[ RF Theorem ] Vector Network Analyzer란? (네트워크 분석기)

 

 

---

안녕하세요.
Network Analyzer는 전기적 네트워크의 성능을 정밀하게 측정하고 분석하는 중요한 장비입니다. 다양한 응용 분야에서 사용되며, 정확한 측정을 위해 교정이 필수적입니다. 
이번 포스팅에서는 NA장비에 대해 알하보겠습니다.

---

Network Analyzer는 전기적 네트워크의 성능을 분석하고 측정하는 데 필수적인 장비입니다. 특히, 고주파 및 마이크로파 주파수 대역에서 널리 사용되며, 주로 S-매개변수(S-parameters)를 분석하여 네트워크의 전송 및 반사 특성을 평가합니다. 이번 포스팅에서는 Network Analyzer의 기본 구성, 교정 방법, 주요 응용 분야 등에 대해 자세히 알아보겠습니다.

우선적으로 NA의 구성에 대해 간단하게라도 읽어보고 자세한 내용 파악할 수 있도록 NA의 개념을 먼저 소개해 드리겠습니다. 이후 자세한 신호 처리과정에 대해 알아 보겠습니다.

※1. Network Analyzer의 기본 개념

▶1. Network Analyzer의 개념

Source와 Spectrum analyzer가 들어있어서, 입력과 출력의 주파수 신호 분결과를 서로 나눔으로써 S-Parameter와 같은 특성을 측정하는 장비

[Output Parameter]
- S parameters (magnitude, phase)
- Reflection & Transmission
- Input/Output Impedance
- Radiation Pattern: 전파 방향의 의존성
- Timing Delay

 

▶2. Network Analyzer의 기본 구성요소

Network Analyzer는 다음과 같은 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.

• Source (신호 발생기)
  주파수를 변화시키며 신호를 발생시킵니다. 이 신호는 DUT(Device Under Test)로 전달됩니다.
• Receiver (수신기)
  DUT를 통과하거나 DUT에서 반사된 신호를 수신하여 분석합니다.
• S-Parameter Test Set
  DUT의 입력과 출력 포트에 연결되어 반사 및 전송 신호를 분리하고 측정합니다.
• Processor (처리기)
  수신된 데이터를 처리하고, S-매개변수를 계산하여 화면에 표시합니다.
• Display (디스플레이)
  측정 결과를 그래프, 표 등의 형식으로 시각적으로 보여줍니다.

 

▶3. 교정 종류

• Open Calibration (오픈 교정):
  네트워크 포트를 오픈 상태로 두고 측정합니다.
• Short Calibration (쇼트 교정):
  네트워크 포트를 단락 상태로 두고 측정합니다.
• Load Calibration (로드 교정):
  네트워크 포트에 정합된 부하를 연결하고 측정합니다.
• Thru Calibration (투로 교정):
  두 포트를 직접 연결하여 전송 특성을 교정합니다.

 

 

 

 

※2. Vector Network Analyzer의 기본 원리

Network Analyzer는 주로 두 가지 종류가 있습니다: Vector Network Analyzer (VNA)와 Scalar Network Analyzer (SNA). 두 장비 모두 신호의 전송과 반사를 측정하지만, VNA는 위상 정보를 포함한 복소수 형태의 S-매개변수를 제공하고, SNA는 진폭 정보만을 제공합니다.  이번 포스팅에서는 VNA만을 다루겠습니다.

▶1. Vector Network Analyzer의 신호 처리 과정

아래는 VNA의 내부 구조도 입니다. VNA 장비로 부터 소스가 DUT에 입사되고 다시 VNA 장비로 들어가게 됩니다. 

(왼쪽 Incident에 해당하는 방향성 커플러는 Dual Directional Coupler, 오른쪽 Transmitted에 해당하는 커플러는 Directional Coupler입니다.
측정을 위해 Directional Coupler "Power Sampling"의 특징을 알아야 합니다. 아래 링크 꼭 참고해주세요)

RF Directional Coupler ( 방향성 커플러)의 의미와 종류?

