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📡 RF・回路

高周波と回路のふるまい。スミスチャート・ボード線図・PLL・位相雑音・スペクトル・干渉。

NanoVNA 測定ビューア(スミスチャート)
NanoVNA などで測った Touchstone ファイル(.s1p) を読み込んで、スミスチャートとリターンロスを描く。教科書の図じゃなく、自分で測った実物を見るためのもの。
まずはデモ波形で動かして、手元に測定ファイルができたら下の枠にドラッグ&ドロップ(または選択)すれば、本物のデータに差し替わるよ。
スミスチャート(S11 = 反射係数 Γ)
読み取り(マーカー位置)
リターンロス |S11| [dB] — 共振で谷ができる
デモ:
インタラクティブ:直列 RLC を手で動かす(50Ωの先に R—L—C が直列)
35 Ω
120 nH
10 pF
R=中心への近さ(整合)、L↔C=共振周波数の谷が左右に動く。R=0 にすると無損失で外周に貼り付く。
ここに .s1p ファイルをドラッグ&ドロップ、またはクリックして選択
LCフィルタ設計(ボード線図)
ローパス/ハイパス/バンドパスを、1次・2次で切り替えてボード線図(振幅と位相)で見る。
カットオフ fc と、2次では Q(鋭さ)を動かすと、−3dB点・傾き(−20/−40 dB/dec)・共振の山がどう動くかが掴める。
振幅 |H| [dB]
位相 ∠H [deg]
種類:
次数:
回路図
部品の値(実用レンジ)— fc・Qは自動計算
PLLシミュレータ(引き込み・整定)
位相比較器→ループフィルタ→VCO の2次PLL(type-II)。基準周波数をステップ変化させたとき、VCOがどう引き込んで整定するかを時間で見る。
ループ帯域 fn と 減衰 ζ を動かすと、行き過ぎ(オーバーシュート)と整定時間のトレードオフが掴める。
VCO周波数の追従(目標=点線)
位相誤差 θe(→ 0 に収束)
100 Hz
0.71
1 kHz
位相雑音スペクトル — ℒ(f) を動かして掴む
発振器の出力スペクトルは、キャリアの鋭いスパイクの両裾に雑音の「スカート」が広がってる。その下がり具合を表すのが ℒ(f)(dBc/Hz)── オフセット f で 1 Hz 幅を切り取ると、キャリアより何 dB 下か。
Leeson のモデルでスライダーを動かすと、スカートの形が変わる。Q を上げると一気に下がる(=水晶発振器がクリーンな理由)。信号電力やフリッカーのコーナーも効く。グラフをドラッグすると、その offset の ℒ(f) が読める。
ℒ(f) [dBc/Hz] vs オフセット周波数(log-log)
1e3
100 MHz
0 dBm
10 kHz
6 dB
例:
波の干渉とビームフォーミング
一直線に並んだ複数の波源がつくる干渉場。素子の間隔と素子ごとの位相差を変えると、波が強め合う方向(ビーム)が向きを変える。アンテナを機械的に動かさずにビームを振る ── フェーズドアレイ(レーダーや5G基地局)の原理だよ。
左が干渉場(明るいほど波が強い)、右が遠方でのビームパターン(アレイファクタ)。位相差を振ると主ビームがスッと首を振る。
FIELD — 干渉場(波源は下辺)
BEAM PATTERN — 遠方放射 [dB]
6
0.50
0
プリセット:
Fourier スケッチブック
左のキャンバスにマウスで形を描くと、回転する円(エピサイクル)の重ね合わせが元の形を再現する。
フーリエ級数は「任意の周期関数を正弦波の和で表せる」という話で、これはその可視化。RFでいえば、任意の波形をスペクトルに分解してまた足し合わせるようなもの。
INPUT — ここに描く
OUTPUT — エピサイクル
SPECTRUM — 周波数成分の振幅(明るいバー = 今回転中の円)
32
6
プリセット:
左に描いてね。マウスを離したら解析が始まる。
ΔΣ変調 — 1bitはどうやって滑らかな信号を運ぶのか
ΔΣ変調器は、なめらかな入力を「+1 か −1 か」だけの1bitストリームに変える。秘密はノイズシェイピング——量子化で出る粗さ(ノイズ)を、信号のある低い周波数から高い周波数へ追い出すこと。あとから低域だけ通せば、1bitなのに高分解能の信号が戻ってくる。
上=入力と復元出力、中=1bit出力ストリーム(濃淡が入力を追う)、下=スペクトル。「ノイズシェイピング」を OFF にすると、誤差を持ち越すループ(ΔΣの心臓)を外した状態=ΔΣをOFFにするのと同じで、過去を見ずにその場を丸めるだけの素の1bit量子化に退化する。Δ(差分)もΣ(積分)もそのループの中の操作だから、OFFはどちらも止めるということ。だから余計な成分が帯域内に居座る。溜まって吐く様子を1サンプルずつ追うなら /dsm(ΔΣを一歩ずつ) へ。デモ用の素朴な実装だよ。
ΔΣ MODULATOR — 入力 / 1bit出力 / スペクトル
16
0.60
7
なぜ効くのか
信号 X はそのまま通り、量子化ノイズ E には (1−z⁻¹)ᴺ という高域通過がかかる(N=次数)。低い周波数では 1−z⁻¹≈0 だからノイズが消える=信号の居る帯域だけ静かになる。
OSR を2倍にするごとに、1次なら約 +9 dB、2次なら約 +15 dB ぶん S/N が良くなる。速く回すほど、あるいは次数を上げるほど、1bitでも分解能が上がるという仕組みだよ。