ネットワークアナライザとは
ネットワークアナライザ (英語:Network analyzer) とは、被試験対象 (DUT; device under test) の回路網の特性を評価する装置のことです。
具体的にはDUTへの入力信号の減衰やインピーダンスを測定することが可能です。特に電子部品などの高周波特性を評価できるため、伝送デバイスをはじめ広い応用範囲があります。
ネットワークアナライザのアウトプットはＳパラメータ (scattering parameter) によってあらわされます。Sパラメータで定義された物理量は順方向の反射 (S11) 、順方向の伝送 (S21) 、逆方向の伝送 (S12) 、および逆方向の反射 (S22) です。
ネットワークアナライザの使用用途
ネットワークアナライザはスカラネットワークアナライザとベクトルネットワークアナライザ (VNA) に大別され、そのうち振幅情報だけでなく位相情報まで得られるベクトルネットワークアナライザ (VNA) は使用用途範囲が広いです。
ネットワークアナライザの利点である高周波への応用を用いて、高周波増幅器の整合回路の開発などに利用されています。ここでは、増幅器、アンテナ、フィルタそれぞれの正確なSパラメータをもとに設計が行われます。
高周波を扱う回路網において、各デバイスやケーブルなどの伝送路におけるインピーダンスの不整合は電力のロスや信号歪の原因になることから、インピーダンスマッチングの評価にも利用されるケースが多いです。
ネットワークアナライザの原理
ネットワークアナライザには信号源と信号分離器、方向性結合器及び、最低3つの受信部が備えられています。
- 信号源
信号源はシステムに信号を供給する役割を持ち、シンセサイザによって供給されます。 - 信号分離器
信号分離器には抵抗器によるスプリッタが利用され、入力信号は回路信号と受信機へ分岐します (基準信号R) 。 - 方向性結合器 (directivity coupler)
方向性結合器では入力波と反射波が分離され、反射波は受信機で測定されます( 基準信号A) 。
DUTのアウトプットは3つ目の受信機で測定されます (伝送信号B) 。信号の比較により評価が行われ、例えばS11はA/Rで、S21はB/Rで定義されます。
また、ネットワークアナライザの高精度測定は、正確な校正によって担保されます。校正にはあらかじめ特性が分かっている標準機を用います。一般的に利用されている校正法はSOLT法と呼ばれる短絡 (short) 、開放 (open) 、整合負荷 (load) が可能な標準器と、基準面を結合した直結 (thru) における測定により校正する方法です。
非常に精密な測定を行うため、コネクタ締め付けのトルクや環境温度、入力信号やケーブルの安定化など様々な観点から測定誤差を生まないよう留意します。
ネットワークアナライザのその他情報
1. ネットワークアナライザの基礎知識
ネットワークアナライザは日本語で回路網解析器と言います。そして、ネットワークアナライザには、ベクトルネットワークアナライザ (VNA) とスカラネットワークアナライザがあり、昨今ではベクトルネットワークアナライザが多く利用されています。
ネットワークアナライザにはSパラメータという伝送や反射測定における振幅の変化を測定する方法がありますが、SパラメータはS行列とも呼ばれ、定義として番号の付け方が存在しています。番号の付け方は「Sij i=出力ポート、j=入力ポート」となっており、S11ならポート1に入射した信号がポート1に伝送される信号の測定を表しています。S12ならばポート2から入射した信号がポート1に伝送される測定を意味します。
Sパラメータの測定にはVNA測定器を利用することで測定が可能です。しかし、VNAは測定前にいくつかの校正方法を利用して校正を行う必要があります。
VNAの校正は標準機を3個使用しておこなう方法が基本的な方法です。校正方法として広く知られている方法は、先に述べたSOLT校正法やUnKnown Thru校正法、TRL校正法などがあります。
2. インピーダンス測定について
インピーダンスとは電子回路や電子部品、電子材料の特性評価に使用する重要なパラメータであり、一部の周波数で回路などに流れる交流電流を妨げる量です。インピーダンス測定方法には種類が様々あり、それぞれがメリットやデメリットを持ち合わせています。
測定に必要な周波数の範囲やインピーダンスの測定範囲の測定条件を考慮して測定方法を選択しなければなりません。測定方法にはブリッジ法や共振法、I-V法、ネットワーク解析法、時間領域ネットワーク解析法、自動平衡ブリッジ法などがあります。
例としてブリッジ法を解説します。ブリッジ法のメリットは高確度であること (0.1%程度) や複数の測定器で広い周波数範囲をカバーできる上、安価に測定できる点が挙げられます。一方でデメリットとしては、バランスの操作が必要で一台では狭い周波数の範囲しかカバーできない点です。ブリッジ法の測定周波数範囲はDCでおおよそ300MHzまでです。
3. 周波数拡張の動向
ネットワークアナライザの最大周波数の拡張は、現在サブテラヘルツ帯 (220GHz) にまで及んでいます。これは次世代の通信規格である6GがD-bandと呼ばれる140GHz帯が用いられる可能性が高いと予測されているからです。
ただし、サブテラヘルツ帯ともなると、その高い周波数故、電気長誤差や寄生素子の影響を受けやすくなり、RFプローブやケーブル含めたトータルのキャリブレーションの精度が極めて重要です。
現実には1回でキャリブレーション可能な周波数範囲も限られていることが多く、キャリブレーション間の繋ぎのデータの扱いや、ミリ波帯専用の周波数エクステンダーの追加等含め、使いやすい測定器を目指して各メーカーが開発競争にしのぎを削っています。
4. 変調パワー評価機能等の追加
ネットワークアナライザは、DUTのインピーダンス評価やSパラメータという小信号を扱う評価が一般的な測定器ですが、昨今変調解析や大信号評価と小信号評価解析がセットで行われることも多いため、ネットワークアナライザにて従来のスぺクトラムアナライザで主に取り扱う変調解析を実施可能にした機種も徐々にリリースされている状況です。
今後は、ネットワークアナライザは単にインピーダンスやSパラメータ評価だけにとどまらず、スイッチやフィルタ、高周波 (RF) の増幅器やLNA (ローノイズアンプ) 他の各種RFフロントエンドの評価のために、大信号解析や変調解析含め様々な用途に活用されるでしょう。
参考文献
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