High QデバイスでE5100Aと最新VNAでの測定で共振周波数が40Hzほどのズレる？

Q値が2000を超える高Q値共振デバイス（200 kHz）を測定する際、旧名機であるHP/アジレント E5100Aと最新のVNA（ベクトルネットワークアナライザ）との間で40 Hz（約200 ppm）もの共振周波数のズレが生じる場合、高Q値デバイス特有の極めて鋭い共振特性と、新旧VNAの仕様・内部処理の違いが複雑に絡み合っている可能性が高いです。

主な原因として、以下の5つのポイントが考えられます。

1. 信号源レベル（ドライブレベル）による非線形効果

高Q値共振器（水晶振動子やMEMS、圧電セラミックスなど）は、入力電力（ドライブレベル）に対して非常に敏感です。Q値が2000を超えると内部のエネルギー密度が非常に高くなるため、わずかな電力差で非線形応答（ダフィング振動など）を起こし、共振周波数がシフトします。

• 原因: E5100Aと最新VNAで、デバイスに印加されている実際の電力が異なっている可能性があります。最新VNAのデフォルト出力ステップや、レシーバの直線性確保のための減衰器（アッテネータ）設定の違いにより、デバイスが受けるパワーに差が出ているケースです。

• 対策: 両方のVNAで、出力パワー（dBm）を完全に一致させてください。また、パワー依存性（DLD特性）を確認するため、パワーをさらに下げて（例: -30 dBm や -40 dBm）周波数が一定値に収束するか試してください。

2. 内部基準信号源（タイムベース）の周波数精度と経年変化

200 kHzにおける40 Hzのズレは 200 ppm に相当します。これは計測器の基準結晶発振器（タイムベース）としては非常に大きなズレです。

• 原因: E5100Aは発売から長期間が経過しているため、内部の基準発振器（TCXOやオプションのOven-controlled XO）が経年変化（エージング）により大きくズレている可能性があります。最新VNAは校正直後であれば非常に高い精度（1 ppm以下など）を保っています。

• 対策: 両方のVNAの背面にある「10 MHz Ref In/Out」を相互に接続し、どちらかの基準クロックに同期させて測定してください。これで40 Hzのズレが解消すれば、E5100A（または最新VNA）の内部クロックのズレが原因です。

3. スイープ（掃引）時間とIFバンド幅（IFBW）

Q値が2000を超える場合、共振器の応答時定数 τ は非常に長くなります。

• 原因: スイープ速度が速すぎると、デバイスの応答が追いつかずに波形が歪み、共振ピークがスイープ方向に引きずられて移動します（これを遅延歪みや過渡応答特性と呼びます）。最新VNAは処理能力が高いため高速スイープが可能ですが、これが高Q値デバイスに対して「速すぎる」状態になっている可能性があります。

• 対策: * IFBWを十分に狭くする（例: 10 Hz や 30 Hz）。

  • スイープ時間を意図的に手動で長くする（シャロースイープ、またはステップスイープモードの適用）。

  • スイープ方向を「低 → 高」と「高 → 低」で反転させ、ピーク位置が逆方向に動くか確認してください。動く場合は確実にスイープ速度が速すぎます。

4. 測定点数（ポイント数）と周波数分解能

200 kHzでQ=2000のとき、3dB帯域幅（Δf）はわずか 100 Hz しかありません（200 kHz / 2000）。

• 原因: スイープの測定点数が粗いと、本当の頂点（共振点）をサンプリングできず、前後のデータ点から補間された位置をピークと誤認します。E5100Aのデータ補間アルゴリズムと、最新VNAのマーカー検索・フィッティング機能（サークルフィットなど）の違いで、見かけ上のピークがズレている可能性があります。

• 対策: スパンスコープを非常に狭く絞り（例: スパン 1 kHz 以下）、測定点数を最大（401点や1601点など）に設定して、1点あたりの周波数ステップを数Hz以下にしてください。

5. ネットワーク解析モードの違い（伝送 vs 差動・負荷容量）

E5100Aはネットワーク発振器としての側面が強く、水晶振動子測定用のπネットワーク回路などのジグと組み合わせて使われることが多くあります。

• 原因: 測定に使用しているテスト・フィクスチャ（ジグ）への接続において、VNAのポートインピーダンス（50Ω）や浮遊容量、グラウンドの取り方が新旧で微妙に異なり、デバイスへの負荷容量（$C_L$）が変化している可能性があります。高Q値デバイスは周囲の浮遊容量で容易に共振周波数が数万Hzオーダーで動きます。

• 対策: 校正（キャリブレーション）の基準面をどこに設定しているか再確認してください。最新VNAで完全にポート延長（Port Extension）やオープン/ショート/ロード校正をジグの先端で行っているか確認が必要です。

推奨される切り分け手順

1. まず同期: 両者の10 MHz基準クロックをBNCケーブルで共通化する（原因2の排除）。

2. 次に低パワー化 & 低速化: IFBWを極端に狭くし、出力パワーを限界まで下げて測定する（原因1、3の排除）。

3. 拡大: スパンを極限まで狭めて点数を増やし、生データ（マーカー値）同士を比較する（原因4の排除）。

多くの場合、「内部クロックの経年ズレ」か「スイープ速度が速すぎてデバイスの応答が追いついていない（追従遅延）」のいずれかが主因であることが多いです。一度お試しください。