일렉트로닉스 격언집(Ⅲ) - 고주파

일렉트로닉스 격언집(Ⅲ) - 고주파

 

고주파

 

 

수동 부품의 특성은 사이즈/값/주파수에 따라 전혀 다르다

 

1. 인덕터의 경우

 

(1) 작을수록 좋은 것은 아니다

 

 

통과 대역 20M∼30MHz, 대역 내 리플 0.5dB의 체비셰프 BPF(Band Pass Filter)를 설계했다. 그림 1과 같이 1005(1.0mm×0.5mm) 사이즈의 소형 부품을 사용하고 신호용 인덕터를 채택했다.

 

 

그림 2는 실제로 얻어진 주파수 특성과 시뮬레이션을 비교 한 것이다. 다음과 같은 차이가 있다.

·통과 대역 내 손실이 2.5∼3dB로 크다

·대역폭이 좁아졌다

 

 

계산값과는 상당히 다른 특성으로 됐기 때문에 다른 시리즈의 신호계 인덕터로 변경하여 재측정한 것이 그림 3이다. 특성이 가장 좋은 인덕터와 손실이 큰 인덕터를 데이터시트상에서 비교했더니, 그림 4와 같이 통과 대역 부근에서 Q값이 크게 달랐다.

·손실이 가장 작은 MLF2012(큰 사이즈) : Q＝30 정도

·손실이 가장 큰 MLG1608(작은 사이즈) : Q＝10 정도

이상의 결과에서 사이즈가 큰 인덕터가 손실이 더 작으며(Q가 높으며) 계산에서 얻어지는 주파수 특성에 가까워진다는 것을 알 수 있다.

 

2. Q값이나 임피던스의 주파수 특성 등에 따라 필요한 사이즈와 타입 선정

 

 

그림 5(a)는 소형 인덕터의 구조와 등가 회로를 나타낸 것이다. 자기 인덕턴스 L과 병렬 용량 Cs에 따라, 그림 5(b)와 같이 병렬 공진 주파수에서 임피던스가 높아진다. 그 이상의 주파수에서는 용량성으로 되어 인덕턴스로서 기능하지 않게 된다. 실장할 때의 기생 용량에서는 자기 공진 주파수가 실제로 더 내려간다.

필터 등에 사용할 경우 값의 정확성이 필요하므로, 실장에 주의함과 동시에 자기 공진 주파수보다 훨씬 아래의 주파수에서 사용하지 않을 경우 실효 인덕턴스가 올라가 특성에 영향을 미친다.

필터에 사용하는 인덕턴스의 Q는 통과 대역에서의 손실과 직결되므로 그 주파수에 적합한 것을 사용해야 한다. 고주파회로의 전원, 바이어스 회로에 넣는 인덕터는 사용하는 주파수에서 높은 임피던스를 가져야 한다.

 

3. 콘덴서의 경우

 

 

그림 6(a)은 콘덴서의 등가 회로이다. 자기 용량 C와 기생 인덕턴스 L_s에 따라 거의 결정되는 직렬 자기 공진 주파수를 가지며 그림 6(b)과 같이 자기 공진 주파수에서 임피던스가 크게 떨어진다.

그림 6(b)과 같이 일반적으로 소형 사이즈일수록 자기 공진 주파수가 높아진다. 칩 세라믹 콘덴서는 주파수 특성이 좋으며 직렬 자기 공진 주파수는 소형, 소용량 타입에서 10GHz 정도이다. 인덕터 등에 비해 주파수 특성이 상당히 좋으며 실장에 주의하면 특성 면에서 큰 문제가 되는 경우는 적어진다.

낮은 임피던스가 필요한 바이패스 콘덴서나 커플링 콘덴서는 자기 공진 주파수에서 임피던스가 낮아지는 특성을 이용하여 용량을 정한다.

