"取扱説明書"

"取扱説明書"
このPDFは,CQ出版社発売の「スペクトラム・アナライザによる高周波測定」の一部分の見本です.
内容・購入方法などにつきましては以下のホームページをご覧下さい.
<http://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/40/40971.htm>
第 1 章 ●
●
はじめに
現在の私たちの周りではテレビやラジオの放送はもちろん,携帯電話や無線 L A N,
Bluetooth など電波を使った電子機器が当たり前のように使われています.このよう
に電波は私たちの生活に欠かすことができないものになりました.
また電波を使用する機器が普及するに伴い,電波自体や不要輻射が生体やほかの機
器に与える影響も問題視されるようになっています.そのため,今まで以上に電波に
対する法律も厳しくなり,ディジタル信号を高速で伝送するためには電波の質も重要
になってきました.
RF( Radio Frequency )を対象にした測定器はいろいろな種類がありますが,中心
となるのはスペクトラム・アナライザです.スペクトラム・アナライザも世の中のディ
ジタル化に合わせるように多機能,高機能化の方向に進んでいます.最近はシグナル・
アナライザという名称で,スペクトラム・アナライザが一つの機能として組み込まれ
ているタイプの測定器もあります(本書では「スペクトラム・アナライザ」を総称とし
て使用する).
また最近の機種では測定が自動化されているものも多く,ボタン一つで測定結果を
画面に表示してくれるようになりました.
しかし測定の基本原理を理解しておかなければ,正しい測定結果が得られない場合
もあります.最悪のケースではスペクトラム・アナライザを破損してしまうこともあり
ます.
本書では高周波の測定に欠かせないスペクトラム・アナライザの基本的な使い方を
解説します.測定部分は前著「スペクトラム・アナライザ入門( 2006 年 9 月発行)」を
元に,より実践的に書き下ろしました.そのため測定原理やスペクトラム・アナライ
ザの内部構造などに関しては,
「スペクトラム・アナライザ入門」を参考にして頂けれ
ばと思います.また,測定器に付属している取扱説明書とともに活用して頂ければ幸
いです.
最後に本書の執筆にあたり,CQ 出版社ならびにアジレント・テクノロジー株式会社
各位のさまざまな協力を頂きましたことに心から感謝申し上げます.
2010 年 5 月
高橋 朋仁
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第1章 スペクトラム・アナライザとは ● 時間ドメインと周波数ドメイン
第1 章
スペクトラム・アナライザとは
スペクトラム・アナライザとは,周波数と振幅レベル( 電力 )を測ることができる測定器です .しか
し周波数を測るには周波数カウンタを ,電力を測るには電力計( パワー・メータ )を使うほうが高精
度に測定することができます.
では ,なぜスペクトラム・アナライザを使うのでしょうか .
スペクトラム・アナライザを使用した測定例
スペクトラム・アナライザは周波数ごとの電力を測定することが可能です .周波数の分布と電力を
同時に測定することで ,高調波や不要輻射 ,変調 ,ひずみ ,位相ノイズなど ,さまざまなことが分か
ります .スペクトラム・アナライザを使用した測定例を画面 1.1 ∼画面 1.4 に示します .
画面 1.5 は ,トラッキング・ジェネレータを併用して測定した例で ,被測定物の伝送特性も測定で
きます .
そのほか ,基準アンテナを使用した電界強度の測定や ,バンドスコープとして無線局のモニタリン
グも可能です .
時間ドメインと周波数ドメイン
信号を観測する際 ,図 1.1 に示すように ,時間軸で観測する場合( 時間ドメイン )と周波数軸で観
画面 1.1 高調波 ,不要輻射の測定例
画面 1.2 変調の測定例
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画面 1.3 ひずみの測定例
画面 1.4 位相ノイズの測定例
画面 1.5 フィルタの伝送特性の測定例
図 1.1 時間ドメイン測定と周波数ドメイン測定
測する場合( 周波数ドメイン)があります.
時間と振幅の関係を表したものを「時間ドメイン」と呼び,代表的な測定器は写真 1.1 ,画面 1.6 に
示すオシロスコープです.
