100WのRF電源で1kWのテストを実行：Design Ideas 計測とテスト
出力1kWで50時間のバーンイン試験を実施するにあたり、手元に100WのRF電力発生器しかない場合がある。そこで、今回は100WのRF電力発生器から1kWを発生する回路を紹介する。
伝送線路に電力を蓄えることで1kWを得る
13.56MHzのISM（industrial, scientific, and medical）帯RF測定器は、1kWで50時間のバーンイン試験を必要とする。被試験装置には、1kWに相当するRF電圧とRF電流を加えなければならない。しかし、筆者の手元には100WのRF電力発生器しかなかった。
そこで、100WのRF電力発生器から1kWを発生する回路を考案した（図1）。伝送線路に電力を蓄えることで1kWを得る。伝送線路は2本あり、RG-213同軸ケーブルの両端にUHFコネクターを取り付けた。長さは電気長で43度、約6フィート（約183cm）である。被試験装置は2本の伝送線路（T1とT2）の間にあり、電気長は4度である。全体の電気長は90度となる。市販のアマチュア無線用アンテナチューナーで、50ΩのRF発生器と伝送線路の入力インピーダンスの整合をとる。
回路動作は簡単である。RF電力はアンテナチューナーを経由して伝送線路の入力端に伝わる。RF電力は伝送線路の短絡端にまで伝搬し、そこで反射して入力端へと戻っていく。反射電力はアンテナチューナーでさらに反射し、アンテナチューナーが発生するRF電力（次の半周期分）と結合して再び伝送線路の短絡端へと流れる。この過程を繰り返すことによって、伝送線路が蓄えるエネルギーが増えていく。この繰り返しは回路の損失がRF発生器の電力と等しくなるまで続く。
回路動作をインピーダンスからも考える。一方が短絡してあり、無損失で、電気長が90度の伝送線路の入力インピーダンスは無限大である。すなわち短絡端ではV/Iはゼロであり、入力端ではV/Iは無限に大きい。被試験装置を配置した中央部では、V/Iは伝送線路の特性インピーダンスに等しい。今回の特性インピーダンスは50Ωである。RF電圧とRF電流には90度の位相差が生じる。ただしこのことは、バーンイン試験には影響しない。
被試験装置に1kWを与えるには、どのくらいの電力を伝送線路に入力すべきかを計算する。6フィートのRG-213同軸ケーブルによる損失は0.025dB、被試験装置による損失は0.05dB。従ってRF信号の下り方向の損失は0.1dB、往復での損失RLは0.2dBになる。
入力電力PINが1kWのときに、反射電力PRは次式で計算できる。
1000Wの電力が伝送線路を伝わると、955Wの電力が入力へと反射する。
伝送線路に注入すべき電力は、入力電力PINから反射電力PRを差し引いた電力に等しい。1000W−955W、すなわち45Wである。伝送線路による損失と被試験装置による損失はいずれも0.05dBなので、45Wを両者で半分ずつ消費することになる。測定によると、アンテナチューナーの損失は40Wである。全回路の損失は85Wになる。
伝送線路の入力インピーダンスZINは、伝送線路の入力複素反射係数（Γ）を計算し、そのΓを用いてZINに関する式を解いて求める。
さらに、
である。従ってアンテナチューナーは、RF電力発生器の出力インピーダンス50Ωと、伝送線路の入力インピーダンス4.3kΩを整合させなければならない。
回路の動作は、被試験装置の電圧および電流の振幅と位相を測定することによって確認できる。電圧プローブと電流プローブを備えたオシロスコープを測定に利用する。被試験装置の電力計で、進行波と反射波の電力が1kWであることを確認できる。
回路のQ値は高いので、共振を得るためには同軸ケーブルの長さを調整するよりもRF発生源の発振周波数を調整したほうが簡単である。この回路の動作を制限する要因は、同軸ケーブルの温度上昇とインピーダンス整合回路による損失だ。損失の低い同軸ケーブルを使えば、電力の増倍率を上げて被試験装置への電力を増やせる。
Design Ideas〜回路設計アイデア集
【アナログ機能回路】：フィルター回路や発振回路、センサー回路など
【パワー関連と電源】：ノイズの低減手法、保護回路など
【ディスプレイとドライバー】：LEDの制御、活用法など
【計測とテスト】：簡易テスターの設計例、旧式の計測装置の有効な活用法など
【信号源とパルス処理】：その他のユニークな回路
※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事から200本を厳選し、5つのカテゴリーに分けて収録した。
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.
関連記事
FETプローブでRFスペアナの測定範囲を拡大
今回は、安価で保護機能も十分な利得1のプローブで、実験室用の手頃なオシロスコープと同じ入力インピーダンスを提供し、スペアナの50Ω入力インピーダンスを駆動できる回路を紹介する。
周波数を調整できる高周波ノッチフィルター
今回は、8ピンパッケージのデュアルオペアンプICと、8ピンパッケージのスイッチドキャパシター帯域通過フィルターを使ったノッチフィルターを紹介する。
TDR測定の基本を押さえる
TDR測定は、ケーブルやコネクタ、プリント基板、LSIパッケージなどの検証やトラブルシューティングに用いられている。これを利用することによって、伝送される信号のシグナルインテグリティを保証することが可能になる。本稿では、まずTDR測定の歴史と基本原理を押さえた上で、それを利用するメリットや最新の測定環境について解説を加える。
基礎から学ぶRFスイッチ
RFスイッチの分野では、電気機械式、PINダイオード、GaAsといった従来型に代わって、バルクCMOS、MEMS、SOSなどを採用した新しい製品が徐々に増えつつある。これらは、従来のスイッチに比べて占有面積が小さい、寿命が長い、といったメリットを持つ。ただし、こうしたメリットに目を向けるだけではなく、それぞれの仕様が要件に合っているか否かを正しく見極めることが重要だ。
RFテスト開発の現場
テスト装置が進化を遂げる一方で、RFテストの現場では、装置が備える専用の測定/解析機能を使用せず、アルゴリズムやテストプログラム、テストの自動化手法を独自に開発/使用しているエンジニアも多い。本稿では4社のエンジニアに対して行った取材を基に、それぞれがどのような理由で、どのような取り組みを行っているのかを紹介する。
RF回路のIP化は可能なのか？
次世代のスマートホンなど、高度な携帯機器向けSoCには、ベースバンド回路、アプリケーションプロセッサ、アクセラレータ、メモリーなどが集積される。ただし、必要なのはそれだけではない。これらに加えて、無線接続用のRF回路を複数集積しなければならないのだ。そして、その作業は容易ではない。そこで必要になると考えられるのはRF回路のIPの再利用である。果たしてこれは実現可能なのだろうか。