예를 들어 그림 6(b)에서 2GHz대에서 사용하는 기기는 10pF 정도, 수백MHz대에서 사용하는 기기는 100pF, 2M∼300MHz에서 사용하는 기기는 1000pF을 중심으로 하는 용량 값으로 하면 임피던스가 가장 낮아져 효과가 있다. 광범위하고 낮은 임피던스가 필요한 경우에는 다른 용량의 제품을 병렬로 하여 사용한다.

 

4. 저항의 경우

 

후막 메탈 글레이즈 타입은 고주파수에서도 범용 제품이 다수 사용되며 수GHz 정도 이하에서 충분히 사용할 수 있다.

 

 

주파수 특성이 가장 좋은 것은 100Ω전후이다(그림 7). 저항값이 높은 경우에는 병렬 용량 C_p의 영향이, 낮은 경우에는 직렬 인덕턴스 L_s의 영향이 커진다. 너무 높거나 낮은 저항값은 주파수 특성이 좋지 않다. 사용할 경우에는 실장 상의 영향에 주의하면서 고저항인 경우 직렬로, 저저항인 경우 병렬로 접속한다.

 

필터는 HPF에서 T형, LPF에서 π형이 유리하다

 

1. 필터를 사용한 200M∼500MHz 광대역 증폭 회로

 

 

그림 8에 나타난 회로에서 1GHz까지의 광대역 증폭 IC 앞뒤에 필터를 넣은 주파수 대역 200M∼500MHz, 게인 약 30dB의 광대역 증폭기를 설계했다. 입력 측에 200MHz 이하를 차단하는 3차 π형 HPF(High Pass Filter)를, 출력 측에 500MHz 이상을 차단하는 3차 T형 LPF를 설계해 넣었다. 완성된 회로의 주파수 특성은 그림 9와 같이 200M∼500MHz에서 약 30dB의 게인을 갖고 있다.

 

2. 필터 구성 수정

 

 

이렇게 하면 사양 면에서는 괜찮지만, 회로를 보면 입력 측에 직류 차단 콘덴서가 2개 들어 있다. 어쩐지 쓸모 없는 것처럼 생각되지만 이 구성에서는 필요하다. 그림 10은 직류 차단 콘덴서를 포함해 필터의 형식을 변화시켜 효율화를 꾀한 결과 이다.

(1) 입력 측 HPF : T형으로 하여 DC 차단 C 겸용

5차 T형 HPF로 하여 C1, C3를 HPF 구성 소자로 함과 동시에 직류 차단을 겸했다. 그 결과, 회로 부품 개수는 똑같아도 200MHz 이하가 급격한 주파수 특성을 얻을 수 있었다.

(2) 출력 측 LPF : L은 비용이 높고 손실이 크므로 줄인다

 

 

같은 3차 측이라도 π형으로 변경함으로써 회로 소자 수는 같고 비용이 높은 인덕턴스를 줄일 수 있다. 콘덴서는 인덕턴스보다 자기 공진 주파수가 높아서 주파수 특성이 좋고 필터에 의한 손실도 적어진다. 그림 11은 필터를 변경한 후의 주파수 특성을 나타낸 것이다.

 

3. HPF에서는 T형, LPF에서는 π형이 유리

 

T형이든 π형이든 계산 상으로는 동일한 특성의 필터를 만들수 있다. 실제로는 구성 부품의 특성에 의한 차이, 실장면, 직류에 대한 동작에 차이가 있다. 예를 들어 동일한 차수의 필터라도 HPF에서는 T형, LPF에서는 π형 인덕터의 수가 1개 더 작고 콘덴서가 1개 더 많아진다. 종합적으로는 비용이 저렴해진다.

일반적으로 콘덴서는 인덕터보다 Q가 높아(손실이 적어) 높은 자기 공진 주파수를 가진다. 오차, 주파수 특성, 손실, 실장, 비용 등의 면에서 부품 선택에 신경이 쓰이는 인덕터는 아무래도 적은 편이 유리하다.

 

4. 필터 구성 소자를 잘 이용한다

 

전후 회로에 필터를 구성하는 소자를 잘 넣음으로써 부품 수를 줄이고 특성을 향상시킬 수 있다.