「 周波数ドメイン 」は周波数と振幅( 電力 )の関係を表したもので ,スペクトラム・アナライザが代
表的な測定器です( 写真 1.2 ,画面 1.7 ).
画面 1.6 に示したオシロスコープの画面は横軸が時間 ,画面 1.7 に示したスペクトラム・アナライザ
の画面は横軸が周波数であることを理解してください .
スペクトラム・アナライザは ,指定範囲の周波数分布と電力を表示するために ,いくつかの種類が
あります .
信号をディジタル化し FFT( Fast Fourier Transform )と呼ばれる演算で周波数を分離する FFT
方式のアナライザや ,周波数別のフィルタを並べることで周波数の分離を行うフィルタ方式のアナラ
イザなどがあります .もっとも一般的なタイプは ,掃引同調方式を採用したスーパヘテロダイン方式
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第2章 スペクトラム・アナライザの基本操作 ● 2 - 1 スペクトラム・アナライザを使用するための前知識
第2 章
スペクトラム・アナライザの基本操作
スペクトラム・アナライザを使用して測定を始める前に ,基本的な操作方法を解説します .
2-1
スペクトラム・アナライザを
使用するための前知識
スペクトラム・アナライザのフロント・パネルの操作
写真 2.1.1 に ,スペクトラム・アナライザのフロント・パネルを示します .
写真 2.1.1 シグナル
(スペクトラム)
アナライザ N9 020A( アジレント・テクノロジー社)
のフロント・パネル
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電源キー
電源キーでスペクトラム・アナライザの起動と終了を行います.バック・パネルにメインの電源スイッ
チが付いている機種もあります.そのような機種では ,メイン電源を ON にした後で操作を行います .
OS 内蔵タイプのスペクトラム・アナライザでは,OS のシャットダウンにも使用します .
RF 入力コネクタ
R F 入力コネクタには測定信号を入力します.インピーダンスは 50 Ωもしくは 75 Ωです .一般的に
高周波特性のよい N 型コネクタが使われています.
ハード・キー
ハード・キーには ,よく使う機能が設定されていて直接呼び出すことができます .
テン・キー
周波数などの数値を直接打ち込む際に使用します .
ソフト・キー
ハード・キーで呼び出した機能のサブメニューがディスプレイに表示され ,ディスプレイ横のボタ
ンに複数の機能を与えます.
ダイヤル・ノブ
マーカ・ポイントを移動させたり,アナログ的に値を変更するときに使用します .
インピーダンスとは
インピーダンスとは ,交流回路における抵抗で
オーム
す.抵抗ですから単位は Ω が用いられます.
通常の抵抗器は直流から高周波まで同じ抵抗値
器間を接続するたびに整合をとる必要があり不便な
ので,
基本的には50 Ωか75 Ωに統一されています.
ですが , インピ ー ダンスはコイルとコンデンサが
75 Ωはダイポール・アンテナのインピーダンス
作り出す抵抗が主になります .そのため周波数に
を基本として設定され ,テレビ系の受信設備のア
よって同じ回路でもインピーダンスが変化します.
ンテナやビデオ信号 ,映像系の測定器で使用され
機器間や機器と伝送路 ,機器とアンテナなどを
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しかしインピーダンスが各機器でバラバラだと機
ています.
接続する場合にはインピーダンスを適合させて接
電波の送受信機器は 50 Ωのインピーダンスが原
続します(インピーダンスの整合).インピーダン
則です.スペクトラム・アナライザの入力インピー
スが異なると電圧か電流のどちらかの損失を招き,
ダンスも 映像用に 使用するタイプは 75 Ω , それ
結果的に電流×電圧(=電力)の損失が発生します.
以外は 50 Ωです.
第3章 スペクトラム・アナライザを使った各種測定事例 ●
第3 章
スペクトラム・アナライザを使った各種測定事例
ここではスペクトラム・アナライザを使用した基本的な測定方法を説明します .
まず測定前の注意点について説明します.
入力信号レベルの範囲
入力する信号レベルの範囲は機種により異なりますが,通常最低レベルが− 140dBm ∼− 100dBm,
最大レベルが定格上の最大入力可能電力になっています .
