산란계수(S-Parameter)에 대하여 설명하고 반사손실과 삽입손실을 설명

1. 산란계수(S-parameter)

2. 고주파에서 S-Parameter를 사용하는 이유

3. S-parameter 응용 및 예

4. 삽입 손실(Insertion loss)

5. 반사 손실(Return loss)

6. 맺음말

1. 산란계수(S-parameter)

  - 특정주파수에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다.(주파수 영역에서 바라보는 파라미터) 

  - 2 port 네트워크에서 S-parameter는 S11, S12, S21, S22로 표현함

  - 예를 들어 S21 이라하면, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미한다.즉 1번으로 입력된 전력이 2번포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다.

 

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm

  - a2=0인 경우

          S11=b1/a1, S21=b2/a1

  - a1=0인 경우

          S22=b2/a2, S12=b1/a2

 

 

2. 고주파에서 S-Parameter를 사용하는 이유

  - 고주파(높은주파수)에서는 신호의 변화가 너무 빨라, 전압과 전류를 측정하기 어려움 이를 극복하기 위해 입력전압 대 출력전압 의 비로 측정합

 

  - 주파수영역에서 신호에너지분포 확인이 용이함

  - 고주파신호에 대한 측정/평가 하기가 용이함

 

<참조>

  -  주파수가 올라갈수록 파형변화가 너무 빨라서 어떤 시점의 절대적인 전압, 전류값을 잡아내기 어려움, 즉 전압 전류를 측정하기가 곤란함

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

   -  해결법은 바로 상대적인 값을 잡아 버리는 것입니다! 입력 전압파형이 들어갔을 때 출력 전압파형을 잡고, 그것을 실시간으로 측정하고 그 신호값을 서로 나누게 만드는 것, 그럼 최대값의 비와 두 신호의 위상차를 구할 수 있음

 http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

    - 이러한 계산을 해주는 것이 네트워크 아날라이져(Network Analyser)

    - 내부에 Freq. synthesizer가 있어서 원하는 주파수대역에 설정한 만큼의 number of point수만큼의 주파수를 생성해서 일일이 각 주파수마다 그 S파라미터 값의 크기와 위상을 체크하고, 그것들을 연결해서 도표로 보여주는 것

 

3. S-parameter 응용 및 예

  - 필터해석에 응용

  - 증폭기해석에 응용

  - 임피던스매칭에 응용

 

 가. 전형적인 필터의 S-parameter의 형상

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

 

  나. 안테나의 S-parameter의 형상

     - 안테나의 경우 multi-port를 제외하고 일반적으로 입력포트만 존재하기 때문에 S11만 출력된다. 보통 특정 주파수대역에서 S11이 뚝 떨어지는 형상을 취하게 되는데, 방사주파수에서 S11이 크게 떨어진다는 의미는 그 주파수에서 입력전압이 반사되지 않고 최대한 외부로 방출된다는 의미이다. S11이 크게 떨어질수록 SWR도 작아져서 안테나의 방사특성이 좋다는 의미가 되며, 떨어지는 그래프의 폭이 넓으냐 좁으냐에 따라 협대역이냐 광대역이냐가 구분된다

 

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

  다. 전송선로

   -  전송선로의 전송성능을 해석한 경우이다. 이 경우 1번포트에서 2번포트로 전송하는 구조인데, 나머지 포트로 가는 S파라미터들은 불필요한 coupling coefficient를 의미한다. 이를통해 각 선로의 삽입손실, 전달능력, 선로 커플링 등을 체크해볼 수 있다.

 

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/

4. 삽입 손실(Insertion loss)

 - S-parameter에서 S21과 S12는 전달계수임

 - S21은 포트 1에서 포트 2로 전달되는 전달계수이며, S12는 포트 2에서 포트 1으로 전달되는 전달계수임

 - 전달계수는 입력전압 대비 수신전압의 비로 나타냄, T=Vt/Vi

 - 삽입 손실은 전달계수를 dB로 표시한 값으로 삽입손실(dB)=-20log|T|

 - 삽입 손실은 BPF 전달 특성의 통과대역 최대레벨과 0 레벨간의 gap을 의미하며, 삽입 손실의 간격이 좁을수록 소자의 특성은 우수함

 - S12, S21 등의 S파라미터를 통해 필터의 삽입 손실을 파악할 수 있음

 

 

5. 반사 손실(Return loss)

  - S-parameter에서 S11, S22는 반사계수임

  - 반사계수는 입력전압 대비 반사전압 비로 나타내며, Γ=Vr/Vi, 0<Γ<1

  - 반사손실은 반사계수를 dB로 표시한 값으로 반사손실(dB)=-20*log|Γ|

  - 반사손실은 Γ=0이면, ∞dB가 되며, Γ=1이면 0dB가 됨

  - 임피던스 정합이 잘 되어 있으면 반사손실은 -40dB 정도가 됨

 

6. 맺음말

  - 고주파수 영역에서는 전압, 전류의 측정이 어려워 진행파나 또는 정재파의 전력과 위상을 측정하는 S-parameter를 사용함

  - S11, S12 등의 S-parameter를 통해 필터의 삽입손실을 파악할 수 있으며, S11과 S22등의 S-parameter를 통해 반사손실을 파악할 수 있음

  - S-parameter 등을 통해 반사파의 특성, 통과대역의 특성 등 고주파 회로의 특성을 정의할 수 있음

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<References>

http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm/