Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9-11, 2014, Aomori, Japan

PASJ2014-SAP083

IQ モジュレータによる位相検出器の校正測定
CALIBRATION OF PHASE DETECTOR USING IQ MODULATOR.
宮尾智章#, A), 三浦昭彦 B), 川根祐輔 B) , 大内伸夫 B)
Tomoaki Miyao #, A), Akihiko MiuraB), Yusuke KawaneB), Nobuo OuchiB)A)
KEK, J-PARC
B)
JAEA

Abstract

The beam energy of the J-PARC Linac is calculated by TOF (Time-of-Flight) method with the flight distance andbeam phases at the two of measurement points. Because the accuracy of the beam energy measurement is directly
depending on the errors in the phase measurement system, all 111 beam phase monitors are calibrated annually. Here,
we adopted a calibration method using the IQ modulator as a method for carrying out more simply and accurately,
calibration of the phase detection circuit is provided to the phase detection system. In the calibration, we have used thetrombone circuit for the adjustment of the reference frequency, but it is thought that the procedure using an IQ
modulator is more simple and accurate, and it reduces the time for the calibration. We describe the procedure of thephase detection system and the method of energy calculation. In addition, the general descriptions of the IQ modulation
specification and its performances are introduced.

1.

はじめに

J-PARC リニアックのビームエネルギーは計測したビーム位相とその飛行距離を用いた TOF(Time-ofFlight)法を用いて計算している。我々はビームエネ
ル ギ ーを 計算 する ため に、 位 相モ ニタ (FCT: FastCurrent Transformer)を 111 台使用しているが、毎年位相検出系統の校正をエネルギー測定の精度を上げるために行っている。Figure1 に FCT の位相検出の系統図を示す。FCT 位相系統の校正は、FCT 本体、バンドパスフィルタと位相検出器を含めたケーブル位相、位相調整器本体、位相検出器本体に対してそれぞれ行われる。本稿では新たに、校正用の位相調整器を使用しない IQ モジュレータを用いて、位相検出器の試験的な校正を行った。

ら位相情報を維持しながら、線形な位相検出が可能な 100MHz 前後の中間周波数に変換している。変換されたそれぞれの信号は増幅された後、位相比較をすることで、2 つの信号の位相差に応じて変調された方形波が得られ、積分回路を通すことで、直流電圧信号に変換される仕組みになっている。位相検出の精度を上げるために、位相検出範囲を 0°から720°とし、両端を除く 360°の範囲で位相検出を行っている。また、最適位相値を検出するために、180°の位相反転構造も含まれている。
位相検出器は各々個性を持っており、位相検出器の換算係数(単位は V/deg)、位相検出器のオフセット電圧、位相反転時の位相を考慮に入れている。

Figure 2: The block diagram of phase detector.
Figure 1: Diagram of FCT signal processing.
位相検出器
位相検出器は RF の基準信号と FCT からの出力信号を入力し、2 つの信号の位相差に応じて出力される信号を測定する電子回路である。Figure 2 に位相検出器のブロックダイアグラムを示す。FCT からの出力信号と RF 基準信号を 324MHz の加速周波数か___________________________________________# tomoaki.miyao@j-parc.jp

2.

IQ モジュレータ

2.1

IQ モジュレータの構成位相検出器の校正を正確かつ簡便にするために、
IQ モジュレータの採用を検討している。IQ は信号の同相位相 I (In-phase)と直交位相 Q(Quadurature)に分けられ、主にデジタル変調では一般的に用いられている。本機器の仕様は J-PARC リニアックの加速周波数 324MHz の IQ 変調器(キャンドックス製CDX-JPC002)を用いている。Figure3 に IQ 変調器の- 718 -Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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系統図を示す。外部から 324MHz の基準信号と±1.0V のベースバンド信号を入力して直行変調をかけることで、324MHz の RF 信号を出力している。

Figure 5: Diagram of calibration of the phase detector.

Figure 3: The block diagram of IQ modulator.
2.2

以前の位相検出器の構成

2.3

IQ モジュレータの仕様

Figure 6 に示すような IQ モジュレータの仕様は324MHz の RF 入力信号に対して①：IQ モジュレータによる振幅位相制御、②：RF スイッチによるパルス変調を行う装置である。装置の性能仕様は以下のとおりである。

以前は、位相検出器の構成は外付けの位相調整器と、位相検出器を用いて信号の位相差を作ることによって、校正を行った。位相調整器にはトロンボーン回路を採用し、同軸管の線路長を変えることで位・周波数：324MHz相の調整を行うことができる。ここでは、RF 基準
・入力電力：0dBm
信号をファンクションジェネレータで出力し、位相・入力 VSWR：1.2 以下調整器を介して異なる位相の RF を作成し、位相検・最大出力電力：振幅 0dB 設定時で+5dBm 以上
出器のテスト入力(Test in)と参照入力(Ref in)間に位・振幅設定範囲：-40dB 以下～0dB相差を作り、検出器からの出力を測定した(Figure 4)。
・位相設定範囲：0°～720°
位相検出器の出力は 0.01V/deg で設計されており、0・振幅精度～5.0V 仕様のデジタイザに入力することを初期設計
振幅設定 0～-3dB で位相誤差±0.044dB 以下としていたため、出力は 2.5V±1.8V となるように
振幅設定-3～-10dB で位相誤差±0.088dB 以下している。Figure 5 に信号の位相差と出力電圧の関・位相精度係を示す。位相検出器は位相のレンジを 0°～360°
振幅設定 0～-3dB で位相誤差±0.5°以下
これを Normal と定義する。Normal に対して、180°
振幅設定-3～-10dB で位相誤差±1.0°以下
位相をシフトしたレンジ、これを Inverse と定義する。このとき、位相検出器の換算係数(単位は V/deg)、・制御入力
位相検出器のオフセット電圧は測定可能だが、位相ローカル、リモートで反転時の位相が測定できていないため、今までは位振幅制御入力 0～10V ⇒-51.2～0dB相検出器の試験成績書を使用していたが、今回は IQ
位相制御入力 0～10V ⇒0～720°
モジュレータでの校正が必要と判断した。
・手動設定ダイヤル
振幅設定：アナログ 10 回転型
位相設定：アナログ 10 回転型

Test inFigure 6: Front view of the IQ modulator.

Ref inFigure 4: Diagram of calibration of the phase detector.

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2.4IQ モジュレータを使用した校正

Figure7 に IQ モジュレータを用いた位相検出器の校正図を示す。ネットワークアナライザからの RF信号を IQ モジュレータで自動制御を行うことで異なる位相の RF 信号を作成し、位相検出器の校正を行うことができる。Figure8 は IQ モジュレータを使用したときの校正結果を示す。位相調整器を使用したときと同じ結果が示され、効率的かつ、正確に校正を行うことができた。今後は Visual Basic を用いた制御プログラムを作成して、自動的に位相検出器の校正測定を行いたい。
324MHz位相検出器
PDU -K324SE

ネットワークアナライザ
HP8753
PORT1
PORT2GPIB0dBm

324MHzDiv.

324MHzIQ モジュレータ
IQM324N -01
RFIN

RFOUT

Max+5dBm
Min - 40dBm

移相 器

可変 ATT

REF
IN

電圧計
HP3478A

OUT
PUTTESTIN

GPIB

Coupler

Figure 10: Phase of the IQ modulator at Control.

RS232CPC
GPIB
RS - 232C

Figure 7: Calibration of Phase Detector using IQ
modulator.

Figure9,10 は IQ モジュレータのダイヤルを回した時の振幅と位相の測定レンジを表している。振幅は51.2dB~0dB、位相は 0°～720°まで測定できる。プ
ログラム制御、ローカルで実施しても特に問題は見られなかった。これにより、位相調整器のダイヤルで位相差の信号を使用しての測定と比較して、より簡単に測定できるものと考えている。

3.

今後の予定

位相検出器の校正を行うため、IQ モジュレータを製作し、位相検出器の測定を行った。実際の FCT の測定系について効率的かつ正確な校正を行うよう使用していきたい。

4.
Figure8: Diagram of calibration of the phase detector
using IQ modulator.

まとめ

FCT の定期的な校正をより効率的かつ正確にするため、IQ モジュレータを製作した。これにより、位相検出器のパラメータを正確かつ、簡便に測定を行い、ビームエネルギーの計算の精度を上げていきたい。
参考文献[1] T. Miyao, et al., “BEAM MONITORING SYSTEM FOR
RFQ TEST STAND OF J-PARC LINAC”, Proc. ofPASJ2013.

Figure 9: Amplitude of the IQ modulator at Control.

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