3GHzポケット・ネットアナ NanoVNA入門 Sパラメータ測定

校正?基板?測定器自体? S11は高域で波打つ

数千円のポケット・ネットアナでSパラメータ測定


図1　どんなネットワーク・アナライザでも，S11を測ると高域で波打つ．原因は受信回路の整合度や校正の不正確さ，ケーブルの反射，測定器自体のインピーダンス変動などさまざまだ．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］知念幸勇詳細：［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門

図1　どんなネットワーク・アナライザでも，S11を測ると高域で波打つ．原因は受信回路の整合度や校正の不正確さ，ケーブルの反射，測定器自体のインピーダンス変動などさまざまだ．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］知念幸勇
詳細：［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門

ネットワーク・アナライザは高周波測定の必須ツールであり，Sパラメータを用いた解析はその中心的役割を果たしています．

Sパラメータ（散乱パラメータ）は，高周波回路の特性を記述するための指標です．S11はポート1における反射係数を表し，入力インピーダンスの変動や反射電力の分布を分析する際に重要です．

ネットワーク・アナライザを用いたSパラメータ測定では，デバイスの特性インピーダンス（通常は$Z_0=50\ \Omega$）との整合性が鍵です．測定時に得られるSパラメータは，次の式で定義されます．

\[ S_{11} = \frac{\text{反射電圧}}{\text{入射電圧}} \]

この値が周波数に対してフラットであることが理想的ですが，実際には高域でうねる（波打つ）ことがよくあります．

NanoVNA V2などのポケット・ネットワーク・アナライザを用いて基板を接続し，S11を測定した場合，高域での波打ちが観測されることがあります．この現象の主な原因には以下が考えられます．

測定器の校正が不十分である場合，特に高周波帯域では誤差が顕著に現れることがあります．校正に使用する標準負荷の品質やコネクタの状態も影響を及ぼします．

被測定回路（DUT）の基板や接続ケーブルの不整合は，伝送路における反射が生じて，S11が高域で大きく変動することがあります．特性インピーダンス$Z_0$の不整合が波打ちの主要因となることが多いです．

測定器内部の回路が高周波で予期せぬインピーダンス変動を起こすことも，波打ち現象の原因です．簡易的な構造の測定器では，この影響が無視できません．

これらの要因が複合的に作用するため，波打ちを完全に除去するのは困難です．しかし，測定精度向上のためには各要因を個別に検証することが重要です．

スミス・チャートを用いることで，測定データを視覚的に解析できます．反射係数$\Gamma$の変動を可視化し，基板やケーブルの特性インピーダンスとの整合性を確認することが精度向上の鍵です．

校正では，オープン，ショート，ロードの標準負荷を使用します．高周波では，これら負荷の特性が測定結果に大きく影響するため，高品質な校正キットを使用することが推奨されます．

高周波測定では，微小な不整合やケーブルの劣化が重大な誤差を引き起こします．定期的な機器メンテナンスとケーブルの状態チェックが重要です．

〈著：ZEPマガジン〉

沖縄高専名誉教授，GLEX代表（教育・研究コンサルタント）
(株)東芝にて光通信用半導体・送受信器の開発，高周波デバイスの応用技術などに25年間従事．国立沖縄高専にて，アナログ・ディジタル電子回路，高周波回路の講義などに12年間従事．専門領域：光通信，無線工学，半導体工学, バイオ・エレクトロニクス(工学博士，第一級陸上無線技術士，電気通信主任技術者）