JP4137002B2 - ６ポート型システムを用いた高周波広帯域１ポート可変負荷装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波領域（マイクロ波帯、ミリ波帯、サブミリ波帯、テラヘルツ帯）、光領域（赤外線、可視光線、紫外線）などにおける、位相測定技術に関する。

６ポート型システムとは、校正により得られるシステム固有のハードウェア情報（校正パラメータ）と、複数の電力測定値（スカラー量）から、２つの波の振幅比と位相差（ベクトル量）を導出する計測システムであり、具体的には５ポート、７ポート等のハードウェア（junction：接合）を含んでいる。以下、より明確にするために一般的な電力測定用ポートを４つとしたシステム、すなわち図１に示す６ポート接合を用いた計測システム（６ポートシステム）で解説する。

従来、図２に示されている６ポート接合１６と、４つの検波器１１とで構成した６ポートシステム１０が知られている。
これは、ポート３，４，５，６の４つのポートにそれぞれ電力測定用検波器１１を接続し、４つの検波器１１の電力（または電圧）測定値を得ることによって、ポート１とポート２に入出力する波ａ_１，ａ_２，ｂ_１の３つの波における２つの波の比を知ることができるものである。
図３に示すように、ポート１に１ポート供試デバイス（Device Under Test：ＤＵＴ）１８を、ポート２に発振源１９を接続し、ポート１から出力する波ｂ_１と入力する波ａ_１との比、つまりポート１からＤＵＴ１８側を見た複素反射係数γ
γ＝ａ_１／ｂ_１ ・・・・・ （１）
の測定装置をリフレクトメータと呼ぶ。
また、図４に示すように、ポート１から入力する波ａ_１とポート２から入力する波ａ_２の複素振幅比Ｗ
Ｗ＝ａ_２／ａ_１ ・・・・・ （２）
の測定装置をコリレータと呼ぶ。

リフレクトメータ、コリレータともハードウェアは同一の６ポートシステムを使っており、この６ポートシステム構成は多数存在する。その中でリフレクトメータとして校正し動作させることができると同時に、コリレータとして校正し動作させることができる６ポートシステムの例を図５に示す。

また、本願出願人は、図２に示す６ポートシステムを１つの移相器と、１つの複素反射係数既知の標準器のみで高精度に校正できる方式を考案した。
回路が線形で単一モードのみが伝播する条件下で、出力する波ｂ_３，ｂ_４，ｂ_５，ｂ_６はポート１，２に対して入出力する波ａ_１，ａ_２，ｂ_１の線形結合で表わすことができる。
すなわち、ｂ_ｉ（ｉ＝３，４，５，６）はａ_１，ａ_２，ｂ_１を用いて、

と表わすことができる。ただし、Ａ_ｉ，Ｂ_ｉ，Ａ_ｉ ^´，Ｂ_ｉ ^´は６ポートシステム固有の周波数に依存する複素定数である。
そして、ポートｉに接続した検波器による測定電力値をＰ_ｉとすると、Ｐ_ｉは出力する波ｂ_ｉの二乗に比例し、αを比例定数とすると、

と表わすことができる。
そして、ポート３に対するポートｈ（ｈ＝４，５，６）の電力比_３Ｐ_ｈは、

と表わされる。この_３Ｔ_ｈ，ｔ_ｈ，_３Ｋ_ｈ´，ｋ_ｈ´は校正によって求められる校正パラメータである。
特許第３５４０７９７号公報

高周波計測システムの主流となっているＶＮＡの校正は、数種類の標準器（ショート、オープン、負荷、スルー、ライン等）を接続することによって行われているが、校正手順が複雑であるという問題がある。
この校正手順が複雑であるために、人為的ミスが発生する原因となる。また、校正時に数種類の標準器の接続と取外しが必要であり、そのため測定精度低下の問題が発生する。

本発明は、ポート１とポート２より成る２入力ポートと、残りのポートを電力測定用ポートとして構成し、前記ポート１に入力する波ａ_１と出力する波ｂ_１、およびポート２に入力する波ａ_２と出力する波ｂ_２の４つの波において、２つの波の比で表わされる複素振幅比Ｗ＝ａ₂／ａ_１と複素反射係数γ＝ａ ₁ ／ｂ ₁ を同時に求めるようにした６ポート型システムのポート２側に移相器、可変減衰器および短絡終端器を接続した１ポート可変負荷装置において、ポート１から６ポート型システム側を見た複素反射係数Γ＝ｂ_１／ａ_１を１ポート可変負荷装置自体で測定し、かつ、任意に前記複素反射係数Γを設定できるようにしたことを特徴とする６ポート型システムを用いたものである。

