ベクトルネットワークアナライザ｜高周波伝送路のSパラメータ解析

2025.10.08

ベクトルネットワークアナライザ

高周波回路やアンテナ、フィルタ、増幅器などの周波数特性を、振幅と位相の両面から精密に測定する計測器がベクトルネットワークアナライザである。送受信の基準電力を確立し、被測定物(DUT)に既知の信号を掃引入力して、反射と透過のベクトル(複素数)応答を取得する。結果は主にSパラメータとして表され、インピーダンス整合、損失、位相遅れ、群遅延、共振点、帯域外抑圧などを定量評価できる点に特長がある。

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概要と動作原理

VNAは広帯域のシンセサイザ(RF)と基準経路、方向性結合器、受信ミキサ、IF処理系、位相同期基準(REF)から構成される。ポートからDUTへ掃引信号を入れ、基準チャネルと測定チャネルのベクトル比をとることで、源レベル変動を打ち消しつつ安定した複素比測定を実現する。基準クロックに対してI/Q復調することで、マグニチュードと位相を同時に取得できる。

Sパラメータの基礎

2ポートの基本量はS11(反射係数)、S21(透過係数)、S12(逆方向透過)、S22(出力側反射)である。|S11|が小さいほど整合が良く、|S21|は通過損失や利得を示す。位相情報から群遅延や電気長が算出でき、スミスチャート上の軌跡はDUTのインピーダンス変化を可視化する。多ポートVNAではSパラメータ行列が拡張され、アイソレーションやクロストーク評価にも用いられる。

校正と誤差モデル

生測定には発生器や受信機、方向性結合器に起因する系統誤差が含まれるため、VNAはベクトル校正で補正する。代表的手法はSOLT(Open/Short/Load/Through)、TRL(Through/Reflect/Line)、LRM(Line/Reflect/Match)である。12項誤差モデル(1ポート6項、2ポート12項)を解くことで、直線性の高い反射・透過の複素応答を再現する。校正キットの定義値(電気長、反射位相)や接続再現性が精度を左右する。

測定手順

  1. 測定周波数レンジ、ポイント数、IF帯域幅(分解能帯域幅)を設定する。
  2. パワーレベルをDUT仕様に合わせ、非線形化や過負荷を避ける。
  3. 適切な校正法(SOLT/TRL等)と基準面を選び、ポート毎に校正を実施する。
  4. 治具や同軸・プローブを安定に固定し、再現性の高い接続を行う。
  5. 測定後、スミスチャート/リニア表示、群遅延、位相アンラップ等で解析し、必要に応じてデエンベッドを適用する。

周波数レンジとダイナミックレンジ

VNAの性能評価では周波数上限、最小周波数、ダイナミックレンジ(透過での微小信号検出能力)、トレース雑音、方向性、源マッチ、負荷マッチが重要である。IF帯域幅を狭くすると雑音フロアが下がりダイナミックレンジが向上するが、掃引時間は延びる。高減衰フィルタのストップバンド測定や微小反射の分解には広いレンジと低雑音が有効である。

表示・解析機能

代表的な表示はスミスチャート、極座標、対数振幅、リニア振幅、位相、群遅延である。マーカー差分、帯域内リップル、通過帯/阻止帯境界、Q値や共振周波数の抽出が可能で、位相のアンラップ処理により電気長や材料の有効誘電率推定にも応用できる。トレース演算や平均化、タイムドメイン変換による故障点推定も実務で多用される。

フィクスチャ・治具取り外しとデエンベッド

実装基板や同軸–マイクロストリップ遷移など、測定系が追加する寄生成分はデエンベッドで除去する。Sパラメータの級数接続/並列接続モデルや、2×2ブロック行列のカスケードで分離し、DUT単体の応答を再構成する。プローブ測定では校正面をチップ直近に置くGSGパッド設計や、TRLラインの波長条件を満たす寸法設計が精度確保の要となる。

代表的な応用

RF/マイクロ波フィルタの合否判定、パワーアンプの安定度評価、アンテナのS11最小点と帯域最適化、ケーブル・コネクタの反射と挿入損失管理、高速デジタルのチャネル特性(インサーションロス、リターンロス、群遅延、位相平坦性)評価など、設計～量産検査で広く用いられる。モジュールのアイソレーションやMIMO系のポート間結合の抑制にもSパラメータが指標となる。

タイムドメイン解析(TDR/TDT)

周波数ドメインで測ったSパラメータを逆フーリエ変換すると、TDR/TDT的なタイムドメイン波形が得られる。これにより不連続点の位置特定、リフロー不良やビア遷移のミスマッチ検出、コネクタ界面の反射要因の切り分けが可能となる。ウィンドウ関数や帯域制限の影響を理解し、空間分解能とサイドローブを両立させる設定が求められる。

注意点とトラブルシュート

接続の再現性、トルクレンチによるSMA/3.5 mm等の適正締結、ケーブル曲げ最小半径の遵守、温度ドリフト対策、電力レベルとDUT非線形化の監視が実務の勘所である。方向性や源マッチの劣化は微小反射の測定誤差を招くため、定期的なリフレッシュ校正とリターンロス基準器でのヘルスチェックを行うと安定した結果が得られる。

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