非常に便利な同軸アダプタの基礎を理解して有効活用

著者 Art Pini

DigiKeyの北米担当編集者の提供

2020-12-29

高周波電気信号の送受信を伴う電子計測機器のユーザーは、同軸接続が多用されていることから馴染みがあります。そのため、複数の計測機器を接続したり、同軸ケーブルを延長したりするまでは、このような接続タイプはある程度当たり前のように考えられています。この時点で、設計者や他の機器ユーザーはアダプタを使用することになるかもしれませんが、その前に、使用する可能性のある各タイプのアダプタの用途と特性を十分に理解しておく必要があります。

アダプタに多数の種類があるのには理由があります。「ティー」アダプタは単一の信号源を複数の計測機器に接続し、「バレル」アダプタは同軸ケーブル接続を延長します。また、DCブロック、バイアスティー、インピーダンスパッド、サージプロテクタ、終端などがあります。これらはすべて一般的に使用されていますが、完全に理解されていないこともあります。これらのアダプタを正しく使用するには、伝送ラインの基本的な知識と選択時の注意が必要です。

この記事では伝送ラインの概要を説明します。次にさまざまなタイプの同軸アダプタを紹介し、その動作方法と最適な適用方法について説明します。Amphenol RF、AmphenolのTimes Microwave Systems、Crystek Corporationの実例を紹介します。

伝送ラインとは？

伝送ラインは、同軸ケーブル、フラットライン、マイクロストリップなどの形態で信号源と負荷を接続します。伝送ラインは、導体の物理的な寸法、間隔、導体の絶縁に使用される誘電体材料によって決定される特性インピーダンスを持っています。同軸ケーブルの特性インピーダンスは通常、一般的なRF作業では50Ω、ビデオアプリケーションでは75Ωです。

ソースから負荷への電力伝送効率を最大にするためには、ソースのインピーダンス、伝送ラインの特性インピーダンス、負荷インピーダンスを整合する必要があります。インピーダンスが異なる場合は、不整合のある接合部からエネルギーが反射されます。たとえば、負荷インピーダンスがソースと伝送ラインのインピーダンスと異なる場合、エネルギーは負荷からソースに向かって反射されます（図1）。

画像：不整合負荷の同軸ライン 図1：不整合負荷の同軸ラインは、エネルギーを負荷からソースに向かって反射し、伝送経路に定在波を発生させます。（画像提供：DigiKey）

入射波と反射波は、伝送経路に沿って付加的に結合し、経路の物理的長さにわたって振幅が周期的に変化する定在波を形成します。定在波は測定誤差の原因となり、コンポーネントの損傷につながる可能性があります。ソース、伝送ライン、負荷のインピーダンス整合により、定在波の発生を防ぎます。これにより、電源から負荷への電力伝送を最も効率的に行うことができます。

インピーダンス整合が求められるため、適切なアダプタを使用することが重要です。しかし、設計者がすぐに気付くように、アダプタは多種多様であり、多くの場合、基本的な接続を形成する以上の特性を備えています。

ティーアダプタ

単一のソース、オシロスコープ、スペクトラムアナライザからなる基本的な計測システムを考えてみましょう（図2）。

図：この例で3つの計測機器を接続する図2：この例の3つの計測機器をティーアダプタで接続するには、信号源での不整合を防ぐために、オシロスコープの入力インピーダンスを調整する必要があります。（画像提供：DigiKey）

この信号源は、出力インピーダンスが50Ωであり、50Ω負荷に動作することを意図しています。オシロスコープとスペクトラムアナライザの両方を50Ωの入力終端に設定した状態でティーアダプタを使用して接続すると、信号源に25Ωの負荷がかかり、出力が低下してケーブルに定在波が発生してしまいます。ここでの解決策は、図のように、同軸ケーブルの中央にある計測機器を高インピーダンスの入力終端に設定し、同軸ケーブルの向こう側にある計測機器を50Ωの入力終端に設定することです。信号源に50Ωの負荷がかかり、すべてが機能します。

Amphenol RFの112461（図3）は、BNCプラグが1つ、BNCジャックが2つのBNCティーアダプタで、4GHzの帯域幅を提供します。帯域幅が4GHz未満の計測機器向けに、例示した構成で使用することができます。