(1) 콘덴서를 직류 차단에 이용한다

 

 

그림 12와 같이 T형 HPF의 C는 회로 입출력 바이어스 회로 등의 직류 차단에 이용할 수 있다.

(2) 인덕터를 바이어스 회로나 전원 공급에 이용한다

 

 

그림 13과 같이 필터를 구성하는 인덕터를 전후 회로의 전원 공급, 바이어스용으로 겸용할 수 있다.

(3) 전후 회로의 용량을 구성 소자에 포함시켜 특성을 개선시킨다

 

 

그림 14와 같이 전후 회로의 입출력 용량을 필터 회로 소자의 용량에 포함시켜, 결과적으로 회로의 입출력 용량을 소거할 수 있다.

인덕터의 수가 많은 구성에서도 잘 사용하면 회로를 효율적으로 구성할 수 있다.

 

5. 쌍의 존재를 잘 이용한다

 

 

표 1은 몇 가지 예를 나타낸 것이다. 이밖에도 Δ/Y 접속, 전류/전압, 자계/전계 등 같은 결과, 표리의 관계가 되는 구성, 표현 등이 얼마든지 존재한다. 이와 같은 관계를 잘 알아 두고 회로 설계 시 잘 활용하면 효율화, 간소화, 성능 향상, 저가화가 가능해진다

 

통신 성능을 결정하는 것은 안테나 본체와 주변이다

 

1. 안테나에서 전파가 잘 날아오지 않는다?

 

 

그림 15는 400MHz대의 10mW 무선 모듈이다.“ 이 모듈에(1/4) 파장 길이의 안테나를 설치하면 그럭저럭 안테나가 된다고 들었는데 생각한 대로 통신 거리가 나오지 않았다”라고 상담을 받았다. 잘 살펴보면 확실히 (1/4) 파장에서 공진하려는 길이의 선재가 좁은 케이스 안에 뻗어 있다.

 

 

이 안테나를 네트워크 애널라이저로 급전점에서 실측해 본것이 그림 16이다. 안테나의 임피던스는 원 안에 나타나며, 원중심이 50Ω으로 정합하는 점이다.

원 반경에 대해 중심에서 떨어져 있는 비율은 안테나에서 돌아오는 반사파의 크기, 즉 50Ω의 임피던스에 대한 부정합정도를 나타낸다. 이 안테나는 반사파가 87%(－1.06dB), 전력으로 76%가 손실되는 셈이 된다.

 

2. 대책 ① … 반사되어 돌아오는 전력이 안테나에 잘 전달되도록 한다

 

더 자세히 측정하면 공진 주파수가 330MHz로 크게 떨어졌으며, 공진 시의 임피던스도 크게 떨어졌다는 것을 알 수 있었다. 그 원인은 기판의 영향과, 좁은 케이스 사이에서 뻗기 위 해 기생 용량에서 안테나가 실효적으로 길어져 공진 주파수가 내려갔기 때문이다. 바로 세울 수 있는 대책으로 안테나를 약 3cm 짧게 하고 간단한 정합 회로를 부가했더니 통신 거리는 2배 가까이 늘어났다. 안테나에 24%만 공급되던 것이 100%에 가까워지고 방사 전력이 약 4배로 됐기 때문이다(통신 거리는 송신 전력의 1/2승에 비례). 좁은 곳에 넣어 케이스나 기판의 영향이 있으므로 이 이상 안테나의 성능을 끌어내는 것은 불가능했지만 공간이 없기 때문에 어쩔 수 없었다.

(1) 안테나의 부정합에 의한 손실 계산

SWR(Standing Wave Ratio ; 정재파비)은 진행파와 반사파의 관계를 나타내는 수치로 정합 정도를 나타낸다. ｜S₁₁｜로 표시되는 반사계수 Γ(진행파에 대한 반사파의 비율)와의 관계는 다음 식과 같으며, 1이 가장 좋은 값이다.

SWR＝(1＋Γ)/(1－Γ)

 

 

그림 17은 SWR과 공급 전력의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 그림 16에서 반사파 ｜S₁₁｜은 87%이므로 계산하면 다음과 같이 된다.

