JPH05297040A

JPH05297040A - 平衡系特性パラメータ測定装置および測定方法

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Publication number: JPH05297040A
Application number: JP12683592A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamanaka; 健山中; Koichi Yanagawa; 光一柳川
Original assignee: Yokogawa Hewlett Packard Ltd
Current assignee: Hewlett Packard Japan Inc
Priority date: 1992-04-19
Filing date: 1992-04-19
Publication date: 1993-11-12
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JP3147987B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ネットワークアナライザ等を用いて、不平衡
系でのＳパラメータの測定値から平衡系でのインピーダ
ンス等の特性パラメータを求める。【構成】不平衡型測定装置１により、方向性ブリッジ
のＳパラメータを予め求め、該パラメータにより測定装
置をフル２ポート校正して、２ポート不平衡型Ｓパラメ
ータテストセットを導出しておく。そして、前記方向性
ブリッジ６を介して、被測定デバイス（ツイストペアケ
ーブル７）に測定信号を出力するとともに、ケーブル７
からの応答信号を入力し、これらの信号からケーブル７
のＳパラメータを測定する。この後、Ｓパラメータによ
る行列を平衡系ＺまたはＹパラメータ等の平衡系特性パ
ラメータの行列に変換することで、平衡系でのケーブル
７の特性パラメータを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ネットワークアナライ
ザ等の不平衡型測定装置を用いた平衡系特性パラメータ
測定装置および測定方法に関し、不平衡系の特性パラメ
ータであるＳパラメータの測定値から平衡系でのインピ
ーダンス等の特性パラメータを求めることができる上記
測定装置および測定方法に関する。

【０００２】

【技術背景】平衡ケーブル等の平衡系デバイスは、端子
間を差動信号によって駆動し、大地に対する電位を一定
に保った平衡状態で使用される。このような平衡系デバ
イスの特性を、片側の端子が常に大地電位であるような
不平衡状態において測定すると、測定結果は、本来の動
作状態である平衡状態とは異なったものとなる。インピ
ーダンスの測定に用いられているインピーダンスアナラ
イザやネットワークアナライザは、一般に不平衡型の測
定器であり測定端子は片側が接地された不平衡状態とな
っているため、上記不平衡型の測定器は、平衡系デバイ
スのインピーダンス等の特性パラメータの測定には本来
適していない。このため、従来これらの測定器を用いて
平衡系デバイスのインピーダンス等を測定する場合、被
測定デバイスと測定器との間に平衡−不平衡変換回路を
挿入し、被測定デバイスを接続する測定端子を平衡状態
に保っている。

【０００３】図４は、平衡−不平衡変換回路としてトラ
ンス回路を用いた従来の平衡系インピーダンス測定装置
の構成図である。同図において、不平衡型測定器２０の
不平衡系端子対２１（両端子を２１ａおよび２１ｂで示
す）は、トランス回路２２の一次巻線の両端子に接続さ
れ、該トランス回路２２の二次巻線（中点は接地されて
いる）の平衡系端子対２３（両端子を２３ａおよび２３
ｂで示す）は被測定デバイス１０に接続されている。不
平衡型測定器２０は、不平衡側端子２１ｂ側のラインが
接地され（大地電位に保たれ）、他方の端子２１ａに測
定用の信号が加えられるように構成されており、端子２
１ａに加えた電圧および被測定デバイス１０に流れる電
流を知ることで、該被測定デバイス１０のインピーダン
スを測定することができる。

【０００４】いま、同図に示すように、端子２１ａ，２
１ｂ間に＋Ｖの電圧信号加えられたものとすると、この
電圧はトランス回路２２の二次側巻線に誘導電圧を生じ
させる。トランス回路２２の二次側巻線の中点は接地さ
れているので、トランス回路２２の巻線比が１：１であ
れば、端子２３ａ，２３ｂには＋Ｖ／２および−Ｖ／２
の平衡差動電圧が誘起される。これらの平衡差動電圧に
より被測定デバイス１０に平衡系の電流が流れ、この電
流はトランス回路２２を介して不平衡系の電流に変換さ
れる。この電流を不平衡型測定器２０で測定することに
より、被測定デバイス１０を流れる電流を知ることがで
き、したがって被測定デバイス１０の不平衡系でのイン
ピーダンスを求めることができる。

【０００５】上記の回路においては、平衡系端子対２３
に接続された被測定デバイス１０を流れる平衡電流はト
ランス回路２２を介して不平衡側端子対２１に伝送され
るため、不平衡型測定器２０により測定されるインピー
ダンスは、被測定デバイス１０のインピーダンスとトラ
ンス回路２２の巻線インピーダンスとの和となる。この
ため、測定結果にはトランス回路２２の巻線インピーダ
ンスによる誤差が含まれることになるので、測定周波数
帯域におけるトランス回路２２のインピーダンス特性や
伝送特性などを、測定精度に大きな影響を与えない程度
に制限する必要がある。しかし、一般にトランス回路２
２では、インピーダンス特性，伝送特性等が安定した状
態で使用できる周波数帯域は限られているので、平衡−
不平衡変換用のトランス回路２２を用いた平衡系の測定
では、測定可能な周波数範囲が制限されてしまうという
問題がある。

【０００６】また、トランス回路２２の影響による誤差
が無視できないような高い精度が要求される場合や、ト
ランス回路２２の巻線比が１：１でない場合は、トラン
ス回路２２のインピーダンス特性や伝送特性などによる
影響を取り除く補正が必要となる。この誤差補正に使用
する補正係数は、平衡系端子対２１に既知のインピーダ
ンスを持つ校正用標準器（たとえば、オープン（０
Ｓ）、ショート（０Ω）のもの）および基準負荷抵抗を
測定した結果から決定される。しかし、平衡系ではトレ
ーサビリティが確立し、精度が保証されている標準器は
現存しないので、不平衡標準器を使用した測定結果から
補正係数を求めるか、あるいは平衡系の標準器を新たに
作成しなければならない。不平衡標準器は不平衡状態に
おいて規定されたインピーダンスを持つように設計され
ているので、平衡系で使用した場合は精度が保証され
ず、インピーダンス測定値も不正確なものとなる。この
ため、平衡系の補正係数の導出に不平衡標準器を使用し
た場合、十分な補正を行うことができない。

【０００７】一方、平衡系の標準器を作成した場合、余
分なコストがかさむ上に、平衡系での標準器の値付や精
度のトレーサビリティの保証が困難であり、さらに、測
定周波数に応じた多数種の平衡−不平衡変換用のトラン
ス回路２２を用意しなけらばならないと言った問題もあ
る。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上記のような問題を解決する
ためになされたもので、不平衡型特性パラメータ測定装
置を用いて測定した不平衡状態での被測定デバイスの特
性パラメータから、平衡系でのインピーダンス等の特性
パラメータを求めることができる平衡系特性パラメータ
測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【発明の概要】本発明の平衡系特性パラメータ測定装置
は、ネットワークアナライザやインピーダンスアナライ
ザのような不平衡型測定装置の２つのポートに方向性ブ
リッジがそれぞれ接続されて構成される。例えば、ツイ
ストペアケーブルや多導体の平衡系素子が被測定デバイ
スとして、不平衡型測定装置のポートに方向性ブリッジ
を介して接続される。

【００１０】不平衡型測定装置により、方向性ブリッジ
のＳパラメータを予め求め、該パラメータにより測定装
置をフル２ポート校正して、２ポート不平衡型Ｓパラメ
ータテストセットを導出しておく。そして、前記方向性
ブリッジを介して、被測定デバイスに測定信号を出力す
るとともに、被測定デバイスからの応答信号を入力し、
これらの信号から被測定デバイスのＳパラメータを測定
する。

【００１１】なお、この被測定デバイスが、多導体系で
ある場合には、Ｓパラメータの測定に際しては、マルチ
ポート校正することで誤差補正を行う。この後、不平衡
型測定装置により、Ｓパラメータによる行列を平衡系Ｚ
またはＹパラメータ等の平衡系特性パラメータの行列に
変換し、平衡系での被測定デバイスの特性パラメータを
求める。通常この変換は、ＳパラメータをＺまたはＹパ
ラメータに変換した後に、対角化して平衡系ＺまたはＹ
パラメータを求めることにより行われる。

【００１２】不平衡型測定装置として、高周波広帯域に
おいて用いられる汎用測定装置であるネットワークアナ
ライザやインピーダンスアナライザが好適に用いられ
る。これらのアナライザを用いることで、平衡−不平衡
トランスを用いた従来の測定装置と比較して、広帯域
（数Ｈｚ〜数十ＧＨｚ）の特性パラメータ（インピーダ
ンス等）を求めることができる。また、上記アナライザ
は、標準器を用いてトレーサビリティを保証することが
容易であるため、信頼度の極めて高い測定結果を得るこ
とが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示している。本
実施例では、不平衡型測定装置として、ネットワークア
ナライザが用いられている。同図において、ネットワー
クアナライザ１の端子対２（端子２ａ，２ｂで示す）に
被測定デバイス１０の二端子が接続されている。また、
アナライザ１内の信号源（同図では電圧源３，４）によ
り、端子対２の各信号端子に電圧＋Ｖ／２および−Ｖ／
２を加え、各端子２ａ，２ｂを流れる電流を測定して不
平衡系でのＳパラメータを求め、該Ｓパラメータから被
測定デバイス１０の平衡系でのインピーダンスを求めて
いる。

【００１４】以下、ネットワークアナライザ１による特
性パラメータの不平衡系から平衡系への変換原理を図２
を参照しながら説明する。まず、電圧源３，４により、
電圧Ｖ_１およびＶ_２を端子２ａ，２ｂを介して被測定デ
バイス１０にそれぞれ加える。ここで、被測定デバイス
１０は、平衡系デバイス（通常、平衡状態で使用される
デバイス）であり、２端子対を有しているものとする。
このとき端子２ａ，２ｂ間の電圧のコモンモード成分お
よび差動成分をＶ_ｕ，Ｖ_ｂとし、電流のコモンモード成
分および差動成分をＩ_ｕおよびＩ_ｂとすると、これらの
間には以下の関係が成立する。

【００１５】

【数１】

【００１６】ここで、Ｖ_１，Ｖ_２とＩ_１，Ｉ_２との関係
を、二端子対回路をインピーダンス行列〔Ｚ〕，アドミ
タンス行列〔Ｙ〕を用いて表すと、以下のようになる。

【００１７】

【数２】

【００１８】（数１）および（数２）を用いてＶ_ｂ，Ｉ
_ｂおよびＶ_ｕ，Ｉ_ｕの関係を求めると、次の（数３）お
よび（数４）が得られる。

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】被測定デバイス１０の平衡電流駆動状態で
のインピーダンスＺ〔i-balance〕はＩ_ｕ＝０でのＶ_ｂ
とＩ_ｂとの比であるので、（数３）の行列の第１行第１
列の要素により次のように与えられる。

【００２２】

【数５】Ｚ〔i-balance〕＝ｚ₁₁−ｚ₁₂−ｚ₂₁＋ｚ₂₂

【００２３】一方、平衡電圧駆動状態のアドミタンスは
Ｖ_ｕ＝０でのＶ_ｂとＩ_ｂとの比なので、（数４）より次
式で与えられる。

【００２４】

【数６】Ｚ〔v-balance〕＝｛（ｙ₁₁−ｙ₁₂−ｙ₂₁＋ｙ₂₂)／４｝^−１

【００２５】すなわち、被測定デバイス１０が平衡系の
ものである場合に、被測定デバイスを二端子対回路と見
た場合のインピーダンス行列，アドミタンス行列がわか
っていれば、平衡電圧駆動状態および平衡電流駆動状態
でのインピーダンスを求めることができる。ここで、二
端子対回路のインピーダンス行列〔Ｚ〕およびアドミタ
ンス行列〔Ｙ〕はその回路のＳパラメータ行列が得られ
ていれば、変換計算により求めることができる。二端子
対被測定デバイスのＳパラメータ行列は、ネットワーク
アナライザ１とＳパラメータテストセットにより測定す
ることが可能である。上記ネットワークアナライザ１に
上記の式による変換計算機能および結果の表示機能を備
え付けることで、平衡系の特性パラメータを容易に知る
ことができる。

【００２６】なお、上記被測定デバイス１０は、平衡系
のデバイスであれば誘導性，容量性のいずれであっても
よい。また、図１では信号源として電圧源３，４を用い
たが、電流源を用いることができることは勿論である。
以下、本発明によりツイストペアケーブルのインピーダ
ンスを求める場合の実施例を図３（Ａ）および（Ｂ）を
参照しながら説明する。同図（Ａ）において、ネットワ
ークアナライザ１の２つのポート５ａ，５ｂには、抵抗
分圧器型の方向性ブリッジ６ａ，６ｂがそれぞれ接続さ
れている。ここでは、これらブリッジ６ａ，６ｂはフル
２ポート校正により５０Ω系に校正してあるものとす
る。

【００２７】ここで、被測定デバイス（この場合には、
ツイストペアケーブル７）のＳパラメータを求めるため
に、ツイストペアケーブル７の４つの端子８ａ，８ｂ，
８ｃおよび８ｄについて、６種類の接続でＳ行列測定を
行う。これら測定においては、ツイストペアケーブル７
の被測定端子でない端子は終端抵抗ｚ_０（この場合には
５０Ω）で接地しておく。なお、図３（Ａ）では、ツイ
ストペアケーブル７の外被の両端も終端抵抗ｚ_０で接地
してある。

【００２８】なお、詳述はしないが、Ｓパラメータの行
列の各要素のうち対角要素は各々３回重複して測定され
るが、重複したデータの何れを用いるかは誤差の含まれ
方を検討して決定する。このため、ランダム誤差が予想
されるのであれば、測定値を平均することで誤差を低減
できることは勿論である。芯線でつながれたポートが被
測定ポートをなるような測定では、被測定ポートでない
ポートを終端する負荷抵抗と芯線インピーダンスとを反
射測定することになり、負荷抵抗の反射係数誤差により
測定誤差が拡大する。このため、芯線でつながれた端子
同士（８ａと８ｃ、８ｂと８ｄ）の間で行われた測定
（図３（Ａ）の接続態様参照）におけるデータにより、
上記対角要素を決定することが好ましい。

【００２９】上記のようにして、測定した不平衡系での
Ｓパラメータ行列を（数５）あるいは（数６）に基づ
き、ＺまたはＹパラメータに変換すれば、平衡系でのイ
ンピーダンス等を容易に求めることができる。図３
（Ｂ）は、上記測定における特性インピーダンスの周波
数特性を示す図である。同図では、実測値と共に、計算
値を併記した。同図（Ｂ）からわかるように、１００ｋ
Ｈｚ〜１００ＭＨｚまでの周波数域では、実測値は理論
式によるケーブルパラメータの計算値とほぼ同様の特性
を示していることがわかる。なお、１００ｋＨｚ未満の
周波数域や、１００ＭＨｚより大きい周波数域について
は、実測値と計算値とが異なってくるが、この場合に
は、終端インピーダンスや接続方法を適宜変更したり、
芯線の引き出し等による誤差分を補正することも可能で
ある。

【００３０】また、図３（Ａ），（Ｂ）では、ツイスト
ペアケーブルについて説明したが、多導体の場合にも拡
張が可能であり、例えば四線式の伝送線路の場合の実回
線，重回線，地回線等の測定にも適用することができ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、被測定デバイスを２端子対回路と見た場合の
不平衡状態でのＳパラメータの測定結果から、被測定デ
バイスの特性パラメータ（平衡インピーダンス等）を求
めることができる。また、平衡系の測定で必要とされて
いた平衡−不平衡変換回路が不要となるので、従来のよ
うに周波数に応じて多種類の平衡−不平衡トランスを用
意する必要がなくなった。しかも、既存の不平衡系での
標準器によって測定器を校正できるので、信頼性の高い
精度保証が可能となった。さらに、定電流型で定義する
か定電圧型で定義するかにより、平衡インピーダンスの
測定方法を変更する必要があるが、本発明では計算によ
り平衡インピーダンスを求めているので、内蔵ソフトウ
ェアの変更によりどのような定義にも対応した測定装置
をも迅速かつ容易に提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】本発明における不平衡系から平衡系への特性パ
ラメータの変換原理を説明するための図である。

【図３】本発明をツイストペアケーブルに適用した実施
例を示す説明図であり、（Ａ）は回路構成図、（Ｂ）は
特性インピーダンスの実測値と計算値とを示すグラフで
ある。

【図４】従来の測定装置を示す説明図である。

【符号の説明】

１不平衡型測定装置３，４電圧信号源５ａ，５ｂ不平衡型測定装置のポート６方向性ブリッジ７ツイストペアケーブル８ａ〜８ｄツイストペアケーブルの端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つのポートに方向性ブリッジがそれぞ
れ接続された不平衡型測定装置を使用した平衡系特性パ
ラメータ測定装置であって、前記不平衡型測定装置は、前記方向性ブリッジを介して
接続した被測定デバイスの不平衡系でのＳパラメータを
測定し、これを平衡系のＺまたはＹパラメータに変換す
ることで、前記被測定デバイスの平衡系での特性パラメ
ータを求めることを特徴とする平衡系特性パラメータ測
定装置。
【請求項２】不平衡型測定装置の２つのポートにそれ
ぞれ接続した抵抗分圧器型方向性ブリッジを、フル２ポ
ート校正して２ポート不平衡型Ｓパラメータテストセッ
トを導出しておき、上記抵抗分圧器型方向性ブリッジを介して上記ポートが
接続される被測定デバイスの接続端子を、順次切り換え
て該被測定デバイスの不平衡系でのＳパラメータを測定
し、ついで、上記不平衡系でのＳパラメータを平衡系のＺま
たはＹパラメータに変換して前記被測定デバイスの平衡
系での特性パラメータを求めることを特徴とする平衡系
特性パラメータ測定方法。