마이크로파 측정 장비와 네트워크 분석의 기초

728x90

서론

마이크로파 회로의 성능이 높아질수록 그만큼 정확한 측정 기술이 요구된다. 단순히 주파수를 맞추고 신호를 보내는 것으로 끝나는 것이 아니라, 송수신 경로 전체에서 발생하는 반사, 손실, 위상 변화까지 모두 파악해야 한다. 이 역할을 하는 것이 바로 마이크로파 측정 장비와 그 중에서도 핵심적인 도구인 벡터 네트워크 분석기(VNA)다.

이 글에서는 이런 장비들이 어떤 원리로 작동하고 어떤 데이터를 제공하며, 또 실무에서 어떻게 활용되는지를 최근의 정보까지 반영해 깊이 있게 다룬다.

1. 측정 장비의 개요와 역할

마이크로파 측정 장비는 송신기, 증폭기, 필터, 안테나 등 RF 시스템 구성부품을 검증하고 특성을 분석하기 위해 사용된다.
특히 네트워크 분석기는 회로의 임피던스, 반사손실, 전달손실 등을 수치화하여 제공한다.
이 장비는 단순한 파워 메터나 스펙트럼 분석기와 달리 ‘자극-응답(stimulus-response)’ 형태로 작동하여 반사·전송의 위상 및 크기를 모두 측정한다.
이러한 데이터는 회로 설계, 보드 레이아웃, 패키징, 결합부문 검증 등 다양한 설계 단계에서 필수적이다.

첫 화면

2. 벡터 네트워크 분석기(VNA)의 주요 기능

Q. VNA가 왜 중요한가?
A. VNA는 단순 전력 측정기가 아니라 반사·전송 신호의 크기와 위상을 모두 측정할 수 있어 회로의 상태를 정밀하게 파악할 수 있기 때문이다.

VNA는 내부에 **신호원(source)**과 수신기(receivers), 그리고 신호 분리 장치를 포함한다.
사용자가 원하는 주파수를 스윕하면서, 장비에 연결된 디바이스(DUT)의 S-파라미터를 획득한다.
주요 기능으로는 S11 (반사 계수), S21 (전송 계수) 측정, 스미스차트 표시, 리턴 손실, 손실 및 위상 측정 등이 있다.
또한 고급 VNA는 자동화된 캘리브레이션, 멀티포트 측정, 실시간 데이터 로깅 기능을 포함하고 있다.

첫 화면

3. S-파라미터와 반사 및 전송 계수 이해

S-파라미터(Scattering parameters)는 고주파 회로를 2포트 이상으로 구분해 반사·전송 특성을 수치로 표현한 것이다.
예컨대 S11은 입력端에서 반사되는 전력 비율을 나타내며, S21은 입력에서 출력으로 전달된 전력 비율을 나타낸다.
반사율이 높다는 것은 임피던스 불일치로 인해 전력 일부가 목적지에 도달하지 못했음을 의미한다.
스미스차트는 임피던스와 반사율을 시각적으로 표현할 수 있는 강력한 도구로, 설계자들이 정합과 라인 설계를 직관적으로 이해하도록 돕는다.
이러한 분석을 통해 필터, 증폭기, 안테나 등 마이크로파 구성요소가 실제 환경에서 설계대로 동작하는지 확인할 수 있다.

첫 화면

4. 캘리브레이션과 오차보정의 중요성

측정 장비 또한 오차가 존재하므로, 정확한 값 확보를 위해서는 캘리브레이션이 필수적이다.
일반적인 캘리브레이션 방식에는 SOLT(Short-Open-Load-Through), TRL(Through-Reflect-Load) 등이 있다.
측정 케이블 길이, 어댑터, 커넥터 손실 등 외부 요인이 측정값에 큰 영향을 미칠 수 있다.
따라서 측정 전에 사전 점검(케이블 꼬임, 접속 상태, 온도 안정 등)을 반드시 실행해야 한다.
캘리브레이션이 정확할수록 VNA가 출력하는 S-파라미터, 위상 및 손실 데이터의 신뢰도가 올라간다.

첫 화면

5. 실제 사례: 설계 오류를 잡아낸 측정 과정

한 RF 설계팀이 38 GHz 대역의 안테나 모듈을 제작했지만, 기대한 만큼의 효율을 내지 못해 고심했다. VNA를 이용한 측정 결과, S11 반사손실이 -10 dB 수준으로 매우 낮았음을 발견했다. 이는 설계상 정합이 제대로 이루어지지 않았음을 나타냈고, 원인은 비아(Via) 배치 간격이 파장의 일부였던 것이다. 이 문제를 수정하고 재측정하자 반사손실이 -20 dB 수준으로 개선되었고, 전송 효율이 크게 향상됐다. 이처럼, 마이크로파 회로 설계에서 ‘보이지 않는 손실’을 찾아내는 데 측정 장비가 가진 역할은 절대적이다.

첫 화면

6. 최신 트렌드 및 실무 적용 팁

최신 VNA는 USB형 모듈, 클라우드 연동, 자동 리포트 생성 기능까지 갖추며 현장 측정의 효율성을 높이고 있다.
케이블 및 접속부의 미세한 움직임만으로도 측정값이 달라질 수 있으므로, 케이블을 고정하고 측정 환경을 통제해야 한다.
스웨핑 대역폭이 넓은 회로에서는 IF 대역폭 설정, 타임아베이징, 전력 스윕 설정 등이 정확도에 큰 영향을 준다.
비교표형으로 테스트 장비 선택과 특징을 정리하면 다음과 같다:

항목, 특징, 용도 및 팁

벡터 네트워크 분석기 (VNA)	위상 및 크기 모두 측정 가능	정밀 설계 검증, 반사/전송 분석
스펙트럼 분석기	주로 신호 레벨·잡음·고조파 분석	신호 품질 검사, 비정형 신호 분석
스칼라 네트워크 분석기	크기 정보만 측정 가능	비용 절감, 단순 송수신 경로 분석

설계 검증 시에는 설계팀, 측정팀, 제조팀이 협업해 설계부터 측정까지 흐름을 맞추는 것이 좋다.

첫 화면

결론

마이크로파 측정 장비와 네트워크 분석은 단순히 ‘장비를 연결해 수치 찍기’의 활동을 넘어선다. 이는 마이크로파 회로가 설계 의도대로 작동하는지, 손실과 반사가 어느 수준인지, 그리고 설계가 현실 환경에서 얼마나 성능을 내는지를 확인하는 필수 절차다. 선형성, 위상, 반사, 손실 같은 고주파 특성들이 제대로 측정되지 않으면, 설계는 문서 속 데이터일 뿐 실제 성능을 보장하지 못한다. 따라서 마이크로파 회로 설계자와 엔지니어는 측정 장비의 원리와 한계를 이해하고, 측정 데이터가 가진 의미를 해석할 수 있는 역량을 갖춰야 한다. 결국, 좋은 설계는 좋은 측정에서 출발한다.

첫 화면