入力信号のレベルに合わせて ,リファレンス・レベルと入力アッテネータの設定を行うことで ,最
大のダイナミック・レンジを得ることができます.
適切に設定されていない場合には ,レベルの低い信号は観測できなくなり ,レベルの高い信号では
スペクトラム・アナライザの利得が圧縮され,内部で高周波ひずみを生じ測定値に誤差が発生します .
超えてはならない最大入力電力 / 最大入力電圧の警告
スペクトラム・アナライザの RF 入力コネクタの横には ,かならず最大入力電力と最大入力電圧が書
かれています( 写真 3.1 ).この値は一瞬でも超えてはいけません .内部のアッテネータやミキサに重
大な損傷を与えることがあります.
またスペクトラム・アナライザの入力アッテネータの設定がスルー( 0dB )の状態で ,最大入力電力
に近い信号を入力すると,入力ミキサを損傷する場合があります.このレベルの信号を入力する場合に
はかならず入力アッテネータを設定してください.
被測定機器の発生する信号の電力がスペクトラム・アナライザの耐入力以下でも ,実験中や調整中
では異常発振などの影響で多大な電力が発生する場合もあるので ,測定中は外部にアッテネータやカ
プラなどを常に使用して計測することを心がけてください( 後述する低レベルの信号測定以外 ).
写真 3.1
スペクトラム・アナライザの RF 入力コネクタ部に
書かれている最大入力電力と最大入力電圧
41
3-1
単一信号の測定
周波数が分かっている単一信号の測定手順を説明します .単一信号の測定は ,スペクトラム・アナ
ライザを 使用したも っ とも 基本的な 測定です . 基本操作はシグナル( スペクトラム )アナライザ
N9020A を使って説明します.
被測定機器とスペクトラム・アナライザの接続
被測定機器とスペクトラム・アナライザは 図 3.1.1 のように接続します .機器の接続は ,スペクト
ラム・アナライザの入力と同じインピーダンスのできるだけ短い同軸ケーブルを使って接続します .
被測定信号の電力がスペクトラム・アナライザの耐入力電力以下の場合には外部のアッテネータは
必要ありませんが ,スペクトラム・アナライザを保護するためと被測定物と信号源のインピーダンス・
マッチング精度の向上のためにも,アッテネータは接続することを推奨します .
また被測定物のインピーダンスが測定機器のインピーダンスと異なる場合には ,減衰量 3d B ∼ 6d B
のアッテネータ( 整合 PAD )を挿入します.
単一信号の測定手順
ここでは周波数 100MHz の信号を測定します(パネル 3.1.1 ).
① Mode Preset キー(イニシャル・キー)
(
1.1 )を押し ,設定を初期値に戻す(画面 3.1.1 )
② センタ周波数を 100MHz に設定する(画面 3.1.2 )
ハード・キー[ FREQ Channel ]
(
1.2 ) ソフト・キー[ Center Freq ]
(
1.3 )を選択し ,テン・
1.4 )
[1]
[0]
[ 0 ],ソフト・キーで単位[ MHz ]
(
キーで周波数を入力後(
1.3 )を指定して
センタ周波数を設定する
③ スパン周波数を 10MHz に設定する(画面 3.1.3 ).ハード・キー[ SPAN X Scale ]
(
フト・キー[ Span ]
(
1.6 )を選択し,テン・キーで周波数を入力後(
キーで単位[ MHz ]
(
1.3 )を指定してスパン周波数を設定する
1.5 ) ソ
1.4 )
[1]
[ 0 ],ソフト・
④ ディスプレイの目盛りから信号のレベルを読み取る .リファレンス・レベルが 0 d B m で縦軸 1 目盛
りが−10 dB なので約−30 dBm と読み取ることができる(画面 3.1.4 )
⑤ マーカ機能を使って正確な信号レベルを読み取る(画面 3.1.5 ).ハード・キーの[ Marker ]
(
1.7 )
を選択するだけで表示される
⑥ 信号の正確な周波数を調べる際にはカウンタ機能を使用する .ハード・キーの[ Marker ]
(
 ソフト・キーの[ More 1 of 2 ]
(
1.8 )[ Marker Count ]
(
画面右上に周波数が表示される(画面 3.1.6 )
42
1.7 )
1.3 )[ Counter ]を[ On ].
