KETI=RD-2005063 KETI=RD-2005063 KETI=RD-2005063 KETI=RD-2005063 부품 소재종합기술지원사업 부품 소재종합기술지원사업 부품 소재종합기술지원사업 부품 소재종합기술지원사업 ㆍ 기술지원성과보고서 기술지원성과보고서 기술지원성과보고서 기술지원성과보고서 동축케이블 국산화 개발 및 동축케이블 국산화 개발 및 동축케이블 국산화 개발 및 동축케이블 국산화 개발 및 K-Band K-Band K-Band K-Band 측정기술 지원 측정기술 지원 측정기술 지원 측정기술 지원 2005. 8. 31 2005. 8. 31 2005. 8. 31 2005. 8. 31 지원기관 지원기관 지원기관 지원기관 전자부품연구원 전자부품연구원 전자부품연구원 전자부품연구원 : 지원기업 지원기업 지원기업 지원기업 주가양산업 주가양산업 주가양산업 주가양산업 :() :() :() :() 산 업 자 원 부 산 업 자 원 부 산 업 자 원 부 산 업 자 원 부
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동축케이블 국산화 개발 및 측정기술 지원 - ITFINDImpedance matching 에 의한 삽입손실 개선기술 습득 3. RF Cable Skin Depth Effect내부의 유전체 선정
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제작에 사용될 유전체 중심도체 및 외부 표피 재질 도금재질 등의 원재RF Cable , ,
료에 대한 특성을 파악하고 기초 방정식에 의하여 요구하는 특성 임피던스를TEM
만족시키기 위한 케이블의 구조에 대한 설정 방법을 지도한다RF Dimension .
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에 의한 의 구조 을 수행하고 관련 매뉴얼과 자EM Simulator RF Cable Simulation
료를 제공한다.
와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원2. RF Connector RF Cable2. RF Connector RF Cable2. RF Connector RF Cable2. RF Connector RF Cable
와 간의 임피던스 부정합과 입력 와의 관계RF Connector Cable Return Loss , RF
그림 의 전달특성그림 의 전달특성그림 의 전달특성그림 의 전달특성10 Coaxial Cable (S21)10 Coaxial Cable (S21)10 Coaxial Cable (S21)10 Coaxial Cable (S21)
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그림 의 특성그림 의 특성그림 의 특성그림 의 특성11 Coaxial Cable VSWR11 Coaxial Cable VSWR11 Coaxial Cable VSWR11 Coaxial Cable VSWR
그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화12 Outer Conductor Attenuation12 Outer Conductor Attenuation12 Outer Conductor Attenuation12 Outer Conductor Attenuation
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그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화그림 의 직경 변화에 따른 의 변화13 Outer Conductor VSWR13 Outer Conductor VSWR13 Outer Conductor VSWR13 Outer Conductor VSWR
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나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable
의 급전부는 형태로서는 사용을 하지 않고 를 통RF Cable Coaxial SMA Connector
하여 다른 기기에 접속되는 구조를 가지므로 주파수 대역에 따라서 여러 종류의 직
경과 내부의 유전체 재질이 다르다 잘 제작된 이라고 할지라Connector . RF Cable
도 부와 접속되는 특성이 좋지 않으면 를 통하RF Connector Transition Connector
여 입사된 파기 부와의 접속부에서의 임피던스 부정합이 발생하여 손실이 발Cable
생하고 주파수 특성이 열화된다 이러한 현상을 분석하기 위하여. Network Analyzer
를 사용하여 전달특성을 확인할 수도 있으나 와 간의 전체적인RF Connector Cable
특성이 나타나므로 와 간의 부정합 또는 전송 선로상의RF Connector Cable Cable
결함부분을 찾을 수 없다 이러한 기능은 에서는 측정할 수Scalar Network Analyzer
없고 이 내장된 또는 전용 계측기를 이TDR Option Vector Network Analyzer TDR
용하여 측정이 가능하다.
은 반사파 의 형태와 반사파 도달까지TDR(time-domain reflectometry) (reflection)
걸린 시간 등을 시간의 흐름에 따라 시간축 에서 분석하여 원거리에(time-domain)
있는 사물 및 형상을 판정하는 기술을 의미한다.
