네트워크 분석기의 구성과 동작

RF 및 마이크로웨이브 산업에서 핵심 측정 기술은 네트워크 분석기입니다. 네트워크 분석기는 능동 및 수동 전자 부품의 설계 및 테스트에 큰 영향을 미치며 주로 투과 및 반사 측정에 중점을 두었습니다. 이는 S-파라미터 특성화의 기초가 되었습니다. 시간이 지남에 따라 소음, 오류 수정 전력, 컨버터 등과 같은 증가하는 시장 요구 사항을 처리하기 위한 몇 가지 기능이 포함되어 있습니다. 

 

1. 네트워크 분석기란?

네트워크 분석기는 전기 네트워크의 네트워크 매개변수를 측정하는 데 사용되는 기기입니다. 일반적으로 S-파라미터를 측정하는 데 사용되는데, 이는 Y, Z 및 H-파라미터와 같은 다른 유형의 네트워크 파라미터 세트가 있지만 전기 네트워크의 전송 및 반사는 고주파에서 계산이 매우 간단하기 때문입니다. 이 분석기는 필터 및 증폭기 및 필터와 같은 2포트 네트워크를 구별하는 데 자주 사용됩니다.

 

 

 

네트워크 분석기의 기본 작동 원리는 DUT(Device Under Test)의 서로 다른 포트에서 반사 및 입사와 같은 두 파동의 위상 및 진폭을 측정하는 것입니다. 이 분석기에는 소스 및 수신기 세트가 모두 포함되어 있습니다. 소스는 알려진 자극 신호를 생성하는 데 사용되는 반면, 수신기는 DUT에 의해 발생하는 자극 신호의 변화를 결정하는 데 사용됩니다.

 

 

 

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2. 네트워크 분석기 필요성

네트워크 분석기는 네트워크를 통해 패킷별로 공급하는 실제 데이터를 관찰할 수 있도록 하여 네트워크에서 발생하는 상황에 대한 정보를 제공합니다. 일반적으로 네트워크 분석기는 다양한 프로토콜을 이해할 수 있는 기능을 갖추고 있으므로 네트워크를 통해 호스트 간에 발생하는 대화를 표시할 수 있습니다.

 

네트워크 분석기는 장치 또는 네트워크 응답을 특성화하고 측정합니다. 운영자가 RF 회로에서 네트워크 또는 장치가 어떻게 작동하는지 모니터링할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 장치는 필터, 믹서, 주파수에 민감한 네트워크, 트랜지스터 및 기타 RF 기반 장치와 같은 다양한 부품 측정에 사용됩니다.

 

네트워크 분석기는 투과 & 반사 측정에서 사용됩니다. 투과 측정은 이득, 삽입 손실, 투과 계수로 구성되는 반면 반사 측정은 반사 손실, 반사 계수, 임피던스 등으로 구성되며  작동 주파수 범위는 1Hz – 1.5THz입니다. 네트워크 분석기는 초음파, 오디오 구성 요소 및 개방 루프 측정을 위한 안정성 분석에도 사용할 수 있습니다.

 

 

네트워크 분석기 측정에는 투과, 반사 및 산란 파라미터의 세 가지 유형이 있습니다.

• 투과 측정은 삽입 손실, 이득 및 투과 계수를 측정하는 데 사용됩니다.
• 반사 측정은 VSWR, 반사 계수, 임피던스 및 반사 손실을 측정하는 데 사용됩니다.
• 산란 파라미터 측정은 S11, S12, S21 및 S22와 같은 S-파라미터를 측정하는 데 사용됩니다.

 

 

 

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3. 네트워크 분석기 블록 선도

네트워크 분석기의 블록 다이어그램은 아래와 같습니다. 네트워크 분석기는 신호 소스, 신호 분리, 수신기 또는 감지기, 프로세서 또는 디스플레이와 같은 4가지 필수 구성 요소가 포함됩니다.

