LTspiceでSパラメータの基礎を体験(スミスチャート編)

LTspiceなどのSPICE系アナログ回路シミュレータの基本は回路動作を再現し、結果を（測定器に置き換えれば）オシロスコープ、スペクトラムアナライザ、電圧計、電流計のように表示します。

しかし、周波数が高くなると回路動作自体を再現することが難しくなり、普通はSパラメータを利用してシミュレーションを行います。測定器で言えばネットワークアナライザに相当します。

内部動作を回路的にシミュレーションしないSパラメータは、ある意味、入出力特性しか扱わないIBISモデルに近いかもしれません。

LTspiceには類似パラメータとして「Yパラメータ」「Zパラメータ」などもありますが、今回、ここで体験するのは高周波で一般的な「Sパラメータ」とします。

■Sパラメータについて

Sパラメータとは端子に入力した信号(入射波)と、そこから戻ってくる信号(反射波)の関係を表しています。

具体的なSパラメータの定義は以下の図のようになっています。例えばPort1のインピーダンスをZinとすると、この入力端子(Port1)に接続するブロックの出力インピーダンスがZinになっていれば反射波は存在しません。言い換えるとb1=0と表現できます。

Sパラメータの関係式

Sパラメータ付属の番号は最初の数字が出力端子、二番目の数字が入力端子いうイメージです。

例えばS11なら端子1に信号を入れて端子１から出てくる信号、S21なら端子1に信号を入れて端子２から出てくる信号のイメージです。

Sパラメータを求める場合、例えばS11はa2=0と言う条件があります。この意味は「2 port Net-work」の出力インピーダンスがport2の端子に接続される負荷と同じになっていると言うことです。

最初から具体的にイメージをするのが難しいSパラメータの定義が出てきましたが心配しないでください。十分に理解できなくても、ツールとしては大いに役立つパラメータになります。

入出力インピーダンスが共にZoで使用される回路では
　S11＝入力インピーダンス
　S21＝順方向挿入損失
　S12＝逆方向挿入損失
　S22＝出力インピーダンス

を直接、表すパラメータになっていて非常に使いやすくなります。

以降、具体的な設計例を体験しながらSパラメータのイメージを膨らませていきましょう。

■ネットワークアナライザとは

Sパラメータを扱うには、先ず、パラメータを測定する必要があります。一般にはネットワークアナライザと言われる測定器は使って測定します。

測定ブロック「DUT」を以下の図のように接続して測定しますが、ネットワークアナライザの種類によっては、「パワースプリッタ」や「カプラー(方向性結合器)」が外付けになることもあります。

ネットワークアナライザ

測定結果は後程、説明する「スミスチャート」上などに表示され、マッチング調整などに使われます。

■LTspiceでSパラメータを求める設定

Sパラメータの測定法等がイメージできてきたと思うのでLTspiceを使ってSパラメータを求めてみましょう。

Sパラメータを求めるには「.netコマンド」を使います。負荷の抵抗をR1、信号源をV1とすると設定の仕方は2通りあります。

.net I(R1) V1 　
　　　　or
.net I(R1) V1　Rin=50 Rout=50

前者の場合は信号源のインピーダンスは信号源設定でRser=50、負荷インピーダンスもR1=50と実際に接続しておきます。