気特性測定装置は、前記振幅・位相比較器を、ネットワークアナライザで構成することが望ましい。

また、上記課題を解決するために本発明に係る測定システムは、無変調波からなる第１の周波数の第１の信号と、前記第１の周波数と異なる周波数を有し前記第１の信号と同じ電力の第２の信号とを合成して、被測定装置の入力信号とし、前記被測定装置の出力信号の前記第１の周波数の信号成分の電力及び位相を、前記入力信号の電力及び前記入力信号の前記第１の周波数の信号成分の位相と比較して、前記第１の信号と前記第２の信号の電力比に基づいて入出力電力特性を補正し、前記被測定装置の入出力特性を求めることを特徴とする。

また、前記測定システムは、前記第２の信号は、前記第１の信号と周波数の異なる無変調波であることが望ましい。

また、前記測定システムは、被測定装置は増幅器であり、入出力特性は、入出力電力特性と入出力位相特性であることが望ましい。

本発明の電気特性測定装置及び測定システムによれば、放送・通信システムなどに用いられる増幅器の、変調波伝送時の電気特性を、変調波を使用することなく、無変調波による簡易な測定系統で評価することが可能となる。

また、メーカで準備可能となる簡易な測定系統により、実運用の変調波伝送を考慮した増幅器の入出力電力特性を得ることが可能となるため、メーカの評価結果を、実運用における動作条件の設定にそのまま利用できる。

本発明では、複数の無変調波を利用して、変調波の入出力位相特性を得られるため、実運用で使用する伝送信号における位相を容易に設定・制御することが可能となる。

本発明の電気特性（増幅器の入出力特性）測定装置の例である。 本発明による増幅器の入出力電力特性の測定結果である。 本発明による増幅器の入出力位相特性の測定結果である。 従来の無変調波を利用した増幅器の入出力特性評価の測定系統例である。 従来の無変調波を利用した増幅器の高周波歪み特性評価の測定系統例である。 変調波を利用した増幅器の入出力特性評価の測定系統例である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態）
図１に、本発明における電気特性測定装置の例を示す。測定装置１００は、無変調波を利用して、変調波を入出力した場合の増幅器の電気特性を評価する装置である。

測定装置１００は、振幅・位相比較器１０と、信号発生器２０と、合成器３０とを備える。また更に、可変減衰器４０を備えても良い。

振幅・位相比較器１０は、その内部に信号発生部１１と振幅・位相測定部１２とを備えている。信号発生部１１は、任意の出力電力で任意の周波数の無変調波（ＣＷ：continuous wave）を出力することができ、また、振幅・位相測定部１２は、信号発生部１１が出力した無変調波を基準信号として、入力された信号の振幅・位相を測定し、比較する。このような振幅・位相比較器１０は、一般に、ネットワークアナライザとして市販されており、容易に入手できる。

信号発生器２０は、振幅・位相比較器１０の信号発生部１１が出力する無変調波とは、異なる信号を、任意の出力で発生することができる。信号発生器２０の出力信号は、無変調波であっても、また、任意の波形の別の種類の信号波であってもよいが、測定の上では、信号発生部１１が出力する周波数とは異なる周波数の無変調波であることが望ましい。

合成器３０は、信号発生部１１が出力する無変調波と、信号発生器２０が出力する信号とを合成する。

可変減衰器４０は、合成器３０の出力を任意のレベルに減衰させ、被測定装置である増幅器９０への入力電力を制御する。振幅・位相比較器１０の信号発生部１１や、信号発生器２０は、それぞれ出力制御が可能であるため、可変減衰器４０は必須のものではない。しかしながら、信号発生部１１及び信号発生器２０は、出力電力を変化させない方が信号特性が安定であること、信号発生部１１と信号発生器２０を同時に同じ電力となるように変化させることは制御が困難であること等の理由により、可変減衰器４０を用いて測定装置１００の出力を制御することが望ましい。可変減衰器を利用することにより、振幅・位相比較器１０及び信号発生器２０の出力を安定させたまま、増幅器９０への入力電力を制御することができ、精度の良い測定ができる。

次に、測定装置１００の動作の例について説明する。

測定の際は、振幅・位相比較器１０（信号発生部１１）の出力である第１の周波数ｆ₁の無変調波（第１の信号）を合成器３０に入力すると共に、信号発生器２０より、例えば、第１の周波数ｆ₁と異なる第２の周波数ｆ₂の無変調波（第２の信号）を出力して、合成器３０に入力する。なお、信号発生器２０から出力する第２の信号は、無変調波に限られず、任意の信号とすることができる。

ここで、第１の周波数ｆ₁と第２の周波数ｆ₂は、増幅器９０が実際に動作するときの変調波に近いことが望ましい。例えば、増幅器９０が衛星放送に用いる増幅器であれば、第１の周波数ｆ₁と第２の周波数ｆ₂をともに１２ＧＨｚ帯とし、両周波数の差を５〜１０ＭＨｚとする。また、信号発生部１１の無変調波（第１の信号）と信号発生器２０の無変調波（第２の信号）の電力は、それぞれ自由に選択可能であるが、両者を同じ出力電力とすると、後述する入出力電力特性の補正が容易となる。