 

 

위의 네트워크 분석기 블록 다이어그램은 신호 소스가 DUT에 입사 신호를 생성하는 첫 번째 작업입니다. 그 후, 신호 분리 장치는 입사 신호, 반사 신호 및 송신 신호를 분할합니다. 수신기 또는 감지기는 주파수를 마이크로파에서 더 낮은 IF로 변경하여 추가 처리를 간단하게 만듭니다. 마지막으로, 프로세서 또는 디스플레이는 IF 신호를 처리하고 CRT 디스플레이에 데이터를 표시합니다.

 

1) 신호 소스

네트워크 분석기에서 신호 소스의 주요 기능은 DUT라고도 하는 테스트 대상 디바이스를 자극하는 입사 신호를 제공하는 것입니다. 이 테스트 장치는 입사 신호의 요소를 반사하고 남은 부분을 전송하여 간단히 응답합니다. DUT의 응답은 소스의 주파수 응답에 대한 주파수 스위핑을 통해 간단히 결정할 수 있습니다. 소스는 두 가지 유형의 스윕 발진기 및 합성 신호 발생기로 제공됩니다.

 

2) 신호 분리

이 블록 다이어그램의 다음 부분은 입사, 반사 및 전송과 같은 다양한 신호를 나누는 데 사용되는 신호 분리입니다. 이 세 가지 신호가 나뉘면 위상 및 진폭 측정을 간단하게 수행 할 수 있으며 변동을 식별 할 수 있습니다. 따라서 이것은 전력 분배기, 고임피던스 프로브 또는 브리지, 방향성 커플러를 사용하여 수행할 수 있습니다.

 

3) 수신기/감지기

수신기 또는 감지기는 보다 정확한 측정을 가능하게 하기 위해 RF 전압을 더 낮은 중간 주파수 또는 직류 신호로 변경하는 데 사용됩니다. 이 다이오드를 달성하기 위해 사용되는 세 가지 주요 수신기 방법, 기본 혼합 및 고조파 혼합이 있습니다.

다이오드는 RF 신호를 상대 DC 전압으로 변경하는 데 사용되는 광대역 감지기의 한 유형입니다. 이 방법은 SNA 또는 스칼라 네트워크 분석기에서 가장 자주 사용됩니다.

 

나머지 두 개는 RF 신호를 저주파 중간 주파수 신호로 변경하는 데 사용되는 광대역 조정 수신기 방법입니다. 이 두 신호는 거짓 주파수를 거부하고 노이즈 플로어를 확장하기 위해 IF 주파수에서 BPF를 갖습니다.

 

4) 프로세서/디스플레이

디스플레이는 작업자가 선호하는 결과를 생성하는 이 분석기의 마지막 부분입니다. 신호 프로세서 또는 디스플레이는 중간 주파수 신호를 처리하고, 음극선관 화면에 정보를 표시한다.

 

 

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4. 네트워크 분석기의 유형

네트워크 분석기는 SNA, VNA 및 대형 신호 네트워크 분석기의 세 가지 유형으로 분류되어 위상 및 크기 기반 측정을 모두 측정하는 데 도움이 됩니다.

 

1) 스칼라 네트워크 분석기

SNA라는 용어는 스칼라 네트워크 분석기(Scalar Network Analyzer)의 약자로, DUT의 진폭 속성을 간단히 측정하는 데 사용되는 RF 유형 네트워크 분석기입니다. VNA와 달리 SNA는 DUT의 위상과 진폭을 모두 측정하지 않습니다. 스칼라 유형 분석기는 주로 반사 손실, VSWR과 같은 다양한 매개 변수를 측정하는 데 사용되며, 이는 단순히 특정 주파수에서 신호의 크기 측정이 필요합니다.

 

 

스칼라 네트워크 분석기의 개발은 스펙트럼 분석기와 추적 생성기를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이 두 가지가 유사한 주파수에서 작동되고 추적 발생기의 출력이 스펙트럼 분석기의 입력에 제공되면 이 분석기는 추적 발생기의 출력 레벨을 나타내기 위해 디스플레이에 평면선을 표시합니다.

