R&S®Essentials | Spectrum analyzers fundamentals
저자: Paul Denisowski, 테스트 및 측정 장비 전문가
RF 테스트 및 측정 장비는 무선 주파수를 사용하는 기기의 설계, 테스트, 제조, 디버깅을 지원하는 제품입니다.TV, 라디오부터 Wi-Fi, 휴대전화, GPS까지, RF를 이용하는 모든 장치는 RF 테스트 및 계측 장비를 이용해 만듭니다.
RF 측정 장비는 크게 네 가지 범주로 구분됩니다.
첫 번째는 스펙트럼 분석기입니다. 스펙트럼이라는 단어는 일반적으로 주파수 범위를 가리킵니다. 무선 주파수 스펙트럼에서 스펙트럼 분석기라고 하는 전문 장비는 특정 주파수에서 존재하는 신호의 종류, 해당 출력과 변조 등을 탐지 및 측정하는 데 사용합니다. 스펙트럼 분석기의 가장 기본적인 기능은 주파수 대비 출력을 표시하고 RF가 존재하는 위치와 존재하는 RF의 양을 측정하는 것입니다.출력은 다른 출력에 대한 상대값으로 측정하며 "d-b" 또는 데시벨로 나타냅니다.
대부분의 스펙트럼 분석기는 기본적인 주파수 대비 전력(Power vs. frequency) 외에도 다양한 종류의 신호를 복조할 수 있습니다. 예를 들어 FM 전파에서 사용하는 기본 아날로그 신호 뿐만 아니라 LTE, Wi-Fi에 사용되는 복잡한 디지털 신호 등을 복조합니다. 복조란 신호에서 정보를 추출하는 것을 의미하며, 복조를 통해 변조되거나 정보가 포함된 신호에 얼마나 많은 오류 또는 부정확성이 있는지 파악할 수 있습니다. 스펙트럼 분석기를 이러한 방식으로 사용할 경우 신호 분석기라고 하는 경우가 많습니다.
주파수 대비 출력(Power vs. frequency) 측정
RF 신호는 휴대전화, 자동차 리모컨, GPS 위성과 같은 다양한 기기를 통해 발생됩니다. 신호 발생기는 RF 기기, 특히 수신기를 설계 및 테스트하는 데 필요한 다양한 유형의 RF 신호를 발생하는 데 사용합니다. 이러한 신호는 간단한 무변조 신호일 수도 있고 또는 대부분의 무선 통신에서 사용하고 있는 복잡한 변조 신호일 수도 있습니다. 신호 발생기를 사용하면 여기서 발생하는 신호의 모든 파라미터(출력, 주파수, 변조 등)를 제어할 수 있습니다.
일반적으로 테스트 및 계측을 위해 스펙트럼 분석기와 신호 발생기를 결합해 사용합니다. 예를 들어 "DUT(Device under Test)"가 증폭기인 경우 신호 발생기를 사용해 DUT로 전송할 신호를 발생합니다. 그런 다음 스펙트럼 분석기를 사용해 증폭 신호를 측정 및 분석합니다.
신호 발생기와 스펙트럼 분석기의 결합
RF 측면에서 네트워크는 하나 이상의 포트가 있고 각 포트를 통해 무선 주파수 에너지를 반사 및/또는 흡수할 수 있는 기기입니다. 이러한 구성요소는 일반적으로 시스템 내에 탑재됩니다. 예를 들어 스마트폰에는 "네트워크"라고 할 수 있는 구성요소가 여러 개 있습니다. 이러한 구성요소의 정상적 작동을 통해 전체 시스템의 성능을 보장하려면 해당 구성요소를 정확하고 신뢰할 수 있으며 반복 가능한 방식으로 측정할 수 있는 방법이 필요합니다. 네트워크는 포트 중 하나에 RF를 주입하면서 해당 포트로부터 반사되는 RF의 양과 다른 포트에서 나오는 RF의 양을 측정하는 방식으로 테스트합니다. 또한, 네트워크로 인해 발생한 지연 시간을 측정하고 주입된 신호의 기타 특성이 네트워크로 인해 어떻게 달라지는지도 측정합니다.
네트워크 분석기는 RF 에너지를 발생 및 측정하며 신호 발생기와 스펙트럼 분석기를 결합한 시스템과 유사합니다. 네트워크 분석기는 신호에서 작은 변동 또는 변화를 측정할 수 있으며, 정교한 교정 루틴을 이용해 추가적으로 오류를 최소화하거나 제거할 수 있습니다. 네트워크 분석기는 연구소에서 가장 일반적으로 사용하며 현장에서는 휴대용 네트워크 분석기를 사용해 케이블과 안테나를 테스트합니다. 네트워크 분석기는 벡터 네트워크 분석기 또는 V-N-A라고 합니다.
파워 센서는 수신된 파워를 간단히 측정하기 위해 사용합니다. 파워 센서의 기본 기능은 파워를 10.92 dBm과 같은 숫자로 보여주는 것입니다. 파워 센서는 다른 측정장비만큼 정교하진 않지만 RF와 관련해 폭넓게 사용되고 있으며 대부분의 RF 실험실에서 쉽게 찾을 수 있습니다.
대부분의 RF 테스트는 케이블을 사용해 기기와 DUT(Device under Test) 간 신호를 이동합니다. 전도성 RF를 사용하면 DUT에서 수신하는 파워 레벨과 같은 항목을 더욱 정밀하게 조절할 수 있습니다.
5G와 같이 비교적 최근에 나온 몇몇 기술은 신호가 DUT로 방사되거나 DUT에서 방사되는 OTA(Over the Air) 테스트를 적용해야 합니다.그 이유는 DUT에서 높은 주파수를 사용하고 "RF 커넥터"가 없기 때문입니다. 이러한 테스트에서는 다른 RF 신호가 들어가는 것을 방지하고 테스트 신호가 방사되어 나오는 것을 방지하기 위해 특별한 차폐 장치 또는 챔버가 필요합니다.
상기 제시된 네 가지 범주 외에도, 다른 유형의 RF 테스트 및 계측 기기가 많습니다.
통신 테스터는 무선 통신 기기(휴대전화, Wi-Fi, Bluetooth 기기 등)를 테스트하기 위해 신호 발생기와 스펙트럼 또는 신호 분석기를 결합한 기기입니다. 통신 테스터는 무선 기기, 액세스 포인트 또는 기지국을 에뮬레이션할 수 있으며 음성 및 데이터 테스트를 모두 지원합니다.
EMC(Electromagnetic Compatibility, 전자기 호환성)는 전자 기기에서 발생할 수 있는 RF 불요 방사가 다른 기기와 간섭을 일으킬 수 있는지 여부를 테스트합니다. 예를 들어 세탁기가 스마트폰과 간섭을 일으키는지 여부를 테스트합니다.
EMC 테스트에서는 특히 RF 신호 출력을 높이는 증폭기를 사용해 일부 EMC 테스트에 필요한 고출력 RF 신호를 발생할 수 있습니다.
오실로스코프도 RF 테스트 및 계측 기기의 범주에 포함되며 RF 또는 Non-RF Electric 테스트에 사용합니다.
