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パワー測定の基礎 - Agilent
パワー測定の基礎 パワー測定の基礎 2 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 3 パワー測定の基礎 適切な信号レベルの重要性 l 小さすぎる場合 – 信号が雑音に埋もれる RL 0.0 dBm ATTEN 10 dB 10 dB / DIV l 大きすぎる場合 – 非線形歪みが発生 START 150 MHz RB 3.00 MHz VB 300 kHz STOP 1.150 GHz ST 13.89 msec – もっと悪い事態も 4 パワー測定の基礎 電圧測定ではだめなのか? 電圧測定ではだめなのか l DC Z + V S ± R L I l 低周波 Z S R L V I l 高周波 Z S R L Z O V Inc VRefl 5 パワー測定の基礎 パワー: パワー P = (I)(V) I + V - P パワーのAC成分 R パワーのDC成分 振幅 t I V 6 パワー測定の基礎 単位と定義 パワーのAC成分 P パワーのDC成分 振幅 パワー: P = (I)(V) t I V l パワーの単位はワット(W): 1 W = 1 J/s l いくつかの電気単位がワットから導かれる: 1 V = 1 W/A l 相対パワー測定はdBで表す: P(dB) = 10 log(P/Pref) l 絶対パワー測定はdBmで表す: P(dBm) = 10 log(P/1 mW) 7 パワー測定の基礎 パワー測定のタイプ ピーク・ パワー パルス・ トップ振幅 オーバシュート 平均パワー パルス幅 デューティ・サイクル タイム・ ゲーテッド (バースト バースト) バースト 平均パワー パルス 遅延 PRI PRF 8 パワー測定の基礎 RFおよびマイクロ波パワーの測定に用いられる およびマイクロ波パワーの測定に用いられる 測定器 l l l l ベクトル・シグナル・アナライザ スペクトラム・アナライザ ネットワーク・アナライザ パワー・メータとパワーセンサ 9 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 10 パワー測定の基礎 平均パワー CW信号 信号 複数の変調サイクルの平均 多数のパルスの繰返しの平均 時間 11 パワー測定の基礎 基本的な測定手法: 基本的な測定手法 パワー・メータの使用 パワーセンサ サーミスタ センサに吸収 される正味 RFパワー 熱電対 ダイオード・ ディテクタ 変換されたDC または低周波 信号 パワー・ メータ 表示 12 パワー測定の基礎 基本的な測定方法の解説 ダイオード・センサ ダイオード・ ディテクタ DC RF BPF レンジ 切替え 同期 ディテクタ メータ ADC LPF チョッパ AC オートゼロ 220 Hz 方形波 発生器 マイクロ プロセッサ DAC 13 パワー測定の基礎 さまざまなセンサのパワー・レンジ サーミスタ 熱電対のダイナミック・レンジ アッテネータを使って レンジを移動 ダイオード・ディテクタの ダイナミック・レンジ ダイオード・ディテクタをCWのみまたは変調信号に 使った場合の広いダイナミック・レンジ -70 --60 -50 -40 -30 -20 -10 0 +10 アッテネータを使って レンジを移動 +20 +30 +40 +50 [dBm] 14 パワー測定の基礎 熱電対 l 熱電対の動作原理 V1 熱接点 + 金属1 + 電界 Vh - 束縛されたイオン 拡散した電子 冷接点 金属2 - + V2 V0= V + V - V 1 h 2 15 パワー測定の基礎 熱電対 RFパワー 金リード線 l 金リード線 熱電対の実現方法 Cc 冷接点 薄膜抵抗 ホット n型シリコン 熱接点 n型シリコン RF入力 コールド 薄膜抵抗 熱電対 Cb DC電圧計へ 16 パワー測定の基礎 ダイオード・ディテクタ l ダイオード・ディテクタの仕組み + Rs Vs R 整合 Cb Vo - 17 パワー測定の基礎 ダイオード・ ディテクタ + Rs Vs R整合 Cb Vo リニア領域 ダイオード・センサの 2乗領域 乗領域 VO V o α P IN (log) 計測器の ノイズ・フロア 0.1 nW -70 dBm 0.01 mW -20 dBm P IN [watts] 18 パワー測定の基礎 高ダイナミック・レンジのCW専用パワー・センサ 高ダイナミック・レンジの 専用パワー・センサ マイクロ回路 GaAs IC RF入力 平衡チョッパ レンジ・スイッチ 3dB AC信号 フィードバック 