Network Analyzer

흔히 회로망분석기 또는 NA라는 약자로 많이 사용되는 Network Analyzer는 RF engineering의 필수 장비중의 하나이다. Oscilloscope가 시간영역의 과도응답을 표시하고, Spectrum analyzer가 주파수영역의 신호분포를 확인하다면, Network anaylzer는 하나의 기계 안에 주파수 source와 Spectrum analyzer가 들어있어서, 입력과 출력의 주파수신호 분포결과를 서로 나눔으로써 S 파라미터를 측정하는 장비로 이해하면 된다. Network Anaylzer를 이용해서 가능한 측정치는 대략 다음과 같다.

- S parameters (magnitude, phase)

- Reflection & Transmission

- Input/Output Impedance

- Radation Pattern

- Timing Delay

Network anaylzer는 보통 두 개의 동축선 커넥터 포트가 달려 있어서 각각 DUT(Device under test ; 측정대상)의 입력과 출력에 연결하여 사용한다. 여기서 동축 커넥터는 소형의 SMA type과 대형의 N type을 주로 사용한다. 대부분의 계측기와 마찬가지로 network anaylzer 역시 PC와의 인터페이스를 지원하며, GPIB나 HPIB를 통해 PC의 S/W와 연동이 가능하다. 이를 통해 자동 측정 및 데이터 베이스화가 가능하며, 이 기능은 특히 Device modeling에서 유용하게 활용된다.

전자회로 설계 기술이 발달하지 못했던 과거에는 S parameter의 magnitude를 주로 측정하는 Scalar network anaylzer가 주를 이루었지만, 최근에는 phase까지 완전하게 측정 가능한 Vector network anaylzer가 거의 대부분을 이루고 있다. 또한 그 주파수 영역도 계속 올라가서 100Ghz 이상의 milimeter 파 대역까지도 소화하고 있다.

Calibration

다른 계측장비와 마찬가지로 Network analyzer 역시 calibration이 필요하다. calibration은 장비를 사용하기전에 모든 세팅을 초기화하고 현재의 주변 상태에서의 최적의 측정을 위한, 사격으로 따지면 영점조정과 같은 것이다. Network analyzer는 아무래도 고주파 장비다 보니 다른 장비에 비해 calibration이 좀더 까다롭고 복잡하다. 이러한 Network analyzer calibration은 주로 coaxial 끝단에서의 OSL 테크닉을 통해 수행되어진다. OSL 테크닉이란 Open, Short, Load의 initial로서 세가지의 terminator를 각 포트에 번갈아 끼우면서 수행하게 된다. Open, short, load를 각각 달았을 때의 기본 응답이 Network analyzer 내에 내장되어 있기 때문에, Open, short, load를 연결하고 측정한 값과 Open, short, load의 기본 응답 값 사이의 차이를 계산하여 보상한다.

이 과정은 양쪽 포트에서 각각 따로 수행되어야 하며, 이를 통해서 cable 길이에 의한 위상차를 보정하고, 주변 잡음에 의한 영향을 상쇄시켜준다. 상황에 따라서는 양쪽 포트를 연결하는 through 값도 calibration하기 때문에 OSLT 테크닉이라고도 부른다. 이러한 OSL(혹은 OSLT)을 이용한 Calibration kit는 정밀도에 따라 economy형과 precision형으로 분류되며, 주파수가 올라갈수록 작은 직경의 coaxial connector를 이용하므로 각각 다른 calibration kit를 사용해야 한다. 아래에는 각 직경별 calibration 가능한 주파수를 표시하였다.

Calibration은 언뜻보면 간단해보이지만, 보기보다는 그리 만만한 기술은 아니다. 우선 terminator를 연결할 때 적당한 조이기로 잘 연결되어야 하며, calibration 중에는 케이블을 건드려서는 안된다. 특히 주파수가 올라갈수록 calibration의 결과차이가 많이 발생하는데, 보다 세심한 주의가 필요하다. 이러한 숙련자와 초심자의 calibration 결과는 calibration 후 noise level의 차이로 나타난다. 숙련된 사람일수록 아무런 입력이 없을 때의 잡음입력값이 더 낮게 나오기 마련이다.

Calibration을 수행하는 중요한 이유는 아마도 기후변화일 것이다. 특히 온도에 민감한데, 일단 Network analyzer를 On 시킨 후 바로 측정하는 것은 삼가야 한다. 우선 기계가 어느정도 예열될 때까지 30분에서 1시간 정도 기다리는 것이 좋은데, 이렇게 하지 않고 켜자마자 calibration을 하게 되면 조금 지나면 그 cal값의 오차가 점점 늘어나게 된다. 그리고 수시간 이상 Network analyzer를 줄창 사용할 때 역시 중간에 calibration을 다시 할 필요가 생기는데, 이는 온도변화가 심한 여름에 더 유념해야 한다. 이유없이 결과값이 오락가락하는 경우에는 십중팔구 calibration이 문제인 경우일 것이다. 또한 이런 문제는 주파수가 높을수록 심하다. 군대에서 총쏴본 사람은 알겠지만, 영점사격에서 실패하면 본 사격에서 제대로된 점수가 나올리 만무하다. 이렇듯 제대로된 측정을 위해서는 항상 잘 조정된 calibration이 필요하다는 사실을 명심해야 한다.

다양한 제품군

RF 계측장비중에서도 Network analyzer는 상당히 고가품에 속한다. 주파수대역과 기능별로 다양한 제품군이 존재하는데, 전세계적으로는 HP의 제품이 시장을 주도하고 있다. (특히 우리나라가 좀 심하다) HP 이외에도 Rodhe&Schwartz나 Anritsu 등의 회사에서도 Network analyzer 제품이 있으며, 성능차은 비슷하다. 1999년 3월 HP가 계측기 사업부를 Agilent technology라는 이름으로 분사하여 컴퓨팅 사업과 독립하여 운영하고 있긴 하나 HP라는 네임밸류로도 아직 통하고 있다.

Network analyzer는 크게 Test set과 sweeper의 두 part로 분류할 수 있는데, Test set은 실제로 S 파라미터를 측정하고 display하는 유닛이며, sweeper 또는 Frequency Synthesizer는 광대역의 주파수를 생성해내는 발진기 역할을 한다. 저가형 one box 제품은 이것들을 하나의 case안에 들어가도록 만들어져 있고, 고가형 제품은 component처럼 각각의 case에 장착되어 연결 후 사용한다.