SWR＝(1＋0.87)/(1－0.87)＝14.4

일반적으로 시판되는 안테나는 사용 대역에서 SWR＝2 혹은 3 이하로 규정되어 있다. 이것을 그림 17에서 보면 파워는 약 90%, 75%이며 통신 거리로 환산하면 약 95%, 87%에 상당한다. 안테나 설치 조건 등에 따라서도 큰 영향이 있어 문제가될 가능성도 있다. 또한, 부정합에 의한 반사파에서 대출력 통신기가 파괴되는 경우도 있으므로 SWR이 낮아지도록 하여 안테나를 사용해야 한다.

 

3. 대책 ② … 그라운드를 크게 하여 안테나 전류가 흐르는 면적을 크게 한다

 

 

소형 기기의 안테나는 그림 18과 같은 방법으로 소형화한 와이어/배선 패턴/유전체 안테나가 다수 사용되고 있다. 여기에 사용되는 대부분의 안테나는 그림 18과 같이 그라운드 측을 안테나로 하여 동작시키는 모노폴 안테나(단일형)이다. 즉 그라운드 측 분량만큼 외관상 안테나를 소형화한 것이다.

그림 15에 나타난 400MHz대의 예인 경우, 1/4 파장의 안테 나 엘리먼트는 18cm 정도라도 케이스나 기판 크기는 소형화를 위해 10cm 이하로 되는 경우가 흔하다.

(1) 그라운드가 작으면 통신 거리가 늘어나지 않는다

파장에 비해 그라운드가 작으면 안테나 전류가 흐르는 길이를 확보할 수 없으므로, 전파를 잘 방사하지 못해 통신 거리를 크게 떨어뜨린다.

기판에 실리는 소형 유전체 안테나도 그라운드의 크기가 중요하여 데이터시트에 규정되어 있는 예가 많다. 아무리 형태나 유전체가 뛰어난 소형 안테나라도 그라운드의 사이즈가 작으면 그 성능을 발휘할 수 없다.

 

4. 대책 ③ … 안테나 주위에 공간을 확보한다

 

안테나는 주위 환경에 영향을 받기 쉬운 부품이다. 좁은 공간에 두기만 해도 주파수가 어긋나거나 임피던스 및 지향성이 변화한다.

금속 케이스에 밀폐해 두면 안 된다는 것은 초보자도 아는 사실이지만, 금속에 근접시키거나 플라스틱 케이스에 넣는 경우가 많다.

 

 

그림 19는 2450MHz로 조정된 소형 패턴 안테나 바로 근처 3mm에서 10mm 거리에 두께가 1∼2mm인 플라스틱 케이스를 놓았을 때의 영향을 살펴본 것이다. 안테나에 케이스가 근접하면 공진 주파수가 저하되고, 가까울수록 그리고 케이스 두께가 클수록 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 시판 안테나로는 여기에 대응하기 어렵지만 원래는 이 영향을 넘어서 안테나의 공진 주파수를 조정해야 한다.

(1) 주파수가 낮으면 … 가까이에 있는 금속의 영향을 받기쉽다

바로 가까운 곳에 큰 벽이나 금속 면이 있으면 안테나 정합에 영향을 받기 쉬워진다. 안테나가 크고 파장으로 환산한 거리가 작은 것이 그 이유이다.

(2) 주파수가 높으면 … 물방울의 영향을 받기 쉽다

파장이 짧아지므로 동일한 거리라면 낮은 주파수의 안테나와 같은 영향은 없지만, 작은 사이즈의 제품이라도 바로 근처에 근접시킬 경우 영향을 받기 쉬워진다. 예를 들어 물은 비유전율이 매우 높은(약 80) 유전체이다. 물방울이 안테나에 부착되면 소형 안테나일수록 무시할 수 없게 되어 영향을 크게 받는다. 흔히 2.4GHz대는 물에 약하다고 하는데, 작은 물방울이 부착돼도 안테나의 특성을 크게 흐트러뜨리는 경우가 대부분의 원인이다.

