JPS62190471A - テスト機器 - Google Patents

テスト機器

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JPS62190471A
JPS62190471A JP62007376A JP737687A JPS62190471A JP S62190471 A JPS62190471 A JP S62190471A JP 62007376 A JP62007376 A JP 62007376A JP 737687 A JP737687 A JP 737687A JP S62190471 A JPS62190471 A JP S62190471A
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JP
Japan
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port
test
frequency signal
high frequency
network
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Application number
JP62007376A
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English (en)
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クリストファー マルカム ポッター
ジョージ ジーピエリス
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MARUKOONI INSTR Ltd
Original Assignee
MARUKOONI INSTR Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies
    • G01R27/06Measuring reflection coefficients; Measuring standing-wave ratio

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 3、発明の鮮明 (産業上の利用分野) この発明は、高周波電気装置について電気測定を行なう
のに適したテスト機器に関する。本発明は、無線周波数
またはマイクロ波周波数の範囲における動作を意図する
ものである。
(従来の技術) 無線周波数(RF)及びマイクロ波用部品の特性を調べ
るのに使われる最も強力な手法の1つは、散乱パラメー
タ(S−パラメータ)モデルである。
このモデルでは、RF装置が各種の入出力端子を備えた
“ブラックボックス”として扱われる。各対の端子は“
ポート”と称される。当該装置の性能は、1つのポート
に電波を加え、この電波によって各ポートに生じる出現
波を記録することで定量化される。各電波間の関係が、
S−パラメータ行列と呼ばれる複素係数の行列の形で表
わされる。
こうした複素係数は、必要な電波を分離してそれらの間
の複雑な関係を評価する回路網アナライザによって測定
される。可変周波数発振器の周波数が特定の周波数帯域
にわたって制御される自動化回路網アナライザも開発さ
れている。これらのアナライザは非常に複雑で、入射波
と反射波をサンプルする方向性結合器またはブリッジを
具備する。そして、各サンプルの比がとられ、入射波と
反射波の大きさ及び位相を求める。約500KHzより
高い周波数では位相角を直接測定できないので、それは
実施上複雑な過程となる。つまり、測定する前に、RF
サンプルを適切な周波数へ変換しなければならない。振
巾と位相の関係を正確に維持しながら周波数を変換する
のは、困難であるとともに高価につく。このようなヘテ
ロゲイン方式で使われるミキサやサンプラの特性は、極
度に線形でなければならない。
(発明が解決しようとする問題点) 6ポート回路網アナライザとして知られる機器は°、振
巾測定に依拠するもので位相情報を測定する必要がなく
、比較的N単なRF回路を使え、6ポート路網アナライ
ザを正確に較正できる。しかし従来知られているように
、かかる機器は厳しい動作上の欠点を有する;つまり遅
(、使用が厄介で、熟練のオペレータを必要とする実験
室用の機器として主に見なされてきた。2ポートの被テ
スト装置(DUT)の特性を充分に調べるためには、2
重構成の6ポート路網アナライザを使う必要がある。6
ポート回路網アナライザを用いて正確且つ再現可能な測
定を可能とするには、まずそのアナライザを完全に較正
し、アナライザの生じる振巾が正確且つ明瞭にDUTの
特性パラメータへ変換可能なようにしなければならない
