케이블 손실 측정 방법

케이블 손실 측정 개요

모든 동축 케이블을 통과하는 무선 주파수 신호는 감쇠되는데, 이러한 감쇠를 일반적으로 "케이블 손실" 또는 "삽입 손실"이라고 합니다.

케이블 손실은 케이블 길이와 케이블을 통과하는 신호의 주파수에 따라 달라집니다. 신호가 케이블을 통과할 때 저항과 유전체 손실로 인해 에너지의 일부가 흡수됩니다. 또한 케이블 커넥터, 구부러짐 또는 손상으로 인한 불연속성으로 인해 일부 에너지가 소스로 다시 반사되어 측정된 손실이 더욱 증가할 수 있습니다. 일반적으로 케이블 손실은 길이에 따라 선형적으로 증가합니다. 길이가 두 배가 되면 손실도 두 배가 됩니다. 하지만 주파수와 케이블 손실 간의 관계는 더 복잡합니다. 즉, 완전히 선형적이지 않으며 주파수가 높을수록 손실이 커지는 경향이 있습니다.

손실은 케이블 제조업체에서 제공하는 중요한 사양으로, 보통 미터 또는 피트당 데시벨(dB)로 표현합니다. 이와 같이 손실이 주파수에 따라 달라지는 특성은 일반적으로 표 또는 그래프로 표시하며 케이블 손실량에 대한 이해는 다양한 RF 애플리케이션에서 중요합니다.

하지만 제조업체가 제공한 사양임에도 불구하고, 특히 케이블 유형을 알 수 없거나 커넥터 연결 또는 마모 등의 요인이 성능에 영향을 미치는 경우에 실제 케이블 손실을 측정해야 할 수도 있습니다. 케이블 손실을 측정하는 가장 일반적인 도구는 VNA(벡터 네트워크 분석기) 입니다.

벡터 네트워크 분석기를 이용한 케이블 손실 측정

벡터 네트워크 분석기로 케이블 손실을 측정하는 방법은 두 가지가 있습니다:

1포트 케이블 측정(S11 또는 반사 측정)

• 셋업: 케이블의 한쪽 끝을 벡터 네트워크 분석기에 연결하고 다른 쪽 끝은 개방 또는 단락된 상태로 둡니다.
• 절차: 벡터 네트워크 분석기가 케이블에 신호를 주입합니다. 신호가 케이블을 통해 이동하고 개방 또는 단락된 끝에서 반사된 후 케이블을 통해 다시 벡터 네트워크 분석기로 이동합니다.
• 계산: 벡터 네트워크 분석기가 반사된 전력과 전송된 전력을 비교하여 케이블 손실을 계산합니다. 신호가 케이블 길이의 두 배(개방 또는 단락된 끝까지 갔다 원점으로 복귀하는 거리)만큼 이동하므로 측정된 손실은 왕복하는 동안 발생한 총 감쇠에 해당합니다.
• 장점: 이 방법을 사용하면 한쪽 끝에서만 케이블 삽입 손실을 측정할 수 있으므로 매우 긴 고품질 필드 테스트 케이블이 필요하지 않습니다.

2포트 측정(S21 또는 전송 측정)

• 셋업: 케이블의 양쪽 끝을 벡터 네트워크 분석기에 연결합니다.
• 절차: 벡터 네트워크 분석기의 한 포트에서 케이블을 통해 스윕 신호를 전송하면 반대쪽 끝의 포트에서 신호의 크기를 측정합니다.
• 장점: 이 방법은 케이블 손실이 큰 경우 또는 양쪽 끝이 모두 접근 가능한 경우에 선호됩니다.

1포트 케이블 손실 측정에서는 소스 또는 추적 발생기를 사용하여 케이블에 신호를 주입합니다. 이 신호의 주파수는 사용자가 정의한 범위에 걸쳐 스윕됩니다. 케이블의 반대쪽 끝은 개방 상태로 두거나 단락으로 종단합니다. 두 경우 모두 케이블 끝에 도달한 신호는 소스 포트로 다시 반사됩니다.

소스 포트에서 반사된 전력의 양을 알려진 전송 전력과 비교합니다. 케이블 손실(dB)은 전체, 즉, "왕복" 감쇠를 2로 나눈 값입니다. 위에서 언급한 바와 같이, 총 케이블 손실은 케이블의 길이와 케이블을 통과하는 신호의 주파수에 따라 달라집니다.

측정을 시작하기 전에 벡터 네트워크 분석기를 구성해야 합니다. 이때 세 가지 주요 범주에서 설정을 구성합니다.