 

스펙트럼 애널라이저는 ① 감쇠기＋RBW, ② CF STEP, ③ 0SPAN을 사용할 수 있다면 충분하다

 

1. 측정기인 스펙트럼 애널라이저 자체가 고조파 발생원

 

스펙트럼 애널라이저는 고주파 신호의 주파수 성분을 측정하기 위한 편리한 측정기로, 고주파 분야에서 널리 사용되고 있다.

 

 

그림 20은 425MHz, 1mW 고주파 신호의 고조파를 측정했을 때의 모습이다. 스펙트럼 애널라이저는 거의 초기 설정이며, 주파수 범위를 3배까지의 스퓨리어스를 볼 수 있는 범위인 0∼1500MHz로 설정하여 관측한 것이 Ⓐ이다.

노이즈 플로어를 낮추기 위해 RBW(Resolution bandwidth) 설정을 낮춰(자동적으로 VBW ; Video bandwidth도 내려간다) 3배 고조파의 레벨을 보기 쉽게 한 것이 Ⓑ이다. 2배 고조파가 －62dBm, 3배는 68dBm이 관측됐다.

 

2. 사용법 ① … 감쇠기로 입력 신호의 크기를 변화시켜 본다

 

표시된 고조파는 이 425MHz 신호에 포함되어 있는 것이 아니라 측정기인 스펙트럼 애널라이저 자체가 발생시키는 것이다.

 

 

그림 21은 동일한 신호를, 스펙트럼 애널라이저의 입력 감쇠기(ATT)를 10dB 늘려 측정한 것이다. 감쇠기를 늘렸기 때문에 노이즈 플로어가 높아졌지만 그림 20에서 관측된 고조파 레벨은 크게 내려갔다. 실제로는 이것이 425MHz 신호에 포함되었던 원래 고조파 레벨이다.

스펙트럼 애널라이저를 사용할 때 흔히 실패하는 것이, 이와 같이 입력이 과대하여 스펙트럼 애널라이저 내부에서 신호를 왜곡시켜 고조파 레벨을 높게 측정해 버리는 것이다.

스펙트럼 애널라이저는 일종의 수신기이다. 대부분의 초기설정은 기준 레벨이 0dBm, ATT＝10dB이지만 이 때 측정할수 있는 최대 레벨인 0dBm은 미소한 고조파를 측정하기에는 과대 레벨인 것이다. 특히 낮은 주파수를 측정할 때 왜곡되기 쉽다.

스펙트럼 애널라이저 자체의 왜곡이 측정 레벨에 영향을 미치고 있지 않은지 보려면 ATT로 입력 신호 레벨을 변화시켜본다. 고조파 레벨에 변화가 없으면 스펙트럼 애널라이저 자체의 고조파가 아닌 것이 밝혀지게 된다.

 

3. 사용법 ② … 낮은 레벨은 수신 대역폭 RBW를 낮춰 주파수 범위를 좁힌다

 

그림 21에서는 제3차 고조파가 측정되지 않았으므로 노이즈 플로어를 더 낮춰 측정하려고 했다. RBW를 작게 하면 수신 대역폭이 좁아져 잡음 레벨을 낮츨 수 있다. RBW를 좁히면 레벨 변동에 대해 응답이 느려지고, 스위프 시간이 너무 커지면 실용적이지 않다.

 

 

그림 22와 같이 적당한 주파수 범위만 설정하여 RBW를 낮춘 후 사용한다. 그림 22의 설정에서 상당히 낮은 레벨의 3차 고조파를 볼 수 있게 됐다. 이와 같이 스펙트럼 애널라이저는 입력 레벨과 필터 설정에 주의해야 한다.

 

4. 사용법 ③ … CF STEP을 사용하면 기본파와 고조파 주파수를 간단히 왕래할 수 있다

 

주파수 범위를 좁히면 그림 20과 같이 고조파를 함께 볼 수 없어 일일이 측정 주파수를 맞춰야 하므로 주파수 설정이 번거롭다.