50W 温度比較 チョップ信号 バイアス チョップ信号 温度センサ I2C EEPROM I2Cラッチ +5V 整流器と レギュレータ I2Cクロック I2Cデータ S1 19 パワー測定の基礎 Eシリーズ シリーズE9300平均パワー・センサのテクノロジー 平均パワー・センサのテクノロジー シリーズ RF入力 革新的デザイン: ロー・パワー経路 • ダイオード・スタック-アッテネータダイオード・スタック・トポロジー • 自動切替えポイントを持つ2つの経路 ハイ・パワー経路 20 パワー測定の基礎 Eシリーズ シリーズE9300センサのアーキテクチャの特長 センサのアーキテクチャの特長 シリーズ • センサ・ダイオードが常に2乗領域で動作: – 任意の広い変調帯域幅を持つ信号や、ピーク/平均比が高い信号の正確な 測定が可能 cdma2000 cdmaOne TDMA マルチ トーン OFDM W-CDMA CW QAM GSM 21 パワー測定の基礎 校正係数 Eシリーズ シリーズE9300センサのアーキテクチャの特長 センサのアーキテクチャの特長 シリーズ • フラットな校正係数により、マ ルチトーン信号の正確な測定が 可能 周波数[GHz] 校正係数 ハイ・パワー経路校正係数 周波数[GHz] ロー・パワー経路校正係数 22 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 23 パワー測定の基礎 パワー パルス・パワー測定 B (パルス繰返し間隔) デューティ・= A B サイクル 時間 A (パルス幅) 24 パワー測定の基礎 エンベロープ・パワーと ピーク・エンベロープ・パワー 高周波変調信号の電圧 電圧(V) 電圧 高周波変調信号のパワー パワー(W) パワー 平均パワー エンベロープ・ パワー 時間(s) 25 パワー測定の基礎 ピーク・パワー測定システムの特性 RF入力 50W 3 dB 負荷フィルタ (ローパス) 検出された エンベロープ・ パワー 高速サンプリング・ パワー測定経路へ センサ・ダイオード・ バルクヘッド 高周波変調信号パワー • • • フラットなビデオ(変調)帯域幅 高速連続サンプリング 広いダイナミック・レンジ 26 パワー測定の基礎 連続サンプリングとランダム・サンプリング 20Mサンプル/sの連続サンプリングはランダム・サンプリングに 比べてパワー測定にどのような利点があるのか? • 連続サンプリングでは単発信号のピーク・パワーを逃がさず にサンプリングできる • ランダム・サンプリングではトレース表示に時間がかかる 27 パワー測定の基礎 帯域幅不足の影響 入力パワー・エンベロープ ディテクタ ディテクタ出力エンベロープ ピーク = 2 ピーク = 1.5 平均 =1 平均 =1 1 MHz クレスト・ファクタ = 2 = 3dB •メータ メータ + センサ・ビデオ帯域幅応答 (1 MHzトーンが トーンが0.5減衰する トーンが 減衰する) 減衰する クレスト・ファクタ =1.5 = 1.76 dB 1.24 dBの誤差 の誤差 28 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 29 パワー測定の基礎 タイム・ゲーテッド・パワー測定 パルスRF信号によるゲート測定の説明 ピーク・ ゲート2 パワー(dBm) ピーク・ ゲート1 タイム・ゲーテッド 測定 時間(s) 30 パワー測定の基礎 タイム・ゲーテッド・パワー測定 外部トリガ スタート4 スタート2 スタート3 長さ2 長さ4 長さ3 遅延 スタート1 長さ1 31 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 ピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 32 パワー測定の基礎 パワー測定の不確かさの原因 l l l センサと信号源の不整合誤差 パワー・センサの誤差 パワー・メータの誤差 センサ メータ 不整合 33 パワー測定の基礎 不整合不確かさの計算 信号源 2 GHz, 0 dBm パワーセンサ Agilent E9301A パワー・メータ Agilent EPMまたは EPM-Pシリーズ・ パワー・メータ VSWR = 1.13 |G| = 0.06 VSWR = 2.0 |G| = 0.33 SENSOR SOURCE 不整合不確かさ= ±2 x |G| x |G| x 100% SOURCE SOURCE 不整合不確かさ=±2 x 0.33 x 0. 