ベクトル・ネットワークアナライザのミキサー測定方法について

■ミキサーについて

ミキサーは通常、2つの入力周波数の和または差を生成する3ポートデバイスです。ほとんどのミキサーは外部電源が必要なアクティブミキサーですが、オーディオミキサーのようなパッシブミキサーもあり、これにはアンプがないため電源は必要ありません。

典型的なミキサーは図1に示されており、RFおよびLOは2つの入力信号で、出力はIFです。これらの周波数の関係は次のようになります。

• fout = fin + fLO　(1-1)
• fout = fin - fLO     (1-2)
  

例えば、fin = 1GHz, fLO = 500MHzの場合、fout = 1.5GHz または 500MHz になります。

エンジニアは、ミキサーの性能を評価する必要があり、これには変換損失、位相と群遅延、1dB圧縮点、ポート間のアイソレーション、およびポートVSWRが含まれます。位相と群遅延は、ベクトルミキサー測定機能を備えたVNAで測定できます。他の測定はスカラーミキサー測定機能で実施できます。このアプリケーションノートでは、スカラー測定について簡単に紹介します。

 

■テスト環境のセットアップ

SNA5014Aのような4ポートVNAは、内部に2つのジェネレータを備えており、LOおよびRF入力信号を同時に供給できます。図2に示すように、ポート1がRF入力信号を供給し、ポート3がローカルオシレータ信号を提供します。ポート2はミキサーの出力に接続されています。ポート1とポート2は同じ内部ソースを共有しているため、LOとRFポートを同時にポート1およびポート2に接続することはできません。ミキサー測定では、RFおよびLO信号は通常異なる周波数を持つため、同じ理由でRFおよびLOを同時にポート3およびポート4に接続することもできません。

 

しかし、SNA5012Aのような2ポートVNAでは内部ジェネレータが1つしかないため、この場合は外部のRF信号ジェネレータが必要です。SIGLENTのSSGシリーズジェネレータはこの役割を十分に果たすことができます。外部ソースは固定LOとして独立して設定するか、VNAによってスイープされるように制御できます。USBデバイス端をジェネレータに接続し、USBホストをVNAに接続します。VNAは外部ジェネレータを自動的に制御します。

 

接続が完了したら、Meas -> Mode -> SMM を押してスカラーミキサー測定機能を開きます。

 

■典型的な測定

設定値はミキサーによって異なる場合があります。以下のすべてのテスト中は、ミキサーに適切な電源を供給する必要があります。SIGLENTのSPD1000XシリーズDCリニア電源は非常に推奨されます。小型でありながら高い出力安定性を持ち、日常のラボ使用に理想的です。

 

1) 変換損失（またはゲイン）測定

変換損失は、IF出力信号パワー fout と RF入力信号 fin の比率として定義され、dBで表されます。

• 変換損失 = 10 Log (Pout / Pin)

典型的な変換測定には以下の3種類があります。

 

a) 変換損失/ゲイン – RFポートの線形周波数スイープ

設定を開始するには、スイープタイプを線形周波数に設定し、スイープポイントを1001またはその他に設定し、IF帯域幅をデフォルトの10 kHzのままにします。

 

次に、Powerタブで入力ポートをポート1に設定し、パワーレベルを0 dBmのままにし、出力ポートをポート2に設定し、Port Power Coupled を選択します。

 

次に、Mixer Frequencyタブを設定します。入力をスタート/ストップ、1 GHzから2 GHzに設定します。出力を固定し、-100 MHzに設定します。その後、Calc Localをクリックすると、LO周波数が自動的に計算されます。

 

にMixer Setupタブを設定します。外部ソースがある場合は、USBケーブルで接続されたジェネレータ（この場合はSSG5060X-V）を選択します。その後、パワーレベルを0 dBmに設定します。これはミキサーのダイオードを適切にバイアスするのに十分なレベルです。

すべての設定が完了したら、Applyをクリックし、次にOKをクリックします。

 

Cal -> Mixer Cal… を押して、ミキサー測定キャリブレーションを実行します。これは、RFおよびIFポートが同じ周波数範囲にないため、2ポートキャリブレーションを2回実行します。キャリブレーションの最終ステップはパワーキャリブレーションで、これには外部のパワーセンサーが必要です。パワーセンサーをRFポートに接続し、Start Power Measurementをクリックします。キャリブレーション手順を終了するにはFinishをクリックします。

