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ネットワーク解析
ベクトル・ネットワーク・アナライザの原理や仕組み、測定、校正方法を通して、ネットワーク解析の基礎を習得し、高度なアプリケーションに必要な専門知識を見つけましょう
ネットワーク・アナライザは、高周波(RF)デバイスの特性を評価します。 ネットワーク・アナライザの出発点はSパラメータの測定のみでしたが、今は高度に統合され、テストされるデバイスの一歩先をリードしています。
ネットワークアナライザを使用したネットワーク解析の基礎、およびネットワークアナライザで実施できる高度な測定の一部について説明します。
ネットワーク・アナライザとは何か?
ネットワーク・アナライザは、高周波(RF)デバイスの特性を評価します。 ネットワーク・アナライザはSパラメータの測定のみで開始されましたが、高度に統合され、テストしているデバイスの一歩先をリードしています。
RF回路には独自のテスト方法が必要です。電圧と電流は高周波で直接測定するのが困難なので、コンポーネントはRF信号に対する応答によって特性評価される必要があります。ネットワーク・アナライザは、既知の信号をデバイスに送信し、入力信号と出力信号の比を測定することによって、これらの特性評価を行います。
初期のネットワーク・アナライザは振幅のみを測定します。これらのスカラー・ネットワーク・アナライザは、リターン・ロス、ゲイン、定在波比、およびその他の振幅ベースの測定値を測定します。
現在、ほとんどのネットワーク・アナライザは、ベクトル・ネットワーク・アナライザです。振幅と位相の両方を測定します。ベクトル・ネットワーク・アナライザは、Sパラメータの特性、複素インピーダンスのマッチング、時間領域測定などを実施できる非常に汎用性の高い計測器です。
この高レベルのブロック図は、入力から出力へと被試験デバイス(DUT)を介して転送される信号を表示しています。デバイスの入力から出力までを通しての測定は フォワード測定と呼ばれています。
ネットワーク・アナライザのレシーバは、入射、反射、および送信信号を測定し、フォワードSパラメータ測定値を計算します。
キー・ベクトル・ネットワーク・アナライザの原理
ベクトル・ネットワーク・アナライザは信号発生器とレシーバの両方をもつため、必要な仕様が多数あります。このセクションでは、ネットワーク・アナライザの重要な仕様のいくつかについて学習し、アナライザの原理を理解していきます。
最大周波数
VNAの最大周波数は、測定できる最大周波数です。ネットワーク・アナライザ・レシーバには、受信する信号をデジタル形式に変換するアナログ‐デジタル変換器(ADC)が内蔵されています。次に、これらの信号を分析して表示することができます。ADCは高周波の信号を変換できないため、入射信号をADCの動作周波数にダウンコンバートする必要があります。この動作周波数は中間周波数(IF)と呼ばれています。
ダイナミックレンジ
ダイナミックレンジは、コンポーネントの応答が測定されるパワーレンジです。
この図は、ダイナミックレンジが定義されている2つの異なる方法を示しています。システムダイナミックレンジは、機器仕様に使用される値です。
- システム・ダイナミックレンジは、ブースタ増幅器なしでのDUT利得を考えない測定器の能力を示します。測定器の最大の信号源パワーは、最大パワーであるPrefです。
- レシーバのダイナミックレンジは、パワーアンプを使用した測定器のダイナミックレンジです。信号源を最大電力レベルとして使用するのではなく、この仕様は測定器のレシーバが測定できる最大パワーPmaxに基づいています。
以下にある左の図は、測定器のダイナミックレンジを示すバンドパスフィルタS21測定のトレースを示しています。上限値はフラットで、下限値はノイズが多くなります。これらの値の形状を決めるものを見てみましょう。
信号源レベルとレシーバの圧縮ポイントは、ダイナミックレンジの最大パワーレベルを決定します。
レシーバを構成するミキサーやアンプは、飽和する前、もしくは最大の出力に達するまでのパワーのみを取り扱うことができます。デバイスが飽和領域にある場合、入力と出力の間に線形関係はなくなります。
アンプの飽和は以下にある右の図のようになります。1ワット以上の入力電力の場合、実際の出力(赤色)と理想の出力(緑色)から分岐します。この現象は圧縮と呼ばれています。レシーバは、レシーバの圧縮ポイントより上のデバイス出力をキャプチャできません。この入力電力の制限により、ダイナミックレンジの上限値を作成します。
出力パワー
出力パワーは、VNAの信号発生器とテストセットがDUTにどれだけの電力を送ることができるかを示します。dBmで表示され、大多数のRF伝送ラインの特性インピーダンスと一致するように50Ωのインピーダンスを参照します。
高出力パワーは、測定の信号対雑音比を改善したり、DUTの圧縮限界を判断したりするのに便利です。