06 x 100% = ± 3.96% G = VSWR - 1 VSWR + 1 34 パワー測定の基礎 パワーセンサの不確かさ さまざまな センサ損失 Pi Pgl Pr DC信号 素子 パワー・メータ パワー・メータ パワーセンサ 校正係数: K b = he Pgl Pi Pi = 入射パワー、Pr = 反射パワー Pgl = 信号源から負荷に伝達される正味のパワー he =実効効率 35 パワー測定の基礎 パワー・メータの計測不確かさ パ ワ 雑音 ー 基 準 不 確 か さ ドリ フト ゼロ設定 計測不 確かさ 36 パワー測定の基礎 判断: 判断 許容可能な測定不確かさはどれだけか •妥当な誤差リミット: – 0.5 dB? – あるいは12% どちらの誤差が大きいか? 37 パワー測定の基礎 パワー測定不確かさの計算 不整合不確かさ: ± 3.96% パワー・リニアリティ: ± 2.0% 1 校正係数不確かさ: ± 1.8% 1 パワー基準不確かさ: ± 1.07% 1 計測不確かさ: ± 0.5% 1 仕様は、E9301AセンサおよびEPMまたはEPM-Pシリーズ・パワー・ メータで、25 ±10℃の温度範囲に対して適用される 求めた不確かさをどのように合成するか 38 パワー測定の基礎 ワースト・ケースの不確かさ • この例でのワースト・ケースの不確かさは: = 3.96% + 2.0% + 1.8% + 1.07% + 0.5% = ± 9.33% +9.33% = 10 log (1 + 0.093) = +0.39 dB - 9.33% = 10 log (1 - 0.093) = -0.42 dB 39 パワー測定の基礎 *測定不確かさの合成 測定不確かさの合成 不確かさの原因 値 ±% 確率分布 除数 標準 不確かさ uI (k=1) 2 GHz での信号源/センサ 不整合 2 GHz での校正係数 不確かさ 0 dBm でのリニアリティ パワー基準不確かさ 計測不確かさ 3.96 U形 1.414 2.8 2.0 正規 2 1.0 1.8 1.07 0.5 正規 正規 正規 2 2 2 0.9 0.53 0.25 合成標準不確かさ uc = RSS of ui 拡張不確かさ (k=2) = 2 x ui * "ISO Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement"および"ANSI/NCSL Z540-2-1996 US Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement"に記載された指針に基づく 40 パワー測定の基礎 合成標準不確かさ(u 、RSS(2乗和平方根 乗和平方根)を使用 合成標準不確かさ c)、 乗和平方根 を使用 この例でのucは以下の通り: • = (2.8)2 + (1.0)2 + (0.9)2 + (0.53)2 + (0.25)2 = ± 3.16% •拡張された不確かさ (u) = 2 x 3.16 = ± 6.32% ワースト・ケース+0.39 dB) + 6.3% = 10 log (1 + 0.063) = +0.27 dB (ワースト・ケース ワースト・ケース - 6.3% = 10 log (1 - 0.063) = -0.28 dB (ワースト・ケース最悪値 ワースト・ケース最悪値-0.42 dB) ワースト・ケース最悪値 41 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 42 パワー測定の基礎 国家標準とトレーサビリティ コストの増加/ 確度の向上 マイクロカロリメータ 国家参照標準 NIST(米国)、NPL(英国) 作業標準 NIST(米国)、NPL(英国) 測定参照標準 仲介標準 一般試験用機器 民間標準試験所 製造施設 ユーザ 43 パワー測定の基礎 テーマ l l l l l l l l パワー測定の重要性と定義 平均パワー測定 パルスおよびピーク・パワー測定 タイム・ゲーテッド・パワー測定 測定の不確かさ 国家標準とトレーサビリティ アドバンスド・パワー測定 付録 44 パワー測定の基礎 アドバンスド・パワー測定 •トレース表示(パルス・プロファイル) •マーカ測定およびディスプレイ解析 Agilent EPM-Pパワー・メータのトレース表示および解析画面 45 パワー測定の基礎 アドバンスド・パワー測定 • PCまたはラップトップ環境での新しいアナライザ アナライザ機能と測定 アナライザ Agilent EPM-Pアナライザ・ソフトウェア 46 パワー測定の基礎 アドバンスド・パワー測定 • 統計解析: Ø 累積分布関数(CDF) Ø 相補累積分布関数(CCDFまたは1-CDF) Ø 確率密度関数(PDF) Y軸は、信号のパワーがX軸 で表されるパワーと同じか