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Agilent - Keysight

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Agilent - Keysight
Agilent
PNAマイクロ波ネットワーク・
アナライザによるマルチ・ステージ・
コンバータの絶対群遅延測定
White Paper
概要
この記事では複数のミキシング・ステージがある周波数コンバータの絶対群遅延を
測定するための、新しい校正/測定手法を説明しています。この校正手法では
Agilentのベクトル・ミキサ校正(VMC)を使用します。この方法では、校正ミキサ
を評価するために反射測定を行い、これを評価済みスルーアダプタとして使用して
周波数変換テスト・システムを校正して、振幅と位相の絶対値を求めます。この測
定手法では「メタLO」を使用します。メタLOとは、被試験コンバータに使用され
ている複数の局部発振器から導出される1つの局部発振器です。メタLOは基準ミキ
サと校正ミキサをドライブします。内蔵LOを搭載したコンバータでは、そのLOに
アクセスすることはできませんが、共通のタイムベースへのアクセスができる場合
に使用可能な測定手法を説明します。
1.0 はじめに
通信、衛星、レーダシステムをはじめとする最新の電子システムに搭載されている
周波数コンバータでは、群遅延リップル(一定の群遅延からの偏差)が非常に重要
な性能指標となっています。このパラメータはほとんどの場合、ベクトル・ネット
ワーク・アナライザ(VNA)で測定されます。これまでの手法では、「ゴールデン・
デバイス」を基準として被試験デバイスを測定する、いわゆる「ゴールデン・ミキ
サ」がよく使用されていました。DUTの性能がゴールデン・デバイスに似ていれば、
DUTをシステム内で使用ができると仮定していました。この手法では、ゴールデ
ン・ミキサとDUTの両方に共通するリップルが除去できないので、デバイスの絶対
性能は得られません。絶対群遅延の測定は、正確なシステム・シミュレーションお
よび正確な性能バジェット解析を行う上で非常に重要です。たとえば、群遅延の偏
差の和を処理するのに十分なレンジを群遅延イコライザが備えているかを確認する
ためには、多くの場合、システム内の各コンポーネントの絶対群遅延リップルを測
定することが必要となります。
絶対群遅延の測定に使用する一般的な校正手法の1つに、3ミキサ法があります。こ
の手法では、校正済み基準ミキサを作成するために3セットのミキサ・ペアを測定
します。3つの式と3つの未知数(ミキサ)により、ミキサの複雑な伝送特性を計算
できます。ただし、この手法には2つの制限があります。1つは、様々なミキサの
相互作用と、必要なミキシング成分を選択するために使用するIFフィルタによって
生じる不整合誤差の影響を受けやすくなることです。もう1つは、被試験コンバー
タが複数の局部発振器(LO)を必要とするのに対して、評価済み基準ミキサは単一
のLOからドライブされるので、複数の変換ステージを備えたコンバータへのスケ
ーリングを適切に行えないことです。
2
2.0「メタLO」を使用した新しい測定手法
変換ステージが複数あるコンバータを測定する最適な方法は、DUT内のミキサ用に
使用される複数のLOと位相同期した単一のLOによってドライブされる基準ミキサ
を使用する方法です。この位相同期したLOは、DUTの実際の動作時ではなく校正
および測定時にのみ使用されるLOなので、「メタLO」と呼ばれます。メタLOは、
コンバータ内に搭載された複数のLOをミキシングすることによって導出され、単
一のミキサのドライブ時に、マルチ・ステージ・コンバータと同様に、与えられた
入力周波数に応答して同じ出力周波数のLOを発生します。図1は、3ステージ・ダ
ウン・コンバータ用のメタLOを導出する例です。使用するミキサの適切なミキシ
ング成分[和または差]を選択してメタLOを導出することにより、上側および下
側のLOミキシング成分を使用するコンバータに対応します。
メタLOの作成:3ステージ・ダウン・コンバータ
反転掃引では、
メタLO>RF
となることが