画像：Amphenolの112461 BNCティーアダプタ図3：Amphenolの112461 BNCティーアダプタは4GHzの帯域幅を提供します。図1に示す例では、オシロスコープの入力にプラグを接続し、BNCジャックから信号源とスペクトラムアナライザに同軸ケーブルを接続しています。（画像提供：Amphenol RF）

選択するティーアダプタのタイプは、計測機器に使用されているコネクタに依存し、それぞれの計測機器の帯域幅に基づいています。一般的に、ティーアダプタのような同軸アダプタは、40GHzを超える帯域幅では信号損失が問題となるため、使用できません。アダプタと使用できる計測機器用の一般的な同軸コネクタのリストを、主要な属性とともに示します（表1）。

タイプ	帯域幅（GHz）	インピーダンス	VSWR	カップリング方法	サイズ	仕様	備考
2.92mm K	40	50Ω	1.34:1	ネジ込み	サブミニチュア	IEEE Std.287	3.5mmおよびSMA（一部）と嵌合最大トルク：8 in-lb（90 N-cm）
3.5mm	33	50Ω	1.30:1	ネジ込み	サブミニチュア	IEEE Std.287	2.92mmおよびSMA（一部）と嵌合最大トルク：8 in-lb（90 N-cm）
BNC	6	50Ω 75Ω	1.2:1	バヨネット	ミニチュア	MIL-STD-348 MIL-C-39012
N	18	50Ω	1.35:1	ネジ込み	標準	IEEE Std.287 MIL-C-39012	最大トルク：12 in-lb（135 N-cm）
SMA	18	50Ω	1.2:1	ネジ込み	サブミニチュア	MIL-STD-348 MIL-C-39012	最大トルク：5 in-lb（56 N-cm）

表1：アダプタと使用できる一般的な同軸コネクタのファミリ。40GHzを超えると、アダプタで損失が発生し、操作に適さなくなります。（表提供：DigiKey）

コネクタファミリのアダプタ

コネクタのタイプが複数あると、あるタイプのコネクタから別のタイプのコネクタへの変換が必要になります。入力BNCコネクタからのSMAケーブルをオシロスコープやスペクトラムアナライザに接続する場合を考えてみましょう。このような状況のために、Amphenol RFの242103は、計測機器に接続するBNCプラグと、SMAケーブルを接続するSMAジャックを提供しています（図4）。

画像：Amphenol RFのBNC～SMAアダプタ図4：SMAケーブルを計測機器の入力に接続する必要がある場合は、BNC～SMAアダプタをBNCジャックとSMAプラグの間に配置します。（画像提供：Amphenol RF）

機器のユーザーは、アダプタを使用する際には、相互接続の帯域幅が2つのコネクタファミリの低い帯域幅になることを覚えておく必要があります。BNC～SMAアダプタの場合、帯域はBNCから継承した4GHzです。

また、50Ωから75Ωへ、あるいはその逆のインピーダンス変化を提供するアダプタもあります。

バレルおよびバルクヘッドアダプタ

ケーブルを延長したり、パネルにケーブルを通したりするには、ストレートスルー（バレル）またはバルクヘッドアダプタを使用する必要があります。これらは、表1に示すコネクタのファミリで使用できます。例としては、Amphenol RFの132170バルクヘッドアダプタがあります。このアダプタには2つのSMAジャックがあり、SMAジャックに対して、SMAプラグを使用したケーブルをバルクヘッドまたはパネルのどちらかの側に接続できます（図5）。

画像：Amphenol RFのバルクヘッドSMAコネクタ 図5：バルクヘッドSMAコネクタの例。このコネクタをパネルに取り付けて同軸接続を通すことができます。（画像提供：Amphenol RF）

バレルコネクタは、ジャック～ジャック、プラグ～プラグとして構成できます。また、あまり一般的ではありませんが、プラグ～ジャックとしても構成できます。

終端

50Ωソースから複数の高インピーダンス入力の計測機器を直列に接続するには、50Ω終端が必要です（図6）。

画像：Amphenol RFの202120 50Ω終端図6：50Ωソースに複数の高インピーダンス入力デバイスを接続する場合、同軸ラインの反射を防ぐために外部50Ωターミネータが必要です。（画像提供：DigiKey）