それを超える時間の割合を 表す 0.3% 例: このCCDF曲線の場合、信 号のパワーが8 dBのピーク/ 平均比またはそれ以上の時 間の割合は0.3% 8 dB 47 パワー測定の基礎 アドバンスド・パワー測定 •パルス解析: Øパワー*: パルス・トップ、パルス・ベー ス、Distal(パワーの90%の位置、 Mesial(パワーの50%の位置、 Proximal(パワーの10%の位置)、ピ ーク、平均、ピーク/平均比、バ ースト平均、デューティ・サイ クル Ø時間と周波数: 立上がり時間、立下がり時間、 パルス繰返し周波数(PRF)、パル ス繰返し間隔(PRI)、パルス幅、オ フ時間 * IEEEのパルス定義とビデオ・パラメータの標準をマイク ロ波パルス・エンベロープに適用 ANSI/IEEE Std. 194-1977 48 パワー測定の基礎 テーマ l 付録A ― サーミスタ・マウント 49 パワー測定の基礎 サーミスタ 抵抗(Ω) 代表的なサーミスタ素子の特性曲線 パワー(mW) 50 パワー測定の基礎 サーミスタ サーミスタを含む自己平衡ブリッジ バイアス サーミスタ・ マウント R R - + RFパワー R T R 51 パワー測定の基礎 サーミスタ・マウント用パワー・メータ l 432Aパワー・メータ ブリッジ 増幅器 5kHzマルチ バイブレータ RFブリッジ I Vc+Vrf Iに比例 したパルス幅 電圧－時間 コンバータ サーミスタ RF入力 チョッピング／ 加算回路 電子スイッチ サーミスタ・ マウント サーミスタ・マ ウントはメータ でなくセンサ内 に存在 ブリッジ 増幅器 補償ブリッジ 増幅器 レンジ 校正係数 サーミスタ (温度補償) オートゼロ 回路 52 パワー測定の基礎 テーマ l 付録B ― パワー・センサのセレクション・ ガイド 53 パワー測定の基礎 Agilentパワーセンサのセレクション・ガイド パワーセンサのセレクション・ガイド: パワーセンサのセレクション・ガイド 8480シリーズ シリーズ 8481B 0 dBm～ +44 dBm 8482B -10～ +35 dBm 8482H 8481H Q8486A V8486A W8486A R8486A 8487A -30～ +20 dBm 8485A オプション033 オプション 8481A 8482A 8483A (75 W) Q8486D R8486D -70～ -20 dBm 8487D 8485D オプション033 オプション 8481D 110 GHz 75 GHz 50 GHz 40 GHz 33 GHz 26.5 GHz 18 GHz 6 GHz 4.2 GHz 2 GHz 50 MHz 10 MHz 100 kHz 54 パワー測定の基礎 Agilentパワーセンサのセレクション・ガイド パワーセンサのセレクション・ガイド: パワーセンサのセレクション・ガイド Eシリーズ高ダイナミック・レンジ、 シリーズ高ダイナミック・レンジ、CWおよび シリーズ高ダイナミック・レンジ、 および 平均センサ E4413A -70～ +20 dBm CW専用 E4412A E9300B -30～ +44 dBm E9301B E9300H -50～ +30 dBm E9300A H25 E9301H E9304A H19 E9300A H24 E9301A -60～ +20 dBm E9304A H18 110 GHz 75 GHz 50 GHz 40 GHz 33 GHz 26.5 GHz 18 GHz 6 GHz 4.2 GHz 2 GHz 50 MHz 10 MHz 9 kHz 55 パワー測定の基礎 Agilentパワーセンサのセレクション・ガイド パワーセンサのセレクション・ガイド: パワーセンサのセレクション・ガイド Eシリーズ シリーズE9320ピークおよび平均センサ ピークおよび平均センサ シリーズ 平均のみの ダイナミック・レンジ E9325A -65～ +20 dBm E9321A -60～ +20 dBm E9322A 300 kHzビデオ帯域幅 E9326A 1.5 MHzビデオ帯域幅 E9327A -60～ +20 dBm 5 MHzビデオ帯域幅 E9323A 110 GHz 75 GHz 50 GHz 40 GHz 33 GHz 26.5 GHz 18 GHz 6 GHz 4.2 GHz 2 GHz 50 MHz 10 MHz 9 kHz ノーマル・モードおよび最大ピーク・パワーのダイナミック・ レンジについてはデータ・シート5980-1469Eを参照 56 パワー測定の基礎 Copyright 2002 アジレント・テクノロジー株式会社 June 14 2002 5965-7919J 0000-00DEP