必要です。
1GHz
5GHz
160MHz
70MHz
DUT
6GHz
0.070 0.160 0.230
1.0
1.16
5.0
5GHz
6.0
1.16GHz
230MHz
GHz
70MHz
「メタLO」
5.07GHz(6−1.16+0.230)
0.070
5.0 5.07 GHz
図1. 3ステージ・ダウン・コンバータ用のメタLO 周波数の計算例
3
メタLOは、基準ミキサと校正ミキサの両方をドライブするために使用しますが、
ドライブするために増幅する必要があります。図2は、3ステージ・ダウン・コンバ
ータ用の校正セットアップを示しています。測定時は、メタLOで基準ミキサをド
ライブしますが、DUTには各ミキシング・ステージに対応する複数のLOが必要で
す(図3を参照)。
VMC校正のセットアップ:
3ステージ変換
5.0GHz
RF
RF
基準ミキサ
6GHz
1.16GHz
IF
LO
7.16GHz
4.61GHz
4.84GHz
5.07GHz
70MHz
IF
校正ミキサ/
フィルタ
230MHz
図2. 3ステージ・ダウン・コンバータの測定用のテスト・システムを校正するために、メタLOを使
用します。VMCを使用すると、DUTの測定結果から、基準ミキサと残りのテスト・システム
からの影響を除去できます。
4
メタLOを導出するために使用するLOは、外部信号源(内蔵LOのないコンバータま
たはLO置換が可能なコンバータ用)、またはDUT内のLOへアクセスすることによ
り得ることができます。実用的には、高品質の外部信号源を使用した方が、得られ
るLO信号の位相雑音とスプリアス成分が小さいので、最良の結果を得ることがで
きます。内蔵LOを使用してメタLOを導出する場合は、DUTのLO出力部に現れるス
プリアス・ミキシング成分と側波帯を可能な限り最小に抑えることが必要です。ス
プリアス・ミキシング成分は多くの場合は、外部フィルタを使用して容易に除去す
ることができます。側波帯はRF/マイクロ波フィルタを使って除去できない場合が
多いので、問題になります。したがって、コンバータの運用時にかならず必要とな
る内部LOとミキサとの間のアイソレーションが、必要になることがあります。
VMC測定のセットアップ:
3ステージ変換
5.0GHz
基準ミキサ
6GHz
1.16GHz
RF
IF
70MHz
DUT
LO
7.16GHz
4.61GHz
4.84GHz
5.07GHz
230MHz
図3. 3ステージ・ダウン・コンバータの測定用のテスト・セットアップ。メタLOを使用して基準ミ
キサをドライブします。
可能な場合は必ず、VNAレシーバを目的の出力周波数に正確にチューニングして、
VNAとLOのタイム・ベースを同期してください。VNAと共有可能な共通タイム・
ベースを使用せずに内蔵LOを使用する場合は、測定される信号をVNAのIF帯域幅
フィルタの中心に近づけるために、VNAを手動でチューニングする必要がありま
す。この場合、周波数ドリフトが測定誤差の原因とならないように、内蔵LOが十
分に安定している必要があります。内蔵LOへのアクセスができず、共通のタイ
ム・ベースを使用できる場合は、セクション5.0で説明する代わりの測定手法を使
って群遅延測定が行えます。
5
3.0 ベクトル・ミキサ校正手法の復習
正確にDUTの絶対群遅延性能を測定するためには、振幅および位相の両方に対して
テスト・システムを校正する必要があります。これまでに発行された参考文献[1]、
[2]では、評価済みミキサを使用してVNAベースのテスト・システムを校正する、
ベクトル・ミキサ校正(VMC)と呼ばれる手法を説明しています。評価済みミキサ
は校正ミキサと呼ばれ、評価済みスルーアダプタとして使用して、テスト・システ
ムの複雑な順方向伝送トラッキング誤差項を導出します。VMCの重要な鍵は、(オ
ープン、ショート、負荷の標準を使用して)3つの反射測定を行うことにより、校正
ミキサを評価することです。周波数変換デバイスの伝送測定で必要なVNAの信号
源周波数とレシーバ周波数のオフセットは、反射測定では必要ありません。校正ミ
キサに対する制約は、校正ミキサがレシプロカルであることと、フィルタを校正ミ
