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[RF 기초 가이드 5/9] 부품 시험 — 필터, 케이블 손실, 안테나 VSWR 측정 Leave a comment
지금까지 RF를 측정하는 계측기의 원리를 알아봤습니다. 이번 편부터는 실제 측정으로 들어갑니다. 먼저 스펙트럼 분석기로 대표적인 RF 부품의 성능을 측정하는 방법을 소개합니다. 필터, 케이블·커넥터, 안테나를 차례로 시험해 봅니다.
이 편의 핵심 — ① 트래킹 제너레이터는 스윕과 동기화된 RF 신호원이다 ② 측정 전에 정규화(Normalization)로 케이블·어댑터 손실을 제거한다 ③ 필터는 3 dB 대역폭으로, 케이블은 삽입 손실로, 안테나는 VSWR로 평가한다
트래킹 제너레이터(Tracking Generator)
부품 단위 시험에서는 진폭과 주파수를 아는 RF 신호를 시험 대상(DUT)에 보내야 하는 경우가 많습니다. 예를 들어 RF 필터를 시험할 때는 특정 주파수마다 이미 아는 진폭의 신호를 보내서, 필터가 어느 주파수에서 가장 효과적인지 확인합니다. 외부 RF 신호원을 스펙트럼 분석기의 스윕과 동기화해서 시험할 수도 있지만, 많은 분석기는 이런 시험을 단순화해 주는 트래킹 제너레이터를 갖추고 있습니다.
트래킹 제너레이터는 스윕 회로의 확장으로, 분석기의 스윕 단계와 출력 주파수를 동기화할 수 있는 프로그래머블 RF 신호원입니다. 이렇게 하면 신호원 주파수와 측정 주파수가 서로 고정(lock)됩니다. 분석기에서 1 MHz ~ 100 MHz를 측정한다면, 트래킹 제너레이터는 측정과 완전히 동기화해서 1 MHz에서 100 MHz까지 스윕하는 연속 사인파를 출력합니다.
필터 시험
필터는 입력 신호에서 필요 없는 주파수를 제거하고 필요한 주파수를 강조하는 부품으로, 많은 설계에 쓰입니다. 자주 쓰는 필터 종류는 다음과 같습니다.
필터의 종류
- 저역통과 필터(Low pass): 특정 값보다 낮은 주파수는 통과시키고 높은 주파수는 막습니다. 신호에서 고주파 노이즈를 제거할 때 씁니다.
- 고역통과 필터(High pass): 특정 값보다 높은 주파수는 통과시키고 낮은 주파수는 막습니다. 입력 신호에서 저주파 성분을 제거할 때 씁니다.
- 대역통과 필터(Bandpass): 정해진 주파수 범위(대역)만 거의 변화 없이 통과시키고, 대역 밖 주파수의 진폭은 크게 줄입니다.
- 대역저지 필터(Notch): 정해진 대역 안의 주파수를 막고, 대역 밖 주파수는 거의 변화 없이 통과시킵니다. 대역통과 필터와 정확히 반대입니다.
어떤 경우든 필터를 시험하면 필요 없는 신호를 얼마나 잘 줄이는지, 필요한 신호를 얼마나 잘 통과시키는지 같은 품질 정보를 얻을 수 있습니다.
필요한 장비
- 트래킹 제너레이터가 있는 스펙트럼 분석기
- 필터에 연결할 케이블과 어댑터
- 시험할 필터
시험 순서 ① 트레이스 정규화(선택)
RF 신호 경로의 많은 요소는 비선형 특성을 가질 수 있습니다. 이런 영향은 계측기를 정규화(Normalization) 하면 대체로 줄일 수 있습니다. 정규화는 필터 특성에 불필요한 오차를 더하는 케이블, 어댑터, 연결부의 영향을 수학적으로 제거하는 과정입니다.
- 트래킹 제너레이터 출력을 RF 입력에 연결합니다. 이때 실제 시험에 쓸 케이블과 어댑터를 그대로 사용해야 합니다. 정규화에 쓴 어댑터는 DUT 측정에도 똑같이 써야 합니다. RF 신호 경로가 달라지면 측정 정확도에 영향을 줍니다.
- 트래킹 제너레이터를 켭니다.
- 기준 트레이스(reference trace)를 저장합니다.
- 정규화를 켭니다.
이제 화면의 트레이스는 케이블과 어댑터 손실이 빠진, 필터 자체의 특성에 더 가깝게 표시됩니다.
