[RF 기초 가이드 8/9] EMI ① — 컴플라이언스와 복사 EMI·근접장 측정 Leave a comment

지금까지 다룬 RF 신호는 대부분 의도적으로 만들거나 수신하는 신호였습니다. 라디오, Wi-Fi 수신기, 블루투스 기기, 휴대전화는 모두 RF 신호를 일부러 송신하거나 수신하는 기기입니다. 그런데 이와 달리 설계 구조 때문에 부작용으로 RF 신호를 만들어 내는 기기도 아주 많습니다. 스마트폰이나 태블릿 안의 프로세서와 디지털 회로가 대표적입니다.

많은 프로세서와 디지털 통신 버스는 클럭 속도로 성능을 나타냅니다. 클럭이 빠를수록 대체로 성능이 높습니다. 프로세서 클럭은 4~6 GHz 범위인 제품이 많고, 기판 위의 칩 간 통신도 수백 MHz에 이릅니다. 이 주파수 범위의 신호는 같은 대역의 의도적인 송신을 방해할 수 있고, 다른 기기가 오동작하게 만들 수도 있습니다. 프로세서와 디지털 버스에만 해당하는 이야기도 아닙니다. 상승 시간이 짧거나 사각 펄스 에지, 과도 신호가 있는 모든 회로 요소는 다른 기기를 방해하는 전자기 복사를 낼 수 있습니다.

이런 부작용을 최소화하기 위해 설계에 몇 가지 표준 측정을 합니다. 이번 편과 다음 편은 전자기 간섭(EMI) 시험의 방법론과, EMI 시험을 이해하는 데 도움이 되는 기본적인 첫 단계를 소개합니다.

컴플라이언스 vs 프리컴플라이언스

상업용으로 판매할 전자 제품은 거의 모두 EMC(전자기 적합성) 시험의 대상입니다. 제품을 판매하려는 기업은 판매하는 국가의 규제 기관이 정한 규격에 맞게 시험했는지 확인해야 합니다. 미국에서는 FCC가 국제무선장해특별위원회(CISPR)와 국제전기기술위원회(IEC)의 지침과 시험 계획을 바탕으로 EMC 시험 규칙을 정합니다. (우리나라에서는 전파법에 따른 전자파적합성 기준과 KC 인증이 이에 해당합니다.)

제품을 합법적으로 판매하려면 샘플이 정해진 일련의 시험을 통과해야 합니다. 기업이 직접 시험하고 규격 한도를 만족한다고 자기 인증할 수 있는 경우도 많지만, 그때도 시험 조건과 데이터를 상세히 기록한 보고서가 있어야 합니다. 많은 기업은 공인 시험기관에 시험을 의뢰합니다.

• 컴플라이언스(Compliance) 시험: 제품의 시험 규격에 명시된 모든 세부 사항을 충족하는 시험입니다. 지침과 구성을 정확히 따르며, 결과로 해당 시험 절차에 대한 적합 인증을 할 수 있습니다. 다만 비용이 많이 들고, 많은 기업이 갖추기 어려운 특수한 시험 환경과 장비가 필요할 수 있습니다.
• 프리컴플라이언스(Pre-compliance) 시험: EMC 적합성을 확인하는 비용을 줄이는 한 가지 방법은, 정식 컴플라이언스 시험에 제품을 보내기 훨씬 전부터 설계 과정 전반에서 EMC 시험을 해 보는 것입니다. 비용 효율이 매우 좋고, 컴플라이언스 시험 조건에 가깝게 맞출 수도 있습니다. 처음부터 한 번에 통과할 확률이 높아지고, 시험 비용과 출시 기간도 줄일 수 있습니다.

아래에 소개하는 프리컴플라이언스 시험 방법은 설계에서 EMI와 관련된 잠재 문제를 문제 해결하는 데 쓸 수 있습니다. 간단한 도구와 방법으로 EMI/EMC 시험의 세계에 쉽게 들어갈 수 있지만, 컴플라이언스 시험 전체는 따로 더 공부할 것이 많습니다. 독학용으로는 Henry Ott의 *Electromagnetic Compatibility*와 André·Wyatt의 *EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers*를 추천합니다.

복사 EMI와 근접장 측정

비의도적 방사체(Unintentional radiator) 는 원래 동작의 부산물이나 부작용으로 RF를 내보내는 기기입니다. 쉽게 말해 여러 방송국 채널에 동시에 노이즈를 방송하는 라디오와 같습니다. 이 복사가 원하지 않는 신호를 받는 다른 기기에 나쁜 영향을 줄 수 있습니다.