 

스펙트럼 분석기와 추적 발생기 사이에 DUT를 배치하면 스펙트럼 분석기에서 얻는 신호 레벨이 DUT 함수가 됩니다. 따라서 스펙트럼 분석기와 추적 생성기를 혼합하여 장치 진폭 속성을 측정할 수 있습니다. 따라서 이 응답은 주파수 범위에서 간단하게 측정할 수 있습니다.

스칼라 분석기는 증폭기의 이득, 필터의 응답, 믹서 변환 및 반사 손실을 측정하는 데 사용됩니다.

 

 

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2) 벡터 네트워크 분석기

VNA는 주로 구성 요소의 사양을 테스트하고 설계 시뮬레이션을 확인하여 시스템과 해당 구성 요소가 함께 제대로 작동하는지 확인하는 데 사용됩니다. VNA는 DUT(테스트 대상 디바이스)와 관련된 추가 파라미터를 결정할 수 있기 때문에 SNA에 비해 더 실용적인 형태의 RF 네트워크 분석기입니다.

 

 

 

벡터 네트워크 분석기는 진폭의 응답을 측정할 뿐만 아니라 위상도 측정합니다. 따라서 이 분석기를 자동 네트워크 분석기라고 부르고, 그렇지 않으면 이득 위상 미터라고 부르는 이유입니다.

 

3) 대규모 네트워크 분석기

LSNA라는 용어는 Large Signal Network Analyzer의 약자입니다. 이 제품은 큰 신호 조건에서 소자 특성을 조사할 수 있기 때문에 RF 네트워크 분석기에 매우 특화되어 있습니다.
이 분석기는 또한 완전한 작동 분석을 제공하는 것과 같은 다양한 조건에서 네트워크의 비선형성 및 고조파를 볼 수 있습니다. 이전 버전의 LSNA는 MTA 또는 Microwave Transition Analyzer라고 합니다.

 

 

 

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4) 네트워크 분석기의 S 파라미터

S 파라미터는 전기 시스템 내의 입력 포트와 출력 포트 간의 주요 관계를 설명하는 산란 파라미터라고도 합니다. 최대 주파수에서는 전류나 전압 대신 파동으로 지정된 네트워크를 설명하는 것이 특히 중요합니다. 따라서 산란 매개변수에서는 전력파를 활용합니다. 2포트 네트워크의 경우 산란 매개변수는 다음과 같이 간단하게 정의할 수 있습니다.

 

 

 

2포트 네트워크

• S11은 i/p 포트 전압의 반사 계수입니다.
• S12는 역전압 이득의 이득입니다.
• S21은 순방향 전압 이득의 이득입니다.
• S22는 o/p 포트 전압의 반사 계수입니다.

Scattering-parameter의 매트릭스는 단순히 2-포트 네트워크의 양쪽 면에서 전송 이득 및 반사 계수를 결론짓는 데 사용됩니다. 또한 이 개념은 다중 포트 네트워크의 산란 매개변수를 결정하는 데 사용됩니다. 이러한 개념은 반사 손실, 이득, 삽입 손실 및 VSWR을 결정하는 데 추가로 사용할 수 있습니다.

 

 

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5. 네트워크 분석기와 스펙트럼 분석기 차이점

네트워크 분석기와 스펙트럼 분석기의 차이점은 다음과 같습니다.