以上説明したように、本発明による手段により、設定周波数に対し所望の複素反射係数を設定できる簡単な構成、かつ、安価な１ポート負荷装置を実現することができる。

以下に、本発明を図面を参照しながら説明する。
図１に６ポートシステムを用いた１ポート可変負荷装置の実施例を示す。
本装置は、図１のように、点線枠で囲まれた６ポートシステム１０、可変減衰器１３、移相器１４、短絡終端器１５および制御部１７によって構成される。
前記制御部１７は、ポート１から６ポートシステム１０側を見た複素反射係数Γ
Γ＝ｂ_１／ａ_１ ・・・・・ （11）
に対して、所望の複素反射係数Γ_ｓを自動的に設定できるように、以下のＡ）〜Ｄ）を繰り返し操作する。
Ａ）検波器１１を用いて電力（または電圧）１２を測定する。
Ｂ）ポート１の複素反射係数Γ_ｍを算出する。
Ｃ）Γ_ｍと所望の複素反射係数Γ_ｓとの偏差を計算する。
Ｄ）Γ_ｍとΓ_ｓの偏差が設定値以内となるまで、可変減衰器１３と移相器１４を調整する。
図１の６ポートシステム１０は、設定周波数で予め校正してあるので、設定周波数に対し既知の負荷として使用できる。

以下、図１のポート１に対する複素反射係数Γの求め方を説明する。
＜Ｓパラメータと校正パラメータの関係＞
図１の検波器１１を含んだ６ポートシステム（２ポート）のＳパラメータをＳ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２とすると、
ｂ_１＝Ｓ_１１ａ_１＋Ｓ_１２ａ_２ ・・・・・ （12）
ｂ_２＝Ｓ_２１ａ_１＋Ｓ_２２ａ_２ ・・・・・ （13）
となり、式（12）の両辺をａ_１で除することにより
Γ＝Ｓ_１１＋Ｓ_１２Ｗ ・・・・・ （14）
を得る。また、式（12）よりＷ，γ，Ｓ_１１，Ｓ_１２には
γ＝１／（Ｓ_１１＋Ｓ_１２Ｗ） ・・・・・ （15）
の関係がある。これを式（８）に代入し（７）と比較すると、

である。従って、

の関係が得られる。
ｋ_ｈ´，ｔ_ｈは校正過程でそれぞれ３組得られるので、Ｓ_１１，Ｓ_１２は提案する１ポート可変負荷装置自身で求めることができる。
式（14）の関係においてＷは式（７）より求めることができ、Ｓパラメータは式（17）により求められているので、ポート１の複素反射係数Γを求めることができる。

＜所望なΓの設定方法＞
ここでは、まず｜Ｗ｜＝１，｜Ｓ_１１｜＝０，｜Ｓ_１２｜＝｜Ｓ_２１｜＝１と仮定すると、可変減衰器１３による減衰がない状態では、Γは図６に示す複素平面上の単位円周上に存在する。例として、測定結果Γ_ｍが×印の時、可変減衰器１３の操作によりΓ_ａへ調整し、次に移相器１４の操作によりΓ_ｓへ設定できる。
従って、Γを単位円内で任意に設定できる。
図１の装置では、検波器１１による電力測定損失のため単位円内のある領域に限定されるが、リニア・アンプ等の導入により改善できる。

以上述べたように、本発明による１ポート可変負荷装置は、比較的基本的な部品で構成される６ポートシステムを中核に、可変減衰器１３、移相器１４、短絡終端器１５および制御部１７で構成されたシステムであり、本装置により設定周波数において所望の複素反射係数を設定することを可能にした。

１ポート可変負荷装置の構成図。 ６ポートシステムのモデル図。 リフレクトメータ（ポート１にＤＵＴ、ポート２に発振源）の構成図。 コリレータの構成図。 ６ポートシステムの例。 複素反射係数Γの設定方法。

符号の説明

１，２，３，４，５，６ ポート
１０ ６ポートシステム
１１ 検波器
１２ 電圧または電力
１３ 可変減衰器
１４ 移相器
１５ 短絡終端器
１６ ６ポート接合
１７ 制御部
１８ ＤＵＴ
１９，２０ 発振源
２１，２２，２３，２４ Ｑ（９０°ハイブリッド）
２５，２６，２７，２８ 無反射終端器
２９，３０ 方向性結合器

Claims (2)

1. ポート１とポート２より成る２入力ポートと、残りのポートを電力測定用ポートとして
   構成し、
   前記ポート１に入力する波ａ_１と出力する波ｂ_１、およびポート２に入力する波ａ_２と
   出力する波ｂ_２の４つの波において、２つの波の比で表わされる複素振幅比Ｗ＝ａ_２／ａ
   _１と複素反射係数γ＝ａ ₁ ／ｂ ₁ を同時に求めるようにした６ポート型システムのポート
   ２側に移相器、可変減衰器および短絡終端器を接続した１ポート可変負荷装置において、
   ポート１から６ポート型システム側を見た複素反射係数Γ＝ｂ_１／ａ_１を１ポート可変
   負荷装置自体で測定し、かつ、任意に前記複素反射係数Γを設定できるようにしたことを
   特徴とする６ポート型システムを用いた高周波広帯域１ポート可変負荷装置。
2. 複素反射係数Γを求めるのに必要な６ポート型システムの電力測定用ポートに電力測定
   系を接続した２ポート回路のＳパラメータを、６ポート型システム固有の複素反射係数測
   定用のリフレクトメータ校正パラメータと、複素振幅比測定用のコリレータ校正パラメー
   タを用いて算出するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の６ポート型システムを
   用いた高周波広帯域１ポート可変負荷装置。

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