IoT(사물인터넷) 디바이스와 RF 및 무선 제품의 확산으로 전문화 된 RF 측정 기술과 적정 가격의 RF 테스트 기기에 대한 수요가 늘고 있다. 최근까지 VNA(벡터 네트워크 분석기)는 비용이 너무 비싸, 간단한 개발과정 상의 디자인 확인 및 성능검증에 유용한 IoT 및 기타 임베디드 애플리케이션에 사용하기 어려웠다. 하지만, 이제 비용합리적인 USB 기반 초소형 VNA가 도입되어 상황이 바뀌고 있다. Dylan Stinson과 함께 이번 VNA 동작원리를 살펴보고, 구조의 유사성을 가진 스펙트럼 분석기와 비교하도록 하자. 그리고 VNA의 기존 주요 적용 분야를 살펴보고, IoT 애플리케이션의 출현으로 RF 계측의 바뀌고 있는지 함께 알아보자. 

VNA 동작 원리 

VNA는 1950년대 초반에 개발되어, 전기 시스템의 네트워크 매개변수를 측정하는 기기로 사용되어 왔다. VNA는 무수한 현대식 무선 기술들을 가능하게 만들었으며, 다양한 범위의 RF 및 고주파 애플리케이션에 사용되고 있다. 애플리케이션 개발 단계에서 시뮬레이션은 개발 시료 프로토타입의 반복 제작 횟수를 줄임으로써 출시 시간을 앞당기기 위하여 사용된다. VNA는 이러한 디자인 시뮬레이션을 검증에 필요한 필 수 정보를 제공 또는 최적화하는 데 사용된다. 제조 부문에서는 RF 부품 또는 완제품의 사양을 검증하는 데 VNA를 사용한다.

VNA의 구조를 보면 이미 알고 있는 신호를 생성하는 소스 부분과 시료(테스트 대상 시료)를 통해 변형된 신호를 받아 들이기 위한 일련의 리시버를 모두 하나의 장비에 포함하고 있다. 그림 1은 VNA의 작동 방식을 보여준다. 간단한 설명을 위해 여기에서는 포트 1에서 발생하는 소스만 표시하지만, 오늘날 대부분의 VNA는 다중 포트 기기로 모든 포트로 신호를 생성할 수 있다.

▲ 그림 1. VNA는 시료 평가를 위한 매우 정확한 폐쇄 루프를 제공하기 위해 신호 생성 소스와 리시버를 모두 포함한다.

생성된 신호가 시료에 주입되고, VNA는 입력 측에서 반사되는 신호와 시료의 출력 측으로 통과하는 신호를 모두 측정한다. VNA 리시버는 수집된 신호를 측정하여 이를 원 생성 신호와 비교합니다. 그런 후 내부 또는 외부 PC를 통해 측정 결과를 처리하고 표시한다.

현재는 여러 개수의 포트 및 경로를 지원하는 다양한 VNA가 출시되어 있다. 1포트 VNA의 경우, 시료가 그림 1의 입력 측에 연결되고 반사 신호만 측정할 수 있다. 2포트 1경로 VNA의 경우, 반사 및 전송 신호를 모두 측정할 수 있지만, 역방향 매개변수 측정을 위해 측정 시료를 뒤집어 측정하여야 한다. 2포트 2경로 VNA의 경우 두 포트에서의 반사는 물론 순방향 및 역방향 전송까지 측정할 수 있는 구조를 가지고 있으므로 모든 방향의 포트 및 방향을 적용헤 시료를 연결할 수 있다.

VNA 사양 이해

VN를 비교하고 애플리케이션에 맞는 기기를 찾기 위해서는 주파수 범위, 동적 범위, 트레이스 노이즈 및 측정 속도라는 4가지 중요 사양에 특히 주의해야 한다.

