RF 포트 임피던스 검증

목표

RF 환경에는 싱글엔드 컴포넌트의 특성 임피던스에 대한 두 가지 표준값으로

50 Ω 및 75 Ω이 있습니다. 대부분의 케이블, 커넥터, RF 구성요소는 다음 두 가지 값 중 하나에 매칭됩니다. 75 Ω은 최소 RF 감쇠 포인트인 77 Ω에 가깝기 때문에 (유선) TV 부문에서 자주 사용하는 값입니다. 50 Ω은 고출력 전송 기능(30 Ω)과 최소 RF 감쇠 포인트 사이에서 절충된 값입니다. 하지만 모든 구성요소를 동일한 임피던스 값으로 일치시키는 것이 중요합니다.

최대 전력 전송 달성

전력 전송 이론에 따르면 최대 전력 전송을 달성하기 위한 핵심 요소는 소스 임피던스 Z₀와 부하 임피던스 Z_L을 일치시키는 것입니다. 일치된 경우 Z_L은 Z₀과 같습니다.

RF 전력 반사 감소

포트 매칭의 효과는 세 가지 파라미터로 표현할 수 있습니다.

1. 반사 계수

입사파 대비 반사파의 비율을 Γ로 지정합니다.

소스와 부하가 완벽히 일치하고 부하가 Γ = 0에 해당할 경우 최대 반사는 |Γ| = 1에 해당합니다.

2. VSWR(Voltage Standing Wave Ratio, 전압 정재파비)

또는 반사를 VSWR(전압 정재파비) 관점에서 볼 수도 있습니다.

VSWR은 전력이 얼마나 효율적으로 전송되는지를 측정하는 값입니다. VSWR = 1은 반사 없이 최적의 전력 전송을 나타냅니다. 값이 높을수록 임피던스 매칭 향상의 여지가 있음을 나타냅니다. 반사 전력이 많을수록 전송되는 전력이 적어 불필요한 배터리 전원이 소모됩니다. 또한 신호 소스가 손상될 수 있습니다.

3. 반사 손실

반사는 반사 손실로 표현할 수도 있습니다.

포트가 얼마나 잘 매칭되었는가를 측정합니다. 반사 손실이 높은 것이 바람직합니다. 좋은 매칭 특성에 대한 분해능이 뛰어나기 때문에 VSWR에 비해 선호하는 표현 방식입니다.

Smith 차트를 이용해 부하 매칭의 측정을 시각화할 수 있습니다. 이 차트는 매칭 특성을 확인하는 데 입증된 뛰어난 도구입니다. Resistive(저항 서클)와 Reactive(리액턴스 서클)의 임피던스를 그래픽으로 표시하고, 상단은 Inductive(유도성), 하단은 Capacitive(용량성)으로 보여줍니다. 차트의 각 포인트는 특정 주파수와 관련된 임피던스를 나타냅니다. 이러한 값은 복소수 Z = R ± jX로 나타냅니다. Resistive 부분은 실수 R로 나타내며 Reactive 부분은 허수로 나타냅니다.

기존 Smith 차트에서 저항은 0(차트의 왼쪽 끝)에서 무한대(차트의 오른쪽 끝)로 상승합니다. 차트의 상단은 jX의 양의 값을 나타내므로 임피던스의 Inductive behavior를 나타내며 차트의 하단은 음의 값으로 Capacitive behavior을 나타냅니다. Smith 차트는 사용한 장비에 따라 레퍼런스 임피던스(50 Ω 또는 75 Ω)로 정규화됩니다.

로데슈바르즈 솔루션

양호한 임피던스 특성을 얻는 간단한 방법은 적절한 컴포넌트를 선택하고, 측정으로 검증하는 것입니다. 이 측정은 Smith 차트 표시가 포함된 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용해 가장 간단히 수행할 수 있습니다. R&S®FPC1500은 세 배의 가치를 제공합니다. 이 기기는 독립 신호 소스를 이용하는 경제성 있는 스펙트럼 분석기일 뿐만 아니라, 통합 VSWR 브릿지가 포함된 1포트 벡터 네트워크 분석기의 기능도 제공합니다. 또한 통합 Smith 차트 디스플레이와 마커 기능은 정규화된 임피던스를 선택된 임피던스 시스템 기준 Ω으로 자동 변환합니다.

측정 평면(커플링 네트워크와 네트워크 분석기 케이블 간 인터페이스)에서의 Calibration은 케이블과 커넥터의 효과를 보상하기 위해 매우 중요한 과정입니다. Manual Calibration은 open - short - load 표준을 수동으로 전환할 때 에러가 발생하기 쉽고 많은 시간이 소요됩니다. R&S®ZN-Z103 Calibration 유닛은 표준을 자동으로 전환해줍니다. 이 경우 연결 오류와 교정 시간이 몇초로 줄어듭니다.

가장 먼저 측정 조건(원하는 주파수 대역, 분해능 대역폭, 측정 포인트 수)를 설정합니다. 그런 다음 R&S®ZN-Z103을 R&S®FPC1500의 USB 포트에 연결합니다. 기기가 Calibration 유닛을 자동으로 인식합니다. 그런 다음 동축 케이블의 한쪽 끝을 R&S®FPC1500의 출력 포트에 연결하고 다른쪽 끝을 Calibration 대상에 연결합니다. "Calibrate → Full 1-port"를 누릅니다. 이제 기기가 Calibration 되었고 DUT를 검사할 준비가 되었습니다.

아래는 VSWR에서의 결과 예, 반사 손실 및 2.4GHz ISM 대역 내 Smith 차트를 보여주는 스크린샷입니다.

요약

RF 포트 검증은 손실 또는 반사 전력을 최소화하고 배터리 사용시간을 극대화하기 위한 핵심 요소입니다. 또한 컴포넌트가 과열되거나 영구적인 손상을 입는 것을 방지합니다. R&S®FPC1500은 이러한 유형의 검증을 손쉽게 효율적으로 수행할 수 있는 뛰어난 도구입니다.