일반적으로 파동 이 진행할 때 매질의 특성이 변하거나 중간에 방해물이 존재(wave)
하면 굴절 과 반사 등의 파동의 변형이 발생하면 이 중 반사파(refraction) (reflection) ,
는 파동이 진행하고 있는 반대 방향으로 파동이 보유하고 있는 에너지 중 일부가
되돌아 는 것을 의미하며 에서는 반사된 에너지를 파동의 입사 지점에서 관측, TDR
하여 반사가 일어난 지점의 특성을 분석하는 기법이다 을 응용하는 가장 대. TDR
표적인 예는 공중에 위치한 물체의 종류와 거리를 측정하기 위해 사용하는 레이더
나 수중에서 동일한 목적으로 사용되는 소나를 들 수 있다 한 지점에서 전자기파.
혹은 음파를 발사했을 때 진행 중간에 존재하는 물체에 의해 반사파가 발생하며,
이 반사파의 형태나 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정함으로써 해당 지점
까지의 거리를 계산하는 원리이다.
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을 전기전자 분야 중 유선 부분으로 한정하면 선로의 한쪽 끝에서 펄스를 발사TDR
하였을 때 특성 임피던스의 불연속 지점에서 나타나는 반사파를 측정하여 그 지점
까지의 거리와 임피던스 변화 정도를 측정하는 기술을 의미한다 이 기술에서 중요.
한 개념으로 특성 임피던스 와 전파속도(characteristic impedance) (VOP: velocity
을 들 수 있다 전자는 반사파의 형태를 결정하고 후자는 파동의of propagation) .
속도를 의미한다.
전자기 이론에서 임의의 금속 도체 두 개를 붙여 놓으면 일정한 특성 임피던스를
갖는 전송선 을 구성하게 된다 두 도체 사이에는 절연을 위해 절(transmission line) .
연체를 두게 되는데 케이블의 특성 임피던스는 사용되는 절연체의 종류 도체의 단, ,
면적 도체 사이의 거리 등에 의해 결정되며 단위로는 을 사용한다, ohm .
케이블의 제작 상태가 양호하여 케이블을 따라 특성 임피던스를 결정하는 요소가
일정하게 유지되면 그 내부에 전송되는 전자기파는 일정한 속도로 진행하지만 어,
느 지점에서 특성 임피던스가 달라지면 그 지점에서 전자기파의 반사가 발생하여
최초 전자기파가 입사된 지점으로 되돌아 간다 특성 임피던스의 변화는 결국 케이.
블 상태의 연속성이 깨지는 지점으로 간주할 수 있으며 대표적으로는 단선, (open,
특성 임피던스 무한대 단락 특성 임피던스 과 같은 극단적인 경우와= ), (short, = 0)
절연 손상 케이블 간격의 변화 심한 굴곡 등과 같은 부분 손상 와, , , RF Connector
케이블 접속부에서의 임피던스의 변화와 같은 경우가 있다.
반사파의 대략적인 형태로는 진행하던 이상 지점에서의 특성 임피던스가 지금까지
진행해오던 케이블의 특성 임피던스보다 작아지면 아래로 내려가게 되고 반사파가,
커지면 위로 올라가는 형태가 된다 상기에서 기술한 협의의 측정기술은 케이. TDR
블의 특성 임피던스의 변화 지점을 찾아내는 기술로 설명할 수 있고 이로서 부정합
지점과 그 지점에서의 특성 임피던스를 유추할 수 있다 다음 그림은 전용기. TDR
를 사용하여 단선 및 단락의 특수한 경우의 정결과를 나타낸 것이다.
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그림 단선 좌 및 단락 우 때의 측정 파형그림 단선 좌 및 단락 우 때의 측정 파형그림 단선 좌 및 단락 우 때의 측정 파형그림 단선 좌 및 단락 우 때의 측정 파형14 ( ) ( ) TDR14 ( ) ( ) TDR14 ( ) ( ) TDR14 ( ) ( ) TDR
선로상에서 단선이 발생한 경우 반사파의 위상이 입사파와 동일하지만 단락의 경우
반사파는 입사파와 위상이 반전된 형태로 되돌아 오는 것을 알 수 있다.
케이블의 구조가 결정되면 케이블 내로 전송되는 전자기파의 속도가 결정된다 일.
반적으로 진공 속을 진행하는 전자기파의 속도는 광속인 만 가 되지만 케30 km/sec ,
이블과 같은 매질 속을 진행할 때에는 파장 단축효과가 발생하여 감속 현상이 발생
한다.
에저는 진공 속에서의 광속을 혹은 로 놓고 케이블 내의 속도를 광속TDR 1 100% ,
에 대한 비율로 나타내는데 이를 전파 속도 라고 정(VOP: Velocity of Propagation)
의한다 를 나타내는 또 하나의 방법으로는 단위 시간 동안에 측정할 수 있는. VOP
최대 케이블의 길이를 사용하는 것으로서 에서 케이블을 측정하기 위해서는 전TDR
자기파의 진행과 반사가 일어나야 하므로 실제 전자기파의 진행 거리는 케이블 길
이의 배가 된다 따라서 로 표시하며 광속의 경우 가 된다2 . “Vop/2” , 150m/usec .
는 을 이용하여 거리를 측정하는 경우 측정 정확도에 직접적인 영향을 미VOP TDR
치는 요소이며 기기는 기본적으로 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정TDR
하기 때문에 반사가 일어난 지점의 거리를 측정하기 위해서는 시간에 속도를 곱해
서 계산하게 된다 즉 거리 산출식은 다음과 같다. , .
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반사 지점의 거리 반사파의 도착 시간 케이블 내에서의( ) = ( ) x ( VOP)
따라서 가 실제와 다른 경우 측정된 반사 지점의 거리는 의 오차율과 비VOP VOP
례하여 나타나게 되며 정확한 측정을 위해서는 측정 대상 케이블의 를 정확히VOP
확인하는 것이 가장 중요하다.
케이블의 는 특성 임피던스와 마찬가지로 케이블의 구성 형태에 따라 달라지VOP
며 특히 케이블의 기하학적 형태에 의해서도 변화된다 즉 동일한 케이블이라 하, . ,
더라도 케이블이 말려 있는지 곧게 설치되어 있는지에 따라서도 미세한 변화가 나
타날 수 있고 또한 주변온도 케이블의 사용 기간 습도 등의 환경적인 요인에 의, , ,
해서도 달라질 수 있으며 동종 케이블이라 하더라도 제조업체에 따라 혹은 제조, ,
에 따라서도 달라질 수 있다 따라서 케이블 사양에 포함된 를 확인해야LOT . VOP
하며 보다 정확한 확인을 위해서는 알고 있는 적절한 길이의 샘플 케이블에, VOP
대해 측정을 수행한 후 를 환산하는 방법을 사용할 수 있다VOP .
흔히 사용하고 있는 를 이용하여 영역에서Vector Network Analyzer Time Domain
측정할 경우 의 시간영역응답 측정용 옵션을 이용하는 것이다 시Network Analyzer .
간영역분석은 시간이나 거리에 따른 대상물의 문제점을 분리시키는데 유용하며 시
간과 거리는 의 에 관련된다DUT velocity factor .
기본적으로 는 주파수 영역에서 대상물의 주파주 응답을 측정하Network Analyzer
며 이를 을 행하여 시간영역의 응답으로 변환하여, Reverse Fourier Transformation
보여준다 내부에 있는 에 의해. Network Analyzer Processor chirp-Z Fourier
을 이용하여 이 수식계산을 수행한다Transform Technique .
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에 사용되는 이 변환은 측정과Network Analyzer TDR(time domain reflectometry)
비슷하나 측정이 오실로스코프와 비슷하게 대상물에 임펄스나 스텝펄스를 인, TDR
가하여 그 응답을 관찰하는 것과는 반대로 는 주파수 영역에서, Network Analyzer
측정하여 이 데이터를 수식적으로 변환하여 과 비슷한 표시형태로 나타낸다, TDR .
다음 그림은 대상물의 주파수 영역과 시간 영역의 응답을 보여준다 주파수영역 반.
사측정은 측정 주파수범위에 걸쳐 일어나는 모든 의 집합체를 한번에l Discontinuity
보여 주지만 시간영역 측정은 각각의 의 영향을 보여준다 그림에서, Discontinuity .
는 분리된 세 개의 임피던스 변화로 구성된 대상물의 시간영역 응답을 보여주고 있
다 두 번째 는 의 반사계수 크기를 갖고 있다 시간영역의. Discontinuity 0.035 .
은 에서부터 까지의 경과된 시간을 나타내Marker 1 Reference Plane Discontinuity
고 있다.
그림 대상물의 주파수 영역과 시간영역에서의 반사 응답특성그림 대상물의 주파수 영역과 시간영역에서의 반사 응답특성그림 대상물의 주파수 영역과 시간영역에서의 반사 응답특성그림 대상물의 주파수 영역과 시간영역에서의 반사 응답특성15151515
는 다음과 같이 세 가지 주파수영역 시간영역 변환모드를 가지고Network Analyzer -
있다.