주파수 범위는 가장 먼저 고려해야 할 중요한 사양이다. 모든 시료는 동작 주파수 범위를 갖고있고, 측정 시에는 시료의 고조파 주파수 범위도 고려해야 한다. 증폭기, 컨버터 및 믹서와 같은 엑티브 부품은 작동 주파수의 2~5배인 고조파 주파수로 테스트해야 할 수 있다. 필터 듀플렉서도 해당 필터의 대역폭의 고조파 범위에서 테스트해야 할 수 있다. 장비의 동작 주파수가 높을수록 측정 범위를 넓힐 수 있으나, 이는 VNA 선정 시 비용 상승의 요인이 될 수 있다.

동적 범위는 VNA의 가용 주파수내에서 측정 가능한 감쇠 범위이다. 측정할 시료의 성능을 기준으로, 시료의 신호 감쇄양이 VNA 동적 범위 사양보다 3~6dB만큼 작은지 확인하자. 현재 대부분의 VNA는 일반 분야에 적합한 매우 훌륭한 동적 범위(최대 120dB)를 제공한다. 

트레이스 노이즈는 VNA 장비 내에서 생성되는 자체 노이즈 양을 측정한다. 일반적으로는 밀리 dB(0.001dB) 단위로 측정된다. 트레이스 노이즈는 측정 시스템의 정확도를 확인하는 주요 요소이다. 필터의 패스밴드에서 허용되는 리플 값이 그 예다. 필터를 통한 신호의 정확도를 확인하기 위해 특정 수준의 정밀도가 필요한 경우, VNA 트레이스 노이즈는 중요한 측정 요소가 된다.

마지막으로 고려해야 할 다른 사양 중 하나는 측정 속도이다. 측정 속도는 입력 신호를 스위프로 수집하고 이를 처리하는 데 걸리는 총 시간이다. 측정 속도는 제조량이 많은 분야에서 중요한 요구 사항이 될 수 있다. 스마트폰에서 사용되는 부품의 경우, 매년 수십억 개의 부품이 제조되어 매우 많은 양산 제품에 대한 테스트 시간을 줄이는 것이 핵심적이다. 하지만 디자인이 많고, 제조 볼륨이 적은 분야의 경우에는 VNA 측정 속도가 문제가 되지 않는다.

VNA와 스펙트럼 분석기 비교

많은 IoT 개발자들은 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기를 사용한 경험에 비해, VNA 사용 경험은 많지 않을 수 있다. 네트워크 분석기와 스펙트럼 분석기 사이의 차이점은 무엇일까요? 이러한 각 기기는 언제 필요할까? 그림 2는 각 기기를 비교해서 보여준다.

▲ 그림 2. VNA 및 스펙트럼 분석기의 강점과 약점 비교

스펙트럼 분석기는 디지털 변조 RF 신호를 측정할 때 사용되는 기기이다. 예를 들어, Wi-Fi 및 LTE 신호 성능을 측정하는 것이 목표라면, 스펙트럼 분석기만으로도 측정을 수행할 수 있다.

또한 스펙트럼 분석기는 안테나 또는 부품 출력을 통해 공기 중으로 전파되는 다양한 신호를 측정하는 데 자주 사용된다. 반면에 VNA는 측정 시료에서 생성되는 신호를 측정하지 않습니다. VNA는 장비 자체의 신호를 사용한 전기적 특성을 측정한다.

알려진 출력 신호를 통한 여러 리시버 환경에서 VNA는 시료의 복잡한 임피던스 및 전송 특성을 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 측정값은 벡터로써 완벽히 특성화 된다. 또한 측정 이전에 벡터 오류 보정을 하게 되면 더욱 정밀하고 더 높은 동적 범위를 얻을 수 있다. 이러한 사용자 측정보정기능(켈리브레이션)을 통해 VNA는 케이블, 어댑터 및 픽스처의 영향을 고려할 수 있다.

