周波数領域および時間領域におけるRFリレー測定

100 MHzを超える周波数応答であらゆる部品を評価するうえで最も重要なのは、優れたネットワークアナライザと、校正および実測の双方に向けて慎重に設計された試験治具です。時間領域での評価でも同様です。立上り時間特性を測定する際は、立上りパルスのオーバーシュートおよびアンダーシュートに注意する必要があり、これらは信号品質へ悪影響を与える場合があります。

治具設計は、高周波基板材料上に適切なSMAコネクタを実装するところから始まります。これに適した材料としてFR-4、G-Tech材料、および複数のRogers製PCB材料があります。治具のゼロイング工程で高周波損失特性が除去されるため、FR-4で十分だと考える人も多いです。一般則として、6 GHz未満であれば問題ありませんが、6 GHzを超える場合はRO3203やRO4350などのRogers高周波回路材料を使用すると試験性能が向上します。Rogersには、部品のTCE（熱膨張係数）マッチングや性能要件に応じて、ほかにも複数の材料があります。これらの多くはセラミック充填材です。

以下の図6、図7、図8、図9は、GND短絡、開放回路、スルーライン伝送、50Ωインピーダンス終端、およびデバイス試験に用いたレイアウトの校正用ボードレイアウトを示します。可能な限り多くのGNDポイントを設け、鋭角コーナーを避けました。信号経路の遷移はすべて、可能な限り緩やかにしました。

校正試験完了後、当社の試験プロセスは、Agilent Network Analyzer（型番8720ES）を用いて以下のとおり実施しました（試験レイアウトは図#4参照）。

すべての校正ボードをネットワークアナライザに登録して保存しました。その後、被試験リレーを測定して保存しました。次に校正データを入力し、各構成におけるボード由来の損失を抽出して、以下に示す結果を得ました。これは、提示した等価回路およびSパラメータを用いたMIMICAD pro-gramから抽出したデータと比較し、両者は非常に近い追従を示しました。

以下はネットワークアナライザから取得したデータに基づく結果です。アイソレーション、挿入損失、VSWRを含みます。また、全周波数範囲にわたり、特定周波数におけるインピーダンスを示すスミスチャートも以下に示します。

治具設計

試験治具の正確な形状（ジオメトリ）を定義することが、最初の重要ステップです。以下に4つのジオメトリと、特性インピーダンスを算出するための対応式を示します。

Z_o = 60/(√ (ε_r)) ln ((2h)/d)
式#5（同軸ケーブル）

ここで、hおよびdは上記のとおり定義され、ε_rは導体間材料の比誘電率です。

Z_o = 60/(√ (ε_r)) ln ((4hk_p)/d)
式#6（GND上の丸線）GND上の丸線

ここでk_pは、GND上の丸線に対する近接係数です。h/dの比が大きい場合は1に近づきますが、近接配置ではおおむね以下になります。

k_p = ½ + (√ (4h2 – d2))/4h
式#7

丸線がd = 2hでGNDに接触すると、k_pは½に低下します。近接効果は表皮効果と同じメカニズムに起因します。相互反発により、逆方向の電流を流す個々の導体では、同方向の電流が導体の外周端部へ押しやられます。これにより、丸線内の電流はGNDに最も近い側へ偏ります。リレー内を信号が通過する場合と同様に、同軸線路では丸形中心導体の表面全体がシールドから等距離にあるため、近接効果と表皮効果は区別できません。近接効果は通常、薄い矩形導体では考慮されませんが、表皮効果により電流は導体のエッジ側へ駆動されます。

Z_o = 60/(√ (ε_r)) ln ((5.98h)/(0.8w + t))
式#8（GND上の埋込みマイクロストリップ）

Z_o = 60/(√ (ε_r)) ln (3.8(h +0.5t)/(0.8w + t))
式#9（GNDプレーン間のストリップライン）

テストセットアップと試験治具

RF回路における部品を適切に試験する鍵は、試験治具の適切な使用です。

校正アプローチの重要性

治具は、リレーの特性評価をより適切に行うための校正ボードとして機能するように製作しました。被試験リレー（RUT）の試験に使用した治具ボードはすべて、試験装置との接続（入出力）および終端にSMAコネクタを使用しました。被試験ボードの構成は以下のとおりです。

• 50Ωライン＋開放終端で校正したRUT
• 50Ωライン＋短絡終端で校正したRUT
• 50Ωライン＋50Ω終端で校正したRUT
• 50Ωスルーラインで校正したRUT

挿入損失

前述のとおり、挿入損失はリレーを通過する電力の損失です。挿入損失はRFにおいて最も重要な測定の1つであり、部品（リードリレー）を通過する信号の損失を単純に示す指標です。この損失を最小化することが重要な関心事項です。

まず、図#10に示すとおり、7 GHzまで挿入損失が非常に良好であることが明確に分かります。挿入損失カーブは非常にフラットで、7 GHzで低下し始めます。これは、デジタル/アナログを問わず、このCRFセラミックリードリレーでスイッチングして通過させる信号が良好に扱えることを明確に示しています。半導体をスイッチング素子として使用する場合、相互変調歪が発生して周波数応答に歪みが生じることがあります。リードリレーのような受動デバイスでは相互変調歪が存在しないため、7 GHzまで非常にフラットな挿入損失となります。このフラットな挿入損失により、異なる周波数や異なる幅のデジタルパルスを多数扱う場合でも、周波数ごとに異なるスイッチを用意する必要があるのではないかと心配せずに、切り替え、伝送、取り扱いが可能になります。