Amphenol RFの202120 50Ωターミネータは、BNCジャックとして構成された同軸終端の1例です（図7）。

画像：DCをブロックし、信号を通過させるCrystekのCBLK-300-3 図7：Amphenol RFの202120は、BNCジャックとして構成された50Ω終端です。（画像提供：Amphenol RF）

BNCジャックは同軸ケーブルに直接接続できます。また、BNCジャックと嵌合するBNCプラグの形での終端もあります。これらは、計測機器をフロントパネルで直接終端する場合に便利です。ほとんどのオシロスコープは高インピーダンスと50Ω入力の両方を提供しますが、50Ωスコープの入力で通常5Vの電圧制限があります。また、オシロスコープは50Ω入力で0.5Wの電力制限があります。202120は1Wの定格で、7V以上の電圧を処理できます。

終端は他のインピーダンスにも利用できます。たとえば、75Ωターミネータは、テレビやビデオのアプリケーションで一般的に使用されています。ネットワークアナライザを較正する際には、0Ωまたは短絡終端を使用します。

DCブロックとバイアスティー

DCブロックは、直流信号を遮断し、RF信号の通過を可能にする同軸アダプタです。コンデンサによってブロックされたDCから高感度RFコンポーネントを保護するために使用されます。DCブロックには3つのタイプがあります。

内部DCブロックは、同軸ケーブルの内部または中心導体に直列に配置された単一のコンデンサを使用します。
外部DCブロックには、同軸ケーブルのシールド導体と直列に配置されたコンデンサがあります。
内部/外部DCブロックには、内部導体および外部導体と直列に配置されたコンデンサがあります。

すべてのタイプのDCブロックは、特定の特性インピーダンス（通常50Ωまたは75Ω）で指定されています。Crystek CorporationのCBLK-300-3は50Ωの内部導体DCブロックです。このDCブロックは、周波数が300kHz～3GHzの信号を通過させます。最大16VのDCレベルをブロックしながら、動作周波数範囲にわたって低い挿入損失とリターン損失を実現します（図8）。

図：DCをブロックし、信号を通過させるCrystekのCBLK-300-3 図8：CrystekのCBLK-300-3は、周波数が300kHz～3GHzの信号を通過させます。（画像提供：Crystek Corporation）

バイアスティー

バイアスティーはDCブロックに関連しています。DC電源が1つのポートに印加される3ポートアダプタです。第2のポートは、DCバイアスと、絶縁されたRFポートからの入射RF信号を組み合わせます（図9）。

画像：3つのポートを持つCrystekのバイアスティー図9：バイアスティーには3つのポートがあります。1つ目はDCバイアスを印加するためのポート、2つ目は絶縁されたRFポートで、3つ目のポートはRF信号とDCバイアスを組み合わせます。（画像提供：Crystek Corporation）

バイアスティーは、遠隔地の電子機器に電力を供給するために使用されます。例えるならば、RFレシーバを接続するDCなしのポートを提供しながら、DC電源でアンテナに取り付けられた低ノイズアンプ（LNA）のようなものです。DCバイアスは直列インダクタを介して印加され、直列インダクタはRFがDCソースに印加されるのをブロックします。DCブロックと同様に、RF専用ポートは直列コンデンサによってDC入力から絶縁されています。組み合わされたポートは、RF成分とDC成分の両方を通過させます。

Crystek CorporationのBTEE-01-50-6000はSMAジャックを備えたバイアスティーで、RF帯域幅は50MHz～6GHzです。RFポートは、最大電力レベルが2WのRF信号を許容します。DCポートには最大16VのDC入力があります。バイアスティーの挿入損失は、2GHzで標準0.5dBです。動作時にはRF+DCポートはLNAとアンテナに接続されています。DC電源はDCポートに、レシーバはRFポートに接続されています。

インラインフィルタ

もう1つの便利な同軸アダプタはインラインフィルタです。ローパス、ハイパス、バンドパスフィルタはBNCまたはSMAコネクタタイプ向けに入手できます。これらは、ケーブル上で伝送される信号のスペクトル制御に適用されます。たとえば、A/Dコンバータ（ADC）の有効ビット数を測定するために、信号発生器とADCの間にローパスフィルタを挿入します。このフィルタは発生器の高調波レベルを減衰させるため、測定精度が大幅に向上します。これにより、低コストの信号発生器を使用することができます。