일부 스펙트럼 분석기는 VNA와 일부 동일한 기능을 제공하는 내부 추적 신호 발생기를 제공한다. 두 기기 사이의 주요 차이점은 VNA의 경우 다중 리시버를 통해 측정 된 신호 비율을 측정할 수 있는 점이다. 추적 신호 발생기가 포함된 스펙트럼 분석기는 1포트 반향 측정 및 2포트 전송 측정을 수행할 수 있다. 하지만 스펙트럼 추적기는 위상 정보를 제공하거나 위상에 대한 오류 보정을 할 수 없어 단순 감쇄 비율 측정인 스칼라 네트워크 측정만 가능하다. 

사용자 보정

RF 및 극초단파 테스트 기기 중에서 VNA는 고유한 보정 기법을 갖고 있다. VNA는 공장에서 캘리브레이션된 상태로 제공되고 종종 올바른 작동을 위해 매년 검사가 필요하다는 점에서 다른 RF 및 극초단파 테스트 기기와 비슷하지만, 측정을 수행하기 전에 사용자가 수행 가능한 추가적인 ‘사용자 보정’ 기능을 갖고 있다.

동일 기기 내에 알려진 신호 생성기 및 리시버가 내장됨으로써, VNA는 고정밀 측정을 수행할 수 있다. VNA는 크기 및 위상을 모두 측정하기 때문에 사용자 보정은 본질적으로 벡터 오류 보정을 수행한다. VNA가 가장 정확한 RF 테스트 기기인 것은 바로 이 때문이다. 사용자 보정을 통해 VNA는 케이블, 어댑터 및 시료 연결에 사용되는 대부분의 기기 영향을 보상할 수 있다. 액세서리 영향을 제거함으로써, 사용자 보정을 통해 시료 성능 자체에 대해서만 정확하게 측정할 수 있다. 이를 통해 설계자는 하위 시스템에 배치될 때의 시료 성능을 검증할 수 있다.

보정 방법 유형에 따라 사용자 보정에 사용되는 VNA 보정 물리 표준은 여러 유형이 있다. 가장 일반적인 보정 표준 집합은 SOLT(Short, Open, Load 및 Thru)이다. VNA 사용자 보정은 짧은 회로, 개방 회로, 정밀 로드(일반적으로 50옴) 및 통과 연결을 포함하는 알려진 표준을 사용해서 수행된다. 보정 표준에 시료와 동일한 커넥터 유형 및 특성이 포함된다면 가장 좋다. 이렇게 하면 시료와 보정 키트(캘리브레이션 키트)를 바로 연결 하여 보정이 가능하다.

일반적인 VNA 측정

VNA는 전송 및 반향이라는 두 가지 유형의 측정을 수행한다. 전송 측정은 시료 입력 쪽으로 신호를 생성 입력한다. 이 신호는 반대쪽에 있는 VNA 리시버에서 측정되고, 가장 일반적인 전송 S 매개변수 S21 및 S12(2포트 이상의 경우 Sxx)를 측정한다. 스위프 전력 측정은 전송 측정의 한 형식이며, 다른 전송 측정의 예로는 게인, 삽입 손실/위상, 전기적 길이/지연 및 그룹 지연이 있다. 반면에 리플렉션 측정은 시료에서 투입되는 VNA 입력 신호의 일부를 측정하고 통과된 신호는 측정하지 않는다. 대신 리플렉션 측정은 반향으로 인해 소스로 다시 회귀하는 신호를 측정한다. 가장 일반적인 반향 S 매개변수 측정은 S11 및 S22이다.

스위프 주파수 측정

스위프 주파수 측정은 특히 유용합니다. 이 측정은 사용자 정의된 주파수 및 스텝 포인트 집합에서 내부 소스를 순차적으로 변경한다. S 매개변수, 개별 인시던트 및 반향 웨이브(예: a1, b2), 크기, 위상 등을 포함해서 이로부터 다양한 측정을 수행할 수 있다. 그림 3은 수동 필터의 스위프 주파수 전송 측정 예를 보여준다. 이 유형의 필터 측정은 구성 요소를 통과할 때 신호에 발생하는 사항을 보여준다. S21 측정은 해당 6dB 응답으로 정의된 배드패스 대역폭 성능을 나타낸다. 스탑밴드 성능은 60dB 감소 사양과 비교해서 표시된다. 그런 다음 측정된 결과를 필터 설계 목표, 시스템 설계자의 관점, 필터 제조자 사양에 따라 비교할 수 있다.