 

Measボタンを押し、S21を選択します。次にMarkerボタンを押して、変換損失/ゲインの読み取りを容易にするためにマーカーを追加します。通常、ミキサーの変換損失は-10 dBから1 dBの範囲です。

 

b) 1 dB 圧縮点測定 – RFポートのパワースイープ

RF入力圧縮測定では、RF入力パワーレベルに対するミキサーの変換損失を測定します。固定周波数でのパワースイープを設定します。

Start/Stop/Freq/Power/Sweepのいずれかのボタンを押し、次にMixer Measure… をクリックしてミキサー測定セットアップメニューに戻ります。

スイープタイプをパワースイープに設定し、Powerタブで開始パワーを-30 dBm、停止パワーを+10 dBmに設定します。

 

Mixer Frequencyタブでは、入力、ローカル、および出力を固定に設定します。入力周波数を1.5 GHzに設定し、次にCalc Localをクリックします。

 

LOパワーレベルは0 dBmのままにします。Apply -> OKをクリックします。

Search -> Max Search を押して、通常のゲイン値を-3.788 dBとして取得します。したがって、1 dB圧縮値は-4.788 dBです。

 

Target -> Target Value をクリックし、-4.788を入力し、Target Searchをクリックします。マーカーの読み取り値は、1.5 GHzの周波数で、RF入力パワーが6.821 dBmのとき、ミキサーの変換損失/ゲインが-4.792 dBであることを示しています。これが圧縮領域に入る開始点です。

 

c) LOパワーレベルに対する変換損失/ゲイン

もう一つの重要な測定は、LOパワーレベルに対するミキサーの変換損失です。最低の変換損失は、LOパワーレベルがミキサーのダイオードを適切にバイアスできるときに得られます。

RF入力パワーを固定します。開始と停止のパワーを同じに設定します。

 

LOパワースイープを-15 dBmから5 dBmまで設定します。

 

S21カーブから、低レベルのLOパワーでは変換損失が高く、LOパワーレベルが十分に高くなると、変換損失トレースが平坦化されることがわかります。4ポートVNAを使用する場合、LOポート出力パワーの測定を追加して正確な転換点を確認することができます。

 

2) アイソレーション測定

アイソレーション測定は通常、LO-RF、LO-IF、RF-LO、RF-IFの4つの部分に分けられます。LO-RFは、LOからRFポートへの信号リークを意味し、他の3つも同様に表現されます。

内部トランスの不均衡やリードインダクタンスがリークの主な原因です。良好なアイソレーションは、低いリークまたはフィードスルーを意味します。

 

アイソレーション測定およびリターンロス測定には、通常のVNAモードに戻ります。SMMモードはもう必要ありません。

RFをポート1に、IFをポート2に、LOをポート3に接続します。Meas -> VNAモードを押します。スイープタイプを線形周波数、周波数範囲、スイープポイント、IF帯域幅に設定します。次に、Calを押して通常のキャリブレーションを実行します。

Measを押すか、単にトレースアイコンを現在のチャンネルにドラッグして、S21、S31、S13、S23の測定を追加します。

これらのSパラメータの絶対値が高いほど、ミキサーのアイソレーションは良好です。

 

3) RFおよびLOポートのリターンロス測定

RFおよびLOポートのリターンロスは、4ポートSNAシリーズVNAで簡単に実行できます。ただし、テスト中のミキサーに常に電源を供給することを考慮してください。

アイソレーション測定と同じ接続を使用します。Meas -> S11, S33を押します。以下のようにトレースを表示します。

 

■結論

スカラーミキサー測定では、SNA5000Aの4ポートモデルを使用すると、簡単な配線が可能になります。出力レベルは-55 dBmから+10 dBmまでであり、外部PAやアッテネータを使用せずにほとんどのコンポーネントを適切にバイアスできます。また、周波数設定を自動的に計算することができ、時間の節約になります。SIGLENT SNA5000Aシリーズベクトルネットワークアナライザは、RFコンポーネントの検証において強力なツールです。