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3 RFDH: 대한민국을 RF 강국으로! 안녕하세요? RFDH 운영자입니다. 이책은 RF 디자인하우스 homepage ( 에수록된기초강의실내용을책으로엮어낸것입니다 년 8 월 1 일개장한 RFDH.com 은, 국내 RF 엔지니어들의정보교류와공유를목적으로탄생되었습니다. 사실상운영자의개인홈페이지처럼운영되긴하지만, 그동안제자신이 RF업계에서일하면서얻은지식과정보, 그리고자료를먼저공유하려는취지에서시작되어, Q&A와각종자료실을통해대한민국의 RF엔지니어들이다양한정보를나누는공간으로성장해왔습니다. 그리고어렵다고만여겨지던각종기술교육자료들을어떻게하면좀더쉽게이해시킬수있을까라는고민에서시작된결과물이, 2000~2001년 2년간연재된 RF 기초강의실입니다. 이 RF 기초강의실은그동안많은 RF 엔지니어들이참고해왔던것으로알고있고, 그에따라오래전부터책자로출간해달라는요청이계속되어왔으나, 저개인이준비하기엔여러모로어려운점이많았기에 2007년에들어서야출간이가능하게되었습니다. RFDH가오랫동안꾸준한방문자들과더불어지속적인사이트유지가가능했던이유는, 철저히비영리적인운영방법을고수했기때문이라고생각합니다. 저역시지금까지 10년넘게현업에서 RF 일을하면서, 본업과는별개로공익의차원에서개인적인시간을이용하여운영을해왔습니다. 그만큼이번 RF 기초강의실책자출간역시, 영리목적을최대한배제한다는것을전제로만들어졌습니다. 600개가넘는각종그림들을보다정확하게이해할수있도록하기위하여과감하게 300페이지가넘는올컬러의책자로결정하였지만, 원저작권자인저의인세를일부포기하면서까지일반시중에서판매되는그어떤동급의기술서적보다싼가격으로책정하기위해노력하였습니다. 그와더불어, 이러한저의최소마진의정책에동의해주신코너북여러분의협조에도깊은감사의말씀을드립니다. RFDH가시작된 2000년과달리, 이책이출간되는 2007년까지 RF 기술시장에는많은변화가있었고, 혹자는모듈화 / 시스템화되어가는 RF 시장이전에비해많이죽었다는얘기도합니다. 그렇지만 RF 기술이사라지는것은결코아니며, 디지털의고속화와시스템의집적화에따라 RF 특유의고주파 / 전자파기술은점점더전자기술전반에서요구되어지고있습니다. 이 RF 기초강의실내용은이미오래전에만들어진내용이지만, 그만큼어느시대어떤경우에라도통하는기본적인내용을다루고있다고생각합니다. 이제야비로소출간을앞두고나니, 6년여전에 RF 기술의기초를누구보다쉽게써보겠다며밤새며글을쓰고그림을그리던기억이새록새록떠오릅니다. 이책에쓰여진내용과그림은모두제가직접쓰고그린것들이지만, 이것을완성하기위해주변에서조언과도움을주셨던저의동료들에게도감사의말씀을전하고싶습니다. 이책이 RF의모든것을알려줄수도없고, 아직도내용상부족한점이많지만, RF 의기초를보다이해하고싶어하는엔지니어여러분들과, 열심히공부하는관련학과학생 / 대학원생여러분들께조금이나마도움이되기를진심으로기원드립니다. RFDH 운영자드림

4 RF 란무엇인가? 6 제 1 장원초적기초 Chapter 01 50옴을쓰는이유는? Chapter 02 Microstrip을왜쓸까? Chapter 03 Port의정확한의미는? Chapter 04 임피던스매칭을하는이유? Chapter 05 RF에서 S 파라미터를쓰는이유 Chapter 06 db단위는왜쓸까? Chapter 07 db와 dbm은뭐가다를까? 제 2 장 RF 회로의기초 Chapter 01 RF의범위는어디까지인가? Chapter 02 RF관점에서의 L과 C Chapter 03 발진이뭐길래? Chapter 04 발진을잡아라! Chapter 05 대신호와소신호의차이 Chapter 06 공진 (Resonance) 의이해 Chapter 07 part I IF ( 중간주파수 ), 그존재의이유 Chapter 08 part 2 RF 송수신시스템의이해 제 3 장선형성정복 Chapter 01 Harmonic은왜생기나? Chapter 02 Intermodulation의정체 Chapter 03 선형성이뭐길래? Chapter 04 IMD, P1dB, IP3의이해 Chapter 05 Power Amp와 ACPR Chapter 06 선형성을올리자! 제 4 장스미스차트정복 Chapter 01 복소수신호란도대체무슨뜻? Chapter 02 스미스차트는왜쓰는가? Chapter 03 스미스차트읽는법 Chapter 04 스미스툴사용법 (Demo Version) Chapter 05 임피던스매칭 - lumped RLC Chapter 06 LC 매칭 vs. 전송선로매칭 Chapter 07 임피던스매칭 - Microstrip Chapter 08 스미스차트, 그뒷이야기 제 5 장 RF 회로개념정복 Chapter 01 Amplifier ( 증폭기 ) Chapter 02 Oscillator ( 발진기 ) Chapter 03 PLL (Phase Locked Loop) Chapter 04 Mixer ( 혼합기 ) Chapter 05 Frequency Doubler/Multiplier ( 체배기 ) Chapter 06 Filter ( 여파기 ) Chapter 07 Duplexer/Diplexer Chapter 08 Coupler/Divider Chapter 09 Isolator/Circulator Chapter 10 Antenna ( 안테나 )

5 RF 란무엇인가? RF = 무선 (Wireless) 거두절미하고, RF 니뭐니하는건우선 ' 무선 (Wireless)' 의무언가를말하고있습니다. 무언가를전달하거나감지 하는데, 전선같은게필요없이그냥선없이처리가능하다는것이지요. 우리주변에무선으로동작하는것은사방에 널려있기때문에, 일반인에게도무선이란단어는친숙한단어입니다. - 누구나가지고다니는핸드폰 - 집에서흔히사용하는무선전화 - 무선자동차시동기 ( 일명삑삑이 ) - 버스카드, 교통카드, 신분증태그 - 쇼핑센터의무선 RF 바코드태그 - 텔레비젼, 라디오, 방송 - GPS, 위치인식 - 일기예보 ( 기상레이더 ) 위에열거한것들은현대인이라면누구나소지하거나접하는, 아주흔한것들이죠. 즉 RF 가뭔지모른다해도무선 이란개념에대해선너무익숙해서그다지신기해하는사람도없습니다. 기술적배경을모르는일반인에게, 무선하면제일먼저떠오르는게뭐냐고물어보면대부분비슷한답을하게 됩니다. 바로 " 안테나 " 이죠. 안테나는무선기기에서가장티나게밖에나와있는녀석이다보니누구에게나친숙한 RF component 가되었지요. 하지만안테나가무선 RF의전부일까요? 당연히그럴리가없겠죠. ^^; 물론안테나는매우중요한부품인것은사실이지만, 무선시스템의일부일뿐입니다. 그저특성상잘보이게밖에달아야하는경우가많기때문에대표적인상징처럼여겨질뿐, 진짜핵심은바로안테나를포함한, 그밑에연결된무선주파수송수신부입니다.

6 8 RF 란무엇인가? 우리가 RF 라불리우는 ' 기술적영역 ' 은바로저무선송수신부전체를의미하게됩니다. 신호를고주파로올려서각종 증폭, 필터링등의과정을거쳐보내고받는정밀한아날로그회로단이죠. 안테나와그안테나로전파를쏘고받기위 한각종회로, 구조물, 주변장치전반이바로 RF 라불리우는분야입니다. 주의할점은, 무선장치전체를 RF 라고하지는않습니다. 무선송수신장치에는디지털부도있고논리처리부도있습니다. RF 부는그러한데이터를유선으로보내지않고, 무선화해서보내기위해존재하는각종아날로그신호처리단을 말하게됩니다. 무선이라는시스템을어떻게만드는걸까? 바로그해답을쥐고있는기술, 그것을바로 RF 라부르는것입니다. 전파 (Electromagnetic Wave) 일단무선이란게성립하려면, 전선이아닌공기중에신호를보내고받아야하겠지요. 바로그러한역할을하는게 전파입니다. 학문적으로정확히풀어서정의하면전자기파 (Electromagnetic Wave) 라고부르는전자기적파동에 의해, 정보가선없이도오갈수있게된것이지요. 공기혹은부도체를매질로전자기적파동이전해지는이러한현상을통해우리는무선의 RF 시스템을구축할수있게됩니다. 이러한전자기파는옛 ~ 날 Maxwell이란사람이이론적으로수식계산을하다가그존재를예측했고, ( 참똑똑한양반..) 설마하고그걸연구하던 Hertz 란사람이실험을통해전자기파가존재함을증명했습니다. 그뒤에상업적혜안이밝은사업가인 Marconi란사람이무선전신을성공시켜상업화에대성공시키면서, 전파란존재는아주친숙한존재가되어버린것이죠. 실제로, 눈에안보이는전파로신호를변환해서보내고받는안테나이외의부분은, 모두선로로연결된유선회로입니다. 안테나밑에위치한송수신부의각종회로들은하나하나전송선로를이용해물리적으로연결됨으로써시스템이구성되고있지요. 안테나는이러한유선상의교류 (AC) 신호를전자기파로변환해주는역할, 또는그반대역할을하고있습니다.