어댑터와 입력 단자의 표면은 보풀이 없는 천이나 면봉과 전자부품용 접점 클리너로 깨끗이 닦으세요. 손상을 막고 측정 재현성을 높일 수 있습니다.
시험 순서 ② 필터 측정
- 트래킹 제너레이터 출력을 알맞은 케이블과 커넥터로 필터 입력에 연결합니다.
- 필터 출력을 분석기의 RF 입력에 연결합니다.
- 관심 구간에 맞게 시작·정지 주파수를 설정합니다.
- 트래킹 제너레이터의 출력 진폭을 설정합니다.
- 트래킹 제너레이터를 켭니다.
분석기에 프리앰프가 있다면 켜서 표시되는 노이즈 플로어를 낮출 수 있습니다.
진폭, 시작·정지 주파수를 조정해 트레이스를 확대해서 봅니다. 분석기에 자동 스케일(Auto Scale) 기능이 있으면 관심 영역이 한눈에 보이도록 자동으로 설정해 줍니다.
마커(Marker) 가 있는 분석기도 많습니다. 마커는 트레이스의 특정 지점의 주파수와 진폭을 읽을 수 있는 커서이며, 특정 dB 레벨에서의 대역폭도 측정할 수 있습니다.
케이블·커넥터 손실 측정
케이블과 커넥터는 다른 부품을 측정할 때의 정확도와 유효성에 큰 영향을 줍니다. 또 시간이 지나고 사용할수록 마모됩니다. 이 마모는 특정 주파수 범위에서 감쇠가 커지는 형태로 나타납니다. 스펙트럼 분석기와 트래킹 제너레이터가 있으면 케이블과 어댑터의 삽입 손실(주파수에 따른 손실) 을 쉽게 시험할 수 있습니다.
필요한 장비
- N형–BNC 어댑터 2개: 대부분의 스펙트럼 분석기 입출력은 N형이므로, 시험할 케이블의 종류에 맞게 변환할 어댑터를 고르세요. 은도금, 베릴륨 구리 핀 같은 고품질 커넥터가 수명과 재현성이 더 좋습니다.
- 짧은 기준 케이블: 사용하는 어댑터와 시험 대상 케이블에 맞는 커넥터가 달린 것
- 기준 케이블과 시험 케이블을 연결할 어댑터: 이번 예에서는 BNC “배럴 커넥터”를 씁니다.
- 대안으로는 어댑터 2개와 짧은 케이블을 기준 조립체로 써서 케이블 측정 전에 화면을 정규화할 수도 있습니다. 이렇게 하면 케이블 간 어댑터가 필요 없습니다.
- 트래킹 제너레이터(TG)가 있는 스펙트럼 분석기
시험 순서
- 어댑터를 트래킹 제너레이터 출력과 RF 입력에 연결합니다.
- 기준 케이블을 분석기의 TG 출력과 RF 입력에 연결합니다.
- 관심 주파수 범위에 맞게 스캔 스팬을 조정합니다.
- 트래킹 제너레이터의 출력 진폭과 분석기 화면을 조정해 트레이스 전체가 보이게 합니다.
- 트래킹 제너레이터 출력을 켭니다.
- 기준 케이블 삽입 손실을 정규화합니다. 자동 저장된 기준 신호를 입력 신호에서 수학적으로 빼 줍니다.
- 기준 케이블을 RF 입력에서 분리하고, 케이블 간 어댑터(BNC 배럴 등)를 끼운 뒤 시험할 케이블을 연결합니다.
- 시험 케이블을 RF 입력에 연결하고 트래킹 제너레이터를 켭니다.
안테나 VSWR 측정
앞에서 설명했듯이 전자기 복사는 파동 이론의 용어와 개념으로 설명할 수 있습니다. 전자기파도 물결처럼 더해지고, 상쇄되고, 반사됩니다.
양동이에 담긴 물에 작은 파동이 있다고 생각해 보세요. 파동이 양동이 안쪽 벽에 닿으면 일부가 양동이 한가운데로 되돌아가서, 물 표면을 오가며 다른 반사파와 서로 작용합니다. 물과 양동이의 밀도 차이 때문에 파동의 방향과 속도가 바뀌는 것입니다. 전자기파도 비슷합니다. 양동이 비유에서 물과 양동이의 밀도 차이가 파동 속도에 영향을 주어 입사파의 일부를 원래 진행 경로의 반대쪽으로 반사시킵니다. 파동은 표면을 오가면서 상대 위상에 따라 더해지기도 하고 빼지기도 합니다.