。こうした較正プロセスは時間を費し複雑で、熟練のオ
ペレータと高価なテスト機器を必要とする。
本発明は、改良されたテスト機器を提供しようとするも
のである。
(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、テスト機器は被テスト装置に接続可能
なテストポートを有する6ポート路編;テストポート、
6ボートネツトワーク及び成端発生器に接続される高周
波信号源:上記成端発生器が高周波信号を変更するよう
に可変のインピーダンスを含む;及び変更された高周波
信号をテストポートに直接導きテスト機器の較正を可能
とする手段;を具備する。
この発明の重要な特徴によれば、成端発生器は、1より
大きい被テスト装置の反射係数に対応した変更高周波信
号を発生可能である。1より大きい係数とは、能動的被
テスト装置のシミュレーションを意味する。これは、テ
スト機器を較正して便利且つ正確な較正値を与えるよう
に最適化し得る条件を付与可能とする。こうして較正し
たテスト機器は、広範囲の装置を正確にテストし測定す
るのに使え、マイクロ波装置で用いるのに特に適する。
成端発生器は1つだけの6ポート路網を較正するのにも
使えるが、多(の目的上、被テスト装置の特性を完全に
調べるには2つの6ポート回路網を用いる必要がある。
このような2つの回路網を使えば、決定すべき較正パラ
メータの数が多くなるのは明らかである。
被テスト装置に接続可能なテストポートをそれぞれ有す
る2つの6ポート路網から成る構成では、共通の高周波
信号源が各々のテストポートへ切換可能に接続されて、
高周波信号がテストポートの一方または他方に随意加え
られ、さらに高周波信号が標準として両6ポート回路網
へ同時に供給される。成端発生器によって変更される変
更高周波信号が、各テストポートへ順次加えられる。
成端発生器は切換によって可変な減衰器と、切換によっ
て可変な移相器を含む。これらの減衰器及び移相器を調
節し多数の異なった較正信号を発生することによって、
2つの6ポート路網の各出力が充分な数の連立方程式を
表わすようにし、各種の較正係数を計算可能としてテス
ト機器の特性を完全に調べることができる。
以下、本発明を添付の図面を参照しながら一例としてさ
らに説明する。
(実施例) 前述したように、本発明では一対の6ポート路網を用い
る。“6ボート”という用語は回路網アナライザの型式
分類に発しており、前述したような4ポートを持つ従来
のヘテロダイン型に対して、1ボートの装置を測定する
のに用いる6ボートを持ったアナライザを意味する。従
来の4ポートはそれぞれ次のために使われる;(i)R
F源から被テスト装置(DUT)へ加えられる入射信号
;(ii)DUTへの入射波の出力サンプル′a″;(
iii)DUTからの反射波の出力サンプル“bo;及
び(iv)DUTが接続されるテストポート。6ポート
反射畦の場合、6つのポートはそれぞれ次のために使わ
れる;(i)RF源から被テスト装置に加えられる入射
信号; (ii )テストポート;(iii )主に信
号“a”から成るサンプル;及び<i=) 、(v) 
、(vi)信号″a”と”b”の異なった組み合せサン
プル。但し、“a” と“boは先に定義した通り。
被テスト装置(DUT)2に接続された6ポート回路網
1を含む簡単なシステムが第1図に示してあり、RF[
3がテスト信号を供給する。
各ポートについての6ポート方程式は次のように表わせ
る: E (F; + jG) −P= r’ = 1 + j X =  □ 但しP、は1番目のポートに接続された電力計の読取値
で、ボー)P3は“a”ベクトルだけをサンプルする。
パラメータFは次式で定義される二人耐波(b) 上記方程式の導関数は、C,A、 1loerの論文[
6ボート及び8ポートのジャンクションを用いた能動及
び受動回路パラメータの測定J 、NBS Techn
Note 673.1975に示しである。
6ポ一ト反射計の較正は、上記の形の幾つかの連立方程
式を解くことを含む。既知の異なったDUTがテストポ
ートに配置され、電力計の読取値が記録され、それに基
づいて11個の未知係数を求めることができる。
G、  F、 Engen、 IEE Trans、 
NTT−26、No、12pp 951〜957.19
78年12月によって、6ポート回路網の較正を2段階
に分けることが提案されている。第1段階は“6ボート
から4ポートへの縮小で、6ポートの内部制約を確立す
る。これらの内部制約は11個のうち5個の係数を説明
するもので、“6番目のボート”はあいまいになる解の
選択を決定するためにだけ導入されたものだが他のボー
トに一定の指示を与えねばならないことから生じる。こ
の第1段階は、多くの未知の成端に関する電流計測定値
を読み取ることによって実施できる。較正の第2段階は