네트워크 분석기	스펙트럼 분석기
네트워크 분석기를 통해 사용자는 특히 전기 네트워크 내에서 네트워크 매개변수를 모니터링할 수 있습니다.	스펙트럼 분석기는 계측기 내의 주파수에 대한 입력 신호의 크기를 측정하는 데 사용됩니다.
네트워크 분석기에는 소스 및 수신기가 포함됩니다.	스펙트럼 분석기에는 수신기가 포함되어 있습니다.
회로, 구성 요소, 장치 등의 알려진 신호를 측정합니다.	측파대, 반송파 전력 수준, 위상 노이즈, 알 수 없는 신호에 대한 고조파와 같은 신호 특성을 측정합니다.
최소 2개 이상의 채널이 포함됩니다.	단일 채널이 포함됩니다.
비율 측정이 가능할 수 있습니다.	비율 측정은 불가능합니다.
더 정확하며 고급 보정을 제공합니다.	정확도가 떨어지고 교정 용량이 제한됩니다.
펄스 및 아날로그 신호로 제한됩니다.	디지털 변조 신호를 통해 매우 잘 작동합니다.
더 적은 IF 대역폭(BW) 필터를 사용합니다.	높은 IF 대역폭(BW) 필터를 사용합니다.
위상 및 진폭 측정에 사용됩니다.	스칼라 성분의 측정에만 사용됩니다.
고급 오류 수정을 사용합니다.	고급 오류 수정은 포함되지 않습니다.
이는 Scalar Network Analyzer와 Vector Network Analyzer의 두 가지 유형으로 제공됩니다.	스펙트럼 분석기는 스윕 튜닝된 세 가지 유형, 즉 벡터 신호 및 실시간 스펙트럼으로 제공됩니다.

 

 

 

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6. 네트워크 분석기 사양 및 장단점

네트워크 분석기의 일반적인 사양은 다음과 같습니다.

• 주파수 범위는 100kHz에서 20GHz입니다.
• 측정된 매개변수는 S11, S21, S2 및 S22입니다.
• 소음 수준은 133dB입니다.
• 다이나믹 레인지는 1MHz에서 20GHz입니다.
• 출력 전력의 조정 범위는 -60dBm에서 +10dBm입니다.
• 각 포인트에 대한 측정 시간은 <12us입니다.
• 전체 CW 주파수 정확도는 + 또는 – 2×10^-6입니다.
• 주파수의 설정 해상도는 1Hz입니다.

 

네트워크 분석기의 장점은 다음과 같습니다.

• 스칼라 네트워크 분석기는 더 저렴합니다.
• VNA 유형에 비해 SNA는 스윕을 더 빠르게 수행합니다.
• SNA에서 전력 감지 및 다운 변환에 필요한 하드웨어는 매우 간단합니다.
• VNA는 SNA와 달리 위상 및 크기 측정에 사용됩니다.

 

네트워크 분석기의 단점은 다음과 같습니다.

• SNA 유형은 위상 관련 측정에 적용할 수 없습니다.
• SNA 유형에 비해 VNA는 스윕을 더 느리게 수행합니다.
• VNA는 수신기 내에서 사용되는 전체 헤테로다인 아키텍처 때문에 매우 복잡합니다.
• VNA는 SNA에 비해 비용이 많이 듭니다.

 

네트워크 분석기의 응용 분야는 다음과 같습니다.

• VNA는 구성 요소의 사양을 확인하고 시뮬레이션을 설계하는 데 사용됩니다.
• RF 네트워크 유형 분석기는 회로, 장치, 구성 요소 등을 측정하는 데 사용됩니다.
• 이는 다양한 산업 분야에서 다양한 장비를 점검하고 재료를 측정하며 신호의 무결성을 관찰하는 데 사용됩니다.
• VNA는 마이크로파 및 RF 시스템 내에서 사용되는 장치 및 구성 요소 특성화에 필수적입니다.
• 이는 S 파라미터, 삽입 손실, 반사, 투과 및 반사 손실을 측정하는 데 사용됩니다.
• 이들은 주로 연구 및 개발 목적으로 사용됩니다.
• 이 계측기는 선형 네트워크에서 사인파 테스트를 통해 전송 및 임피던스 기능을 측정하는 데 사용됩니다.
• 이 분석기는 전기 네트워크 내의 네트워크 매개변수를 측정하는 데 사용됩니다.