7 그래서어찌보면, RF 시스템에서직접적으로전파와관련된장비는안테나뿐입니다. 나머지는밑에서유선으로동작 하는평범한전자회로처럼보이는데.. 결국그냥그런유선전자회로랑그게그거아닌가? 라는생각이들지도모릅 니다. 과연그럴까요? RF 회로가다른전자회로와구분지어설명되고특별한놈처럼다루어지는이유는, 전파를다루는무선회로라는점 때문이아닙니다. 더큰이유는, 바로아래에설명되는문제때문입니다. 고주파 (High Frequency) 는어려워! 실제로 RF 가특수하다거나, 어렵게느껴지게되는가장큰원인은, RF 에서 다루는주파수가매우높은고주파가많기때문입니다. 주파수가높으면파장 이짧아지고, 그때문에선로간간섭도심해지며선로길이하나하나가회로소 자로동작해버리면서설계가점점까다로와집니다. 저주파에서는회로가설계된대로동작되는경우가많습니다. 특히디지털의경우, 많은특성을미리예상해서거의적중시킬수있습니다. 하지만고주파아날로그 RF에선얘기가좀다릅니다. 설계된그대로동작하는경우가오히려드물지요. 그래서 RF에는제작후에특성을조율하는단계인 ' 튜닝 ' 이아주필수적인코스가되어버립니다. 그렇다면왜이렇게힘들게고주파를써야만할까요?? 이문제는각종교재에잘설명되어있고, 여러가지답이존재합니다. 성능적문제, 에러에강하게하기위한내성 문제등등.. 하지만아주근본적으로피할수없는현실적제 1 원인이있습니다. 같은지역, 같은주파수에서동시에여러신호가겹치면바로 ' 혼선 ' 이발생해버리게되지요. 마치내가전화하는데 남의전화소리가치고들어와서혼선이일어나듯이... 물론 CDMA 와같은고성능디지털변복조시스템에선같은 주파수대역에서수십명까진동시에통신이가능하지만, 특수한경우입니다.

8 기본적으로동일한공간에서종류가다른신호는서로다른주파수를써야만합니다. 이정도는일반인및초보자도 쉽게이해할수있습니다. 하지만문제는, 주파수를사용해야할무선장치는수도없이많은데주파수라는것은제한 되어있다는점입니다. 10 TV, 라디오, 인공위성, 핸드폰, 삐삐, 무선전화, 무전기등등무선장비는수도없이우리주변에많은데, 새로운주파 수를할당하려하다보면점점더높은주파수를쓸수밖에없게됩니다. 이러한주파수자원부족에대한문제는성능 이니이론이니를따질필요도없이현실적으로제한되는문제인것이지요. RF 란무엇인가? 예를들어 Cellular 이동전화 (011,017) 는 800MHz 대에서사용주파수가정해지고, PCS (016,018,019) 는 1.8GHz에서정해졌습니다. 하지만단순히주파수의회절이나투과, 전파거리등에의한통화품질을놓고본다면낮은주파수인 800MHz가유리한점이많습니다. 그렇다면왜 PCS 서비스는 1.8GHz를선택했을까요? 그렇죠. 답은간단합니다. 한참나중에출범한이동통신서비스가쓸만한주파수대역으로남은게그주파수였으니까요 ^^; 물론실제로저렇게단순하게만정한것은아니지만, 어쨌건시스템이발달할수록저주파쪽은더이상쓸주파수대가남아있지않아서점점높은주파수로올라가서쓰는수밖에없게됩니다. 그러다보니자연 ~ 스럽게고주파신호처리에대한기술이점점발달될수밖에없습니다. 역으로, 고주파 RF 기술이 점점더발달됨에따라높은주파수를활용하는것이점점더쉬워지게된것이기도하구요. 물론고주파가된다고단점만있는건결코아닙니다. 회로나시스템자체를만들기가어렵긴하지만, 주파수가높기때문에파장이짧은점을이용하여안테나나회로를좀더작게만들수있습니다. 그때문에시스템을작게만들기위해서라도고주파가유리해서선택하는경우도많습니다. 여러분주변에, 800MHz를사용하는 011 핸드폰과 1.8GHz를사용하는 016 핸드폰의안테나를뽑아서길이를한번비교해보세요. 파장이짧은 016 쪽이안테나가더짧다는것을확인할수있습니다. ( 안테나로귀를파는행위는삼갑시다 ) 또한고주파에선어쩔수없이넓은대역폭을사용하게되는데, 그때문에부수적으로더많은양의데이터를전송할수있는능력도겸하게됩니다. 고주파회로에서는일반저주파전자회로개념에 +α 가필요합니다. 맘먹은대로만안되기때문에다른어떤분야 보다도노하우가중요하고, 설계자체보다실제에서어떻게구현하느냐가더욱어려운분야가바로 RF 이지요. 정말 정상적으로는예측하기어려운요상한문제들을많이만나게됩니다. 다르게말하면, RF 는참으로다른어느분야보다노가다가많이필요한분야입니다.. -.,-

9 Radio( 라디오 ) 자, 이번엔단어의어원도한번풀어헤쳐보겠습니다. RF 는 Radio Frequency 의약자입니다. 말만들어선라디오의주파수처럼해석됩니다. 그렇다면 89.1MHz 는 KBS, 91.9MHz 는 MBC, 95.1MHz 는교통방송... 이런라디오주파수를말하는걸까요? 의외로처음들었을때이런생각을하시는분들이여럿계시더군요. 어원부터꼼꼼하게짚고넘어가도록하겠습니다. 우선, 두산대백과사전의정의에의하면 Radio 의정의는아래와 같습니다. 라디오 (Radio) 본래는넓은의미에서의무선전체를가리키는말이었으나이것이변천되어전파에의한음성방송과이를수신하는 기기, 즉수신기를가리키게되었다. 라디오는사용주파수대에따라서중파방송 ( 표준방송 ) 단파방송 초단파방송 (FM 방송 ) 으로분류되며... 어쩌구저쩌구이러쿵저러쿵 ( 중략 ) 그리고만약주변에영영사전이있으시다면, Radio 라는단어를찾아보시기바랍니다. 아마이렇게나와있을것입니다. Radio = Wireless 그렇습니다. 애초부터 Radio란말의원래어원은선 (wire) 이없는 (less), 즉 ' 무선 ' 이라는의미이며, Radiate ( 전자파, 파동, 열등을복사하다 ) 라는단어와같은어원을갖고있습니다. 다시정의하면, Radio 란말의근원적정의는결국 ' 무선 ' 이라는개념전체를지칭하는것입니다. 우리가흔히말하는 전파음성방송을의미하는공중파라디오는, 전파란것이처음알려지기시작하면서가장대중에게친숙한무선매체 가되어버렸기때문에 ' 라디오 ( 무선 )' 이라는명칭이그대로정착화된것입니다. Frequency ( 주파수 ) 고등학교시간에배우는파동에대해다시한번간략히정의해보도록하겠습니다. f: 주파수 (frequency) T: 신호의주기 (Period) λ: 파장 (Wavelength) c: 빛의속도 (3 x 10 8 m/s) 모든신호는주기적교류파형형태를가지며, 저러한일정한 sine 파형을정해진룰로왜곡 ( 변조 = modulation) 시켜 서어떤의미를담아전달하게됩니다.

10 주기 (T) 는신호가다시원래위치로돌아오는시간을의미하며, 주파수는 T 의역수로써결국 1 초동안몇번진동하느냐? 를나타내는진동수입니다. 주파수가높다는의미는, 저위의고주파설명부분에나온그림처럼정해진시간동안 파형이훨씬빽빽해진다는의미가됩니다. 12 그리고파장 (λ: 람다 ) 은한주기에빛의속도를곱한, 즉빛의속도를주파수로나눈값입니다. 파장이의미하는바는 실제의물리적인전자기파동의한주기길이를의미하게됩니다. 아래에여러주파수의공기중파장을간단하게계산 한표를나타내었습니다. RF 란무엇인가? 주파수 파장 100 MHz 3 m 300 MHz 1 m 1GHz 30 cm 2 GHz 15 cm 3 GHz 10 cm 30 GHz 1 cm 100 GHz 3 mm 전자기파자체는파동을의미하기때문에, 반드시주파수가존재합니다. 또한그주파수에따라참으로다양한특성을나타내게되지요. RF (Radio Frequency) 라는말에서주요한의미는사실 'Radio' 라는단어에몰려있습니다. 무선을의미하는 Radio와, 주파수를의미하는 Frequency가합쳐진 RF ( 무선주파수 ) 라는말은, 결국가장핵심이되는이두개념을적당히버무린단어입니다. Microwave & Millimeter wave RF 분야에서 Microwave ( 마이크로웨이브 ) 라는말을자주접하게되는데, RF 와 Microwave 의차이가뭔지모르겠다 는분들도많습니다. 다시정의한다면, RF 는어떤무선장비분야를통칭하는기술분야입니다. 그에반해 Microwave 는 특정한주파수대역을일컫는주파수명칭입니다. 통상고주파라많이불리우는 Microwave 는 300MHz ~ 300GHz 의주파수대역을부르는학문적용어입니다. 실제로 Microwave 가고주파대역자체를지칭하는말이기때문에, 결국마이크로웨이브 = 고주파라는식의해석으로용어가 사용되는경우도많습니다. 여기서 Micro ( 마이크로 ) 의의미는, 파장이매우작아진다라는의미입니다. 간혹파장이마이크로미터 (μm) 단위여서 그렇게부르는거아닌가혼동하시는분들이있는데, 절대아닙니다. 그냥파장이작다는의미로쓰인접두사입니다. 이러한 Microwave 주파수대역은범위에따라여러가지 band 명칭이있는데, 아래와같습니다. Millimeter Wave 기타 L-band S-band C-bnad X-band Ku-band K-band Ka-band U-band 300 Mhz 1 Ghz 2 Ghz 4 Ghz 8 Ghz 12 Ghz 18 Ghz 26 Ghz 40 Ghz 60 Ghz