、ヘテロゲイン式回路網アナライザの4ポート反射計を
較正するのに使われるのと同じである。この段階では3
つの基準を用いて、残り6個の係数を求める。
特に優れた理論的性能を与える6ポート路網の一例が第
2図に示してあり、これはボートP3〜P6から現われ
る“a”及びb”波の組み合せについて有効な選択を与
える。つまりこれらの組み合せは、測定系に固有な不確
実性を最小に保持する。第2図は、理論上は\゛理想的
な性能を与えられるハイブリッド結合器を用いた回路構
成を示している。この構成はG、  F、 Engen
、により、「マイクロ波測定の6ポ一ト手法を実施する
ための改良回路J 、IEE Trans、 MTT−
25、No、12.1987年12月 pp1080〜
1083で提案された。
第2図には、RF源3と被テスト装置(DUT)2の他
、4つの相互に接続されたハイプリント結合器11.1
2.13.14から成る6ポート回路網が示しである。
各ハイブリッド結合器は、2つの入力ポート15.16
と2つの出力ポート17.18を有する4ボート装置で
、入力ポート15に加わる入力信号が等しく分割され、
入力電力の半分が各出力ポート17.18から現われる
とともに(内部用は無視する)、出力ポート18の信号
が出力ポート17の信号より90″だけ遅れるように構
成されている。この点は、第3図の上方左隅に模式的に
表わしである。逆に、入力ポート16に加わる信号は2
つの出力ポート17と18の間で等しく分割されるが、
出カポ−1−17の信号の方が出力ポート18の信号よ
り90°だけ遅れる。ハイブリッド結合器を横切って正
味の位相遅れは生じないと通常仮定するが、実際にはそ
うならず、図示のごとき相互に接続されたハイブリッド
結合器の構成において相殺される。
6ポート回路網の4つの出力ポート21.22.23.
24の各々に、2つの入力ポート25.26への信号印
加から生じ、反射波すと入射波aを図中に示した割合で
含む出力信号値が示しである。但し、r=b/a05ポ
ート路網の通常の表示P1〜P6も第2図に示しである
2つの6ポート路網を使えば、2ボートDOTの振巾及
び位相特性を振巾の測定だけから推定可能になる。これ
まで、2型彫6ポート回路網アナライザの使用は重大な
欠点を伴なっていた。、1つの欠点は前述した通りで、
すなわちDUTはその特性が入出力ボートへ同時に加わ
る電力と独立であるようなものでなければならない。別
の欠点は、S−パラメータを決定する較正手順が、2つ
のテストポート(DUTが接続されるボート)での2の
電波間に3つ以上でしかも再現可能な関係を与えるため
、切換可能移相器及び切換可能減衰器の使用を含むこと
である。また広帯域の動作では、多(の狭帯域精度の直
線基準器が必要とされる。
さらに、2つの6ポート回路網の間とDUTを通じて電
力が1回より多く循環するのを防くため、狭帯域のアイ
ソレータを設けることが不可欠である。
狭帯域の部品または基準器を用いる必要がな(、上記の
欠点を解消して広帯域の動作を可能とする本発明の一実
施例が第3図に示しである。
第3図を参照すると、2つの6ポート回路網40.41
が2つのテストポート42.43にそれぞれ接続され、
テスト動作時雨ボート間にDIIT2が接続される。各
回路網40.41は第2図に示したのと同じ形で、2つ
の6dB方向性結合器44.45が図示のごとく接続さ
れている。これらの方向性結合器44.45は別の16
dB方向性結合器60と、スイッチング回路網48と、
成端発生器46の一部を形成する電力分割器49とを介
して、所要周波数の励起信号を発生ずるRF源3に連結
され、成端発生器46が両回路網40.41を較正する
のに使われる。方向性結合器60で分割された入射電力
の一部が負の帰還信号としてRF源3に戻され、RF源
3の出力電力レベルを制御する。RF源の周波数が広帯
域にわたって掃引されるときに生じる電力の変化を補償
するため、帰還ループ内に制御回路(不図示)が含まれ
ている。
スイッチング回路M448は3つの相互に接続されたハ
イブリッド結合器50.51.52で構成され、両結合
器50.51の各第4ボートが通常の方法により整合負
荷53で成端されるとともに、3dB減衰器54が結合
器52の2つの人力ポートの各々に介設されている。ま
たスイッチング回路′!A48は、結合器50または5
1のいずれかをRF源3に接続可能なスイッチ装置55
も具備する。成端発生器46は可変移相器56と可変減
衰器57を有し、これらが出力ポート58に現われるR
F源信号の位相及び大きさを変えるのに使われる。
テスト動作時、RFtA3からの電力がテストポート4
2または43のどららかを介して被テスト装置に与えら
れ、入射波と反射波が方向性結合器44.45を介して
6ポート回路網40.41に導かれる。両回路網40.