キサの出力部に配置して目的のミキシング成分(和または差)を選択する必要があ
ることのみです。レシプロカル・ミキサとは、1つの方向でダウン・コンバータと
して評価しても、もう一方の方向でアップ・コンバータとして評価しても、周波数
に対する振幅と位相応答が同一になるミキサのことです。
VMCでは、校正ミキサ/フィルタのペアの伝送振幅/位相と入力/出力整合を評
価します。この結果、非常に正確な、整合補正済み測定の伝送トラッキング誤差項
が得られます。被試験ミキサ/コンバータの伝送測定中に、DUTの入出力部で(対
応する入出力周波数に対して)ベクトル誤差を補正することにより、非常に正確で
整合補正された、変換損失/利得、位相、群遅延の測定が実現します。
6
4.0 高利得コンバータの校正の最適化
高利得コンバータを測定する場合、校正中のパワー・レベルを最適化することによ
り、測定結果を向上させることができます。高利得コンバータの測定では、コンバ
ータとVNAのレシーバが圧縮状態で動作しないように入力パワーを十分に小さく
する必要があります。通常、このためには信号源パスで減衰量を増加させ、その減
衰量を伝送トラッキング項に含める必要があります。しかし、反射測定によって校
正ミキサを評価する校正部分では、校正ミキサ内に利得がないのでパワー・レベル
を低くする必要はありません。ノイズ量を最小に抑えて校正するには、校正の手順
を2つの部分に分ける必要があります。最初の部分では、コンバータの測定中に使
用されるパワー・レベルよりも高いパワーで校正ミキサを評価して、校正ミキサの
測定結果を保存します。ただし、ミキサをリニア領域で動作させる必要がある
VMC手法の場合は、校正ミキサが圧縮状態にならないように注意する必要があり
ます。校正の2番目の部分では、DUTの測定で必要な信号源のアッテネータを使用
してVNAのパワーを可能な限り高いレベルに設定します。低いパワー・レベルで
校正ミキサを評価する代わりに、校正の最初の部分で求めた校正ミキサのデータを
使用します。実際のDUTの測定では、2番目の校正と同じ信号源の減衰量を使用し
ている場合に限り、圧縮を回避するために必要に応じて入力パワーをさらに減少さ
せることができます。ほとんどのVNAレシーバはリニアリティが優れているので、
校正実行後に信号源出力を減少させることによって生じる誤差は、伝送トラッキン
グ誤差項の校正中にS/N比を最大にすることによって得られる改善よりも小さく、
無視できます。
7
5.0 共通のタイム・ベースへのアクセスによる、
LO内蔵コンバータ用測定手法
LOへのアクセスができないLO内蔵コンバータの場合は、メタLOの導出は不可能で
す。しかし、DUT内にこの組込みLOをフェーズロックする共通のタイム・ベース
がある場合は、絶対群遅延を測定できます。この手法では、基準ミキサおよび校正
ミキサのLOとして別の外部信号源を使用します。メタLOの導出が可能であれば、
このLOの周波数はメタLOの周波数と同じです。しかし、この場合、外部LOはDUT
内のLOと位相同期していません。この結果、基準ミキサとDUTが位相同期したLO
を共有する場合は除去できた位相雑音が、DUTのLOに存在します。実際には、位
相同期していないLOを使用すると、群遅延測定ではメタLOを使用した測定よりも
大幅にノイズが大きくなります。許容可能な結果を得るには、アベレージングとト
レース・スムージングが必要になります。図4は、この手法用の校正/測定のセッ
トアップを示しています。位相同期していないLOがDUTの測定中に使用されます
が、校正は位相同期したLOを使用して実行します。VMCの実行中に、外部LOを分
割して基準ミキサと校正ミキサの両方に同一のLOを提供することにより、システ
ムの誤差項の正確な測定が可能です。
内蔵LOと外部基準ミキサ信号源による
マルチ・ステージ・コンバータの測定
校正
RF
RF
IF
LO
10MHzタイム・ベース
LO
測定
IF
校正ミキサ/
フィルタ
RF
IF
LO
DUT
10MHzタイム・ベース
図4. 内蔵LOへのアクセスはできず、共通のタイム・ベースへのアクセスが可能な場合に2ステー
ジ・ダウン・コンバータを測定するためのセットアップ
8