11 RF 쟁이라면주파수범위에따른명칭들을알고있으면도움이많이될것입니다. 일반적으로이동통신은현재 L band 에서중점적으로이루어지고있고, S band 에서는차세대의여러통신이준비되고있습니다. C band 나 X band 쯤되면 주로위성통신용으로많이사용되고, 그이상의주파수 Ku, K, Ka band 는위성, LMDS, 군사용등분야에적용됩니다. 반면, Millimeter wave라는용어가있습니다. 여기서밀리미터 (mm) 는정말로파장이 mm 단위급인주파수를말합니다. 1GHz에서의공기중파장은 30cm입니다. 10GHz의파장은 3cm, 30GHz의파장은 1cm가되어, 30GHz가넘어가면파장이 cm 이하의 mm단위로내려가버리게되죠. 바로그래서 30GHz 이상의아주고주파는 Millimeter wave 라는명칭으로따로부르기도합니다. 즉 Millimeter wave는 Microwave 중에서도더높은대역을일컫는별도의용어이지요. 언뜻보면 Microwave 는 Millimeter wave 보다더더욱파장이작은, 즉파장이 mm 단위가아니라 μm 라서더욱높은 고주파를부르는말인줄로혼동하는경우를종종봅니다. 다시한번정의하지만, Microwave 는매우작은파장을가지 는주파수대역이란의미에서의접두사 Micro- 입니다. 그런데실제로는 30GHz에서부터딱잘라서 Millimeter wave 라고부르지는않고, 10GHz 후반이나 20GHz 대역역시그냥 Millimeter wave에포함해서부르긴합니다. 왜냐면 20GHz나 30GHz나설계방법, 접근방법및측정방법도비슷해지기때문입니다. 하지만그이전의주파수와는확연히구분되기때문에실제로 20GHz가넘으면 Millimeter wave 로칭하게됩니다. 용어의정의에만너무얽매이면안되지용 ~ RF용어에도다유도리가있습니다. RF 란? RF 에서꼭기억해야할키워드는아래의두단어입니다. 무선 (Wireless) & 고주파 (High Frequency) 결국 RF 가의미하는것은아래와같습니다. 100~300Mhz 이상의고주파무선통신및고주파를이용하는장비설계, 연구공학분야일체

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13 제 1 장 원초적기초 50 옴을쓰는이유는? Microstrip을왜쓸까? Port의정확한의미는? 임피던스매칭을하는이유 RF에서 S 파라미터를쓰는이유 db단위는왜쓸까? db와 dbm은뭐가다를까?

14 16 제 1 장원초적기초

15 01; Chapter 50 옴을쓰는이유는? 17 Chapter 옴을쓰는이유는? RF 설계를하다보면거의왠만한임피던스가 50 옴에맞추어져있는것을발견할수있습니다. 고전적인정의원래 microwave engineering 에서전자파에너지의전력전송 (power transfer) 특성이가장좋은임피던스는 33 옴, 신호파형의왜곡 (distortion) 이가장작은임피던스는 75 옴정도이죠. 그래서그중간정도가 49 옴정도인데, 계산의편 의성을위해 50 옴을사용하게되었다고하지요. 50 옴의의미실제로 50 옴이가지는의미는 ' 기준점 ' 입니다. 고주파에서임피던스는신호부하에아주중요한역할을하게되지요. 그러한임피던스가연결단에서서로조금이라도안맞으면신호의반사가발생합니다. 그래서늘상임피던스매칭을 해야하며, 이것때문에머리아프죠. 그렇다면암묵적으로일단기준임피던스를만들면어떨까요? 그런생각에 50 옴 이라는기준점이생기게된것일겁니다. 모든회로의입력단과출력단을 50 옴으로만들어준다면연결할때마다일일 이임피던스매칭을할필요가없겠죠! 편리하죠? 실제로 50 옴이가지는의미는바로이러한기준점을만들어서증폭 기, 필터등의회로를만든후연결할때편하자고쓰는것이지요. 75 옴은왜? 그런데가끔보면기준이 75 옴인경우가있습니다. 이것은전력전달성능보다는신호왜곡을최소화하기위한경우에 쓰이지만, 주로안테나, 그중에서도 TV 안테나같은다이폴관련안테나에서쓰입니다. 다이폴안테나는그길이가 * 파장, 즉보통반파장일때주변의리액턴스성분이 0 이되는데, 그때의임피던스가 73.XX 옴이됩니다.

16 그래서그런안테나에서나오는케이블들은 75 옴동축선로인경우가많습니다. 그런이유로케이블 TV 시스템에서 도선로임피던스를 75 옴으로사용하기도하구요. RF 시스템에서대부분의선로는이러한연유로 50 옴아니면 75 옴을 사용하게됩니다. 18 제 1 장원초적기초 다른임피던스를쓰면안되남? 물론이런질문이나올수있죠. 전체시스템회로단을 50 옴이아니라 40 옴으로전부기준설계하고만들어도되지않 느냐.. 당연히됩니다. 왠만큼동작잘할수있습니다. 물론, 혼자서다만들어야겠죠.. 다른것과호환이안되니까요. 다른데쓰려면임피던스매칭을해야하고.. 또한맨위에언급되었듯이나름대로최적의임피던스로잡아놓은것이 바로 50 옴이기때문에, 굳이바꿀필요가없겠지요? 추가설명 (1) 고전적으로는회로망의분석및이해는임피던스나어드미턴스를아는것이었습니다. 임피던스나어드미턴스를측정하기위해서는회로망의입출력을 open 이나 short 로유지하는것이필수적입니다. 그러나주파수가높아지면양질의 open 이나 short 를만드는것이불가능해집니다. 또한고주파소자에서는입출력단이 open 이나 short 가되면발진가능성이상당히높아지며발진이되는경우에는대부분측정이불가능해집니다. 50 옴의경우에는저항성 termination 이므로발진가능성이훨씬줄고또한고주파까지임피던스를유지하기가상대적으로유리합니다. (Gonzales) (2) 측정시 DUT (device under test) 와계측기사이에 interconnection line 이나측정 probe 에의한기생성분을 deembedding 하여야하는데 impedance 나 admittance 로는기술적이나수리적으로어려운데반하여 transmission line 이론에의하면정합된회로는 line delay 만보정하면됩니다. 물론 NWA 를사용한분들은잘아시겠지만 S- 파라미터를사용한 deembedding 기법도정교한 standard 를필요로하는단점은있습니다. (3) 잘아시겠지만 impedance 나 admittance 는전압과전류전달특성을최적화하는데적합하며이는 source 와 load termination 에따라값이바뀌므로소자가 cascade 로연결되었을때전체성능을예측하는것이불가능합니다. 실제로 RF 대역의소자는전류또는전압이아니라전력을전달하는것이주목적이므로 50 옴이아니더라도특성임피던스를통일해서사용하는것이절실히필요한데그이유는정합된회로에서전력전송이최대화되는특성을이용하기때문입니다. 이경우에각각의전력이득의합이 (db 스케일로 ) 전체의전력이득의합이되므로 ( 약간의미스매치에의한오차를무시하면 ) 시스템 budget 설계가가능하게되는부수적인편리함이있습니다.

17 02; Chapter Microstrip 을왜쓸까? 19 Chapter 02. Microstrip 을왜쓸까? 보통 300Mhz 대역이상이되면점차일반 PCB 가아닌 Microstrip 구조를고려하게됩니다. 900Mhz 정도면 Microstrip 구조의회로를주로생각해야되지만, 이런저런이유로회로구조가아주작다면 Microstrip 가아닌일반 PCB 형태로만들기도합니다. 그렇지만 Ghz 대역을넘어서기시작하면어떤식으로든 Microstrip 형태가아니면구현이매우어려워집니다. 왜냐구요? 이제부터그이유를알아봐야죠. 어쨌든 Microstrip 은고주파 RF 에서가장기본적으로쓰이는기판이라는점기억하시길. Microstrip 은일반 PCB 와무엇이다른가? 엄밀히말해서 Microstrip 은 PCB 의한형태일뿐입니다. 자세히보지않으면보통전자회로기판과그차이를잘모를 수도있죠. 바로그일반 PCB 와 Microstrip 의차이를알면그게곧 Microstrip 을쓰는이유와직결될것입니다. 저주파대역에서사용되는일반 PCB 에서는, 각소자와소자간의패턴 ( 레이아웃 ), 즉선로의형상이나길이에의해그 회로가영향을받긴합니다. 주로안정성과동작에러와관련된부분에서영향을주게되며, 주파수가올라갈수록선 로간의간섭이심해지기때문에소자배치를어떻게하느냐가아주주요한관건이됩니다. 고주파대역에선선로의형상이나길이가엄청나게아주아주무지막지하게회로성능에영향을줍니다. ( 강조! 강조! 강조!) 여러번설명되었지만파장이짧아서선로의위치마다전압과위상이오락가락하기때문이죠. 좀더강하게말 하면, 선로의형상과길이가회로에 ' 영향 ' 을주는정도가아니라, 동작성능과기능모든것을 ' 결정 ' 하게됩니다. 저주파 PCB를설계하던사람이라면, 전체회로도를짜고, 부품을적당히배치하고, 그부품들을연결할 PCB line을 CAD tool등을이용하여적당히정하겠죠. 고주파대역에선이런방법순서가씨가먹히지않습니다. 우선전체회로도를짜되, 회로도구성에서부터각부위에얼마만한폭과길이를가진선로를어떤모양으로사용할것인지미리아주확실하게결정합니다. 그회로결과값자체가바로 layout으로되어곧바로회로제작에들어갑니다.