원거리 복사 시험의 문제

흔한 시험 하나는 스펙트럼 분석기와 안테나를 제품에서 몇 미터 떨어진 곳에 두고 제품의 복사 방출을 측정하는 것입니다. 이를 원거리(far-field) 복사 방출 시험이라고 합니다.

간단해 보이지만 이 방법에는 큰 문제가 있습니다.

• 대부분의 안테나는 광대역입니다. 넓은 주파수 범위를 받아들이고, 시험 대역 밖의 신호와 실제 시험 대상 기기의 신호를 구분하지 않습니다. 그래서 안테나로 하는 모든 측정은 라디오 방송, Wi-Fi 같은 다른 RF 신호에 매우 취약합니다.
• 주변 환경(금속 선반, 책상, 사람 등) 도 측정에 나쁜 영향을 줍니다. 환경에서 신호가 반사되고 흡수되어 재현성 있고 정확한 측정이 거의 불가능해질 수 있습니다.

컴플라이언스 규격에 맞는 복사 방출 시험도 구성은 비슷하지만, 측정을 방해하는 외부 RF 신호원이 아주 적은 시험 장소가 필요합니다.

• OATS(Open Air Test Site, 개방형 시험장): RF 신호가 거의 없는 지역에 마련한 개활지 시험장입니다. 예를 들어 미국 노스다코타 한가운데의 초원 같은 곳입니다. 20세기에는 매우 인기가 있었지만, 외부 RF 신호원이 폭발적으로 늘면서 숫자가 줄었습니다. 그때는 대부분의 RF가 AM·FM 라디오에서 나와서 RF 간섭이 적은 곳에 개방형 시설을 둘 수 있었지만, 지금은 Wi-Fi, 휴대전화, 블루투스 때문에 어디에나 RF 신호가 있습니다.
• 전자파 무반사 챔버(Anechoic / Semi-anechoic chamber): 외부 RF 신호를 감쇠시키고 내부 RF 반사를 최소화하는 시험실입니다. 더 실용적이지만 매우 비쌉니다. 가로·세로 몇 피트 크기의 작은 반무반사 챔버도 5만 달러 이상일 수 있어서, 시험이 드문 경우에는 대개 부담이 큽니다.

근접장 프로빙(Near-Field Probing)

근접장 프로빙은 주변 환경의 불필요한 RF 영향을 최소화하는 전용 프로브를 쓰는 시험 기법입니다. 근접장 프로브는 보통 두 종류입니다.

• 자기장(H-field) 프로브: 시간에 따라 변하는 전류가 만드는 자기장을 결합시켜 주는 루프(고리) 형태
• 전기장(E-field) 프로브: 전기장을 결합시키는 형태

두 종류 모두 방사원과의 거리에 매우 민감합니다. 감도가 아주 좋은 분석기나 프리앰프를 연결해도 대부분 방사원에서 수 인치(수 cm) 안에 있어야 측정할 수 있습니다.

가장 간단한 시험 방법

1. 분석기를 피크(Peak) 검파기로 설정하고, 시험 대상 기기의 규정 요구에 맞게 RBW와 스팬을 관심 영역에 맞춥니다.
2. 설계에 맞는 E 프로브나 H 프로브를 고르고, 설계 표면 위를 훑듯이 스캔합니다.
3. 프로브의 방향(회전, 거리) 도 중요합니다. 프로브는 안테나처럼 동작하며 이음새, 개구부, 배선(트레이스) 등 RF를 방출할 수 있는 요소의 복사 방출을 잡아냅니다.
4. 모든 회로 요소, 커넥터, 노브, 케이스의 개구부와 이음새를 빠짐없이 스캔하는 것이 중요합니다.

1차 스캔은 피크 검파기로

첫 스캔은 분석기를 피크 검파기로 설정합니다. 복사 RF의 “최악의 경우” 값을 보여 주므로 문제 지점을 가장 빠르게 찾을 수 있습니다. 큰 프로브는 스캔 속도가 빠른 대신 공간 분해능이 낮습니다. 작은 프로브(예: E-field 프로브)는 공간 분해능이 좋아서 회로 소자의 핀 하나에서 나오는 RF도 찾아낼 수 있습니다.

문제 지점은 컴플라이언스와 같은 설정으로

문제 지점을 찾았다면 몇 가지 방법으로 더 자세한 정보를 얻을 수 있습니다. 가능하면 컴플라이언스 시험에서 쓰는 표준 구성을 갖춘 스펙트럼 분석기를 선택하세요. 즉, 준첨두(Quasi-Peak) 검파 모드, EMI 필터, 제품의 정식 시험 요건과 같은 RBW 설정입니다. 이런 구성은 시험 시간이 길어지므로 문제 지점에만 사용하세요. 정식 컴플라이언스 시험이 같은 설정을 쓰기 때문에 이 구성으로 프리컴플라이언스 시험을 하면 설계의 EMI 특성을 더 잘 파악할 수 있습니다.