▲ 그림 3. 수동 필터의 스위프 주파수 전송 측정 예

스위프 주파수 측정은 시료에 포함되지만 시료를 통해 전송되는 것과 반대로 반사되는 자극 신호의 반향을 측정할 수도 있다. 이러한 S11(또는 Sxx) 측정을 통해 사용자는 해당 사양에 따라 시료 성능을 확인 및 비교할 수 있다.

일반적인 시료에는 안테나, 필터 및 듀플렉서가 포함된다. 그림 4는 안테나 반환 손실 측정 예를 보여준다. 안테나 패스밴드에서 대부분의 신호가 전송되므로, 반향 측정 결과에서 표시 가능한 널이 발생한다.

▲ 그림 4. 안테나의 스위프 주파수 반향 측정 예

시간 영역 측정

일부 VNA는 역 푸리에 변환을 사용해서 스위프 주파수 측정을 시간 영역으로 변환할 수 있다. 시간 영역에 표시되는 데이터를 통해 VNA를 사용해서 임피던스 불일치 위치 또는 시료를 통과하는 신호의 불연속을 감지하여 케이블 및 연결부에서의 문제를 찾을 수 있다.

시간 영역 측정의 경우, 두 신호를 분석하는 기능은 측정된 주파수 범위에 반비례한다. 주파수 범위가 넓을수록 VNA가 조밀하게 배치된 불연속 사이를 구분할 수 있는 능력이 향상된다. 최대 주파수 범위는 사용자에 의해 설정되며, VNA의 주파수 범위 또는 시료의 가용 대역폭으로 정의된다.

주파수 영역에서 수집되는 데이터는 연속적이지 않고, 각 주파수 지점에서 갖는 개별적 값이다. 그 결과 주파수 샘플 간격의 역(엘리어싱이라 부르는 현상) 이후 시간 영역 데이터가 반복된다.

엘리어싱이 발생하기 전에 시료 성능을 정확하게 평가하기 위해 필요한 거리를 측정하려면 주파수 샘플 간격을 올바르게 설정하는 것이 중요하다.

그림 5는 여러 어댑터가 포함된 케이블의 VNA 측정을 보여준다. 이것을 기지국 하위 시스템에서 해당 안테나로 연결되는 기지국 케이블이라고 가정하면, 시간 영역 측정은 결국 기지국 내의 여러 시스템 간의 물리적 거리 또는 케이블에서 발생 가능한 불연속성을 찾아내서 문제 영역 또는 오류를 쉽게 찾을 수 있게 해준다.

▲ 그림 5. VNA는 스위프 주파수 측정을 시간 영역으로 수학적으로 변환한다.

이 측정은 회선에서의 임피던스 불일치 또는 오류를 찾아내는 데 유용할 수 있다.

스위프 전력 측정

주파수를 스위프하는 대신 VNA는 발생 신호의 출력 전력 수준을 스위프할 수도 있다. 이러한 측정의 경우, 출력 전력이 순차적으로 증가하는 동안 주파수는 일정하게 유지된다. 이것은 낮은 전력 수준에서 시작하여 dB 단계에 따라 전력이 증분되는 증폭기에 대한 일반적인 측정이다.

증폭기의 선형 영역에서 입력 전력이 증가함에 따라 출력 전력도 비례적으로 증가합니다. 그림 6에 표시된 것처럼 증폭기 출력이 선형 기대치로부터 1dB만큼 벗어나는 지점을 1dB 압축 지점이라고 부른다. 증폭기가 해당 압축 지점에 도달하면 더 이상 이전처럼 출력 전력을 높일 수 없다. 증폭기의 선형 성능이 필요한 분야의 경우, 이 측정은 해당 사양을 정의하는 데 도움이 된다.

▲ 그림 6. 스위프 전력 측정은 일반적으로 증폭기에서 수행된다.

다중 포트 구성 요소 테스트

현재 많은 구성 요소에는 2개 이상의 포트가 포함된다. 이러한 구성 요소는 하나의 입력과 여러 개의 출력 또는 그 반대의 포트를 포함할 수 있다. 보다 복잡한 구성 요소는 여러 개의 입력과 여러 개의 출력을 포함할 수 있다. 포트 사이의 상호 작용이 문제가 되지 않을 경우에도, 이러한 구성 요소 중 일부는 일련의 2포트 측정으로 테스트할 수 있다.

여러 포트 사이의 상호 작용을 측정해야 할 경우에는 다중 포트 VNA가 필요할 수 있다. 실제 다중 포트 측정은 N2 S 매개변수를 측정하며, N포트가 포함된 VNA가 필요하다. 여기서 N은 시료 포트 수와 동일하다. 예를 들어, S11, S21, S12 및 S22 대신 S 매개변수는 S41 또는 S43 또는 S1011을 포함한다. 실제 다중 포트 VNA는 각 포트에 자극 신호를 제공할 수 있다. 다중 포트 오류 보정은 측정의 시스템적 오류를 제거하지만, 캘리브레이션 표준을 모든 가능한 포트 조합에 연결해야 하는 복잡한 캘리브레이션 프로세스가 필요하다.

VNA의 IoT 설계 충족

IoT 디바이스 채택이 증가함에 따라 줄어든 개발 기간 충족시키고, 늘어난 프로젝트 업무량 및 줄어든 예산에 맞는 새로운 업무 방법과 저비용 계측이 요구되고 있다. IoT 설계자들은 사전에 인증된 RF 모듈을 사용하고 가능한 경우 RF 테스트를 단계를 없애려한다. 대부분의 경우 RF 전문가들은 과거 값비싼 하이엔드 기기를 선호했기 때문이다. 

USB 기반의 VNA가 도입되고 동일 성능에도 기존 데스크톱 기기에 비해 40~50% 이상 비용이 저렴한 스펙트럼 분석기가 도입됨에 따라 상황이 바뀌고 있다. USB 기반 기기는 신호 처리를 위한 내장 PC 요구를 없애준다. 대신 신호 분석 소프트웨어를 실행하는 사용자가 제공한 PC, 랩탑 또는 태블릿을 통해 기기가 작동된다. 그 결과 테스트 및 측정 제조업체는 PC 업계의 지속적인 기술 발전 및 규모의 경제성을 활용할 수 있다. 그림 7에 표시된 것처럼 IoT와 함께 이러한 변화가 저비용 계측으로 전환을 유도하고 있다.  

▲ 그림 7. IoT는 저비용 계측으로의 전환을 유도하고 있다.

그림 8은 USB 기반 VN의 예를 보여준다.  완전 2포트, 2경로 S 매개변수 VNA이며, 4파운드 이하의 최소형 포장 무게로 100kHz~6GHz 주파수 범위, 122dB 동적 범위 및 -50~+7dBm 출력 전력을 포함한 사양을 제공한다.

▲ 그림 8. Tektronix TTR500 시리즈

지원 소프트웨어는 포인트 앤 클릭 인터페이스로 계측을 제어 및 보정할 수 있도록 기존과 동일한 모양과 느낌을 갖고 있다. 설계 및 제조 상의 자동 테스트 시스템을 위해 소프트웨어에는 기존 테스트 시스템으로의 통합을 위한 일반적인 레거시 VNA와의 명령 호환성을 포함해서 SCPI 명령에 대한 프로그래밍 방식의 지원이 포함된다. 또한 소프트웨어는 일반적인 EDA 시뮬레이션 도구와 호환되는 출력 파일 형식의 데이터 분석을 위한 오프라인 모드를 제공한다. 

Dylan Stinson, Tektronix