18 20 아마회로를만들어보신분이라면이게무슨말인지쉽게알수있을것입니다. 바로이러한이유로고주파설계가힘들다.. 라는말이나오는것이지요. 아주처음부터 RF설계를배운사람이라면모르지만, 저주파설계를하던사람이고주파설계를처음시작할때매우당황스러워하는부분들이었습니다. 개념자체가다르니까요. 제 1 장원초적기초 예를들어 L을구현한다했을때, 저주파에선 L소자를사서달겠지만, 고주파에선일반적으로보통선로의길이를길게해서그길이값으로 L을구현하게됩니다. C소자역시 stub이나 gap을의도적으로선로에포함시켜서소자대신표현하기도합니다. 그래서고주파회로를처음보면약간황당하게도아무런 C나 L소자를실장하지도않았는데회로가되기도합니다. ( 잠깐상식! 선로의길이가길어지면 L소자처럼동작하며, 고주파가될수록 L값이높아집니다.) 바로이렇게고주파에선패턴콘트롤을통해회로를설계할방법이필요한데, 그러한설계법에최적화된 PCB형태를 Microstrip이라고부릅니다. 또한이렇게패턴콘트롤을해야할때가장중요한것은, 바로 signal -ground 사이의매질형태입니다. Signal - Ground 사이의매질조건이것이바로일반 PCB 와 Microstrip 의근본적인차이입니다. 신호선과 GND ( 접지 ) 선과의관계이죠. 일반 PCB에서는신호선과 GND 선 ( 또는판 ) 간의거리나위치에상관없이, 모든신호선들이정확히 GND를공유하기만하면됩니다. 만약이말도이해가가지않는회로설계미경험자라면, 사실 Microstrip을이해하는것도힘들수있습니다. 더더더욱쉽게설명한다면, 아마대부분 PC의메인보드나사운드카드등등의전자회로들을보셨겠죠? 전자쪽전공하신분이라면실험이나최소환회로기판을구경이라도해보셨겠죠? 그런회로들은가만히들여다보면각각 GND의점위치나판위치크기이런게제각각입니다. 각각의신호가신호선과 GND 양단에연결만되면되기때문입니다. 그런데주파수가계속올라가게되면, 그신호선과 GND 사이에교류에너지가집중되면서 field가형성되기시작합니다. 일반저주파 PCB에서는신호선과 GND 사이에또다른신호선과소자등많은것들이가로막고있기때문에점차신호선 ~ GND 간의배치문제가어려워집니다. 보통 GND와신호선을기판의한쪽면에한꺼번에올리는경우가많으므로, 이문제를해결하기위해 GND는특별히회로뒷편으로넘기기도하죠. 그렇게하면양면으로복잡한패턴이그려진양면 PCB가되고, 실제로그렇게많이설계하지요. ( 지금아무회로판이라도있으면한번뒤집어서보세요 ) 급기야는주파수가수백 Mhz 로올라가면서신호선과 GND 사이의선로, 매질, 물질의문제가점점더복잡한영향을주 기시작합니다. 자꾸만신호선 ~ GND 사이에교류에너지가집중하기때문에방해물에대한영향이커지기때문이죠. 그렇다면어떤식으로해결할것인가? 그래서생각한것이앗싸리기판아랫면은아예금속으로완전히덮어버리고, 윗면에는 GND 없이신호선만배치해버리는겁니다. 오호라 ~ 그렇다면이제신호선과 GND 사이에는오로지기판만이존재합니다! 이렇게하면수백Mhz에서도잘동작하지요. 그렇지만이렇게만들고도, 계속주파수가올라가서 Ghz대에근접하면또다른문제에도달합니다. 아무리신호 ~ GND 사이에기판만존재시켜서그사이에방해물없이교류신호가걸린다고는하지만... 뭔가가, 뭔가가이상해집니다.

19 21 바로초고주파가되면서신호선 ~GND 사이에서신호의거의모든에너지성분이교류필드형태를이루면서진행한다는점입니다. 즉단순히 GND와신호선사이의물질을제거하는것만이아니라, 그사이에들어가는매질 ( 즉기판유전체 ) 의조건이완벽하게일정해야한다는문제가발생하지요! 예전에는신호선과 GND 사이에걸리적거리는소자나선로가문제였지만, 초고주파에서는그기판의높이나유전율까지정확히일정해야한다는것입니다. 저주파에서처럼신호선 GND간의거리를맘대로조정하면회로의성능이확확변해버립니다. 거의모든에너지가바로그놈의신호선 ~ GND 사이에걸려버리니까, 그사이의물질에무지하게민감하게반응하게되니까요. Chapter 02. Microstrip 을왜쓸까? 그래서결국탄생한형태가 Microstrip입니다. 맨아래에는 GND 금속으로완전히코팅되어있으며, 중간유전체의높이와유전율이명확하게정의되어있으며, 그높이 / 유전율조건에맞추어맨윗면에신호선을배치하면서회로를구성하게만든, 그런형태의기판을바로 Microstrip이라고부르는것입니다. 일단 Microstrip 기판을선택하면, 그때부턴빼도박도못하고그기판수치값에맞게윗면에회로사이즈와형태를결정할수밖에없습니다. 저주파에선일단회로를설계하고기판을구하지만, 고주파에선일단기판을선택해야제대로회로설계가됩니다. 큰차이죠.. 결론 어쨌든 Microstrip 은왜사용하느냐? 라는질문은이렇게대답할수있을것입니다. 고주파에선신호선과 GND 사이에대부분의에너지가집중된다. 신호선과 GND 관계를명확하게고정하고설계하기위한기판구조가필요하다. Microstrip 선로구조가아니면고주파필드에너지를모아서보내기힘들다! 사실어느책을봐도 Microstrip 을왜쓰는지에대한설명은별로없습니다. 너무당연시하게사용해서일까요? 최근에는 PC 의 CPU 도거의 Ghz 대에도달하고, 100Mhz 의패스트이더넷말고도그다음규격인 300Mhz, 수백 Mhz 대의시리얼버스규격인 IEEE1394, 또 Ghz 이더넷랜시스템등이각계에서연구중입니다. 이런분야에서도정상적인전자회로설계로는정확한동작을기대하기힘들기때문에, 점차 Microstrip 형태의기판구조로가고있습니다. 위내용은전자회로구성에경험이전혀없는분이보면여전히뜬구름잡는얘길지도모릅니다만, 적어도 RFDH 에서그정도초보자부터이끌기는무리일겁니다. 나름대로쉽게설명했지만, 여전히이해가안가는부분이있더라도실제개발을하면서조금씩그개념을완성해나가시기바랍니다.

20 22 03; Chapter Port 의정확한의미는? 제 1 장원초적기초 처음 RF 를접하는사람들이 port 라는단어를생소하게여기는경우가많은것같습니다. 영어사전에보면 ' 항구 ' 라고나와있죠? 항구라하면배가들어가고나오는곳이죠. RF 에서 port 역시신호가들어오고나오는곳을그렇게부릅니다. 그런데.. 저주파설계를자주하시던분이라면약간의아한생각이들겁니다. 왜 RF 에선입출력단을 'port' 라고부르는가? 실제로저주파에서전자회로입출력단을 port 라부르는경우는별로없습니다. 보통단자혹은 terminal 로부르는게더일반적이죠. 그렇다면단자와포트의차이는무엇인가라는생각이들지않습니까? 일상에서의예보통 TV 뒤에보면비디오와주변기기를연결하는단자가있습니다. 바로그거죠! ' 단자 ' 라고부르는이유는? 실제오디 오나비디오연결잭은단자라고부르게되는이유가뭘까요? 모양도비슷한데왜 ' 포트 ' 라고부르지않을까.. 이런의문이 들게됩니다. 그런데, 보통 LAN 같은경우입출력부분을 ' 단자 ' 라는용어보다 ' 포트 ' 라는용어를쓰게됩니다. 그다지고주파도아닌데 왜이건또멀티포트니 5- 포트니하는식으로부르게될까.. 역시궁금해집니다. 그냥선이많아서일까요? 공학적인구분단자나포트는일반적으로구분할수있는식의말은아니죠. 공학적으로구분해야합니다. 그럼일단오실로스코프를 가정해보지요. 저주파회로는오실로스코프의 probe ( 측정용탐침 ) 를그냥갖다대면전압파형이측정됩니다. 하지만 아시다시피초고주파 RF 에서는그런측정방법이먹히지않습니다. 그것에대한이유는여러가지로게시판에서거론되 었지요. 고주파에서는교류전류측정이매우어려운일이기때문이라고할수도있고... 그렇다면, 이렇게단순히 probe 를갖다대는것만으로측정이어려운단자를 ' 포트 ' 라고부르는것인가? 라는의문이생 깁니다. 어느정도맞는말입니다만, 여기서실제 ' 포트 ' 의정의는무엇인지알수는없습니다. 또한비슷한관점에서 DC 신호의끝단은 ' 단자 ', AC 측정의끝단은 ' 포트 ' 라고알고계신분도있을겁니다. 분명히그것도틀린정의는아닙니다.

