ケーブルインピーダンス測定

同軸ケーブルのインピーダンス

同軸ケーブルは次の3つの主要な要素で構成されています。

• 内部導線：信号を搬送する芯線。
• 誘電絶縁材料：内部導線の周囲にある絶縁材料のレイヤー。
• 導電性の外側シールド：誘電体レイヤーを包む金属製シールド。信号の戻り経路として機能すると同時に、外部の電磁波障害を防ぎます。

通常、これらの部分は、さらにプラスチック製の絶縁体レイヤーで覆われています。同軸ケーブルの特性インピーダンスは、内部導線の直径と外側シールドの直径、およびこれらの間にある絶縁材料の誘電率の関数で求められます。大半の同軸ケーブルは、50または75Ωの特性インピーダンスで設計されています。一般にインピーダンスはケーブルの外装部分に印字されていますが、この情報が見つからない場合は、VNAで測定することができます。

VNAによる同軸ケーブルの特性インピーダンスの測定

VNAは、4分の1波長インピーダンス変圧器の原理を使用して同軸ケーブルの特性インピーダンスを測定できます。4分の1波長インピーダンス変圧器とは、4分の1の波長を持ち、既知のインピーダンスZLで終端する伝送ラインです。特性インピーダンスZ0は、既知の値であるZLと、VNAで測定される入力インピーダンスZinから計算できます。

測定プロセスは、以下の4つのステップに分けることができます。

• VNAの校正：VNAでOSM（オープン、ショート、マッチ）校正を行います。このステップで精度は向上しますが、単にケーブルインピーダンスが50または75Ωかどうかを確認することが目的の場合、このステップは不要かもしれません。
• ケーブルの接続：同軸ケーブルをVNAに接続し、50Ωの負荷で終端します。
• S11測定の実行：VNAで反射（S11）測定を設定し、実行します。掃引のスタート／ストップ周波数を適切に設定する必要があります。
• スミスチャートによる測定結果の解釈：測定結果をスミスチャートにプロットしてインピーダンスを確認します。ケーブルと負荷のインピーダンスがどちらも50Ωの場合、スミスチャートの中央に小さい円が表示されます。ケーブルと負荷のインピーダンスが異なる場合、トレースの形は円の一部か、複数の円になります。

正しい掃引周波数の設定

インピーダンスを正確に測定するには、掃引周波数を正しく設定する必要があります。

• スタート周波数は低くします。通常は100 kHz以下です。
• ストップ周波数は、トレースが抵抗軸に1回だけ交わるような十分な高さに設定する必要があります。理想のストップ周波数（MHz単位）は、75をケーブル長の概数（メートル単位）で割って見積もることができます。この見積もりは、ケーブルの信号速度の4分の1波長に基づきます。

ケーブルは真空と比較して信号の伝搬速度が遅いため、計算されたストップ周波数では、スミスチャート上でわずかにオーバーシュートが起こる可能性があります。しかし、その場合でも許容可能な測定結果が得られます。

ケーブルインピーダンスの確認

「理想的な」トレースを取得した後、マーカーを使用して、トレースと抵抗軸の交点を見つけます。この値が入力インピーダンスZ_inを表します。トレースポイントが厳密に抵抗軸上にない場合でも、最も近いポイントを使用すれば、正確な測定結果が得られます。最後に、Z_inの測定値と既知の負荷インピーダンスZ_Lを使用して、ケーブルの特性インピーダンスを計算します。