S-parameter 란 무엇인가

S 파라미터는 무엇인가?

S 파라미터는 흔히 2쌍의 포트로 이루어져 입력과 출력의 비를 알기 쉽게 측정하기 위해 사용된다고 합니다. 그러나 이러한 접근은 어려울 수 있습니다. 어떤 식으로 이해해야 할까요? 바로 위의 그림처럼 생각해보면 어떨까요? 비유를 다른 방식으로 할 수도 있지만 쉽게 접근해보면 우리가 음식을 먹은 만큼 같은 양의 변으로 나오게 된다면 100점 만점의 100점이라고 생각하는 것입니다. 즉 먹은 것을 바로 내보낸다는 것이죠. 우리의 몸에 음식을 내보내는 것을 목표로 한다면 그중에서 소화되는 부분이 있을 수도 있고 소화불량으로 다시 내보내질 수도 있습니다. 이러한 종합적인 것을 고려한 것이 바로 S 파라미터라고 생각해보는 것은 어떨까요?

 

왜 S 파라미터를 쓰는가?

저주파 대역에서 파장은 매우 크기 때문에 전압과 전류를 측정하는 것이 회로 상의 위치와는 무관하게 됩니다. 말 그대로 위의 그림처럼 마무 고을 측정해도 쉽게 측정할 수 있다는 의미입니다. 그러나 주파수가 높아질수록 파장의 크기가 작아져서 전선 상의 위치에 따라서 전압과 전류의 측정값이 달라져서 문제가 생기게 됩니다. 위의 그림을 보시면 파장이 엄청나게 짧아진다고 생각해보세요. 파장이 너무 짧아져서 특정한 위치를 측정하기 어려워집니다. 즉 제가 먹은 양의 음식을 너무 빨리 먹어서 얼마만큼의 양을 먹었는지 잴 수 없는 것과 같습니다. 그러므로 얼마나 나가게 되는지 측정이 불가능해집니다. 그러나 이런 경우에도 전력은 달라지지 않아서 전력으로 신호를 측정하고 전력으로 다루게 됩니다. 이것이 바로 S 파라미터를 쓰게 되는 이유입니다. 그리고 또한 고주파 대역에서는 주파수가 높아지면 개방이나 단락의 상태의 경우 발진이 일어나 측정이 어려워질 수 있어서 고주파 대역에서 사용됩니다.

반사된다면?

우리는 가끔 먹은 것을 토해내기도 합니다. 그렇다면 RF 역시 보낸 값을 토해내기도 합니다. 이러한 개념을 추가한다면 어떻게 될까요? 우리는 어떠한 요인(S)로 인하여 먹은 음식물을 토해냅니다. 그것이 알레르기가 될 수도 있고 어떠한 원인으로 인하여 우리는 토를 하게 됩니다. 다시 돌아가서 S 파라미터를 쓰는 이유는 우리가 먹은 음식을 얼마나 소화해 내었는지 알 수 없기 때문입니다. 그러므로 우리는 입력과 출력을 측정해서 그 값을 서로 나눈 값을 대표적인 측정치로 사용을 하는 것입니다. 하지만 여기에는 토한 값이 추가되기 때문에 그것을 고려하여줍니다.

 

어디에 적용할 수 있을까?

그렇다면 s 파라미터를 이용하여 실제로 어떻게 측정되는 것인가에 대한 실질적인 사용법을 알려드리겠습니다. network analyzer를 사용하면 위와 같은 파형을 알 수 있게 됩니다. 그래서 s 파라미터를 이용하여 상호인덕턴스와 결합 계수 등을 알 수 있게 됩니다. 이처럼 손쉽게 회로망을 분석하기 위해 S 파라미터를 사용하며 Z, Y, H 파리 미터 ABCD 파라미터도 존재합니다.

 

 

 

예 1) 필터
전형적인 필터의 S 파라미터 형상을 아래에 나타내었다.

LPF : 주파수가 증가할수록 반사계수 S11(빨간색)은 증가하여 입력전력을 되돌려보내고, S21(파란색)은 주파수가 
       내려갈수록 증가하여 낮은 주파수에서 더욱 많은 전력을 출력포트까지 보내고 있다.
BPF : 통과대역에서 S21은 0dB에 가까운 값으로 상승하며, 나머지 대역에서는 억제되어 매우 낮은 값을 기록해야 한다. 

       S11은 정 반대의 양상으로 통과대역에서 가장 낮은 값을 보임으로써, 입력된 전압이 반사되지 않고 최대한
       전송된다는 것을 알 수 있다.
 
예 2) 안테나
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.

예 3) 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.

예 4) 증폭기/발진기 (Amplifier / Oscillator)

능동회로의 S파라미터 특징은 입력전압이 증폭되기 때문에 0dB 이상의 값을 가진다는 것이다. 증폭기와 발진기는 원래 설계방식도 유사하고 S 파라미터형상도 유사하지만, 증폭기는 넓은 주파수대역폭을 가지는 반면 발진기는 특정 주파수의 발진을 목표로 하기 때문에 샤프한 막대기처럼 나타난다.

 

 

참조 : http://www.rfdh.com/bas_rf/s.htm

S파라미터

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S 파라미터(S parameter)는 무엇인가?