自宅がRF実験室に！1万円3GHzネットアナでSパラ測定

モバイル向け逆Fアンテナを評価してみた

• 著者・講師：知念 幸勇
• 主催：DigiKey
• 企画・編集：ZEPエンジニアリング株式会社

開発に使える3GHzネットワーク・アナライザが1万円で手に入る

NanoVNA V2（SAAV2）は，低価格でありながら高い性能をもつベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）です．

測定範囲は50kHzから3GHzに及び，周波数分解能は10kHz，ダイナミック・レンジは1.5GHz以下で70dB，3GHzまででは60dBを誇ります．これにより，Wi-Fiやモバイル向けのアンテナやフィルタのSパラメータ測定が可能です．特に，Sパラメータ測定によって得られる$S_{11}$（リターン・ロス）や$S_{21}$（挿入損失）の値は，アンテナや回路のインピーダンス特性を評価する際に非常に重要です．

NanoVNAの価格は約1万円と，従来のデスクトップ型VNAの約1/500で購入できるだけでなく，そのサイズは数十分の一以下と，ポータブル性に優れています．校正（SOLT校正）を行うことで，より正確な測定が可能です．

IFAアンテナのSパラメータ測定

逆F型アンテナ（IFA）は，Wi-FiやBluetoothなど2.4GHz帯を使用する無線通信機器でよく利用されるアンテナの1つです．

IFAの特徴は，小型ながら効率的な放射特性をもち，特にモバイル・デバイスでの使用に適しています．NanoVNA V2を用いてIFAのSパラメータを測定する際，校正された機器を使って，$S_{11}$（リターン・ロス）がどの周波数で最小になるかを調べます．例えば，2.4GHzでの$S_{11}$値が-20dBであれば，非常に効率のよいアンテナであると言えます．

NanoVNAを使った測定では，2.465GHzでの$S_{11}$が-20.41dBと，理想的な性能を示す結果が得られました．この結果は，無料のシミュレーション・ソフトSonnet Liteを使って得られたシミュレーション結果と比較することで，設計の妥当性を確認できます．

Sonnet Liteとのシミュレーション比較

NanoVNA V2で測定したSパラメータは，Sonnet Liteという電磁界シミュレータで解析されたデータと比較されます．

Sonnet Liteは，基板レイアウトのシミュレーションや電流密度分布の解析に優れています．実測とシミュレーションの比較により，アンテナ設計の改善点や，実装上の影響を見つけることができます．例えば，逆Fアンテナのシミュレーションでは，基板サイズやグラウンド・レイアウトの違いが結果に影響を与えることが確認されました．

Sパラメータとは？

概念

Sパラメータ（散乱パラメータ）は，RF回路やアンテナの性能を評価するための重要な指標です．

Sパラメータは，ネットワーク内での信号の反射と伝送を示すパラメータで，特に高周波回路設計においては不可欠なツールです．$S_{11}$は，入力ポートからの反射を示し，$S_{21}$は入力ポートから出力ポートへの伝送を表します．たとえば，アンテナの$S_{11}$が-20dBであれば，アンテナの放射効率が高く，ほとんどのエネルギが外部に放射されていることを意味します．

重要性

Sパラメータを測定することにより，回路やアンテナのインピーダンス特性を評価し，効率的な設計が可能になります．

例えば，2.4GHz帯のアンテナでは，$S_{11}$が-10dB以下であれば良好な設計と見なされますが，-20dB以上であれば非常に効率的なアンテナであることがわかります．この値は，実際の動作周波数でのアンテナの性能を定量的に示すため，設計の最適化やトラブルシューティングに役立ちます．

Sパラメータ測定とVNAの役割

ベクトル・ネットワーク・アナライザ（VNA）は，Sパラメータ測定のための主要な機器です．VNAは，アンテナや回路に信号を送信し，反射波や通過波を高精度で測定します．

例えば，NanoVNA V2のような低価格のVNAは，安価でポータブルながらも3GHzまでの高周波数帯域で正確なSパラメータ測定が可能です．測定結果は，例えばSonnet Liteのようなシミュレータと組み合わせることで，設計の精度を向上させることができます．

応用例

Sパラメータは，アンテナ設計だけでなく，フィルターや増幅器など，あらゆる高周波回路に適用されます．

例えば，$S_{21}$が高ければ，フィルターが通過する信号の損失が少ないことを意味し，逆に$S_{11}$が小さければ，回路やアンテナの反射損失が少なく，エネルギ効率がよいことを示します．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 沖縄高専名誉教授，GLEX代表（教育・研究コンサルタント）
• （株）東芝にて，光通信用半導体・送受信器の開発，高周波デバイスの応用技術などに25年間従事．国立沖縄高専にて，アナログ・ディジタル電子回路，高周波回路の講義などに12年間従事．専門領域：光通信，無線工学，半導体工学, バイオ・エレクトロニクス(工学博士，第一級陸上無線技術士，電気通信主任技術者）

著書

1. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. 7大電子回路シミュレータRF解析性能の見極め方，トランジスタ技術2020年1月号，CQ出版社．
3. 測定周波数50k～900MHz 5千円のネットワーク・アナライザ NanoVNA，トランジスタ技術2020年7月号，CQ出版社．
4. 2.5GHz帯アンテナとLNA回路製作，トランジスタ技術2020年2～3月号，CQ出版社
5. QAM-OFDM変調ディジタル無線通信における多層・複合材料の電磁波遮蔽の評価，電子情報通信学会論文誌 招待論文2021年6月号，電子情報通信学会論文誌

参考文献

1. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータMkⅡ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. [技術連載]5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．