このようなデバイスの好例として、CrystekのCLPFL-0100があります。この製品はカットオフ周波数が100MHzの7次100MHzローパスフィルタです（図10）。

画像：Crystekの7極100MHzローパスフィルタCLPFL-0100 図10：CLPFL-0100は、SMAケーブルへのインライン挿入用の7極100MHzローパスフィルタです。（画像提供：Crystek Corporation）

100MHzの入力信号は、その第2高調波が30dB減衰し、高次高調波が60dB以上減衰します。上の例の信号発生器で高調波レベルの仕様が-66dBであった場合、フィルタはそれを-96dB以下に低減します。

サージプロテクタ

サージプロテクタ（避雷器と呼ばれることもあります）は、雷のような過渡的なサージから高感度電子機器を保護します。これは、スパークギャップ、ガス管、ダイオードで行うことができます。スパークギャップ、ガス管、ダイオードは電気的短絡を発生させ、グランドに電気サージを放電して、保護されたデバイスへの損傷を防ぎます。

Amphenol Times Microwave SystemsのLP-GTR-NFFは、交換可能なガス放電管を使用したNタイプコネクタのインラインサージプロテクタです。ガス管は20Aで±90Vを超えるDC電圧でトリガし、最大50Wのサージを処理することができます。ラインに挿入され、帯域幅はDCから3GHzです。挿入損失は最大1GHzで0.1dB、最大3GHzで0.2dBです（図11）。

画像：Amphenol Times Microwave SystemsのLP-GTR-NFFサージプロテクタ図11：Amphenol Times Microwave SystemsのLP-GTR-NFFサージプロテクタは、最大50Wの過渡サージから同軸ラインを保護するために使用されるインラインNタイプコネクタデバイスです。（画像提供：Amphenol Times Microwave Systems）

サージプロテクタは一般的にLブラケットに取り付けられます。Lブラケットは、太くて低インダクタンスの導体を使用して低インピーダンスのグランドに電気的/機械的に接続されています。グランド接続の品質がサージプロテクタの性能に影響することに注意してください。

インラインアッテネータ

アッテネータは、信号波形を歪めることなく信号の電力レベルを低下させます。同軸のインラインバージョンは固定減衰を提供し、さまざまなプラグとジャックの構成を備えた多数のコネクタタイプで入手できます。

Crystek CorporationのCATTEN-03R0-BNCは、3dB、50ΩのBNCアッテネータで、帯域幅は0～1GHz、電力定格は2Wです（図12）。1～20dBの減衰を持つ13種類のアッテネータモデルのうちの1つです。

画像：CrystekのCATTEN-03RO-BNC 図12：CrystekのCATTEN-03RO-BNCは、帯域幅が0～1GHzのインライン同軸BNC 3dBアッテネータです。（画像提供：Crystek Corporation）

インラインアッテネータは、信号の電力レベルの低下に使用されるのは明らかです。それほど顕著ではありませんが、インラインアッテネータは、直列に接続されたデバイスのインピーダンス間の絶縁を提供したり、インピーダンスの不整合や不要な反射を低減したりするためにも使用されます。

整合した3dBアッテネータを、不整合負荷インピーダンスの前に挿入することを考えてみましょう。アッテネータの入力信号は、不整合負荷に伝搬する際に、アッテネータによって3dB減少します。不整合が開回路であると仮定すると、信号全体は負荷で反射され、アッテネータを通って跳ね返ってきて、アッテネータ入力でさらに3dBの損失が発生することになります。アッテネータ入力のリターンロスは6dB改善されています。アッテネータの入力で観測される不整合は、アッテネータの値の2倍に等しい量だけ改善されます。この場合、合計で6dBの低減となります。

この技術には、送信信号の振幅が3dB減少するという短所があり、これはネットワーク内の他の場所で補正しなければなりません。CrystekのCATTEN-03R0-BNCは、このアプリケーションで適切に機能します。

まとめ

計測機器などの機器を同軸アダプタで接続する場合、設計者や他の機器ユーザーは伝送ラインの基本を理解しておく必要があります。これらの基本を理解すれば、ユーザーは、コネクタタイプや特性インピーダンスの変更、信号分岐、フィルタリング、サージ保護、信号減衰、DC制御と絶縁など、幅広い特性を備えた非常に便利な同軸アダプタを有効活用することができます。