21 Port 란? 본론입니다. 일반적으로 ' 포트 ' 라불리우는것은, 신호선 + GND 가일정한조건으로유지되는교류단자의한종류를 말하는것입니다. 동축선의예를든다면, 동축선 (coaxial cable) 은중심도체와외곽도체사이에일정한유전체를삽입 하여, 단면에서보았을때하나의신호가완전하게전송될수있게되어있습니다. RF 에서신호를전송하기에는왼쪽 과같은동축선구조가적합하고무난하기때문에가장많이쓰이게되죠. 일반적인단자라고부르는것은, 그냥금속 선의끝또는중간부위를말합니다. 그것은보통 GND 가아닌신호선만을지칭하며, 그런이유로 DC 와저주파에서통 용되는말입니다. 앞부분의 'microstrip' 은왜쓰는가? 라는단원에서계속강조된것이무엇인가요? 바로고주파에서는신호와 GND 간의조건이명확해야한다는점입니다. 즉신호선과 GND 는저주파에서처럼완전히분리되어선안됩니다. 고로 초고주파 RF 에서는신호선에 probe 를갖다댄다고해서신호파형측정이잘되지않습니다. 그렇기때문에입출력단역시신호선과 GND 가한꺼번에연결되어야만정확한신호전달및측정이가능합니다. 바로 이렇게신호선과 GND 가개념적으로하나로통일된고주파용입출력단을우리는 'Port' 라고부릅니다. Microstrip 이 건, Stripline 이건, Waveguide 이건간에 RF 에서는 port 의개념을통해완전한하나의신호를보내거나받게됩니다. 23 Chapter 03. Port 의정확한의미는? LAN 과 TV 단자그렇다면왜 LAN 선류는포트라고부르느냐? 라는질문이생깁니다. LAN 선은특성상 GND 선을따로쓴다기보다는 두개의신호선에 balanced 신호를인가하고, 그선로를서로꼬면서진행하게되어있습니다. 즉단자하나만딱연결 하면그안에 GND 와신호선이포함된, 즉완전한하나의안정된신호원을받게되어있습니다. 또왜 TV의뒷편에달린것은왜단자이냐? 실제오디오와비디오는각각 GND와신호선이포함된형태이긴합니다. 하지만그것은단지한선에뭉쳐놓았을뿐이고, 그주파수에서신호선과 GND 간의문제는별로영향이없습니다. 그리고실제비디오와오디오가분리되어연결되기도하기때문에엄밀히말해서전달하고자하는신호를분리해서전달하고있습니다. 그런의미에서보통포트라는말보다는단자라고말해버립니다. 결론 'Port' 란, 그냥입출력단을말한다.. 라고알고있어도사실설계에큰문제는없습니다. 또한실제로포트와단자는구분없이혼용하여쓰기도합니다. 다만이런개념적인부분을이해하고있으면, 조금이나마 RF 를이해하고접근하는데도움이될것입니다.

22 24 04; Chapter 임피던스매칭을하는이유? 제 1 장원초적기초 RF 를오래하다보면이런질문이우문처럼들릴수있습니다. 하지만경우에따라누군가에겐매우궁금한질문이될수도있겠죠. 임피던스매칭은원래당연히해야하는것이지, 왜하느냐의문제가아니라고봐야하겠지만, 만약아직까지임피던스매칭의전반적개념에대해아리까리한사람은이글에나온다양한설명을참조하여개념을익히기바랍니다. 즉이글은숙련자가보시면하품이나올지도모릅니다..^_^ 임피던스매칭 (Impedance Matching) 이란? 일단임피던스의의미를알고있다는가정하에, 임피던스매칭또는정합에대해간략히정의를내려보죠. 어떤하나 의출력단과입력단을연결할때, 서로다른두연결단의임피던스차에의한반사를줄이려는모든방법을임피던스 매칭이라부릅니다. 보통은두개의연결단사이에별도의매칭단 (matching unit) 을삽입하여두연결단사이의임피 던스차이를보정해줍니다. RF에서임피던스매칭이란 ' 중요 ' 하다는단어로도절대부족합니다. ' 필수 ' 또는당연히거쳐야할문제입니다. 저주파회로에서거의사용하지않는개념이라저주파설계하시던분들이어려워하는개념일수밖에없죠. 어쨌든 RF에서임피던스매칭은, 그중요성을논하는것자체가부질없을정도로고주파설계의원초적기본중의기본그자체라고볼수있습니다. 당신의연봉은얼마? 사실임피던스매칭을해야하는이유는아주당연합니다. 하지만왜당연한건지모르시겠다구요? 여러가지예를통해 이해하도록해보지요.

23 만약당신의모모회사에취직인터뷰를하는데, 그회사에서연봉을 1800 만원을제시했다고가정하지요. 그리고당신 은 2000 만원의연봉을주면일을하겠다고말합니다. 그런데, 연봉에대해더이상의언급없이그냥그회사에다니기 로했습니다. 그렇다면 25 일첫월급날이되었을때, 당신은어떤연봉에기준한월급을타게될까요? 1800? 2000? 왜이런문제가발생했는지는간단합니다. 두개의다른주장에대한 ' 협상 ' 이없었기때문입니다. 보통협상을한다면간단하게그중간값이 1900에연봉을타결할수있겠죠. 바로이렇게회로간의임피던스를협상해주는것이 ' 임피던스매칭 ' 이며, 위의예에서알수있듯이그러한협상과정이없다면전체의흐름이예상할수없게되고양자가불만을가지게된다는것입니다. 사실위의예제는너무현실적이라서여러분의머리속에서기계적회로와비슷하게여겨지지않을지도모릅니다. 그렇다면회로에서임피던스의역할을다시한번들여다볼필요가있습니다. 임피던스의중요한역할은바로부하 (load) 입니다. 각각의회로소자와선로위치에얼마만큼의일 (load) 를분담하느냐를말하죠. 위의연봉협상의예에서, 연봉의액수란곧그직원의능력과 ' 일의양 ', 즉 load와직접적인관련이있습니다. 일의양이많다면기본적으로월급을더주는게연봉제의기본이니까요. 즉임피던스매칭이안되었다는의미를연봉사례로끌어가면, 받는월급에비해너무많은양의일을하거나, 적은양의일을하는식의의미로볼수있습니다. 만약이렇게된다면, 본인또는주변의다른직원들의불만이발생할것입니다. 즉반대급부가발생하죠! (reflection) 25 Chapter 04. 임피던스매칭을하는이유? 회로도똑같습니다. 적절한 load 가걸리도록입력단과출력단의임피던스를정했을때, 그것이다른회로단과연결될 때연결부위의 load ( 임피던스 ) 가다르면신호의반사 (reflection) 가발생하게됩니다. 다시말해업무할당량이잘맞 지않아불만이쌓이고, 회로의성능이제대로발휘되지못하는것이지요. 도로이론임피던스를설명할때많이나오는이론중의하나가바로도로이론이며, 실제전기에너지의흐름과아주유사합니다. 도로이론에서나온중요한개념은도로의폭 (= 임피던스의크기 ) 과한꺼번에일렬로통과하는자동차의통행량 ( 전류 ), 자동차의통행속도 ( 전압 ) 로정리됩니다. 자, 선로의폭이좁으면임피던스가커질까요, 작아질까요? 이것에대해확실히답을못하는분이라도, 이것은아실겁니다. 도로의폭이좁으면차들이잘지나갈수있을까요, 없을까요? 당연히통행량이줄어들고힘들어집니다. 임피던스의원어인 impede를사전에서찾아보시면, ' 방해하다 ' 의뜻입니다. 원래임피던스의사전적인정의는 ' 전류의흐름을방해하는성분값 ' 을의미하죠. 즉임피던스가높다는것은결국전류나에너지의흐름을적게만든다는말이됩니다. 선로의폭이좁으면임피던스는커지며, 선로의폭이넓어지면임피던스는작아집니다. 아주간단한원리임에도불구하고, 아마이글을읽으시는많은분들이 ' 그랬구나 ~ 몰랐는걸 ' 하실지도모릅니다. 너무당연한거니까, 이해하던지외우시길.. 다시도로이론으로돌아가서결국임피던스가다르다는것은무얼의미할까요? 도로의폭이다르다는것을의미하죠. 실제운전을해보신분은아시겠지만, 마포에있는올림픽도로의한줄만막아도잠실까지밀릴수있습니다.

24 즉도로의폭이바뀌면병목현상이라고불리우는전형적인흐름의지체현상이발생합니다. 26 제 1 장원초적기초 만약에위의왼쪽그림처럼 6 차선도로와 2 차선도로가바로만난다면, 아마그부분에서여러모로교통혼잡이발생할 것입니다. 하지만오른쪽그림처럼 6 차선과 2 차선사이에 4 차선구간을일정길이추가한다면, 교통의흐름은더딜지 언정교통흐름은개선될것입니다. 이것은임피던스매칭이하는역할을보여주는단적인예입니다. 이런방법은실제 로 RF 에서사용하는방법이며, 물론이것말고도매칭법은여러가지가있습니다. Impedacne Transformer ( 임피던스변환기 ) 가끔임피던스변환기와임피던스매칭이무슨차이인가요? 라는질문을받습니다. 답은간단하죠. " 같은겁니다 " 임피던스매칭이결국하는일은두개의다른임피던스단사이에, 두개의임피던스를완화하는중간적인그무엇을삽입하는것입니다. 그러므로, 외부에서볼때는그러한매칭단이양단의다른임피던스를서로변환해주는것처럼보일수도있지요. 그래서그냥임피던스변환기 (Impedance transformer) 라고또는그냥변환기 (transformer) 라고부르기도합니다. 같은거니까헷갈리진마시길.. 임피던스매칭은어떻게하나? 위에서여러번언급되었지만, 임피던스매칭이란결국임피던스가다름으로인한반사손실을최소화하기위해, 중간 에양쪽임피던스를중재할수있는그무언가를넣는것입니다. 임피던스매칭을하는방법은, 매우다양한데, 그중에 서 RF 에서가장많이쓰이는것은아마도 quarterwave transformer 와 stub 매칭방법일것입니다. 이것은아무초고주파공학책에보아도잘나와있으니반드시책을참고로공부하셔야합니다. 보는것으로 ' 정보 ' 를얻을수는있지만, ' 지식 ' 을얻긴힘듭니다. ( 이말은매우심오한의미를담고있습니다 ) Quarterwave transformer는두개의임피던스단사이에 1/4파장길이의중간적임피던스를삽입하는아주원초적이고단순한방법입니다. 대역폭이매우좁다는문제가있지만, 구현이아주간단하기때문에어레이안테나나몇가지 RF 회로에서종종사용되지요. 대역폭을늘이기위해여러단으로만들수도있지만, 공간을너무많이차지해서그리권장되지는않습니다.