アンプなどの多くのアクティブデバイスは、ネットワーク・アナライザのパワーリミットを超える線形および非線形高出力測定を必要とします。
トレースノイズ
トレースノイズは、システムのランダム雑音によるDUT応答に重畳するノイズです。信号がスムーズでない、またはぎくしゃくとした波形に見える可能性があります。
トレースノイズは、テストパワーの増加、レシーバの帯域幅の低下、または平均化によって緩和されます。
ベクトル・ネットワーク・アナライザ校正
RF測定は非常に高感度であるため、テストケーブルやコネクタ、フィクスチャが測定結果に影響を与えます。ここでの目的はDUT（被測定デバイス）の特性を評価することであり、ネットワーク・アナライザに接続されたDUTやケーブルの特性を評価することではありません。
デフォルトでは、ネットワーク・アナライザはDUTをテストポート以外のすべてのものとみなします。この考え方は、ネットワーク・アナライザの基準面がテストポートに設定されていることを意味します。したがって、基準面以外のすべてが測定対象となります。
これらの図は、校正前と校正後の基準面を示しています。校正前は、ケーブルやコネクタを含むネットワーク・アナライザのポート以外のすべてが測定対象となります。
校正後に基準面を移動すると、ネットワーク・アナライザはケーブルとコネクタを補正し、DUTのみを測定します。非常に高いレベルで言えば、ケーブルとコネクタの校正は風袋重量をゼロにすることに似ています。
最も一般的な2つの校正方法は、Thru、Reflect、Line(TRL)、Short、Open、Load、Thru(SOLT)です。これらの方法は、校正のためにケーブルおよびフィクスチャを特性評価するために使用されるインピーダンス測定と透過測定の組み合わせとは異なっています。
これらの校正技術には、DUTの代わりに測定をセットアップし、接続する既知のプロパティを持った標準器と関係付けます。ネットワーク・アナライザは、測定値と標準器の値とを比較することによって、ケーブルおよびコネクタの補正を適用することができます。
慣例として、校正はメカニカル標準によって実施されています。オペレータは個別に各接続を行い、測定器により測定を実施します。完全な2ポート校正には、7回のメカニカルな接続が必要です。このプロセスは時間がかかり、ユーザーエラーが起こる可能性があります。
電子校正モジュールは、たった1回の接続でさまざまな種類の負荷を電子的に複製できます。電子校正は高速で、繰り返し可能であり、コネクタの摩耗を減らします。
ベクトル・ネットワーク・アナライザとアクセサリ
正確な測定を行うために、ベクトル・ネットワーク・アナライザおよび測定器をDUTに接続するための適切なケーブルとコネクタが必要です。
ベクトル・ネットワーク・アナライザ
ベクトル・ネットワーク・アナライザは、シンプルなSパラメータ・ツールから、ラック全体を置き換えることができる高度に統合された計測器まで幅広く対応しています。フィールド、メトロロジ・ラボ、または生産ラインのいずれでも、スピード、パフォーマンス、柔軟性を適切に組み合わせたネットワークアナライザがあります。
キーサイトは、ポータブルのFieldFoxから高度に統合されたPNAまで、幅広いネットワーク・アナライザ・モデルとフォームファクタを提供します。
コネクタ
信頼性の高い測定には、計測器とDUTの接続が不可欠です。RF測定は非常に高感度であるため、コネクタの仕様には十分な配慮が必要です。コネクタは、特性インピーダンス、周波数範囲、品質の3つの主な仕様によって特徴付けられます。
特性インピーダンスと周波数範囲は、コネクタの導体寸法で近似できます。特性インピーダンスは、内側および外側の導体直径の比（それぞれ図のdとD）に依存しています。反射を最小限に抑えるために、ケーブルとコネクタの特性インピーダンスをDUTに合わせることが重要です。
周波数範囲は、外部導体(D)の内径に関連しています。同軸ケーブルの最大周波数は、次の公式で近似できます。
最大周波数(GHz)=120/D(mm)
例えば、これは3.5mmの導体が約120/3.5=34GHzの最大周波数を有することを意味します。ハードウェアがテストする必要のある周波数を処理できることを確認する必要があります。30GHzを超えるミリメートル周波数では、より小さな導体を持つコネクタやケーブルが必要です。
コネクタを選ぶ際には、適切な品質レベルを把握することが重要です。品質は、コネクタが製造される際の優れた基準を示す尺度となります。品質には、生産用、計測用、メトロロジー用の3つの種類があります。
- プロダクショングレード: 汎用グレードとも呼ばれるこれらのコネクタは、限られた接続と低い再現性で許容される経済的な用途向けです。
- 計測器グレード: 計測器グレードのコネクタは、再現性と長寿命を重視した精密な試験計測機器用です。