銅線の挿入損失

周波数が高くなるにつれて、中心導体にニッケル/鉄を使用するリードリレーは性能特性があまり良くない、という提案がなされてきました。ニッケルや鉄は強磁性体であり、透磁率μが高いため、表皮効果が原因だとされることが多いです。しかし、図#11に示すとおり、これは当てはまりません。図#9のリードスイッチを純銅線に置き換えました。

図10と図#11を比較すると、差はほとんど、またはまったく見られません。高電力伝送条件では差が見られる可能性があります。しかし多くの用途と同様に、スイッチングされる電力は非常に低いため、7 GHzまでの影響は無視できる程度にとどまります。

VSWR

VSWRは、定在波による電力伝送への影響を表します。ライン上に定在波が存在すると、電力の一部がライン上で反射し、さらに源から再反射します。この往復反射により定在波が発生します。定在波は継続的に存在して電力を吸収し続けるため、源からの元の信号の伝送を妨げます。図12はリードリレーのVSWRを示します。アナログ連続波解析では重要なRF特性である一方、RF特性としては挿入損失のほうがより重視されます。

アイソレーション

アイソレーションは、RF信号が回路内でそれ以上伝搬するのを遮断する部品の能力です。リードリレーの場合、アイソレーションは開放状態において信号の進行を停止させる能力の指標です。開放状態のスイッチは、開いた接点の先へ信号が通らないことを意味すると一般に考えます。しかしRFでは、開放回路は完全な開放ではなく、接点間の容量がリーク経路となることが知られており、十分に高い周波数ではまさにそれが起こります。図#13に示すとおり、低いRF周波数では-50 dB以上のアイソレーションが得られますが、3 GHzで-15 dBまで低下し、7 GHzでは-10 dBのレベルまで続きます。このアイソレーション低下の一因は接点ギャップです。リードスイッチのギャップを拡大するのは非常に困難で、カプセルの大型化が必要となり、パッケージサイズが増加します。また、ギャップが大きいほどスイッチの閉成感度が低下し、より大きなコイル電力が必要になります。用途においてアイソレーションが重要パラメータである場合は、複数のリードリレーを直列に接続すると有効です。また、「T」スイッチまたはハーフ「T」スイッチの使用により、はるかに高いアイソレーションが得られます。

リターンロス

リターンロスもRFパラメータの1つですが、挿入損失やアイソレーションほどは使用されません。述べたとおり、源へ反射して戻るRF信号電力の指標です。図#14に示すとおり、低周波数では反射信号が35 dBで、6.5 GHzでは約10 dBが反射して戻っています。ここではdBレベルが大きいほど、反射される信号の割合が小さくなります。

特性インピーダンス

リレーの特性インピーダンス測定から最大限の情報を得るには、リレーを通過する途中の特定ポイントまでの信号を測定することが有効です。この測定は空間的測定であるため、リレーの各ポイントにおける実際のインピーダンスを測定できます。図#15に示すとおり、以下の参照ポイントを設定しました。

• 信号がリレーへ入る位置を定義する、リレー直前の短絡
• 開放接点：信号がリレー中央まで到達する状態を定義
• 閉成接点：信号経路がリレー終端まで到達する状態を定義
• 閉成接点＋リレー短絡
• 閉成接点＋リレー終端50Ω

リレーを通過する実測トレースに5つのトレースを重ね合わせることで、リレー各ポイントの特性インピーダンスを全体像として把握できます。これは特に、リレーや部品が50Ωインピーダンスからわずかに外れている場合に非常に有用です。図#15のトレースに示すとおり、このリレーは50Ωよりわずかに高めです。トレースが高いことは、リレーの入出力がわずかに誘導性であることを示します。リレー両端に少量の容量を付加して補償すると、インピーダンスを所望レベルへ調整できます。これにより、所定回路におけるリレー性能が改善し、高いRF周波数での性能向上にもつながります。

スミスチャート

• 1 – リレー直前の短絡
• 2 – 開放接点
• 3 – 閉成接点
• 4 – 閉成接点 – 短絡
• 5 – 閉成接点 – 50Ω

用途において複数のRF周波数を扱う場合や、特定周波数を評価する場合、スミスチャートは所定の周波数範囲にわたる特性インピーダンスを提示するため有用です。スミスチャートは、50 KHz刻みで4 GHzまでの周波数応答のプロットを示します。図#16に示すとおり、プロット点群は50Ωの実数点を中心に配置されています。このスミスチャートをより理解するために説明すると、大円の右側中心点から数えて2番目の点線円が50Ωインピーダンス円です。円を水平に横切る中心線が実軸です。この線より上のプロットは誘導性、下のプロットは容量性です。示すとおり、CRFリレーのプロットは実軸の周りにタイトな円となり、50Ω円軸を中心としています。

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