合成器３０は、２つの無変調波をそれぞれの周波数を変化させることなく合成して出力し、必要に応じて可変減衰器４０を介して、被測定装置である増幅器９０に入力する。可変減衰器４０を用いることにより、小さい電力から、増幅器９０が非線形特性を示す大きな電力まで広い範囲で、測定装置１００の出力電力（増幅器９０の入力電力）を容易に変化させることができる。

増幅器９０は、第１の周波数ｆ₁の無変調波と第２の周波数ｆ₂の無変調波の合成波を増幅し、その出力信号を振幅・位相比較器（ネットワークアナライザ）１０の振幅・位相測定部１２に入力する。

振幅・位相比較器１０は、増幅器９０の出力信号から第１の周波数ｆ₁の信号成分を選択して、電力と位相を測定し、増幅器９０の入力信号の電力及び位相（特に、入力信号のうちの第１の周波数ｆ₁の信号成分の電力と位相）と比較する。なお、可変減衰器４０を用いた場合には、可変減衰器４０と増幅器９０との間にパワーメータ（図示せず）を設け、増幅器９０への入力電力を求めて、これを振幅・位相測定部１２で得られた電力と比較して入出力電力特性を求める。

これにより、増幅器９０の第１の周波数ｆ₁の信号成分の出力に基づいて増幅器９０の入出力電力特性及び入出力位相特性が測定できる。実際には、増幅器９０には第１の周波数ｆ₁の無変調波と第２の周波数ｆ₂の無変調波が入力されているので、増幅器９０全体の入出力電力特性は、振幅・位相比較器１０で得られた特性を補正して求める。例えば、２つの無変調波の電力が等しければ、増幅器９０全体では２倍の電力が出力されていると推定できるから（換言すれば、第１の周波数ｆ₁の入力は全体の入力電力の半分であるから）、振幅・位相比較器１０で得られた入出力電力特性を２倍に（３．０１dB増加）する補正を行う。

入出力位相特性は、振幅・位相比較器１０において、信号発生部１１の発生した無変調波と、増幅器９０の出力信号の第１の周波数ｆ₁の信号成分とを比較して、位相差を求める。位相特性は両方の無変調波に共通であるから、振幅・位相比較器１０で得られた入出力位相特性が、そのまま増幅器９０の位相特性となる。

このような測定装置１００を用いることにより、振幅・位相比較器１０（信号発生部１１）の出力である無変調波からなる第１の信号と、信号発生器２０の出力である第２の信号とを合成して、被測定装置である増幅器９０の入力信号とし、増幅器９０の出力信号の第１の信号の周波数成分の振幅と位相を測定して、前記入力信号と比較し、増幅器９０の電気特性（少なくとも、入出力電力特性と入出力位相特性のいずれか）を測定するシステムを構成することができる。

このようにして、無変調波を含む複数の信号を利用して、変調波伝送時における増幅器の入出力特性を評価することが可能となる。

（測定結果）
図２及び図３に、増幅器として進行波管増幅器（ＴＷＴＡ：Travelling-Wave Tube Amplifier）を使用し、本発明を適用した場合の入出力特性の測定結果を示す。

測定においては、測定装置１００を構成する振幅・位相比較器１０として、ネットワークアナライザを利用し、信号発生器２０も無変調波を出力するものとした。

被測定装置である増幅器に入力する２波の無変調波の電力レベルを同一に設定し、このうち１波の無変調波をネットワークアナライザから出力し、増幅器からの出力をネットワークアナライザに入力して、通過特性（ＳパラメータのＳ２１）を測定した。

図２に、本発明による測定装置で測定した入出力電力特性、並びに、同じ増幅器（ＴＷＴＡ）を図４の測定系統により無変調波１波により測定した入出力電力特性を示す。

まず、本発明において、ネットワークアナライザ（振幅・位相比較器）１０で測定した結果が一点鎖線（図で「ＣＷ２波のうちの１波」と記載）で示した入出力特性である。この特性は、増幅器の入力信号の電力に対する、ネットワークアナライザ（信号発生部１１）の周波数成分の信号についての増幅器の出力電力特性である。ここで、増幅器には同一電力レベルでもう１波の無変調波が入出力されているため、増幅器の総出力電力は、無変調波１波で測定した出力電力に対して、２倍（３．０１dB増加）となる。この補正を行った入出力特性を実線（図で「ＣＷ２波の合成」と記載）で示す。

図２の破線（図で「ＣＷ１波」と記載）で示している無変調波１波における入出力電力特性の測定結果と比較して、本発明で得られた入出力電力特性は、増幅器への入力電力が増加するにつれて、出力電力が低下するという電気特性が得られる。この現象は、変調波を入出力した場合の増幅器の出力電力が低下する特性と同一である。