25 실제로가장많이사용되는임피던스매칭법은 stub을이용한것인데, 이것에는스미스차트라는 RF 필수그래프툴을이용합니다. Stub이란회로옆에수직으로길게나온짧은선로를의미하며, 스미스차트를이용하여그길이와위치를결정할수있습니다. 굳이이런 stub이아닌 LC lumped 소자를직접땜빵해서만들수도있지만, 1Ghz가넘어가면 stub 방식을쓰는게일반적입니다. 27 혹시좀더기초가필요한초심자를위해부연설명을한다면, lumped 소자란그냥우리가 RLC 라불리우는땜질해서 붙이는전자회로소자전체를통칭합니다. Stub 으로구현한다는의미는, 그런 lumped 소자의 L,C 값을등가적으로선로 의길이와폭등의패턴형상으로구현한 distributed 형태로만든다는것을말합니다. Chapter 04. 임피던스매칭을하는이유? 결론 사실 RF 에서임피던스매칭의목적에대해논한다는것은실제적인의미는별로없습니다. 왜냐면너무나당연히해야할일이기때문에, 어떻게하느냐가문제일뿐입니다. 초고주파공학이란이름이붙은모든책에서, 여러분들은여러가지임피던스매칭법을훈련하실수있을겁니다. 특히 stub 과스미스차트를이용한임피던스매칭법을익히는것은백가지설명을듣는것보다자기가직접혼자서한번따라해보기가훨씬효과적이라는것명심하시길!

26 28 05; Chapter RF 에서 S 파라미터를쓰는이유 제 1 장원초적기초 S 파라미터는 RF/Microwave 를하는사람으로써늘상마주쳐야하는가장주요한특성값입니다. 자주쓰는사람은무덤덤하게, 즉익숙하게사용하지만처음고주파를접하는분들은많이당황해하기도합니다. 전압, 전류.. 이런어떤전기적파라미터에익숙하다가갑자기 S 파라미터를쓴다고하면 " 그게뭐지?" " 그걸왜쓰지?" 라는의문을가지기마련이죠. 그리고시간이지나다보면 S 파러미터란게대충넘어갈게아니라고주파에서가장의미있는특성값중하나이며너무나도흔하게널리쓰인다는것에물들어버릴지도모릅니다. 이렇듯 RF 에서 S 파라미터는가장널리사용되는특성지표입니다. S 파라미터에대한정의는매우간단하므로 S 파라미터란을참조바라며, 이글은 S 파라미터가익숙치않은분들을위한설명입니다. 고로 S 파라미터를잘아시는분은밤에잠이잘안올때나이글을차분히읽으시면숙면에도움이될듯.. 심심하면한번읽어보시구요. (^o^;) S 파라미터 = S 행렬 (Matrix) 자, 여기서간단한질문을해보지요. S31 이의미하는것이무엇인가요? 답은 '1 번포트에서입사된전압이 3 번포트로얼마나전달되느냐 ' 입니다. 이렇듯뒤에있는숫자가입력, 앞에있는숫자가출력포트를의미하죠. 무지간단하죠 ~ 사실은이것만으로도 S 파라미터의의미나사용하는이유는극명하게밝혀집니다. 바로각포트간의전압 / 전력배 분을보기위한목적이라는점입니다. 그리고이것은모든포트에대해자신을포함한행렬로표현됩니다. 그래서 S matrix( 행렬 ) 이라는표현을쓰지요. 예를들어포트가 3 개짜리소자의 S 파라미터는아래와같이표현될것입니다. 으흠 ~ 즉포트수의제곱에해당하는 S 파라미터갯수가나오게되지요. 이렇게하면각포트간에입사된전력이다른포트 로는얼마가가느냐가일목요연하게나타납니다. 여기서눈치챌수있는것은대각선행렬값은반사계수를의미하게되죠.

27 그리고많은수동소자들은이행렬이 reciprocal 하다구하죠. S21 = S12, S32 = S23 과같이대각선기준으로위와아래가대칭인경우를말합니다. 그의미는결국소자에방향성이없고입력과출력이바뀌어도무관한대칭소자를말하죠. ( 그걸공학에선영어로 reciprocal하다고합니다 ) 특별한원리가있는건아니므로자연스럽게이해하세요. S 파라미터란이처럼뭔가입출력단간의전력비를보는거다.. 라는게감이잡히시죠? 29 주파수영역 (Frequency domain) = Spectrum S 파라미터의두드러진특성은주파수영역에서보는파라미터라는점입니다. 보통저주파회로나일반전자회로에 서는전압이나전류값을시간축에서보는경우가많습니다. 하지만고주파에서관심있는것은시간축과도응답보다 는주파수축에서의동작결과입니다. 고주파통신에서는서로신호를보내고받는주파수상의채널의개념이굉장히중요합니다. 어차피모자른주파수 자원을나누어쓰려면각주파수마다누가쓸지정해놓고서로지켜가면서잘 ~ 나누어써야겠죠. 그렇게서로쓰려고 나누어놓은주파수대역단위를채널이라고하지요. 이것이기본이되기때문에주파수영역에서신호가어떻게분포 하느냐란문제와그것을어떻게분포시키느냐라는문제가매우중요하죠. 자, 예를들어간단한 BPF, 즉대역통과필터를예를들어보지요. 필터에는 group delay 와같은시간적개념의파라미 터도중요하지만, 근본적으로어느주파수대역을통과시키고어느주파수대역을안통과시킬것이냐? 가가장중요 한문제일것입니다. Chapter 05. RF 에서 S 파라미터를쓰는이유 그렇다면시간축의과도응답으로그것을알수있을까요? 물론눈썰미좋은고수라면대충보고알겠지요. 하지만 정확히통과주파수밴드형태가어떻게나오느냐를나타내는숫자는주파수대역의플롯을봐야지만알수있습니다. 아래의필터 S 파라미터를볼까요? 빨간게 S11 ( 반사계수 ), 파란게 S21 ( 투과계수 ) 입니다. 아래에는주파수축으로나와있지요? 파란게위로볼록하고 빨간게아래로쳐진곳이결국그부분에해당하는주파수가통과되고있음을나타내고있습니다. 이렇게보는게훨씬 특성이잘보이죠.

28 저 ~ 한참위에언급한하나의 S 파라미터혹은 S Matrix 는분명히 ' 한 ' 주파수에서의결과를말하고있는것입니다. 위의도표는그 S 파라미터를주파수별로좌 - 악구해서점을연결한것이죠. 보다구체적으로설명드리면 S 파라미터 의크기 (magnitude) 값을 db 스케일화하여나온숫자를연결한것입니다. 30 이렇게주파수영역의어떤플롯을나타낸것을 spectrum이라고하죠. spectrum이란주파수를가진파동이주파수별로늘어서있다라는뜻입니다. ( 사전적으로 ) 빛도주파수가무지높은전자기파이기때문에빛의분광을 spectrum이라구도하구요. 스펙트럼.. 침이좀튀긴하지만왠지어감이뭔가있어보이는단어죠. 스펙트럼.. 제 1 장원초적기초 S 파라미터는기본적으로주파수영역에서한주파수에서의포트간입력대출력비스펙트럼을의미합니다. 고주파 에서주파수영역의에너지분포가가장중요하다는점에서비추어본다면, S 파라미터를쓰는게아주당연한것이죠. 왜냐하면그주파수별동작특성을알아보기가가장쉬우므로! 측정상의이유 S 파라미터의정의자체는전압의비로나타나지만결국그것은전력의비를의미합니다. 그리고고주파를다루다 보면유난히전류에대한언급은별로되어있지않다는것을눈치챌수있죠. 고주파에서는파동에너지, 일종의전자파필드로서에너지가전달되는경우가많기때문에, 단순히전하의이동량을의미하는전류에대한표현은매우어렵습니다. 뒤집어서다시말한다면고주파회로에서전류측정은매우난감하고어려운문제입니다. 그렇다면전압측정은쉬운가? 물론전류보다는아무래도측정이쉽습니다만, 문제는주파수가너무높다보면그신호의주기도매우짧아서어떤측정포인트, 즉타이밍을잡기가애매합니다. 최대전압점을잡으면되겠지만그것도그리말처럼쉬운게아니지요. 그렇다면위의그림과같이빠르게변화하는신호전압파동의값자체를측정하기가힘들다면어떤방법이있을까요? 지금처럼빠른주기성신호의값을읽어내는것은주파수가올라감에따라측정하는 time step이아주짧아져야하기때문에쉽지않겠죠? 주파수가올라갈수록그주기가짧아서정확히한 point의어떤특성값을잡는다는게어렵습니다. 실제로는 magnitude, 즉최대값을잡지만, 여하튼어떤시점의측정은어렵습니다. 해결법은바로상대적인값을잡아버리는것입니다! 입력전압파형이들어갔을때출력전압파형을잡고, 그것 을실시간으로측정하고그신호값을서로나누게만드는것이죠. 그렇게나누어진상대적인값은같은주파수 내에선일정한상수처럼나타난다는것에주목해야죠. 잘생각해보세요. 바로그것이 S 파라미터의정의아닌가요?