많은 계측기는 케이블과 안테나의 보정 계수(correction factor) 를 저장하는 기능도 지원해서, 측정 구성이 더하는 오차 없이 실제 신호를 볼 수 있습니다.

복사 시험의 다음 단계는 근접장 프로브 대신 안테나를 쓰고, 시험 대상 기기(EUT)를 회전 플랫폼에 올려놓는 것입니다. 환경 영향을 최소화하는 반무반사 시험실을 쓸 수도 있습니다. 이런 구성은 이 글의 범위를 벗어나지만, 자세한 내용은 앞에 소개한 참고 문헌을 보세요.

근접장 프로빙 구성

기판 단위 방출 시험은 스펙트럼 분석기(예: RIGOL DSA815, 9 kHz ~ 1.5 GHz), 근접장 전기장(E)·자기장(H) 프로브, 알맞은 연결 케이블만 있으면 할 수 있습니다.

RIGOL 스펙트럼 분석기와 위 근접장 프로브를 함께 쓰려면 50 Ω 케이블이 필요합니다. 한쪽(분석기 쪽)은 N형, 다른 쪽(프로브 쪽)은 SMB 커넥터로 끝나는 케이블입니다. 프로브를 직접 만들 수도 있습니다. 세미리지드 RF 케이블의 외부 실드와 절연체를 몇 cm 벗겨 내고 고리 모양으로 구부린 뒤 플라스틱 툴 딥 같은 절연 재료에 담급니다. 지름이 큰 루프는 더 작은 신호까지 잡지만 공간 분해능은 작은 루프만 못합니다.

• 첫 스캔은 분석기를 피크 검파기로 설정합니다. 장비가 “최악의 경우” 피크 RF를 잡도록 하고, DUT 위를 스캔할 때 한 위치에 머무는 시간을 줄이도록 스캔 속도도 빠르게 합니다.
• 큰 프로브는 스캔이 빠르고 공간 분해능이 낮고, 작은 프로브는 정밀한 공간 분해능으로 개별 핀의 RF를 찾을 수 있습니다.
• 프로브 방향도 고려하세요. 프로브는 안테나처럼 동작하며 방사를 잡아냅니다. 루프가 가장 큰 수직 자기장에 노출되게 하면 신호 강도가 최대가 됩니다.

이음새와 개구부도 빠짐없이

케이스의 이음새, 개구부, 배선 등 RF를 방출할 수 있는 모든 요소를 확인하세요. 모든 회로 요소, 커넥터, 노브, 케이스의 개구부와 이음새를 빠짐없이 스캔하는 것이 케이스 밖으로 RF가 “새는” 잠재 지점을 찾는 데 매우 중요합니다.

문제로 의심되는 곳(환기구, 덮개, 문, 이음새, 케이스를 통과하는 케이블 등)은 알루미늄 포일이나 도전성 테이프로 덮어서 확인해 볼 수 있습니다. 포일이나 테이프 없이 먼저 해당 영역을 측정하고, 의심 영역을 덮은 다음 프로브로 다시 스캔해서 비교합니다. 문제 지점을 찾으면 앞서 설명한 것처럼 컴플라이언스 구성(QP 검파기, EMI 필터, 규격 RBW)으로 더 자세히 확인하세요.

EMI 문제 해결 팁

근접장 프로브와 스펙트럼 분석기는 EMI 문제를 해결하는 데 유용한 도구입니다.

• H-field 프로브는 방향을 바꿔 가며 사용해서 문제 지점을 좁히세요.
• 기기 케이스의 모든 이음새, 개구부, 절개부를 프로빙하세요. 접합 부품 사이의 표면 접촉 상태와 재료의 마감은 케이스의 접지와 차폐 특성에 나쁜 영향을 줄 수 있습니다.
• 개구부도 단단한 구조물처럼 방사합니다. 안테나처럼 동작합니다.
• 리본 케이블, 그리고 차폐나 접지가 나쁜 케이블·입력부는 복사 방출의 흔한 원인입니다.

다음 편 예고

마지막 편에서는 전도 EMI 측정(LISN을 이용한 전원선 방출 시험)과 내성(Immunity) 시험을 다룹니다.

본 시리즈는 RIGOL RF Basics Technology Guide를 한국어로 옮기고 읽기 쉽게 재구성한 것입니다.