 

 

그림 23과 같이 기본파의 주파수 부근을 관측했을 때 CF STEP(Center Frequency Step)을 기본파의 주파수와 동일하게 설정한다.

고조파 이외의 스퓨리어스는 일일이 주파수를 다시 설정해야 하지만, 이렇게 할 경우 고조파 측정은 업다운 스위치에 의해 원터치로 그 주파수 부근까지 순간 이동할 수 있다.

 

5. 사용법 번외 편 … 0SPAN 설정은 고정 주파수의 신호 레벨을 오실로스코프적으로 관측할 수 있다

 

스펙트럼 애널라이저는 신호의 스펙트럼을 보는 것(가로축이 주파수)이라는 고정관념이 강하며, 초보자에게는 별로 알려져 있지 않은 것이 0SPAN이다.

0SPAN은 스위프하는 주파수 범위가 제로라는 말이므로 고정된 주파수를 관측할 수 있으며 세로축은 레벨, 가로축은 시간이 된다. 고주파 신호의 상승 등 시간에 따른 변화를 관측할수 있는 오실로스코프와 비슷하게 동작한다. 다른 것은 고정된 어떤 주파수 성분 레벨만 표시된다는 점, 넓은 다이내믹 레인지나 미소한 변화를 설정 여하에 따라 정밀하게 측정할 수 있다는 점이다.

 

 

일례로 그림 24(a)는 Felica 비접촉 IC 카드 리더의 안테나 단자에 나타나는 고주파 신호를 오실로스코프로 관측한 것이다. IC 카드 리더는 13.56MHz의 캐리어 신호에 약 10%의 진폭 변동을 가하여 카드에 질문 신호를 보내고, 카드에서는 응답 신호가 되돌아온다.

여기서 리더 변조는 어떻게든 보이지만, IC 카드로부터의 응답 신호는 거의 판별하지 못하고 있다. 또한, 이 정도의 해상도로는 변조 레벨의 정확한 판정이 상당히 어려울 것이다.

그림 24(b)는 동일한 신호를 스펙트럼 애널라이저의 13.56MHz 0SPAN으로 관측한 것이다. 질문 신호의 변조에 의한 레벨 변화(변조)를 간단하게 측정할 수 있으며 카드로부터의 응답 신호도 확실하게 보인다. 세로축은 1dB/div이다. 응답 신호 부분만 확대하면 응답하고 있는 데이터도 판별할 수 있다.

이와 같이 0SPAN을 활용하여 진폭 변조 파형등 고주파 신호의 시간적 변화를 관측할 수 있다.

 

☆

 

스펙트럼 애널라이저는 고도의 기능을 가진 수신기이다. 감쇠기 설정에서 과대한 입력 레벨에 주의를 기울이고 적절한 필터 설정, 세로축, 가로축 설정을 유의하여 기능을 사용해야 한다.

 

회로도에 나오는‘선’은 있을 수 없다  도체는 모두 코일과 저항

 

 

그림 25(a)는 극히 일반적인 회로이다. 그래도 실제로 만들면 배선은 모두 인덕턴스(코일)와 저항이므로 실물을 바르게 표현하면 그림 25(b)와 같이 많은 소자가 얽혀 있게 된다. 이것은 프린트 기판이든 수작업 배선이든 마찬가지이다.

 

 

뿐만 아니라 더 엄밀하게 말하면, 그림 26(a)과 같이 여백으로 되어 있는 부분에까지 정전용량이 산재하여 교류 성분을 통과시킨다. 절연물이 공기든 진공이든 상황은 마찬가지이다.

이것을 그림 25(b)의 선 이야기에 맞춰 생각해 보면, 그림 26(b)과 같이 본래의 동작을 알 수 없을 정도로 복잡하고 기이하게 된다.

이것은 주파수가 낮을 경우 무시할 수 있지만 주파수가 높아질수록 영향이 커진다. 처음부터 본질적으로‘선’과‘여백’이 없다는 것을 알면 주파수가 높아져도 당황하는 일은 없을 것이다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=10998