本発明で得られた入出力電力特性（実線）の最大出力（相対入力０dBのとき、相対出力９．７９dB）と、無変調波１波における入出力電力特性（破線）の最大出力（相対入力０dBのとき、相対出力１１．６０dB）との差異は１．８１dBであった。

この差は、非特許文献1に使用されている衛星搭載ＴＷＴＡにおける無変調波による最大出力電力と変調波による最大出力電力の差異の実測値である１．７dB（非特許文献１の測定結果において、信号増幅が可能な最小の出力バックオフ（ＯＢＯ）の値）とほぼ同一である。

この測定結果により、本発明による測定装置及び測定システムの信頼性が確認できた。

図３に、本発明による測定装置で測定した入出力位相特性、並びに、同じ増幅器（ＴＷＴＡ）を図４の測定系統により無変調波１波により測定した入出力位相特性を示す。

本発明で得られた入出力位相特性（実線、「ＣＷ２波」と記載）によれば、相対入力０dBで入出力位相差３５．１度であるのに対し、無変調波１波における入出力位相特性（破線、「ＣＷ１波」と記載）は、相対入力０dBで入出力位相差３０．９度であり、最大出力電力の付近で４．２度の位相差があった。本発明で得られた無変調波２波による入出力位相特性を使用することにより、アレーアンテナなどにより複数の変調波を合成する無線通信システムにおいて、合成時の損失の低減、より高精度の放射パターン形成などを実現することが可能となる。

実施の形態の説明において、本発明の電気特性測定装置及び測定システムを増幅器の入出力特性の測定に利用したが、本発明は、変調波信号が入力される、増幅器以外の電子装置の入出力特性の測定にも、利用することができる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１０ 振幅・位相比較器（ネットワークアナライザ）
１１ 信号発生部
１２ 振幅・位相測定部
２０，２１，２２ 信号発生器
３０ 合成器
４０ 可変減衰器
５０ スペクトラムアナライザ
６１ 変調波発生器
６２ 分配器
６３ 信号発生器
６４ ミキサ（アップコンバータ）
６５ フィルタ
６６ 可変減衰器
６７ フィルタ
６８ パワーメータ
６９ 信号発生器
７０ ミキサ（ダウンコンバータ）
７１ フィルタ
７２ 移相器
７３ 合成器
７４ パワーメータ
９０ 増幅器（被測定機器）
１００ 測定装置

Claims (8)

1. 無変調波からなる第１の周波数の第１の信号を発生する信号発生部と、振幅・位相測定部とを備える振幅・位相比較器と、
   前記第１の周波数と異なる周波数を有し前記第１の信号と同じ出力電力の第２の信号を発生する信号発生器と、
   前記第１の信号と前記第２の信号を合成する合成器と、を備え、
   前記合成器の出力を被測定装置の入力信号とすると共に、前記被測定装置の出力信号を前記振幅・位相測定部に入力し、前記出力信号の前記第１の周波数の信号成分についての電力と位相を測定して前記入力信号の電力及び前記入力信号の前記第１の周波数の信号成分の位相と比較し、前記第１の信号と前記第２の信号の電力比に基づいて入出力電力特性を補正し、前記被測定装置の入出力特性を求めることを特徴とする電気特性測定装置。
2. 請求項１に記載の電気特性測定装置において、さらに可変減衰器を備え、前記合成器の出力を前記可変減衰器で制御して、被測定装置の入力信号とするとともに、前記被測定装置への入力電力をパワーメータで求めることを特徴とする電気特性測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の電気特性測定装置において、前記第２の信号は、前記第１の信号と周波数の異なる無変調波であることを特徴とする電気特性測定装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電気特性測定装置において、被測定装置は増幅器であり、入出力特性は、入出力電力特性と入出力位相特性であることを特徴とする電気特性測定装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電気特性測定装置において、前記振幅・位相比較器を、ネットワークアナライザで構成することを特徴とする電気特性測定装置。
6. 無変調波からなる第１の周波数の第１の信号と、前記第１の周波数と異なる周波数を有し前記第１の信号と同じ電力の第２の信号とを合成して、被測定装置の入力信号とし、前記被測定装置の出力信号の前記第１の周波数の信号成分の電力及び位相を、前記入力信号の電力及び前記入力信号の前記第１の周波数の信号成分の位相と比較して、前記第１の信号と前記第２の信号の電力比に基づいて入出力電力特性を補正し、前記被測定装置の入出力特性を求めることを特徴とする測定システム。
7. 請求項６に記載の測定システムにおいて、前記第２の信号は、前記第１の信号と周波数の異なる無変調波であることを特徴とする測定システム。
8. 請求項６又は７に記載の測定システムにおいて、被測定装置は増幅器であり、入出力特性は、入出力電力特性と入出力位相特性であることを特徴とする測定システム。

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