EMC村の民
~iNarte EMCエンジニアへの道~
その他

Sパラメータ入門

 

高周波特性のデータによく出てくる「Sパラメータ」。

EMCに関わりだした当初、コレが何を意味するのかわからず困った方も多いかと思います。

 

今回の記事では「Sパラメータ入門」として、初心者の方向けに数式などを用いずに解説します。

 

 

Sパラメータとは

回路の特性をパラメータとして表すものにはいくつか種類があります。

ABCDパラメータ、Yパラメータ、Zパラメータ・・・

Sパラメータもこのような回路の特性を表す形式の1つです。

 

Sパラメータの「S」は ”Scattering” の略で、「散乱」という意味です。

散乱の意味を調べると

波動や粒子線などが凹凸のある面や微粒子に当たって、いろいろな方向に進路を変えること

とあります。

 

高周波回路に置き換えて考えると

ある回路に信号が入射すると、「反射」「透過」「結合」などの作用によって、いろいろな端子から信号が出てきます。

これがあたかも回路によって信号が散乱しているかのように捉えられることから、Sパラメータと名付けられました。

 

ちなみにSパラメータを高周波回路に初めて応用した人物は日本人の黒川 兼行氏で、1965年に「Power Waves and the Scattering Matrix」として論文発表されています。

絶版となっていますが、その頃執筆された書籍がこちら。

 

この当時のエピソードについては、RFワールドNo.10で市川 古都美氏のインタビューによって紹介されているので、興味のある方はチェックしてください。

(当時の雰囲気を窺い知ることができておもしろいです。)

 

話が逸れてしまいました。

高周波回路の特性を表すのに用いられるものが「Sパラメータ」です。

では、なぜ高周波の回路の特性をSパラメータで表すのか。

その理由について解説します。

 

 

なぜSパラメータなのか?

回路の特性を評価する場合、一般的には電圧や電流を測定します。

ところが高周波の場合、電圧や電流を直接測定することが容易ではありません。

 

電圧を測定する場合を考えてみましょう。

電圧を測定しようと思うと、通常は測定対象物(DUT)に対して並列に高抵抗の回路を接続して電圧を測定します。

小学生の頃に習う「電圧計」ですね。

電圧計 出典:中学理科の学習

 

ところがこの方式で高周波電圧を測定すると問題が発生します。

寄生容量(いわゆる目に見えないコンデンサ成分)の影響です。

 

コンデンサは周波数が高くなると、インピーダンスが低くなる性質を持ちます。

そして寄生容量は電圧計の両端に付与されるため、電圧計のインピーダンスも高周波で低くなります。

すると、DUTにだけ流れるはずの電流が電圧計側にも流れてしまい、その影響によってDUTの両端にかかる電圧が低下します。

つまり電圧を正しく測定できないということです。

 

では高周波ではどうすべきか。

ここで着目するのが「電力」です。

そして電力に注目したものが「Sパラメータ」です。

 

Sパラメータの測定方法については別の記事で説明していますのでそちらを参考にしてください。

ネットワークアナライザでのSOLT校正ネットワークアナライザのSOLT校正について、具体的な作業ベースに紹介しています。...
高周波測定に必要な部品高周波測定で使用される代表的な部品「アッテネータ」「アンプ」「ミキサー」について紹介します。...

 

 

タッチストーンファイル

Sパラメータ形式で表されたデータを見ていると「タッチストーン」というファイル形式を目にすることがあります。

タッチストーンファイルは主に電子部品の特性を表すときに使用されます。

中身はSパラメータのデータが格納されています。

 

タッチストーンファイルを使用することで、部品をモデル化することなく回路シミュレーションできるため非常に便利です。

ちなみに以前紹介したQucsStudioでも使用することができます。

高周波回路シミュレーター「QucsStudio」の導入方法(無料) 以前、フリーのツールとして「AppCAD」の機能を紹介しましたが、さらに無償ツールのご紹介です。 ...

(LTspiceなどのSPICE系のシミュレータでは使用できません)

 

ファイルの記述方法については、キーサイトのネットワークアナライザのヘルプがわかりやすいので参考にしてください。

 

 

おわりに

Sパラメータの入門編として概要を紹介しました。

入門編なので数式を使わずに説明しましたが、なかなか難しいですね。

とりあえずイメージだけでも掴んでいただければよいのですが。。。

 

Sパラメータを勉強するための資料としては、ネットにも良い資料がありますが中級者以上向けの内容になります。

・広島大学 Sパラ再入門(天川先生)

・TDK Sパラメータによる電子部品の評価(藤城 氏)

 

基礎から学びたい方は、やはり参考書を手にとって見るのが良いとも思います。

本当の入門編として学ぶには「わかりやすい高周波技術入門」

高周波について学び始めるのに最適な一冊です。

 

入門編からのステップアップには「高周波回路設計のためのSパラメータ詳解」

Sパラメータの成り立ちから、実務での活用方法までコレ一冊でカバーできます。

 

もちろんどちらの参考書も「iNarte資格試験」や「EMC設計技術者試験」に利用できます。

iNarte試験オススメ参考書【12選】iNarte資格試験用のおすすめの参考書を出題分野別に12冊紹介しています。...
EMC設計技術者(EMC Design エンジニア)EMC設計技術者の「概要」と「勉強方法」について紹介しています。...

資格取得の手助けとして活用してください。

 

今回は以上です。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

 

ABOUT ME
エンジャー
EMCやノイズ対策に関する情報発信を日々行っています。 ( iNarte EMC Engineer、第一級陸上無線技術士)

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