第4章 トラッキング・ジェネレータを使った測定事例 ● 4 - 1 トラッキング・ジェネレータとスペクトラム・アナライザの関係
第4 章
トラッキング・ジェネレータを使った測定事例
トラッキング・ジェネレータをスペクトラム・アナライザと組み合わせて使用すると ,ネットワー
ク測定を行うことができます .ネットワーク測定とは ,信号をデバイス / システムの入力に印加し ,
その出力を観測することで応答特性を測定することです .
ネットワーク測定には被測定物に信号を与える信号源と ,被測定物の出力信号を解析する測定器が
必要です .主に高周波回路網の通過・反射電力の周波数特性を測定するネットワーク・アナライザや
スペクトラム・アナライザとトラッキング・ジェネレータの組み合わせで測定されます .この場合 ,
信号源がトラッキング・ジェネレータ,出力信号を解析する装置がスペクトラム・アナライザになります.
伝達特性はスペクトラム・アナライザとトラッキング・ジェネレータを使用することで測定できます.
位相情報が必要な場合には,ネットワーク・アナライザを使用する必要があります .
4-1
トラッキング・ジェネレータと
スペクトラム・アナライザの関係
トラッキング・ジェネレータとスペクトラム・アナライザの関係は図 4.1.1 のようになります .
トラッキング・ジェネレータはスペクトラム・アナライザ本体の掃引発振器の信号と ,スペクトラム・
アナライザの第 1 中間周波数と同じ周波数の信号をミキサで混合し出力します .
図 4.1.1 トラッキング・ジェネレータの原理
89
スペクトラム・アナライザでは ,入力された信号と掃引発振器の信号をミキサで混合して第 1 中間
周波数に変換します.そのためトラッキング・ジェネレータの出力周波数とスペクトラム・アナライザ
の受信周波数は一致するので ,トラッキング・ジェネレータの出力とスペクトラム・アナライザの入
力を接続すると ,画面 4.1.1 に示すように横 1 本の線になります .
トラッキング・ジェネレータの出力とスペクトラム・アナライザの入力の間に被測定物を接続する
ことで ,画面 4.1.2 に示すように被測定物の伝達特性を測定できます .
伝送路測定には ,周波数応答,リターン・ロス,損失や利得などの測定項目があります .
トラッキング・ジェネレータは,別筐体になっていてケーブルによってスペクトラム・アナライザと
接続するタイプと ,スペクトラム・アナライザ本体に内蔵するタイプ(写真 4.1.1 )があります .
画面 4.1.1 トラッキング・ジェネレータの出力とス
ペクトラム・アナライザの入力を直結したときの出力
写真 4.1.1
内蔵トラッキング・ジェネレータの出力
90
画面 4.1.2 トラッキング・ジェネレータを使用し
た伝達特性の測定
第5章 スペクトラム・アナライザとともに使うアクセサリ ● アッテネータ/ ステップ・アッテネータ
第5 章
スペクトラム・アナライザとともに使うアクセサリ
スペクトラム・アナライザを使って測定する際に使用するアクセサリを紹介します .
アッテネータ / ステップ・アッテネータ
アッテネータ( Attenuator;減衰器)は,電気信号の電圧を減衰させるアクセサリです .減衰量の
単位はデシベル( dB )が一般的です(写真 5.1 ,写真 5.2 ).
減衰量が固定のタイプと可変できるタイプがあり ,可変できるタイプにはプログラマブル・アッテ
ネータやステップ・アッテネータなどがあります.
アッテネータにはインピーダンスと耐入力電力が決まっていて ,正しく使用しないと測定精度の悪
化やアッテネータの損傷を招くことがあります .アッテネータは ,信号の減衰のほかにインピーダン
スのマッチングにも使用します .アッテネータは ,信号源とスペクトラム・アナライザの間に接続し
て使用するアクセサリです(図 5.1 ).