 

• 신호 발생 (Signal Generation)
  VNA는 주파수를 변화시키며 정밀한 RF 신호를 발생시킵니다. 이 신호는 네트워크의 입력 포트로 전달됩니다.
• 신호 분리 (Signal Separation)
  테스트 세트(Test Set)는 입력 신호와 네트워크에서 반사된 신호를 분리합니다. 이 과정은 디렉셔널 커플러(Directional Coupler)를 사용하여 이루어집니다.
• 신호 수신 (Signal Reception)
  네트워크를 통과한 신호와 반사된 신호를 각각 수신합니다. 수신된 신호는 믹서(Mixer)를 통해 주파수가 변환되어 중간 주파수(IF)로 변환됩니다.
• 신호 처리 (Signal Processing)
  IF 신호는 디지털 변환되어, 벡터 분석기(Vector Analyzer)가 위상과 진폭을 분석합니다. 이를 통해 S-매개변수(S-parameters)가 계산됩니다.
• 데이터 출력 (Data Output)
  계산된 S-매개변수는 화면에 그래프나 표의 형태로 표시됩니다. 이를 통해 네트워크의 전송 및 반사 특성을 분석할 수 있습니다.

 

 

 

▶2. 측정 항목

[Reflection 부]
- SWR ( 정재파비 )
- S-Parameter ( 산란 파라미터 )
- Reflection Coefficient ( 반사 계수 )
- Impedance, Admittance ( 임피던스, 어드미턴스 )
- Return Loss ( 반사 손실 ) 

[Transmission 부]
- Gain, Loss ( 이득, 손실 )
- S-Parameter ( 분산 파라미터 )
- Transmission Coefficient ( 전송 계수 )
- Insertion Phase ( 삽입 손실 )
- Group Delay ( 군지연 )

 

▶3. 측정 원리

입력단의 Dual Directional Coupler와 출력단의 (Single) Direcitonal Coupler에서 측정된 신호의 크기를 통해 다양한 정보를 얻어내게 됩니다. 각 위치에서의 신호를 아래 이미지에서 확인 해보세요.

입력단에서 신호의 크기를 출력하고 데이터를 출력하는 과정을 알아보겠습니다. 출력단의 경우도 매커니즘이 동일합니다.
 

 

도파관의 사용된 Hole의 종류에 따른 출력 port가 port4 일때 전압(Vf)과 Port3 일때 전압(VR)을 아래 수식으로 구하고 

 

이 식들을 통해 VSWR과 Return Loss들을 구할 수 있습니다.

 

※3. Calibration

Network Analyzer는 다른 계측장비와 마찬가지로 Calibration(기초 세팅)이 요구된다.

Calibration은 주로 Coaxial(동축)케이블 끝단에 OSLT 테크닉(Open terminator, Short terminator, Load terminator, through를 각 포트에 번갈아 장착)을 통해 수행된다.

Open, Short, Load Terminal을 달았을 때 각각 기본 응답으로 출력되는 출력이 Network analyzer에 내장되어 있기 출력 값과 해당 내장된 값의 차이를 통해 Calibration을 조정한다.

 

주파수에 따라 작은 직경의 Coaxial connector를 이용하므로 다른 Calibration Kit을 사용해야 한다. 다음은 최대 허용 주파수에 따른 Connector의 직경을 의미한다.

 

[Calibration 과정에서 주의사항]

1.Terminator를 연결할 때 적당한 조이기로 연결되어야 한다.

2.Calibration 중에는 케이블을 건드려서는 안된다.

3.주파수가 올라갈수록 Calibration의 정밀도는 결과값에 큰 차이를 줄 수 있으므로 주의해야한다.

4.Calibration과정은 온도에 예민하므로 Network Analyzer를 On 시킨 후 바로 측정하는 것이 아닌 어느정도(30분~1시간) 예열 된 후 측정한다.

 

 

 

※4. 측정 결과

 

▶1. S21: Gain을 의미합니다. 

클 수록 좋은 신호 특성

 

 

▶2. S11: Return Loss를 의미합니다. 

낮을 수록 좋은 신호 특성

 

 

▶3. VSWR

 

 

▶4. Smith Chart

 

 

Network Analyzer는 전기적 네트워크의 성능을 정밀하게 측정하고 분석하는 데 매우 중요한 장비입니다. 다양한 응용 분야에서 사용되며, 정확한 측정을 위해서는 정기적인 교정이 필수적입니다. VNA와 SNA의 차이를 이해하고, 각 장비의 기능과 용도를 파악하여 적절하게 활용하는 것이 중요합니다.

 

이상으로 네트워크 분석기에 대해 마치겠습니다. 더 구체적인 질문이나 특정 상황에 대한 설명이 필요하다면 언제든지 댓글로 남겨주세요!
감사합니다.

( 해당 포스팅은 Keysight의 제공 자료를 참고로 작성하였습니다.

https://www.keysight.com/us/en/learn/course.vector-network-analyzer-basics.html )

Learn