高周波設計におけるSパラメータとは
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Sパラメータは、回路を評価するために使用される高周波設計における主要なツールの一つです。RFおよびマイクロ波領域では、信号周波数が非常に高くなるため、銅線では信号を伝送できず、情報損失の可能性が大幅に増加します。電圧や電流による信号測定は不可能ですが、特定のパラメータを用いることでシステムの挙動を把握し、散乱パラメータ（Sパラメータ）計算を適用できます。Sパラメータは複雑な複素数のように見えますが、単にネットワーク端口におけるRF信号の挙動を記述する手段です。これは2端口ネットワークを基盤とし、電力の反射量・伝送量・吸収量を決定します。
1. なぜSパラメータが必要なのか？
低周波数では、電圧と電流が明確に定義されるため、オームの法則やキルヒホッフの法則を容易に適用できます。そこでシステムの特性を定義するために、Z、Y、H、Gなどのパラメータを使用します。しかし高周波数（数百MHz以上）では：
配線は分布インダクタンスと容量を持つ伝送線路のように振る舞います。電圧と電流はその伝送線路に沿って変化する。寄生成分と放射効果は大幅に増大し、唯一重要な要素となる。回路を乱さずに電流を直接測定することは困難である。Sパラメータは電圧や電流の代わりに、進行波（入射波と反射波）を用いてネットワークの挙動を記述する。
2. Sパラメータの物理的意味
ある部品（例：増幅器、フィルタ、アンテナ）にポート（入力と出力）があると想像してください。その動作を確認するには、入力励起を加えて応答を記録します。特にSパラメータでは、信号の反射を探します：
これにより、信号が（インピーダンス不整合により）どのように反射されるかを把握できます。信号のどの部分が他のポートへ伝送されるのか？また、放射や熱として失われる信号の部分は何か。Sパラメータは、単にこれらの入射波と反射波の比率です：
場所:
⦁ i = 出力ポート番号
⦁ j = 入力ポート番号
ポートが2つ、端子が4つあるため、合計4通りの組み合わせが存在します。これらは次のセクションで確認します。Sijパラメータは振幅と位相情報を含み、波の挙動を予測するために使用されます：
⦁ 振幅（|Sij|）は信号がどれだけ透過または反射されるかを示します。
⦁ 位相（∠Sij）は入力と出力間の位相差を示します。
3. S11からS22（およびそれ以上）の理解)
2ポートネットワーク（RFで一般的）では、4つのSパラメータがあります：
S11（入力整合性）：
ポート1における入力反射係数。ポート1から反射される信号の量を示す。入力リターンロスやVSWRに関連。S11 = 0なら完全整合（反射なし）、|S11|が大きいほど整合不良（高反射）。デシベル単位でのリターンロスの表現：
S21（順方向利得または損失）：
ポート1からポート2への順方向伝送。入力から出力へ伝わる信号量を示す。利得（または損失）に関連する。正のdBは増幅を、負のdBは減衰を意味する。
S12（逆方向アイソレーション）：
ポート2からポート1への逆方向伝送。逆方向アイソレーションを測定する。増幅器では、フィードバックや発振を避けるため、S12を可能な限り低く抑える必要がある。
S22(出力整合性):
ポート2における出力反射係数。ポート2から反射される信号の量を示す。出力リターンロスおよび負荷整合に関連し、S11と非常に類似しているが、出力側での測定値である。また負荷への最大電力伝送量を測定するために用いられる。
4. Sパラメータ設計アプローチ
まずデバイスのSパラメータを測定またはシミュレーションする必要がある。測定にはベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いる。次にS11とS22を用いてインピーダンス整合回路を設計する。このステップでは反射を最小化し電力伝送を最大化しなければならない。
最大利用可能利得（MAG）または最大安定利得（MSG）を決定する必要があります。測定には、デバイスをカスケード接続する際、Sパラメータを他のネットワークパラメータ（ABCD、Y、Z）に変換する必要があります。目標とするS21（利得）、S11/S22（整合）、S12（アイソレーション）の仕様を満たすよう部品値を調整します。
結論
S-parameters are the language of high-frequency design. An example to 4 parameters are:
Sパラメータは高周波設計の共通言語です。4つのパラメータ例：
⦁ S11 = -15 dB → 良好な入力整合（VSWR ≈ 1.43）
⦁ S21 = 10 dB → 増幅器は約10倍の電圧利得を提供
⦁ S12 = -40 dB → 優れた逆方向アイソレーション
⦁ S22 = -12 dB → 良好な出力整合
RF/マイクロ波設計に携わる場合、Sパラメータを用いた測定と設計は不可欠です。アンテナからフィルタ、高速デジタルインターコネクトに至るまで、Sパラメータは理論と実性能をつなぐ架け橋となります。
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