- メトロロジグレード: メトロロジーグレードは、最高の性能と再現性が求められる校正用途に最適です。これらの精密コネクタは、インピーダンスの確実性を最も高めます。
ベクトル・ネットワーク・アナライザ・アクセサリ
周波数エクステンダーからテストセットコントローラーまで、ネットワーク・アナライザのアクセサリは、測定器を完全なソリューションに変えることができます。
ハードウェアアクセサリは、以下の点でサポートします：
- 誘電材料の特性評価
- ウェハーデバイスのテスト
- 高出力アンプとミキサの測定
その他にも多数の機能があります。
ベクトル・ネットワーク・アナライザの測定方法
VNAは非常に汎用性が高く、さまざまな測定に対応するための独自のWebサイトが必要ですが、ここで説明した基本的な内容がどのような測定に適用されるかを見てみましょう。
ステップ1：測定を設定する
VNAはあらゆる種類の測定を行いますが、通常は何らかの掃引を設定する必要があります。掃引の主なパラメータは、開始周波数と終了周波数、電力、IF帯域幅です。
開始周波数と終了周波数
- これらの値が、周波数掃引の範囲を決定。
- デバイスの動作を完全に把握する値を選択します。
- どこの周波数を中心に測定したいかわかっている場合、掃引の中心周波数とスパンを設定します。
電力
- この値により、DUTに印加されるテスト信号のパワーレベルを決定します。
- パッシブ・デバイスには最大のソースパワーを使用してください(例、フィルタ)。
- アクティブ・デバイスでは被測定物もしくはVNAの飽和を防ぐために、入力電力を制限してください。
- できるだけ高い印加電力レベルにして信号対雑音比を向上させてください。
IF帯域幅
- 許容される速度レベルで必要な解像度を提供する帯域幅を選択
- より良い測定分解能のために、より小さなIF帯域幅を使用します。トレードオフは測定速度が遅くなります。
ステップ2: 校正
正確な測定を行うには校正が不可欠ですが、まず測定設定をテストする必要があります。
ステップ:
- デバイスを接続し、校正されていない測定を行います。
- 周波数範囲とIF帯域幅を調整し、必要な情報がすべて取得できていることを確認します。
- 校正キットがDUTと同じコネクタタイプと性別であることを確認します。
- 校正を実行するには、校正キットをセットアップして接続します。
- 校正が完了すると、デバイスを再接続する準備ができます。
- 周波数範囲またはIF帯域幅の設定を変更した場合は、再度校正してください。
ヒント: トルクレンチを使用して、導体が破損しないように注意しながら接続を強固にします。コネクタのナットだけを回して、導体同士をねじることは避けてください。
ステップ3: 結果の解釈
VNAには、3dBの帯域幅マーカから時間領域解析まで、測定値を分析するのに役立つ多くのソフトウェアツールがあります。分析を容易にするため、測定に適したソフトウェアと機能を選択してください。
PNAなどの高度に統合されたネットワーク・アナライザには、非線形および能動的デバイス特性のような困難な測定に対処するため、多数のソフトウェアアプリケーションがあります。
ベクトル・ネットワーク・アナライザ・アプリケーションでできること
ベクトル・ネットワーク・アナライザは非常に汎用性の高い測定器です。以下は、いくつかの用途のサンプルです。
スペクトラム解析
ネットワーク・アナライザにスペクトル解析機能を追加すると、スプリアス信号の検索が速くなり、計測器を切り替える必要がなくなります。また、シングル接続マルチ測定 (SCCM) 機能を利用することで、一度の接続で複数の測定ができ、テスト時間を大幅に短縮できます。
パルス測定
ネットワーク・アナライザは、標準動作で連続波(CW)信号を使用します。これは多くの用途で役に立ちますが、以下のようにパルスRF信号が望ましい場合があります。
- パルス動作用に設計されたテスト用アンテナ
- CW信号の熱が懸念されるオンウェハー測定
- 時間領域リフレクトメトリ(TDR)
PNAのような高度なネットワーク・アナライザは、これらの用途などでパルスRF測定などをサポートしています。
アクティブデバイステスト
最新のRFシステムには、アンプ、ミキサー、および周波数変換器などのアクティブデバイスが多数あります。これらのタイプのデバイスのテストは、ラックに組まれたさまざま装置の全てが必要です。現在、ネットワーク・アナライザは、ハードウェアを追加することなく、アクティブデバイスの特性評価を処理できるほど洗練されています。
従来のRFテストシステムの代わりにネットワーク・アナライザを使用して、すべての測定値を1つの計測器に統合することで、テスト時間を大幅に短縮できます。PNAのような統合型ネットワーク・アナライザを使用してテストしてください。
- Sパラメーター
- 非線形パラメータ（Xパラメータ）
- 利得圧縮
- 相互変調歪み(IMD)
- スペリアス
- 雑音指数
その他多数。
ご要望、ご質問はございませんか。