전자기파가 한 재료에서 다른 재료로 넘어갈 때도 반사가 일어날 수 있습니다. 임피던스가 다른 재료를 만나면 파동의 일부 또는 전부가 반사됩니다. 새 재료의 임피던스가 원래보다 훨씬 크면 원래 파동의 큰 부분이 반사될 수 있습니다. 반사되는 에너지가 많으면 비효율적이고 회로의 민감한 부품이 손상될 수도 있습니다.
VSWR(Voltage Standing Wave Ratio, 전압 정재파비) 은 케이블과 수동 소자의 임피던스 정합 품질을 평가하는 측정값입니다. 안테나가 전력을 방사하는 효율을 판단하는 데에도 주로 쓰입니다.
- 완벽하게 정합된 안테나/케이블 시스템의 VSWR은 1입니다.
- 현실에서 가장 좋은 시스템도 보통 1.1 ~ 1.2 정도입니다.
- VSWR이 높을수록 임피던스 불일치가 큽니다. 안테나 사용자 입장에서는 원래 신호가 송신기 쪽으로 더 많이 반사되어 돌아온다는 뜻이고, 효율이 낮은 시스템이라는 의미입니다.
필요한 장비
- 트래킹 제너레이터가 있는 스펙트럼 분석기(예: RIGOL DSA815-TG)
- 동축 방향성 결합기(Directional Coupler) 또는 VSWR 브리지: 시험할 부품과 임피던스가 맞아야 합니다. 대부분의 안테나와 RF 회로는 50 Ω입니다.
- 시험할 안테나 또는 다른 부품
- 결합기와 트래킹 제너레이터를 연결하는 임피던스 정합 동축 케이블. 방향성 결합기 설계에 따라 분석기에 연결하는 케이블이나 어댑터가 더 필요할 수 있습니다.
시험 순서
- 모든 커넥터를 보풀 없는 천이나 면봉과 접점 클리너로 닦습니다. 접합면과 주변의 오염, 먼지, 금속 조각을 제거하세요.
- RF 결합기의 결합(CPL) 단자를 분석기의 RF 입력에 연결합니다.
- 분석기 전면의 TG 출력에서 나온 케이블을 결합기의 출력(OUT) 에 연결합니다.
결합기의 입력(IN)은 열어 둡니다. 이렇게 하면 100 % 반사가 일어나며, 케이블, 어댑터, 결합기의 영향을 최소화하는 기준으로 쓰입니다.
- DUT에 맞게 분석기의 주파수 스팬을 설정합니다. 개방(open) 상태(DUT 없음 = 최대 반사) 를 저장해서 현재 구성을 정규화하면 케이블, 어댑터, 결합기의 영향이 보정됩니다. 그 뒤 트래킹 제너레이터를 켭니다.
- 시험할 DUT를 결합기의 입력(IN) 에 연결합니다.
- 분석기에 마커가 있으면 마커를 선택해 트레이스에서 위치를 확인합니다. 분석기에 표시되는 최솟값이 DUT의 반사 손실(Return Loss) 입니다. 이 값을 dB로 기록하세요.
VSWR 계산
반사 손실에서 VSWR을 계산할 수 있습니다.
- a: 반사 손실(dB)
- r: DUT의 반사 계수
- s: VSWR
r = 10(−0.05 × a) , s = (1 + |r|) / (1 − |r|)
예제: 안테나의 반사 손실이 26.22 dB라면 r = 10(−0.05 × 26.22) = 10−1.31 ≈ 0.05이고, VSWR은 s = (1 + 0.05) / (1 − 0.05) ≈ 1.11 입니다.
| 반사 손실 | 반사 계수 r | VSWR | 평가 |
|---|---|---|---|
| 약 26 dB | 약 0.05 | 약 1.11 | 매우 양호한 정합 |
| 약 20 dB | 0.10 | 약 1.22 | 양호 |
| 약 10 dB | 약 0.32 | 약 1.92 | 불일치가 큼 |
위 표는 같은 공식으로 환산한 참고값입니다. 반사 손실을 부호 없는 양수(dB)로 대입하는 것에 주의하세요.
다음 편 예고
다음 편은 송신기 시험입니다. 출력 전력, 송신 대역, AM 송신 시험, FM 편이, 고조파와 스퓨리어스를 스펙트럼 분석기로 측정하는 방법을 다룹니다.
본 시리즈는 RIGOL RF Basics Technology Guide를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다.
