方向性結合器のテスト方法

方向性結合器をテストするには、信号発生器（出力：+10dBm、2-4GHz）とスペクトラムアナライザに接続します。メインポートでの入力電力（Pin）、結合ポートでの結合電力（Pcouple）、およびアイソレーションポート電力（Piso）を測定します。挿入損失（Pin-Pthru、通常0.5-2dB）、アイソレーション（Pin-Piso ≥20dB）、および方向性（Pcouple-Piso ≥30dB）を計算して、性能を検証します。

挿入損失の測定

2～4 GHzなどの指定された帯域で動作する適切に設計された結合器の場合、この損失は非常に低く、通常は0.1 dBから0.5 dBの間であることが期待されます。これは小さく見えますが、高利得システムや多段アンプチェーンでは、わずか0.5デシベルの予期しない損失でも、全体のノイズ性能や出力電力を低下させる可能性があります。例えば、0.3 dBの損失は、負荷に供給される電力の7%の減少に相当します。目標は、メーカーの仕様（多くの場合「≤ 0.5 dB」と記載）を検証し、単一のポイントだけでなく全周波数範囲でそれが維持されているかを確認することです。

まず、テストする周波数範囲（例：1～6 GHz）に合わせて、標準的なSOLT（ショート・オープン・ロード・スルー）校正キットを使用してVNAを校正します。これによりシステム誤差が最小限に抑えられ、測定の不確かさを約±0.05 dBまで下げることができます。校正後、結合器を単純な「スルー」構成で接続します。VNAのポート1を結合器のINPUTポートに、OUTPUTポートをVNAのポート2に接続します。結合ポートは、-40 dBより優れたリターンロスを持つ高品質な50オーム負荷で終端されていることを確認してください。これは非常に重要です。これらのポートから反射されたエネルギーは、挿入損失の読み取り値を歪ませる可能性があります。

次に、周波数スイープを設定します。2～4 GHzの結合器の場合、10,001ポイントのスイープにより高い分解能が得られ、狭いディップやピークを明らかにできます。確認するトレースはS21（ポート1からポート2への伝送）です。重要なのは、帯域全体のS21の最小値、最大値、および平均値を見ることです。優れた結合器はフラットな応答を示します。例えば、仕様が挿入損失：0.4 dB ± 0.1 dBであるとします。もし3.8 GHzで突然1.5 dBへのスパイクが見られた場合、それは内部故障やインピーダンス不整合の可能性を示す重大な注意信号です。

ケーブル損失の影響を考慮することも不可欠です。テストセットアップ自体にも損失があります。1メートルのRG-316ケーブルを使用している場合、4 GHzで0.7 dBの損失があるかもしれません。このため、校正は結合器のポートの平面で行い、これらの影響を取り除きます。常に位相安定性の高い低損失ケーブルを使用してください。高電力アプリケーションの場合は、パワースイープを実行する必要があるかもしれません。平均電力50ワット定格の結合器は、まずVNAで低電力レベル（例：+10 dBm）でテストし、その後、信号発生器と電力計を使用して、例えば20 Wなどの高電力で挿入損失を検証し、性能劣化が起こらないことを確認する必要があります。

負荷を用いた方向性の確認

例えば40 dB以上の高い方向性（ダイレクティビティ）は、結合器が進行波信号を効果的に分離していることを意味し、これは正確な電力およびリターンロス測定にとって不可欠です。例えば、2.4 GHzのISMバンドアプリケーションで使用される30 dBの方向性を持つ結合器は、リターンロス測定において±0.5 dBの誤差を導入する可能性があり、これは基本的な作業には許容できるかもしれません。しかし、アンプの線形性テストや高度なアンテナチューニングのような精密な作業では、測定誤差を±0.1 dB未満に抑えるために、45 dBから50 dBの方向性を持つ結合器が必要です。