41の4つの出力ポートに現われる電力がそれぞれ測定
され、(第2図に示した)各式が計算されてDUT2の
特性を求める。
スイッチング回路網48は、スイッチ位置に関わりなく
 (つまりテストポート42.43のどららがRF源3
から電力を受けているかに関わりなく)2つの6ポート
路網40.41が方向性結合器52を介してRF電力の
サンプルを受は取り、両6ポート回路網が同時に動作す
るように構成されている。スイッチ装置55の非再現性
による影響を最少限とするためスイッチング回路′y4
48の後方でサンプルが取り出され、非再現性の影響は
所望のパラメータの計算時に割り出すことができる。ス
イッチング回路網48の構成は能動装置であるDUTが
整合負荷の下で動作するのを可能とするので、増巾器測
定において何らの問題も生じない。従って、アイソレー
タを必要とせず、広帯域の動作が可能である。
2つの6ポート路網はベクトル電圧計型である;すなわ
ちベクトル電圧計が2つのベクトル電圧のベクトル比を
求める。各6ポート回路網は(第2図の25.26に対
応した)2つの入力ポートを有し、そこでの2つの信号
が一緒に割り出される。スイッチ装置55が第3図に示
した順位置にあるとき、6ポート回路網40がテストポ
ート42でDUT2の反射波を測定し、6ポート路網4
1がテストポート43でDUT2の透過波を測定する。
スイッチ装置55が逆の位置に移動されると、6ポート
路m41がテストポート43で反射波を測定し、6ポー
ト路!440がテストポート42で透過波を測定する。
従って、6ポート路網が正確に較正されていれば、4つ
の散乱パラメータ(S−パラメータ)を全て個々に測定
可能である。
正しい較正を行なうため、任意の成端発生器46が使わ
れる。
第2及び3図に示した6ポ一ト反射計は4つの検出器2
1.22.23.24を有し、それらの指示は以下の各
式によって被テスト装置(DUT)の反射係数と関連付
けられる: 但しPI、2.3.4は電力指示、 c、d2.3.4は6ボートハードウエアに依存した複
素定数、 e2.3.4  は6ボートハードウエアに依存した実
定数、 F      はDUTの反射係数。
各複素定数は2つの実数から成り、従って合計11個の
実定数が6ポート回路を記述する。
これらの実定数が判明すれば、4つの検出器応答を観測
することによって1ポート装置の反射係数を決定できる
。4つの検出器応答からrを評価する幾何的解釈は、「
で交差する3つの円で与えられる。
このような幾何的表示が第4図に示してあり、同図中3
つの円の中心がQl、Q2、Q3である。
これらの円の各中心は、交差点と結ぶそれぞれの線が比
較的大きい角度を成し、Fを表わす位置が正確に決定で
きるように選ばれる。
容置の中心と半径は、観測された応答及び6ポート定数
の関数である。つまり、r平面内の各点はそれに対応し
た検出器応答の特有な組み合せを持ち、これは次式で記
述される: 但し弐(2)中の11個の実定数は式(1)中の11個
の実定数の関数である。
6ポート回路の較正は、11個の実定数を用いなければ
測定ができないため、それらの実定数を評価するプロセ
スから成る。一般に、既知の特性、この場合には既知の
rを持った装置を6ポート反射計に接続し、そのときの
検出器応答から一組の線形または非線形の連立方程式が
形成され、未知の定数について解かれる。
2型彫6ポート回路網の較正は、2つの段階で実行され
る。第1段階では、6ポート回路網が4ポート回路網に
縮小される、すなわち未知係数の数が4ポート回路網に
対応した数に減少される。
第3図に示した回路において、反射または透過いずれの
測定に使われるかに関わりなく、削減定数は特定の6ポ
ート回路網について一定のま−とななる。
6ポートから4ポートへの縮小を達成するため、理論的
には9種の異なった負荷をテストポートに接続する必要
がある。従来、これらの負荷は可動の短絡回路に続く可