この代替の測定手法では、LOのタイム・ベース、VNA、基準ミキサと校正ミキサ
のLOポートをドライブするための外部信号源を接続する必要があります。Agilent
のテスト機器は大部分のテスト機器と同様に、10MHzをタイム・ベース基準として
使用しています。DUTのタイム・ベースが10MHz以外の周波数の場合は、2番目の
信号源を共通の10MHzタイム・ベースにロックして、DUTのタイム・ベースとして
使用するために必要な周波数に2番目の信号源のRF出力を設定します(図5を参照)。
任意のタイム・ベースによる
マルチ・ステージ・コンバータの測定
RF
IF
LO
DUT
任意のタイム・ベース
10MHzタイム・ベース
図5. DUTのタイム・ベースが10MHz以外の場合は、2番目の信号源をシステムの10MHzタイ
ム・ベースにロックして、DUT用タイム・ベースを発生させるために使用します。
9
6.0 測定結果
図6は、入力が10.24GHz、出力が177MHzの場合の2ステージ・コンバータの変換損
失と群遅延を示しています。1番目のLOは12.263GHzで、2番目のLOは2.2GHzでし
た。E8364B PNAシリーズ・ベクトル・ネットワーク・アナライザを使用して、ポ
イント数を101、IF帯域幅を300Hzにして測定を行いました。図7は、群遅延の測定
のみを拡大表示したものです。図6と図7の両方での滑らかなトレースは、メタLO
手法を使用して得られたものです。ノイズの大きなトレースは、基準ミキサ用の別
の外部信号源(およびVMCの校正ミキサ)を使用して測定されました。トレースの
スムージングとアベレージングを十分に実行することにより、位相同期していない
外部信号源の手法でもメタLOの使用時に得られる測定結果に近い結果を得ること
ができます。
図6. 100MHzのスパンでの2ステージ・ダウン・コンバータの変換損失(上)と群遅延(下)。
滑らかな群遅延トレースはメタLO手法の結果で、ノイズの大きいトレースは基準ミキサ
として位相同期していない信号源を使用した結果です。
図7. 20MHzスパンでの2ステージ・ダウン・コンバータの群遅延。滑らかな群遅延トレース
はメタLO手法の結果で、ノイズの大きいトレースは基準ミキサとして位相同期していな
い信号源を使用した結果です。位相同期していない信号源を使用する場合は、トレース・
ノイズを低減するためにスムージングとアベレージングの両方が必要です。図6に比べ、
5倍に拡大されていることに注意してください。
10
7.0 まとめ
マルチ・ステージ・コンバータの正確な絶対群遅延測定は、ベクトル・ミキサ校正
と位相同期局部発振器を組み合わせることにより可能になります。VMCでは基準
ミキサと校正ミキサをメタLOでドライブします。位相同期したLOを導出するため
に、被試験コンバータの様々なLOをミキシングしてメタLOを作成します。内蔵LO
へのアクセスはできず、そのLOのタイム・ベースにはアクセスが可能なコンバー
タの場合は、別の測定手法を使用することができます。ただし、この手法を使用す
ると、測定結果のノイズが大きくなります。
参考資料
[1]Joel Dunsmore,“Novel Method for Vector Mixer Characterization and Mixer Test
System Vector Error Correction”, 2002 IEEE MTT-S International Microwave
Symposium Digest, vol.3, pp.1833-1836.
[2]Joel Dunsmore, et al,“Comparison of Mixer Characterization Using New Vector
Characterization Techniques”, 32nd European Microwave Conference Proceedings
(2002),vol.1,pp.163-166.
11
Webリソース
PNAシリーズの製品の詳細は、
www.agilent.com/find/pnaを参照してく
ださい。
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