まず、テストケーブルの先端でVNAを校正します。次に、結合器を接続します。INPUTポートをポート1に、OUTPUTポートをポート2に接続し、ISOLATEDポートを高品質な50オーム負荷で終端します。鍵となるのはこの負荷の品質です。周波数帯域全体でリターンロスが-40 dB（理想的には-50 dB）よりも優れている必要があります。リターンロスが-20 dB程度の粗悪な負荷は、エネルギーを反射して方向性の読み取り値を著しく損なわせ、1-2 dBの誤差を上乗せします。最初の測定では、COUPLEDポートを別の新品の50オーム負荷で終端し、逆方向アイソレーションであるS31パラメータ（ポート1からCOUPLEDポートまで）を測定します。この値を対象の周波数、例えば3.5 GHzで-32.5 dBとして記録します。

その直後、ケーブルを動かさずに、COUPLEDポートの完璧な負荷を校正済みショート回路に交換します。このショートは、既知のほぼ完璧な反射（通常、0.0 dBのリターンロスと180度の位相シフト）を持つ必要があります。ここで、再度S31を測定します。値ははるかに高くなり、例えば-15.8 dBと読み取れるかもしれません。方向性は、2番目の読み取り値から最初の値を引くことで計算されます：-15.8 dB – (-32.5 dB) = 16.7 dB。これは驚くほど低い結果であり、なぜこのテストが重要であるかを浮き彫りにしています。優れた結合器であれば、データシートの値である40 dBにはるかに近い結果が得られるはずです。

完全な特性評価を行うには、1 GHzから6 GHzまで10,001ポイントで周波数スイープを実行します。計算された方向性をプロットしてください。一貫性を確認します。4.2 GHzで15 dBの急激なディップがある場合は、共振または設計上の欠陥を示しており、その周波数では結合器が使用不能であることを意味します。環境要因も重要です。安定した23°C ±3°Cでテストしてください。フェライトコアは温度によって特性が変化し、60°Cでは方向性が2-3 dB低下することがあります。最後に、すべての測定で同じ+10 dBmの電力レベルを使用してください。

結合値精度のテスト

20 dBと指定された結合器は、メインライン電力の1%を確実に抽出する必要があります。しかし、この公称値からわずか±0.5 dB逸脱するだけで、電力計算に±12%の誤差が生じます。この不正確さはシステム全体に波及します。もしこの結合器が50 W送信機の出力を監視している場合、+0.5 dBの誤差（19.5 dBと読み取られる）があると、結合電力は5.6 Wであると信じ込ませますが、実際には5.0 Wであり、進行波電力を12%過大評価していることになります。

これをテストするには、校正済みのVNAを使用します。ポート1をINPUTに接続し、OUTPUTポートを50オーム負荷で終端します。決定的に重要なのは、ISOLATEDポートも同様に高品質な負荷で終端することです。ここをオープンにしておくと、結果が0.2-0.3 dB歪む可能性があります。COUPLEDポートはVNAのポート2に直接接続します。測定するパラメータは、INPUTからCOUPLEDポートへのS21です。これは直感に反するように思えるかもしれませんが、この構成では結合パスへのエネルギー伝送を直接測定しています。VNAを1 GHzから6 GHzまで10,001ポイント、出力電力0 dBでスイープするように設定します。トレースには結合値が表示されます。高品質な結合器はフラットな応答を示します。20 dBモデルの場合、-20 dBのほぼ直線が見えることが期待されます。

本当のテストは偏差にあります。トレースをズームインして、ピーク・ツー・ピークの変動を観察してください。20 dB ± 0.5 dBという仕様は、測定値が全帯域にわたって-19.5 dBから-20.5 dBの間に留まらなければならないことを意味します。周波数の上昇に伴いわずかに線形に増加するのが一般的です。2 GHzでの20.1 dBから6 GHzでの20.5 dBへのシフトは、多くのアプリケーションで許容されます。しかし、3.8 GHzなどの特定の周波数で非線形な1 dBのピークがある場合は、設計不良またはユニットの損傷を示しています。絶対的な精度を得るには、VNAの読み取り値を信頼できる電力計と比較してください。INPUTポートに2.5 GHzの+20 dBm (100 mW)連続波（CW）信号を注入します。COUPLEDポートの電力をメーターで測定します。+0 dBm (1 mW)が測定されれば、20 dBの結合係数が確認されます。+0.5 dBmという読み取り値のような大きな不一致は、VNAの校正誤差または不正確な結合器を指し示しています。

