送信および反射信号の情報は、RF コンポーネントおよびシステムを設計および検証する際に不可欠です。このアプリケーション ノートでは、Moku:Lab の周波数応答アナライザを RF 方向性結合器と組み合わせて使用し、2 ポート ネットワークの完全な S パラメータ特性評価を行います。
概要
果てしなく長い廊下に向かって叫ぶところを想像してみてください。音は途切れることなく深淵へと伝わり、やがて無へと消えていく。次に、同じことを行うと想像してください。ただし、廊下が壁で切り取られています。今度は、叫ぶと声が壁に反射して反響します。この反射現象は、RF の世界で高周波信号 (数百 MHz または GHz) を扱うことに似ています。 RF システムの伝送ラインに沿ったインピーダンスの不整合があると、信号の反射が発生します。この反射は伝送品質と効率を低下させるため、RF 設計では最適とは言えません。高周波で設計する場合に役立つパラメータの 1 つは、S パラメータ、または「散乱パラメータ」です。港湾ネットワーク システムの反射/透過特性を記述するために使用されます。言い換えれば、RF エネルギーがマルチポート ネットワークを介してどのように伝播するかを説明するのに役立ちます。このパラメータを詳しく調査し、Moku:Lab の周波数応答アナライザーを使用して高周波数でシステムとフィルターを分析する際のその実装を紹介します。伝送路の問題とインピーダンスマッチングをスミスチャートで可視化します。
理論
S パラメータは複素数です。つまり、虚数部と実数部の両方があり、振幅と位相の両方を表すことができます。私たちは主に電力の利得または損失に関心があるため、周波数の関数としての大きさに焦点を当てます。
テスト対象デバイス (DUT) の S パラメータ特性評価では、その DUT を 2 つ以上のポートを備えたブラック ボックスとして扱います。信号は任意のポートに出入りできます。このボックスには、抵抗器、フィルター、集積回路、伝送線路などの多数のシステム変数を含めることができますが、その詳細は隠されています。 S パラメータの利点は、S パラメータで記述される送信信号と反射信号を分析するだけで、DUT を完全に理解できることです。以下は、XNUMX ポート DUT ネットワークと S パラメータによって取得されたすべての信号パスを表す図です。
図 1: 2 ポート ネットワークにおける S パラメータの表現
この 2 ポート ネットワークの XNUMX つの S パラメータには、検討中のポートに関連する添字が付いていることに注意してください。以下の図に示すように、最初の番号は出力ポート (新規) で、XNUMX 番目の番号は入力ポート (適用) です。
たとえば22 は、特定の周波数におけるポート 2 からのシステムの反射電力 (大きさと位相) を表します。 Moku:Lab の FRA は、掃引正弦波で DUT をシステムの入力ポートに駆動し、システムの出力ポートで振幅と位相応答を抽出することができます。 Moku:Lab は単独で S を測定できます。12 またはS21 2 ポート システムの、ただし S ではない11 S22.
