Sパラメータの用途と測定は何ですか？ (パート2)
このFAQのパート1は、s-parametersのコンテキストと概念の基本的な紹介でした。 第2部では、それらの測定と適用、および時間領域との関係を見ていきます。
Q:実際にsパラメータをどのように測定しますか？
A:一般的に、おおよその測定値を除いて、この周波数領域テストにスペクトラムアナライザだけを使用することはできません。 代わりに、楽器の二つの専用の、特定のクラスがあります: スカラー sパラメータのセットアップと測定が可能なネットワークアナライザと、ベクトル(実数と虚数)sパラメータも測定するベクターネットワークアナライザ(Vna)(図1)。
さまざまな計測器は、最大1GHz、10GHz、さらには数十GHzまでのさまざまな最大周波数範囲で利用できます。 もちろん、コストは範囲の増加ごとに上がります。 差動回路用の4ポートアナライザもあります。
Q:VNAを使用した物理的なセットアップは何ですか?
A:vnaは正確な正弦波を使用し、狭帯域受信機が掃引された入力応答を追跡するように周波数を掃引します。 この狭帯域レシーバは、VNAの低ノイズと高ダイナミックレンジを実現します。 それは十分に簡単に見えますが、内部アーキテクチャ、コンポーネント、および実際に測定を行うことには多くの微妙さと複雑さがあります。 (図2)に示すように、sパラメータS11=A/R1およびS21=B/R1は、出力が完全なZo、テストシステムの特性インピーダンスで終了したときに入射（R1）、反射（A）およ
このセットアップ条件により、理想的な負荷からの反射がないため、R2がゼロであることが保証されます。 (S11はDUTの入力複素反射係数またはインピーダンスに相当し、S21は順方向複素透過係数であることを思い出してください。 同様に、ソースをポート2に配置し、ポート1を完全な負荷で終端する（R1をゼロにする）ことにより、S22（=B/R2）およびS12（=A/R2）の測定を行うことがで (ここでも、S22はDUTの出力複素反射係数または出力インピーダンスに相当し、S12は逆複素透過係数であることを思い出してください。)
Q:いくつかの典型的なsパラメータの結果は何ですか？
A:”典型的な”結果はありませんが、いくつかの”理想化された”ケースを見るのは興味深いです（図3）。
Q:誰がVNAsを作りますか？
a:多くのベンダーがあります; その中には、Keysight、アンリツ、Rohde&Schwarz、Polar Instruments、Saelig Corp.、National Instruments、Tektronixなどがあります。 基礎となるVNA技術と校正がそれほど複雑ではない低周波数のVnaの多くのあまり知られていないベンダーもあります（しかし、それはまだ非常に高度で、それは相対的な比較にすぎません）。 スタンドアロンVNAは、周波数とパフォーマンスに応じて$5000と$50,000の間の費用がかかります。
このKeysight E5061B ENAベクターネットワークアナライザ($29,000)は、最大3GHzのテストを処理し、120dBのダイナミックレンジを備えています。 前面パネルの2つのポートのGHzクラスのコネクタを介して、50Ωと75Ωの両方のインピーダンス配置を処理します(図4)。
また、USBポートを介して接続されたPCと組み合わせてRF/マイクロ波機能のフロントエンドボックスを使用するVnaもあります。 たとえば、Tektronix TTR500（≧9,000）は、100kHz～6GHzのvnaで、122dB以上のダイナミックレンジ、-50～+7dBmの出力電力、0.008dB RMSのトレースノイズ<を備えています（図5）。
一般に、高性能Vna(周波数範囲、ダイナミックレンジ、ノイズフロア、およびその他の仕様によって決定される)は、RFテスト機器のより高価なクラスの一つ いくつかのＶｎａはまた、時間領域反射測定（ＴＤＲ）測定を実行することができ、これは、ＶＮＡ測定との比較および相関を可能にする。
Q:ポータブルネットワークアナライザと呼ばれるテスト機器が数千ドルで提供されているのを見ますが、ここで使用できますか？
A:それは依存します。 その理由は、”ネットワークアナライザ”という用語は、データリンクまたはデータネットワークの性能をチェックし、ビットエラーレート（BER）対SNRなどのデータを提供す しかし、現場で測定を行うことができる低コストで高耐久化されたベクトルネットワークアナライザがあります。 これらは、設定、調整、およびトラブルシューティングのためにRF/マイクロ波技術者によって使用されますが、通常は初期の設計作業には十分ではあ
（”ネットワークアナライザ”という用語は、通信ネットワークや開口数などの光学パラメータを指すこともあるため、”NA”と略されることはめったにありませんが、ベクトルネットワークアナライザはしばしばVNAと呼ばれています–それはそれらの一つに過ぎません。)
Q:これはあなたがVNAを除いて簡単なもののようですが、現実は何ですか？