周波数応答範囲の検証

800 MHzから2.5 GHzといった方向性結合器の指定周波数範囲は、単なる推奨事項ではありません。結合度、方向性、挿入損失といった主要パラメータが使用可能な制限内に留まる厳格な境界です。この帯域外で動作させると、わずか100 MHz外れるだけでも性能が急速に低下する可能性があります。例えば、2.4 GHz WiFi用に設計された結合器は、2.4 GHzで20.1 dBの結合値を示すかもしれませんが、2.7 GHzでは22.5 dBまでドリフトし、電力測定に+15%の誤差をもたらす可能性があります。

• 結合値の変動：公称値（例：20.0 dB ± 0.5 dB）からの偏差を追跡します。
• 最小方向性：測定精度に不可欠な方向性の最低ポイントを特定します。
• 挿入損失のピーク：信号電力に影響を与える最大挿入損失を記録します。
• リターンロスの劣化：入力および出力ポートの整合を監視します（VSWR < 1.25:1が理想）。

これをテストするには、公称範囲の全域に加えて両端に10-15%の余白を持たせて、連続波（CW）スイープを行うようVNAを設定します。2-4 GHzの結合器の場合、1.8 GHzから4.2 GHzまでスイープします。1001ポイントのスイープでは見逃してしまうような狭く問題のある共振を解決するために、10,001という高いポイント数を使用するのが理想的です。出力電力は堅牢な+10 dBmに設定してください。電力レベルが低すぎると非線形性が励起されない可能性があり、高すぎると長時間のスイープで熱ドリフトを誘発する可能性があります。目標は、数か所の周波数でのスポットチェックではなく、詳細な性能マップを作成することです。

単一の表示ウィンドウですべての4つのSパラメータを同時に監視します。S31（結合度）の平坦性を観察してください。帯域の下限から上限にかけて1.2 dBの緩やかな増加であればデータシート通り許容できるかもしれませんが、3.1 GHzで急激な0.8 dBのディップがある場合は、製造上の欠陥またはコンポーネントの損傷を示しています。S41（アイソレーション）を観察して、通常40 dB以上の高い値を維持していることを確認し、S11（入力リターンロス）を確認して-20 dB（VSWR < 1.22:1）以下に留まっていることを確認します。最も重要なビューは、計算された方向性トレース（S31およびS32の測定値から導出）です。指定された帯域内の任意のポイント、特に2.05 GHzや3.95 GHzのようなエッジ部分で方向性が25 dBを下回ると、アンテナチューニングや反射電力監視のような精密なアプリケーションには不向きとなります。

ポートインピーダンス整合の評価

方向性結合器の有効性は、そのポートが50オームのシステムにシームレスに統合されるかどうかにかかっています。電圧定在波比（VSWR）が1.25:1を超える（リターンロスが-14 dBより悪い）ような不十分なポート整合は、回路内で信号反射計として機能してしまいます。3 GHzにおいて、入力ポートで1.35:1のVSWRがあると、入射電力の4.5%を反射します。この反射エネルギーは測定値を歪ませ、周波数応答にリップルを引き起こし、進行波および反射波の電力読み取り値に±0.4 dBを超える誤差を導入します。

• 入出力VSWR：全帯域にわたって通常 1.25:1未満（リターンロス -20 dBより良好）である必要があります。
• 結合ポート整合：しばしばわずかに悪くなります。1.35:1未満（RL -17 dBより良好）であれば許容範囲です。
• アイソレーションポート整合：方向性の精度にとって重要です。1.30:1未満（RL -18 dBより良好）であるべきです。
• 電力/温度に対する整合安定性：-10°Cから+55°Cの範囲でインピーダンスのVSWRが±0.05以上シフトしてはなりません。