29 주파수가올라갈수록파형변화가너무빨라서절대적인신호전압값을잡아내는것은점점더어려워집니다. ( 전류는고사하고 ) 저주파처럼오실로스코프프로브를갖다찍는다고해서잘되는게아니란것이죠. 그것을측정기에서입력과출력의신호를실시간으로서로서로나누어버림으로써얻은결과, 즉 S 파라미터를측정하는게상대적으로쉽습니다! 그일을하는게바로 NA, 즉네트워크애널라이저입니다. 아래그림을보시죠. 어떤두신호의비를계산하면그결과가해당주파수에서는달랑아래의두가지값으로떨어집니다. 우리는보통그크기값의차이를 S 파라미터절대값으로써많이사용하죠. S 파라미터의위상차는아래그래프에서보이듯이입력 ~ 출력을거치면서발생한신호의위상차 (delay) 를의미합니다. 다시말해서아래그림에선두개의신호가크기는다르지만주파수는같습니다. NA에서는입력에특정주파수를입력하고, 그주파수의각포트별전압응답을체크해서잽싸게둘을나누어버립니다. 그럼최대값의비와두신호의위상차를구하죠. 그리고실제내부에서는 Freq. synthesizer가있어서원하는주파수대역에설정한만큼의 number of point 수만큼의주파수를생성해서일일이각주파수마다그 S 파라미터값의크기와위상을체크하고, 그것들을연결해서도표로보여주는것입니다. ( 헉헉말이넘길다 ) 31 Chapter 05. RF 에서 S 파라미터를쓰는이유 참고로 SA, 스펙트럼애널라이저는신호파형이아니라신호가어느주파수대에분포되어있느냐를보는거니까, 신호전압보다는그냥주파수대역의에너지분포를보는것입니다. NA보다상대적으로만들기가쉽죠. ( 그러니까더싸죠 ) 전에저도 Ghz 대역의측정장비자체를설계해야할일이있어서무쟈게끙끙댄적이있습니다. 물어볼사람도없고꺼이꺼이.. 그때도그높은주파수의순간적인값을 catch할방법을못찾아서고민고민하다가, HP에서계측기교육을받으면서무릎을탁치면서깨달았죠! 절대적인값을잡기엔고주파는힘들지만, 곧바로상대적인값을즉시만들게하면가뿐하게해결됩니다. ( 물론그것도결코쉽진않슴다ㅠ _ ㅠ ) 고주파에서상대값측정이더용이하다는것이 S 파라미터를사용하는중요한이유중하나인것은분명하죠! 일단측정이잘되어야뭘만들든말든하죠 ~ 결론 위와같은몇가지이유들.. 1. 입출력단간의전력관계를보기위함 2. 주파수영역의신호에너지분포확인 3. 측정상의편이등등으로인해 RF/Microwave 에서는 S 파라미터를널리쓰죠. 아마이것말고도책에보면자질구레한이유가많은데그냥쉽게설명해본답시고위와같은중점사항만정리해보았습니다. 뭐지금초보이신분들도계속공부하고일하시다보면 S 파라미터자체는정말아무것도아닙니다. 알고보면별거아니죠. 만약그냥무심하게 S 파라미터를잘쓰시던분이시더라도, 위에언급된의미를보시고음 ~ 그랬었던가 ~ 하고고개를끄덕이실수있었다면다행이구요. ^^

30 32 06; Chapter db 단위는왜쓸까? 제 1 장원초적기초 정말원초적인질문이죠? 사실숙련자라면별감흥없이 db 단위를사용하는데익숙해서이런의문이떠오르지않을지도모릅니다. 하지만대부분의초보자들이 db 단위를쓰는데많은혼란을겪으며, 왜 db 를쓰는지에대한이유같은것은찾기가어려울것입니다. 여기서한번그의문을풀어보도록하지요! 차근차근읽어보시면어렵지않게이해가갈것입니다. db 의정의 db, 즉 Decibel 의정의를모르는분은없으리라생각됩니다. ( 앗혹시.. 모르시나요..) 고등학교수학시간에배우는 LOG 값을부르는단위니까요.. 어떤수치값 X 에대해 10 * log x 한값을 DB 라고부르지요. 10 * log 10 = 10 db 10 * log 100 = 20 db 10 * log 1000 = 30 db 10 * log = 40 db 뭐다아실테지만.. 결국 db 값이란대상수치를 10 을밑수로한지수값 * 10 값을말하는것이죠. 왜 10 을곱하냐구요? 그냥기준값 10 을넣을때 10 이나오게할라고, 즉계산이편하자고그냥붙인수치입니다. 한마디로 db 란측정값 ( 전압, 전력 ) 를 log 스케일로본값입니다. db 의어원 db 는데시벨 (Decibel) 이라고읽습니다. 물론대부분은편의상그냥 " 디비 " 라고읽긴하지요. 이것은 Deci + bel 의합성 어인데, 앞의 Deci 는 '10' 을의미하는영어의접두사이고두번째단어인 bel 은미국의오랜전통의통신회사인 Bell lab 을의미합니다.

31 예전 ~ Bell lab 에서는넓은범위의값들을한눈에보기도어렵고계산하기도귀찮기때문에, 밑수를 10 을사용하는 log 로변환하여사용하기시작했다고합니다. 이때 log 를취한값들이넘작아지기때문에, 여기에추가적으로 10 을곱하 여사용하게되었습니다. 그래서접두어로 'Deci' 가붙게된것이지요. 결국 db 는어떤자연계의단위가아닌, 인간이쓰기편할려고만들어낸어떤가상의지표이기도합니다. 그저인간이 편할려고만든거기때문에, 그원리를이해하기보다는사용법을잘익히는게중요하다는의미가되기도하지요. 33 log 스케일의장점그렇다면 log 스케일를쓰면뭐가좋을까요? 대충예상이가겠지만, 큰수치를간략하게표현할수있습니다. 또한 지수형태로되어있어서, 실제수치의곱의표현을합으로나타낼수있습니다. ( 고등학교수학시간을상기하시라!) 이것은단순히 log 의장점입니다. 그래도의문이생깁니다. 그게 db 를사용하는이유의다인가? 인간의청력은로가리즘이다! 아시는분은아시겠지만, 인간의귀는로가리즘, 즉 log 적으로소리를듣습니다. 인간의고막은어떤소리의진동수를 듣게되지요. 여기서 log 적으로소리를듣는다는것은두가지의미가있습니다. Chapter 06. db 단위는왜쓸까? 잠깐, 여기서 db의정의자체를설명하기위해 10 log X를그대로사용하여설명됩니다. 만약전력을기준으로볼때는 10 * log ( 전력 ) 이며, 전압을기준으로할때는 20 * log ( 전압 ) 으로 dbm 수치로변환된다는점을주의바랍니다. 여기서는 dbm 단위를설명하자는것이아니므로, 그냥 db라는변환지표자체를설명하기위해 V값을단순히 10 * log 를취하여보였으므로혼동이없길바랍니다. ( 상세한설명은 db와 dbm의차이에대한다음 Chapter 07 참조 ) - 첫번째.. 만약 10v 의크기로진동하는스피커의소리보다두배큰소리를내려면몇 v 를걸어야할까요? 20v 를걸면될까요.. 아닙니다. 눈치가빠르신분, 답을아시겠죠? 100v 를걸어야두배의큰소리가납니다. 즉 10v = 10dB 에 서두배큰소리를내려면 100v = 20dB 의전압을걸어야합니다. 물론소리가두배크다는것은주관적인판단일수있 지만, 이를테면그렇다는것이죠. 결국실제전압보다는그 db 값에비례하여크기가가늠된다는뜻입니다. - 두번째로, 인간의귀는작은소리의변화에는민감하고, 큰소리의변화에는둔감합니다. 그게바로 log 적이란의미죠. ( 또다시고등학교수학시간을상기하길..) 아래의스피커볼륨전압의예를보시져! 1v (0dB) 2v (3dB): 3dB 차이 100v (20dB) 200v (23dB): 3dB 차이 으흠 1v와 2v는 1v 차이가나는데그둘간의 db 스케일은 3dB가차이납니다. 그런데 100v와 200V도 db 스케일은똑같이 3dB 차이납니다. 그이유는단번에눈치챌수있습니다. 바로 db는어떤숫자간의곱의관계를나타내는상대적인의미의값입니다. 위의경우어떤신호가 2배가된다는것은 db 스케일에서는 +3dB를의미하기때문이죠! 그래서저렇게크기가전혀다른전압을내보내는스피커지만, 두전압의차이는동일하게느껴질수있다는것입니다. 인간의청력에서한가지짐작이가는것이있을것입니다. 그것은바로주파수를가지는신호와 DB 스케일의관계입니다!

32 34 db 를사용하는이유네그렇습니다.. 진동수, 즉주파수를가지는신호의성질은자연상태에서의측정값 ( 전압이나전류같은 ) 에비례 하는것이아니라, 그 db 스케일에정량적으로비례하는특성을가지고있다는점입니다. 이것이바로 AC 회로나 RF 에서 db 스케일을주로이용하는아주아주중요한이유입니다. 제 1 장원초적기초 예를들어어떤 RF신호를전송하는데있어서, 10dB의신호를 20dB로올리는것과 30dB의신호를 40dB로올리는것이같은비례적효과가나타날수있다는것입니다. 둘다 10dB씩, 즉신호의크기를열배로올린다는의미이죠. 전압의예를들어면 10dB 20 db로올린경우의신호는 90v차이가나고, 30db 40 db로올린경우는 9000v의차이가있습니다. 90v와 9000v의전압은엄청난차이가있습니다만, 위에서말한것처럼낮은전압레벨에서는민감한변화를, 큰전압레벨에서는둔감한변화를보이기때문에두개의효과는동일할수있습니다. 이예는다소어거지가있긴하지만, 이를테면이런식으로 db 스케일이적용된다는것을보여주기위함입니다. 또한모듈이나시스템을연달아연결할때, 늘어나고줄어드는신호레벨을일일이곱하고나누고계산하기가상당히거시기합니다. 이경우 db 스케일로모든신호레벨을정한다면, 아주간단하게더하고뺌으로서모든계산이가능하기때문에무지편리하죠. 예를들어아래와같은송신기를예를들어보죠. 원래신호 (1mW) * 신호증폭 (20 배 ) * 혼합기손실 (0.5 배 : 반으로줄어듬 ) * 신호증폭 (100 배 ) * 안테나효율 (0.25) 이런시스템을 db 로나타내면최종안테나단에서나가는전력은아래와같이 원래신호 (0dBm) + 13dB -3dB +20dB -6db = 24dBm 이됩니다. 후후.. 더하고빼기가훨씬간단합니다. 결론 주파수신호는그자체의 magnitude ( 크기 ) 값보다는, 그것의지수를취한 log 스케일에비례하는특성을가지며, 그것을개념적으로쉽게표현하기위해 db 스케일을사용합니다. 원리적으로나사용법상으로나, RF 전력계산에는 db 계산이훨신편리합니다. 아마이런저런설계를하면서경험을쌓다보면어느정도당연하게느껴지게될것입니다. db 란개념을왜쓰는지는대충알겠는데여전히 db 와 dbm 차이같은건모르시겠다구요? 다음글을기대하시길..