A:まず、より高い周波数での振幅と位相の測定は困難であり、周波数が増加するにつれてより多くのようになります。 S変数のために、測定の整理のわずかな間違い、または不均衡は最終結果の重要な間違いで起因できる;試験結果はテスト欠陥に非常に敏感である。
Qエラーの種類は何ですか？
A:vnaエラーには、アナライザとテストセットアップのシステムエラーがあり、これらは一貫しており、ある程度較正することができます。; それは、余りに、口径測定によって取除くことができる）。
Q：より良い機器（速度、精度、ノイズ）を開発することに加えて、何ができるのですか？
A:sパラメータの測定は内部誤差に敏感であるため、Vnaは通常、既知の”負荷”で構成される特別な校正フィクスチャで使用されます。「これは単なる抵抗器や他の受動デバイスではありません。 それは知られていた特徴の注意深く設計され、設計された据え付け品であり、興味の頻度のために適したRFのコネクターが電気で一致させたケーブルの組でVNAに、接続される。
このフィクスチャを使用すると、VNAを較正することができ、温度による性能の変化さえも較正および補償することができます。 各口径測定の据え付け品は高い頻度のためのそれらがより低い物のためのそれらより高価であるように最高の頻度まで使用のために、設計されて 校正のセットアップとシーケンスは手動で行うことができますが、現在では多くが結果を記録し、必要な補正係数を実装する自動操作です。たとえば、Keysight85096C RF電子校正モジュールは、300kHz～3GHz動作用に設計されています(図6)。; それはタイプN、75オームの2港の関係を含み、NISTの口径測定にたどることができる。 それはソリッドステート切換えと共にPC制御のためのUSBインターフェイスから成っている従って口径測定プロセスの間に必要とされるに応じて形成
Q:sパラメータは周波数領域用ですが、私の仕事は時間領域にも関連しています-私のオプションは何ですか？
A:二つのオプションがあります。 一つは、逆高速フーリエ変換（FFT）を介してVNA出力の周波数データを時間領域に変換することです。 もう一つは、オシロスコープを使用し、時間領域反射測定（TDR）オシロスコープを介して時間領域で直接データをキャプチャすることです。 この機器は、ステップ応答を測定するために広帯域受信機（サンプラー）と一緒に最小のオーバーシュートと高速ステップ波形（ステップジェネレータ）を使用して また、回路の多くと物理インタフェースが類似しているため、vna/TDR計測器も組み合わせられています。
Q:どちらが良いですか：FFTを持つVNA、またはTDRアプローチ？
A:答えは、関心のある周波数、帯域幅、ノイズレベル、ダイナミックレンジなどの多くの要因に依存します。
Q:以前スミスチャートについていくつか言及がありましたが、sパラメータとスミスチャートの関係は何ですか？
A:スミスチャートは、RFデバイスまたはチャネルのインピーダンスと周波数のグラフで最もよく使用されており、1920年代半ばから使用されています。 SパラメータはSmithチャートに直接マークすることができ、コンポーネントとシステムの属性についての重要な洞察を得ることができます(図7)。
このFAQは、sパラメータと関連する問題の非常に複雑で重要なトピックを簡単にカバーしています。 学術的および教科書型の治療からベンダーのアプリケーションノートだけでなく、非公式の、あまり強烈な説明に至るまで、利用可能な多くの良い参照があ
EE World Online References
インピーダンスマッチングとスミスチャート、パート1
インピーダンスマッチングとスミスチャート、パート2
プリント回路基板、パート4:BEYOND FR-4
パッシ集録
RFデバイスの負荷プル、その2: 方法と場所
低コストのベクターネットワークアナライザが最大6GHzをカバーする
VNAsが更新された時間領域、アイダイアグラムツール
その他の参考文献
- Electrical4U、”Hybrid Parameters or h Parameters”
- Keysight Technologies、”S-Parameter Measurements: 高速デジタル技術者のための基礎”
- IEEE Aerospace Conference Proceedings,”モバイルアドホックネットワークにおける協調ノード位置のための音楽アルゴリズムDoA推定”
- IN3OTD webサイト,”Mitsubishi RD16HHF1LDMOS model S-parameters from50MHz to500MHz”
- Microwaves101,”S-parameters”
- Marki Microwave,”What’s S-パラメータとの契約？”
- 準拠では、”S-パラメータチュートリアル-パートI: 基本的な背景”
- 南フロリダ大学（北アリゾナ大学経由）、”S-Parameters”
- Tektronix、”ベクターネットワークアナライザとは何ですか？”