変減衰器をテストポートへ接続することにより実現でき
た。減衰器と短絡回路位置の異なった組み合せが、異な
った負荷をもたらす。尚、これらの組み合せは全て受動
負荷、つまり1「1−≦−1となることに留意されたい
しかしながら、受動及び能動両負荷の組み合せを用いる
ことで、もっと有利な条件の縮小が得られる。これは、
6ポートから4ボートへの縮小の反復部分が発散する見
込みの少いことを意味する。
またこれは、「平面内にある負荷の円中心にあるインピ
ーダンスに対する相対位置と関連している。
能動負荷の使用はF平面内における任意成端の位置融通
性を高め、この結果縮小上より有利に条件付けられた一
組のデータが得られる。
テストポートに接続されると、入力電力よりも大きい電
力がテストポートへ印加可能でIF+>1となるため、
任意成端発生器が能動負荷として機能可能である。発生
し得る最大の1「1は、回路の構成と部品の定格値に依
存する。実施上、1「1χ3までの値が使われ好結果を
得ている。
任意成端発生器の特性上1より大きいr値を発生可能で
あり、2型彫6ボート反射計の特性を計算してそれを完
全に較正するのにF値を有利に使えるようにしている。
ヘテロダイン式ANA (自動化回路網アナライザ)6
ポート回路網は較正で考慮すべき12個のエラー路を有
するが、第3図に示した回路はRF源信号の標準サンプ
ルを2つの6ポート路網へ送るのに使われるハイブリッ
ド結合器50.51.52の構成に付随した余分のリー
ク路を有する。
これらのリーク路は成端発生器46を用いて励起され、
定量化される。電力分割器49がRF源からの電力を、
一方における2つの6ポート回路網と他方における切換
可能移相器及び切換可能減衰器との間に分割する。
スイッチ装置55が第3図に示すごとく順位置にある状
態で、任意成端発生器46がテストポート43に接続さ
れ、テストポート42に接続された各標準インピーダン
ス毎に(つまり開回路、短絡回路または整合負荷回路毎
に)、任意成端発生器を順次消勢及び付勢しながら、両
6ボート回路網40.41の各検出器21.22.23
.24を用いて測定を行なう。次にスイッチ装置55を
反転し、任意成端発生器46及びインピーダンス基準の
ポートを変えて同様の測定を行なう。最後に、2つのテ
ストポート42.43が相互に接続され、第3番目の測
定を行なう。
成端発生器46は、6ボートから4ボートへの縮小を達
成するのに用いられる。較正プロセスのこの縮小段階中
、成端発生器46の出力58が各テストポート42.4
3に順次接続される。減衰器56と移相器57を変化さ
せることにより、能動及び受動両方で広範囲の成端が与
えられる。この較正の構成は任意成端発生器と称され、
反射及び透過両方を発生可能である。6ボートから4ボ
ートへの縮小段階中、成端発生器46は幾つかの任意反
射を与えるように構成されている。その後、較正の第2
段階では(この期間中に“縮小された”4ポート回路網
が較正される)、幾つかの任意透過を与えるのに成端発
生器46が使われる。
第5図は、2爪形6ボート回路網用の別の“−通路“構
成を示している。第5図では固定的に、一方の6ポート
路網61が反射を測定するのに使われ、他方の6ポート
回路網62が透過を測定するのに使われる。減衰器63
は、第3同に対応物がある減衰器54と同じように信号
レベルをバランスさせるのに使われる。6ボートから4
ボートへの縮少は前例と同じく成端発生器46を使って
行なわれ、その後の“4ボート”回路網の較正は第3図
に示した構成の順モードの場合と同しである。第5図中
のその他の構成部品は第3図と同じ参照番号を持ち、そ
れらと同じ機能を与える。
第5図に示した一通路形回路網アナライザは、測定の進
行につれユーザが連続的にDOTを反転しなければなら
ないので、第3図に示したアナライザはど使うのに便利
でない。しがし、第5図の構成はより安価で、必要な部
品点数が少なく、スイッチ1員や再現性のエラーが存在
