抵抗の熱雑音の測定実験で謎のピークが出たり、雑音レベルが思い通りに変化しない理由がわかりません。

質問

抵抗の熱雑音の測定実験をしているのですが、以下の３つの現象が理解できません。
(1)０Ω（ショート）、１０Ωの抵抗の熱雑音測定時に２７MHz付近に大きさ-63dBm(０Ω）、-68dBm（１０Ω）ほどのピークが現れる。１０Ωのピークの方がブロードなピークである。
(2)プリアンプの入力インピーダンスが１MΩであるのに、５０Ωの抵抗を繋いだときに一番雑音レベルが高くなるのはなぜか？抵抗の大きさが１MΩの時に一番高くなるのでは？
(3)プリアンプの入力インピーダンスは１MΩであるが、何も考えずそこに５０Ωの同軸ケーブルを繋いで良いのか？インピーダンス整合はとらなくて良いのか？取るとしたらその方法は？これが（１）のピークと何か関係しているのでは？

回路としては同軸ケーブル(長さ1m）の片方の先っぽを剥いで、外側の網状になっている線（アース線？）と中心の線（信号線？）を抵抗で繋ぎ（半田付け）、その同軸ケーブルの反対側ををプリアンプ（NFのSA-220F5）につなぎ、プリアンプとスペアナを同軸ケーブル(長さ0.5m)でつないでいます。抵抗とアース線？をつないでいる部分をアースしています。
このときにスペクトラムアナライザに表示される雑音を０Hz～１００MHzまでの範囲で見ています。
抵抗は０Ω（-79dBm)、１０Ω(-77dBm)、５０Ω(-73dBm)、１００Ω(-76dBm)、３３０Ω(-77dBm)、１２ｋΩ(-80dBm)、１MΩ(-80dBm)の大きさのものをそれぞれ測定しました。括弧内は測定した熱雑音レベルの平均的な値です。
プリアンプは入力インピーダンス：１MΩ、出力インピーダンス：５０Ωで、スペアナの入力インピーダンスは５０Ωです。

詳しい方いらっしゃいましたら是非お教えください。
３つの内１つだけであっても全く構いません。
今のところ見当がつかないので少しでもヒントをいただけると大変助かります。

回答No.8

shippo_ppk

No.5です。

(1)抵抗値を大きくしたときにノイズも本当に大きくなるのか。
抵抗値が小さい場合には、測定器のノイズに埋もれてしまいます。
抵抗値が大きい場合には、入力容量等の容量によりフィルターされてしまいます。
上記以外の範囲（測定環境による）の抵抗値であれば、ノイズの増加は測定できます。

(2)そのときのノイズ電力の理論値はＰ＝4kTR/50で良いのか。
ノイズ電力のスペクトルという意味だとすれば合っていると思います。しかし、後で述べた(d)の問題があります。

(3)そもそも熱雑音の測定は可能であるのか？
その環境では分かりませんが、可能です。NF SA-220F5の入力換算雑音電圧密度を見ると、0.5nV/√Hzなので雑音抵抗に換算すれば15Ω程度ですから、プリアンプの性能は問題ないでしょう。と言うか凄い性能だと思います。

(4)プリアンプの入力インピーダンスは何Ωであったのか。
憶えてません。初段はJ-FETのソースフォロワにしました。

以下は、記憶の中のアドバイスとノウハウです。それぞれの理由を十分には記述してられないでの、ポイントだけ。

(a)測定周波数範囲（低周波側）：機材の1/fノイズ・スペクトルから設定すること。
(b)測定周波数範囲（高周波側）：機材の浮遊容量から設定すること。
(c)検波モードを適切なものに：私が使ったスペアナにはNOISEというファンクション・キーが付いていた。マニュアルに書いてあるのでは。
(d)単位を nV/√Hz表示に切り替える：dBmだと分解能を考慮してnV/√Hzに変換しなければならないため、大変面倒なことに。
(e)分解能：帯域を十分狭くすること。測定時間が凄く延びます。
(f)ターゲット周波数を設定し、その周りの狭い範囲でスイープ：測定時間を現実的なものにするため
(g)測定は多数回測定して平均値を取る：(nV^2)/Hzで平均する。
(h)０Ω測定値によりＲΩの測定値を補正。
(i)測定値を測定系のゲインで補正。

お礼

いつもご回答ありがとうざいます。
お礼が遅れて申し訳ございませんでした。
試行錯誤しながら測定をしておりました。

おかげさまで何とか熱雑音の測定ができているのではないかという段階までたどり着くことができました。

うまく測定できていなかった主な原因としては、０Ｈｚ～８０ＭＨｚまでのスパンで見ていたためでした。
１ＭＨｚ以下の範囲では500Ωくらいまではノイズ電力はしっかりと上昇していたのですが、スパンを80ＭＨｚで見ていたため、1ＭＨｚ以下の範囲に意識が向いていませんでした。
より高周波になると分圧の影響でノイズ電力が低下するということを知らなかったので、1ＭＨｚ付近で上昇している理由は1/fノイズによるものだと思い込んでおりました。

また、分布定数回路の理論から、抵抗で発生している電圧と実際にスペアナで観測される電圧の関係を求め、その関係式とスペアナでの測定値から抵抗での電圧を計算してみたところ、10ＭＨｚ付近まではどの抵抗でもほぼ理論値とおりの熱雑音電圧を示しました。

・(d)nV/√Hz表示について。
どうやら現在使用しているスペアナにはnV/√Hz表示はないようでした。

・シールドについて。
アルミホイルを抵抗の周りや同軸ケーブルに一回巻いているだけです。
低周波のノイズはよくカットしてくれますが、５０ＭＨｚ以上のノイズはカットされたりされなかったりが、かなり時と場合によります。しかし、今後当面は10ＭＨｚ以下の範囲で測定を行っていこうと考えておりますので、特にこれ以上のシールドは考えておりません。

親切に教えていただき大変ありがとうございました。
実験を進めていく上で大変参考にさせていただきました。
心から感謝しております。