• 스윕 주파수 범위: 추적 발생기 또는 자극 신호가 스윕되는 주파수 범위. 케이블을 사용할 주파수 범위를 지정해야 합니다.
• 범위 내에서 측정할 포인트 수: 이 숫자를 늘리면 더 자세한 정보를 얻을 수 있지만 주파수 포인트가 많아지면 한 번의 스윕에 필요한 시간도 증가합니다.
• 다중 스윕 평균화: 노이즈를 줄이고 더욱 정확한 결과를 얻기 위해 사용할 수 있으며 손실이 매우 높은 케이블에 특히 유용합니다. 그러나 스윕 횟수를 늘리면 전체 측정 시간도 증가합니다.

구성을 마치면 두 가지 방법으로 테스트 케이블을 벡터 네트워크 분석기에 연결할 수 있습니다.

• 분석기 포트에 직접 연결
• 위상 안정성이 뛰어나고 짧은 고품질 DUT 케이블 사용

DUT 케이블을 사용하는 이유는 무엇일까요? 테스트 케이블의 커넥터가 접근이 어려운 경우, 예를 들어, 커넥터가 인클로저 안에서 종단되거나 타워 또는 마스트에 부착된 경우에는 DUT 케이블이 유용합니다. DUT 케이블을 사용하는 두 번째 이유는 분석기 포트의 마모와 기계적 응력을 줄일 수 있기 때문입니다. 교정 중 DUT 케이블이 측정 결과에 미치는 영향을 제거할 수 있습니다.

정확한 케이블 손실 측정을 위해서는 교정이 필요합니다. 교정을 수행하려면 테스트 케이블에 개방 표준, 단락 표준 및 매치(또는 부하) 표준을 순차적으로 연결합니다. 이러한 표준은 개별 표준의 형태도 가능하며 "교정용 티"에 결합할 수도 있습니다. 이와 같이 수동으로 부착한 표준 외에, 전자 교정 유닛(autocal)을 사용하면 내부 표준을 자동으로 전환하고 연결된 벡터 네트워크 분석기를 통해 제어할 수 있습니다.

교정은 일반적으로 "프롬프트를 따르는 방식"이며, 벡터 네트워크 분석기가 어떤 표준을 어떤 순서로 어느 시기에 연결해야 하는지 알려줍니다. 이 프로세스는 일반적으로 몇 분 이내에 빠르게 완료되며 자동 교정 유닛을 사용하는 것이 수동 표준을 사용하는 경우에 비해 더 빠른 경향이 있습니다.

교정 표준을 벡터 네트워크 분석기에 연결하는 방법은 테스트 케이블을 벡터 네트워크 분석기에 연결하는 방법에 따라 다릅니다. 즉, 테스트 케이블을 벡터 네트워크 분석기에 직접 연결할 경우 교정 표준도 포트에 직접 연결해야 합니다. DUT 케이블을 사용하는 경우에는 교정 표준도 DUT 케이블의 끝단에 연결해야 합니다.

1포트 케이블 손실 측정 결과의 예를 살펴보겠습니다. 아래 그림에서 케이블 손실은 1 GHz ~ 5 GHz 사이 주파수에 따른 함수로 표시되어 있으며 Y축은 손실 또는 감쇠(단위: dB)입니다. 이 추적은 두 가지 측면에서 일반적입니다.

• 주파수 증가에 따라 감쇠가 증가합니다.
• 추적에 반사로 인한 "리플"(물결 패턴)이 있습니다.

케이블 손실은 최소값과 최대값의 평균을 구해 정량화할 수 있습니다. 이 예에서 최소값은 -1.2 dB, 최대값은 -3.5 dB이므로 손실은 -2.35 dB가 됩니다.

이제 2포트 측정에 대해 살펴 보겠습니다. 2포트 측정을 1포트 측정에 비해 선호하는 경우는 다음과 같은 두 가지 경우입니다.

• 케이블의 양 끝단에 쉽게 접근할 수 있는 경우
• 케이블 손실이 매우 높은 경우(20 dB 초과)

대부분의 2포트 케이블 측정에서는 테스트 케이블을 양쪽 분석기 포트에 직접 연결하면 됩니다. 그러나 DUT 케이블을 사용하여 테스트 케이블과 분석기를 연결한 경우 정규화 를 수행하여 측정 시 DUT 케이블의 영향을 제거해야 합니다.

2포트 측정 시에도 케이블 손실은 주파수의 함수로 나타나지만 케이블의 양쪽 끝에서 특성 임피던스가 종단되기 때문에 추적에 나타나는 리플은 1포트 측정보다 적습니다. 케이블의 양쪽 끝을 벡터 네트워크 분석기에 연결하는 것이 실무적으로 어렵거나 불가한 경우가 많지만 1포트 케이블 손실 측정보다 2포트 케이블 손실 측정을 선호하는 경우가 일반적입니다.