しないため精度の向上という利点を持つ。この点は、ス
イッチが主として機械的で常に適切に再現可能とはなら
ないので、テスト機器をガ波管で用いる場合特に重要な
因子である。
成端発生器は、第6図に示したような簡単な反射計回路
にも組み込める。RF源3と成端発生器46は第3図に
関連して説明したものに対応しているが、6ポート反射
計64は単一の反射計だけを使っている点で従来のもの
と同じで、第3及び5図において行なったように畜周波
信号の別の標阜サンプルを与えるのには適さない。第6
図で、成端発生器46は較正プロセス中の6ボートから
4ボートへの縮小段階でのみ使われる。
【図面の簡単な説明】
第1図は説明系統図; 第2図は6ボートネソトワークの系統図;第3図は発明
の実施例を示す; 第4図は説明図;及び 第5及び6図は発明の別の実施例を示す。 1;40.41;61.62;64・・・6ポ一1〜回
路網、2・・・被テスト装置(DUT)、3・・・高周
波信号源、21.22.23.24・・・出力ボート(
検出器)、42.43・・・テストポート、46・・・
成端発生器、48・・・結合手段(スイッチング回路網
)、56・・・可変移相器、57・・・可変減衰器。 RFJ、 11m 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、被テスト装置に接続可能なテストポートを有する6
    ポート回路網;テストポート、6ポートネットワーク及
    び成端発生器に接続される高周波信号源;上記成端発生
    器が高周波信号を変更するように可変のインピーダンス
    を含む;及び変更された高周波信号をテストポートに直
    接導きテスト機器の較正を可能とする手段;を具備した
    テスト機器。 2、テストポートに直接導かれる変更高周波信号が、1
    より大及び小の反射係数を持つ被テスト装置をシミュレ
    ートする特許請求の範囲第1項記載のテスト機器。 3、高周波信号電力のうち所定の割合が成端発生器に導
    かれる特許請求の範囲第1又は2項記載のテスト機器。 4、成端発生器が可変の位相減衰器を含む特許請求の範
    囲第1、2又は3項記載のテスト機器。 5、成端発生器が可変の移相器を含む特許請求の範囲第
    1、2、3又は4項記載のテスト機器。 6、2つの6ポート回路網が設けられ、共通の高周波信
    号源が各々のテストポートへ切換可能に接続されて、高
    周波信号がテストポートの一方または他方に随意加えら
    れ、さらに高周波信号が標準として両6ポート回路網へ
    同時に供給される前記特許請求の範囲のいずれか1項記
    載のテスト機器。 7、前記特許請求の範囲のいずれか1項記載のテスト機
    器を較正する方法であって、成端発生器の出力を6ポー
    ト回路網のテストポートに接続し、且つ可変のインピー
    ダンスを複数の異なった値へ連続的に変更しながら、変
    更高周波信号をテストポートに加えるステップ;上記の
    各値毎に6ポート回路網の出力ポートに与えられる電力
    レベルを測定するステップ;及び測定された電力レベル
    からテスト機器の特性を計算するステップ;を含む方法
    。 8、前記複数の異なった値が振巾と位相の両方における
    変化を含む特許請求の範囲第7項記載の方法。 9、各々がテストポートを持つ2つの6ポート路網が設
    けられ、変更高周波信号が2つのテストポートに順次加
    えられる特許請求の範囲第7又は8項記載の方法。 10、変更高周波信号を2つのテストポートの一方に加
    えながら、短絡回路または開回路を含む基準インピーダ
    ンスが他方のテストポートに加えられる特許請求の範囲
    第9項記載の方法。
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