これらの複素数は、散乱行列として知られる数学的表現から生じます。この形式では、行と列は存在するポートの数を表します。このマトリックスにより、n ポート ネットワーク内の特定のポート特性を分離して調査するために使用できる、強力でスケーラブルな線形ツールが可能になります。
方向性結合器
方向性結合器は、特定の方向に伝送される一定量の電力を結合するように設計されたアナログ デバイスです (他の方向には結合しません)。 S パラメータの測定に使用する方向性結合器は、Mini-Circuits ZFDC-10-21 です。入力 (In)、出力 (Out)、および結合 (CPL) ポートがあります。入力から出力に伝わる信号の場合、電力のごく一部が CPL ポートに結合されます。逆方向に伝送される信号の場合、電力はほとんど結合されません。これは、RF カプラの入力ポートに DUT を配置し、出力ポートからデバイスを駆動すると、CPL ポートを監視することで反射電力を調査できることを意味します。方向性結合器の助けを借りて、Moku:Lab の FRA は 2 ポート システムの XNUMX つの S パラメータすべてを測定できます。
図 2: さまざまな状況における方向性結合器内の電力の流れ
Moku:ラボのセットアップ
私たちの 2 ポート ネットワークは、周波数範囲 35 ～ 30MHz の Mini-Circuits (BBP-40A+) によるバンドパス フィルターになります。
図 3 は、2 ポート フィルター (BPF) と RF カプラー (Mini Circuits ZFDC-10-21) に関する Moku:Lab の 50 つの配置を示しています。 S を測定するときにインピーダンスの整合を維持するために、XNUMXΩ の終端抵抗がフィルタと直列に接続されていることに注意してください。11 S22 パラメーター。
フィギュア 3: Sパラメータ測定のためのMoku:Lab構成
測定の検証
このセクションでは、広い帯域幅にわたる FRA 測定を仕様 (データシートなど) と比較することにより、RF コンポーネントを検証します。
フィギュア 4: Moku:Lab バンドパス フィルターの FRA プロット
図 4 の上部の振幅プロットは、フィルタの定格であるおよそ 30 ～ 40MHz のバンドパスを示し、下部のプロットは位相を示します。どちらの測定も 50Ω の入力インピーダンス設定で行われ、1 ～ 120 MHz の周波数範囲を掃引します。これらの結果を既知のデータと比較して検証し、Moku:Lab が XNUMX つの S パラメーターすべてを正確に測定できることを確認できるようになりました。
フィギュア 5: 測定値とデータシート S12 プロット
測定を検証するために、送信信号を測定した実験データを比較します (S12) Moku:Lab の FRA から Mini-Circuits が提供するスペックシートに変換します。
S の理論プロットと実験プロットの両方を比較する12 合理的な一致があることは明らかであり、Moku:Lab が FRA を使用して正確な S パラメータを生成していることが検証されています。
Moku:Lab の FRA を使用したミニ回路カプラーのこのセットアップによって生成された結果に自信が持てるようになったので、上記の手順を使用して 2 ポート システムの 4 つの S パラメーターすべてを記録できます。
図 6: S パラメータの大きさのプロット
図 6 は反射信号 (S11 S22) と送信信号 (S21 S12) Moku:Lab の測定結果からプロットされた、1 MHz ～ 120 MHz の周波数範囲内。
さらなる分析
図7：S11 S22
順方向と逆方向の信号反射を分離すると、通過帯域 (30 ～ 40 MHz) の境界付近で大幅な低下が見られます。敏感なシステムを扱う場合、信号の大部分が反射されるため、-6.66 dB、-7.86 dB などの減衰により電力伝送が低下する可能性があります。これらの制限を回避し、28.6 MHz と 41.6 MHz の範囲内に留めることで、不要な順方向反射と逆方向反射が排除され、システム全体での信号の伝送が最大化されます。
MATLAB によるスミス チャート
MATLAB RF TOOLBOX を使用すると、.s2p ファイル形式に従って振幅データと位相データを MATLAB にインポートできます。ここでは、Mini-Circuits によって提供された S パラメータと、Moku:Lab によって取得された実験的な S パラメータを比較します。
図 8: データシートから派生したスミス チャート
図 9: Moku:Lab 測定から得られたスミス チャート
スミス チャートは、S パラメータをグラフィカルで読みやすい方法で特徴付け、容量性または誘導性のインピーダンス マッチングを可能にするため、RF エンジニアにとって非常に貴重なツールです。
まとめ
このアプリケーション ノートでは、RF ネットワークを解析する際の S パラメータの威力を紹介しました。周波数応答アナライザと RF カプラを組み合わせることで、n ポート ネットワークの正確で再現性のある S パラメータ データを生成できます。さらに、この反射データは、MATLAB を使用してスミス チャートを介してエクスポートおよび視覚化できます。これにより、システム内の信号反射に関連するインピーダンス不整合に関するより深い分析が可能になります。
参照
【1] https://www.microwaves101.com/encyclopedias/s-parameters
[2] .s2p ファイル形式、 Macom アプリケーションノート AN3009
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