通常トラッキング・ジェネレータを使用する場合 ,入力レベル( トラッキング・ジェネレータの出力
レベル )がスペクトラム・アナライザの耐入力電力を超えることはありません .被測定物の入出力イン
ピーダンスと整合を取る場合には,整合 P AD として挿入します .
また増幅器の特性を測定する場合 ,トラッキング・ジェネレータの出力レベルが被測定物の耐入力
レベルを超えたり ,過大入力で飽和してしまうときにはアッテネータをトラッキング・ジェネレータ
と被測定物との間に挿入します.
増幅器の出力レベルが大きくて正しく測定できない場合には ,増幅器の出力とスペクトラム・アナ
ライザの入力の間にアッテネータを挿入します(図 5.2 ).
写真 5.1 アッテネータの製品例
同軸アッテネータ 8493B( アジレント・テクノロジー社 )
写真 5.2 ステップ・アッテネータの製品例
マニュアル・ステップ・アッテネータ 8495B
( アジレント・テクノロジー社)
図 5.1 信号源とスペクトラム・アナライザ
をアッテネータで接続
107
図 5.2 被測定物とトラッキング・ジェネレータ,スペクトラム・アナライザをアッテネータで接続
写真 5.3
DC ブロッキング・
キャパシタの製品例
DC ブロッキング・キャパシタ 11742A
(アジレント・テクノロジー社)
図 5.3 信号源とスペクトラム・アナライザをDC ブロッキング・キャ
パシタで接続
DC ブロッキング・キャパシタ
D C ブロッキング・キャパシタは ,直流からスペクトラム・アナライザの R F 部分を保護するための
ものです(写真 5.3 ).これを,
被測定物とスペクトラム・アナライザ入力との間に接続します(図 5.3 ).
そのほか増幅器の入力に直流( D C )が入って D C オフセットが生じるのを防ぎます .D C ブロッキ
ング・キャパシタは耐電圧と周波数レンジを確認して使用します .
パワー・リミッタ
パワー・リミッタは ,被測定物とスペクトラム・アナライザ入力との間に接続し ,規定値以上の電
力からスペクトラム・アナライザを保護するために使用します(写真 5.4,図 5.4 ).
パワー・リミッタの耐電力を超える電力が加わった場合にも ,パワー・リミッタ本体がオープン ,
もしくはグラウンドとショート状態になり,スペクトラム・アナライザを破損から保護します .
パワー・リミッタを選択する際には ,リミット電力や周波数レンジはもちろんですが ,突発的なパ
ルス波にも対応できる反応速度があることも確認してください .
トラッキング・ジェネレータを使用して増幅器の特性を測定する際には ,増幅器とスペクトラム・
アナライザの間に接続します(図 5.5 ).
写真 5.4 パワー・リミッタの製品例
図 5.4 信号源とスペクトラム・アナライザをパワー・リミッタ
で接続
パワー・リミッタ N9356B( アジレント・テクノロジー社 )
図 5.5 トラッキング・ジェネレータ,増幅器とスペクトラム・アナライザをパワー・リミッタで接続
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Appendix 2 スペクトラム・アナライザの確度とデータシートの読み方
Appendix 2
スペクトラム・アナライザの確度とデータシートの読み方
カタログやデータシートには必要な情報が記載されています .すべての項目の説明は行いませんが
導入する前はもちろん,使用する前にも一度目を通しておくようにしてください .
A-1
スペクトラム・アナライザの確度
スペクトラム・アナライザは信号の周波数とレベルを測定する測定器ですから ,確度( ある一定条
件下で測定器に生じうる最大の誤差)の仕様は重要です .
確度は絶対精度と相対精度で示すことがあります.通常のマーカで測定する精度は絶対精度,デルタ・
マーカで測定する精度は相対精度です.相対精度は絶対精度よりも精度が高くなります(図 A.1 ).
図 A.1 絶対値と相対値の表し方
スペクトラム・アナライザの周波数の確度
スペクトラム・アナライザでは ,測定した信号の周波数が表示されますが ,その表示周波数には誤
差が含まれています.周波数の確度には以下のような規格値があります .
基準周波数の確度
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