他の3つのポートすべてを、-40 dBより優れたリターンロスを誇る高品質な50オーム負荷で終端します。INPUTポートのテストでは、VNAのポート1をそこに接続し、OUTPUT、COUPLED、およびISOLATEDポートを終端します。測定するパラメータはS11です。1 GHzから6 GHzまで10,001ポイントでスイープを設定します。主要な指標は、結合器の指定された動作範囲（例えば2 GHzから4 GHz）におけるS11の最大値（またはリターンロスの最小値）です。滑らかな曲線を期待します。1.20:1のVSWRという仕様は、S11トレースが-21 dB未満に留まらなければならないことを意味します。3.6 GHzで-15 dB（1.43:1 VSWR）に達する狭いスパイクは、コネクタの不良や内部の不完全性に起因する共振を示しており、ユニットが信頼できないことを意味します。

このプロセスを各ポートに対して細心の注意を払って繰り返します。OUTPUTポート（S22）のテストも同じ手順で行い、OUTPUTをポート1に接続し、他のすべてのポートを終端します。COUPLEDおよびISOLATEDポート（S33およびS44）は設計上わずかにミスマッチしていることが多いですが、それでも独自のデータシート仕様（通常はVSWR 1.35:1未満）を満たす必要があります。実際の動作条件下で結合ポートの整合をテストすることが重要です。これは、INPUTポートを終端した状態だけでなく、INPUTポートを50オームのソースで駆動した状態でもS33をテストすることを意味します。これら2つの状態間で整合はVSWRで0.05程度異なる場合がありますが、データシートの値はほぼ常に終端されたケースで引用されています。

許容電力容量の評価

通常、平均50ワットおよびピーク500ワットのように記載される方向性結合器の電力定格は、性能が低下したり永久的な損傷が発生したりする前の動作限界を定義します。平均電力制限を超えると、たとえ短時間であっても内部温度が急速に上昇する可能性があります。例えば、50 Wの結合器に60 Wの平均電力を加えると、わずか90秒でコア温度が周囲温度より35°C上昇し、磁気特性が変化して結合値が0.4 dBシフトする可能性があります。ピーク電力定格は電圧アークをガードします。500 Wのピーク定格デバイスに2 kWのパルスを加えると、内部の伝送線路を横切って容易にアークが発生し、カーボン定着（焦げ跡）が形成され、方向性が永久的に15 dB低下してしまいます。

「結合器をその絶対定格限界でテストしてはなりません。50 Wのユニットの場合、45 Wに達するようにテストを設計し、性能のドリフトを監視してください。これにより、測定の不確かさや予期しない負荷のミスマッチを考慮した10%の安全マージンが確保されます。」

平均電力の取り扱いをテストするには、信号発生器、100 W定格の50オームダミーロード、および電力計が必要です。発生器をINPUTポートに、ダミーロードをOUTPUTポートに接続し、結合ポートを終端します。発生器を結合器の最も感度の高い周波数（通常は帯域の中間点、例えば3 GHz）のCWトーンに設定します。まず+20 dBm (0.1 W)のような低電力レベルから開始し、電力計を使用して出力負荷での電力を確認します。入力電力を5 dBステップで徐々に増やし、熱的に安定させるために各ステップで2分間保持します。各ステップで、COUPLEDポートの方向性電力計を使用して結合値を測定します。安定した結合器であれば、5 Wから45 Wまでの結合度の変化は±0.1 dB未満です。電力が上昇するにつれて-0.3 dBという緩やかなドリフトが見られる場合は、コアの加熱と故障の可能性を示しています。

ピーク電力テストには、1 kWのような高いピーク電力が可能なパルス信号発生器と、高電力プローブを備えたオシロスコープが必要です。パルス幅を10 µs、デューティサイクルを1%（PRF: 1 kHz）に設定します。この信号をINPUTポートに印加します。オシロスコープを使用して、COUPLEDポートでの波形を監視します。アークや歪みがないかを確認します。スコープ上でクリーンに再現された10 µsのパルスは、結合器がピーク電圧を扱えることを裏付けます。3 dBのリンギングを伴う歪んだパルスは、高電圧下でのインピーダンスの問題を示しています。

ケース上のホットスポットが95°Cを超えている場合は、内部の熱伝導が不十分であることを示しており、コンポーネントの寿命を10年から2年未満に短縮させます。1時間の45 Wテストの直後に、INPUTおよびOUTPUTポートを介して伝送線路のDC抵抗を測定してください。抵抗の著しい変化（5%以上）は、過熱による内部損傷を示しています。