33 07; Chapter db 와 dbm 은뭐가다를까? 35 Chapter 07. db 와 dbm 은뭐가다를까? 아직설계경험이부족해서 db 와 dbm 을헷갈려하는경우를많이보게됩니다. 아마도헷갈리는이유는우선 db 자체에대한개념의모호함에서기인한것이대부분인듯합니다. 앞에서언급한 db 단위는왜쓸까? 를읽어보면대략 db 란무엇이며, db 자체의특성을아실수있을겁니다. 그리고아직 db 와 dbm 이구분이안가는분이라면, 아래글을꼼꼼히읽고이해하시기바랍니다. db 개념의재정의 db 란것은몸무게, 길이, 전압등등의특정한측정값자체를지칭하는말이아닙니다. 그러한측정값을 Log 단위로 표현하는방법및그결과값을 db 라고부르는것입니다. 여러분들이 db 와 dbm 을헷갈리는가장큰이유는 db 는 무슨특정한측정결과다.. 라고생각해서일것입니다. 예를들어제컴퓨터가격이 100만원이고, 회사서버의가격이 2000만원이라고예를들어보죠. 두개의가격차이는 20 배가납니다. 이런경우그 20배를 db로환산하면 10배 * 2배가될것이고, 10dB + 3dB가되어서 13dB의차이가납니다. 그렇다면 100만원과 2000만원이라는가격을 db 스케일로표현해본다면, 60dB ( 원 ) 과 73dB ( 원 ) 으로표시될겁니다. 여기서단위는분명히 ' 원 ' 이지만, 그원을 magnitude ( 그냥그값자체를의미함 ) 이아니라 db 스케일로나타내었을뿐입니다. 단위는의미가없지요. db 란말자체는어떤값의차이를 Log 로나타낸 ( 상대적 ) 스케일의한종류입니다. 측정값자체를지칭하는것이아닙니다.

34 36 dbm 의정의그렇다면 dbm 은상대값인가? 아닙니다. dbm 은절대값입니다. dbm 이란, mw 단위의전력을 db 스케일로나타낸 단위를의미합니다. 상용화된 RF 에서는작은전력을다루는경우가많습니다. W 단위가아닌보통 mw 단위의전력을 주로다루기때문에, 기준의간편함을위하여 mw 를기준으로만든 db 전력값을 dbm 이라부르는것이지요. 만약 1W 를 db 스케일로하면? - 10 * log 1 = 0dB 가됩니다 W, 즉 1mW 를 db 스케일로하면? - 10 * log = -30dB 가됩니다. 제 1 장원초적기초 위에서말한것처럼, 어차피 mw 단위의전력을다룰바에는앗사리 1mW를기준으로 db스케일을적용하고싶어질것입니다. 그래서아래와같이사용합니다. 1mW = 0dBm 10mW = 10dBm 100mW = 20dBm 1000mW = 1W = 30dBm =0dB(W) 즉, 일반적인 W ( 와트 ) 전력값에 30dB 를더한게 dbm 단위다.. 라고볼수도있지요. db 와 dbm 의차이다시한번정리해보도록하죠. - dbm 은 mw 를기준으로한전력측정값을지칭합니다. - db 는그냥어떤측정값을 log 스케일로보여주는것을말합니다. 바로이것이두가지의명확한차이입니다. 아직도헷갈리는분을위해또예제를들어보죠. 만약, 발진기단에서 0.01W ( 즉 10mW) 의전력이만들어진다면, 우리는그것을 10dBm의전력이나온다고말합니다. 그런데, 그발진기단후에 20dB의이득을가지는증폭기를연결하면최종출력은얼마가될까요? 10dBm + 20dB = 30dBm의출력이나옵니다. 초보자들이헷갈려하는게아마도바로이런계산법때문일겁니다. db + dbm =? dbm + db =? dbm+dbm =? db+db =? 위의계산법에서결과의단위는무엇이맞는건지? 뭐이런것들을헷갈려하게되는거같더군요. 지금까지설명된 모든개념을종합하고이해해서판단해보시기바랍니다...

35 단위계산의결과 1. db + dbm =? 이건순서가말이안됩니다. 상대적배율에절대적전력값을더한다는것은언어도단이지요. 왜말이안될까요? 이계산은수식으로예를든다면마치이런모양입니다. 37 x 10 15mW =????? 뭔가이상하지않습니까? 이것을만약 dbm + db로뒤집어서나타내면아래와같이되겠죠 15mW x 10 = 150mW 바로계산이성립됩니다. 아래의설명을읽어보시죠. 2. dbm + db = dbm 아주정상적인계산순서와단위입니다. dbm으로표현된어떤전력값에, db로표현된신호전력의증가 / 감소분을더함으로서최종적으로얼마만한크기의전력이생성되느냐? 라는수식이되겠지요. 당연히결과는전력값이 dbm이나옵니다. Chapter 07. db 와 dbm 은뭐가다를까? 3. dbm + dbm = dbm 실제로회로내에서이런식으로계산하는경우는없습니다. 두개의신호전력을합한다? 라는의미가상당히모호하기때문이죠. 보통잡음전력을합산하거나하더라도, 단순히합하기만하는게아니라뭔가상호작용을하기때문에 dbm이란단위로무작정합산하기가모호합니다. 게다가 db단위에서는합이곧곱을의미하므로이런식의계산은무의미합니다. 4. db + db = db 역시정상적인계산입니다. 어떤장비단이연속으로연결될때, 각각원래신호전력이얼마나증가하고얼마나감소 하느냐를합하는계산이니까요. 일상적인오해여러가지예를들어서 db 와 dbm 의차이를설명해보았습니다. 이제어느정도감이잡히시지않나요? 그런데아마 처음접하는분들이또헷갈리는문제는아마용어자체를혼란스럽게쓰는분들때문일겁니다. 예를들어누군가 " 어이, 거기송신기출력이얼마야?" 이렇게물어봤을때 " 예 ~ 15dB 요 " 라고말할지도모릅니다. 출력이라하면분명히전력량을말하는건데, dbm 이아니라 db 라니? 이건말하는사람과듣는사람이, 당연히 dbm인줄알고있으니그냥대충 15dB다.. 라고말해버리는경우입니다. 일전에보니까이런경우옆에서듣던신입사원은되게헷갈려하더군요. 왜용어를저렇게말하냐구... 그건그냥쓰는사람들이대충단위를말하는것일뿐입니다. 혹시이런경우있더라도남이제대로말해주길바라기보다는알아서이해하는능력을키우는게낫습니다.

36 38 전압과전력의 dbm 한가지더초보자가헷갈리는것중하나는, 전압값일때와전력값일때계산법이다르다는것입니다. 아래의수식을보시죠. 전압을이용한 dbm: 20 * log 전압 (V) = dbm 전력을이용한 dbm: 10 * log 전력 (W) = dbm 제 1 장원초적기초 어째서전압을이용하여 dbm을구할때는보통 decibel (db) 계산에서사용하는계수인 10이아니라 20을곱하는가? 라는의문을제시하게됩니다. 그것은 dbm자체가이미 ' 전력 (W)' 을기준으로한값이기때문입니다. 실제로도전압을측정하기보단전력을측정하기때문이기도하구요. 그렇다면왜 10 이아닌 20 이란숫자를곱하는가? 라는문제는전력은전압의곱또는전류의곱에비례한다는회로이론의원초적인개념문제입니다. 즉, 전압은제곱해야전력값이되고, 제곱이란것은 db로변환하면 ( 즉 log 스케일로보면 ) * 2 가되기때문에, 10 * 2 = 20을곱하는것입니다. 간단하죠? S 파라미터또한이런질문이나올지도모릅니다. " 왜 S 파라미터는 dbm 이아니라 db 를쓰나요? 분명히계측기에서측정된측정치아닌가요?" S 파라미터는원래상대적결과값입니다. 절대적인기준수치가아닙니다. 그렇기때문에 S 파라미터자체는아무런 단위가없습니다. 수식에서알수있듯이출력전압 / 입력전압이 S 파라미터가되므로, 단위역시 v/v 가되어아무런 단위가없는수치입니다. 그러므로 db 스케일로표현하더라도 dbm 이라는단위를붙일수는없습니다. 이런질문이나온다면그건 S 파라미터란무엇인가? 에대한이해가다소부족한상황입니다. S 파라미터란, 입력에얼마가들어가면출력에는얼마가나오느냐? 라는의미의파라미터입니다. 예를들어증폭기의 s21이 20dB라면, 포트 1에어떤전력이들어갔을때 ( 어떤 dbm의전력량이들어가느냐는전혀무관합니다!!) 출력에서는그전력이 20dB만큼증가한다는의미입니다. 즉 100배로신호가커진다는뜻이죠. 그러니아무런단위가필요없습니다. s11의경우는 1번포트에들어간전력이 1번포트로출력되는비율, 즉반사계수를의미하므로역시단위가없습니다. 계측기에서측정한건결국그상대값을측정한것이지, 어떤절대적인값을측정한것이아닙니다. S 파라미터 자체는절대 dbm 단위로나타낼수없습니다. 헷갈리지마시길 ~ 결론 dbm 은절대적인전력량을 1mW 기준으로 db 스케일로본것이며, db 는그냥어떤값을 log 스케일로보는방법입니다. 위의글을읽고도무언가헷갈리는분들이계시다면, 실무에서여러가지측정과해석등을통해개념을확립하시기바랍니다.