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이 모드는 임펄스 입력에 대한 시간영역 응답1) Time Domain Bandpass Mode :
을 계산하며 제한된 주파수영역을 갖는 장치를 측정하기 위한 것이다 이 모드가, .
가장 사용하기는 쉽지만 다른 모드에 비해 이 떨어지며 을 취할, Resolution , Gating
경우 낮은 주파수에서 에러가 발생할 수 있다 주파수가 한정된 장치가 아니라면.
모드 두개 중 하나의 모드를 권장한다Low Pass .
이 모드는 스텝입력에 대한 시간영역 응2) Time Domain Low Pass Step Mode :
답을 계산하며 전통적인 측정과 같이 대상물의 까지의 거리와, TDR Discontinuity
그 종류 를 알 수 있다(resistive, capacitive, inductive) .
이 모드는 와 같이3) Time Domain Low Pass Impulse Mode : Bandpass Mode
임펄스 입력에 대한 시간영역 응답을 계산한다.
두 모드는 주어진 주파수 한도에서 보다 우수한Low Pass Bandpass Mode Time
을 나타내며 를 사용할 때 측정 대상물에서의Domain Resolution Low Pass Mode
의 종류를 알 수 있다Discontinuity .
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그림 과 응답 파형그림 과 응답 파형그림 과 응답 파형그림 과 응답 파형16 Low Pass Step Imuulse (Real Format)16 Low Pass Step Imuulse (Real Format)16 Low Pass Step Imuulse (Real Format)16 Low Pass Step Imuulse (Real Format)
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그림 결함있는 케이블의 모드 측정그림 결함있는 케이블의 모드 측정그림 결함있는 케이블의 모드 측정그림 결함있는 케이블의 모드 측정17 Low Pass Step17 Low Pass Step17 Low Pass Step17 Low Pass Step
이와 같은 측정기술을 이용하여 와 간의 접속 상태를 관TDR RF Connector Cable
측하고 분석하여 보다 나은 특성의 의 설계가 가능하다RF Cable .
다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원....
를 이용한 중간 시제품의 측정지원을Agilent Vector Network Analyzer HP8510C
통하여 계측기의 기본 동작 및 초기 교정방법을 교육 지도함으Network Analyzer ,
로서 유사 기능의 계측기 운용 능력을 향상시키고 정확한 계측을 수행할 수 있도록
하였다.
교정방법으로서 기본적으로 계측기의 시간을 준수하고 측정 주파수Warming-up
대역의 설정과 에서의 출력 설정 및 확인 의 와 일Port Power , RF Cable Connector
치하는 에 의한 을 수행한다 각 에서의Calibration Kit Full 2-Port Calibration . Port
가 규정된 값 이하인지 확인하고 측정을 개시한다 필요한 표시Return Loss .
을 설정하여 측정된 데이터를 기록 저장한다Format , .
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라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원. System. System. System. System
의 특성은 상기에서도 언급되었듯이 의 외경RF Coaxial Cable Cahle (Outer
에 의하여 특성이 민감하게 반응하고 있으므로 공정 중의 외경측정기의Conductor)
역할도 중요하다 단 회의 표시에 의한 데이터의 표시기능 보다는 지속적인 데이터.
관리를 통하여 보다 신뢰성 있는 제품 생산을 위하여 외경 데이터의 이 필Logging
요하며 이에 대한 유관 제품의 소개 및 데이터 방법을 지도하였다 개발Logging .
단계에 있어서 측정데이타의 효율적 및 출하 검사시의 측정 데이터의 저Logging
장을 위하여 자동측정이 필요한 사항이며 자동 측정기 구현방법으로서 전용GPIB
인터페이스 카드를 제어기 에 설치하고 관련 계측기와 케이블을 통하여PC( ) GPIB
상호 접속한다 측정 프로그램에 의해 계측기를 제어함으로서 자동 측정 및 측정.
데이터의 이 가능하다 제어 프로그램은 사의Logging , National Instrument Labview,
사의 가 대표적이며 나 같은 상용 로저 응용 프로그램의HP VEE Visual C Basic Tool
개발이 가능하다 교육 및 자료제공을 통하여 지도하였고 별도의 인터페이스. , GPIB
제작도 가능하므로 관련 자료도 제공하였다 전용 인터페이스 칩을 사Card . GPIB
용할 경우 구축비용이 저렴하고 저가격 고성능 를 이용하여 제어가Microprocessor
가능한 반면 데이터 을 직접 실현하기는 주변장치 및 제어분야가 복잡하고Logging
으로 구현하여야 하므로 측정 시스템에 비하여 운용Embedded System PC Based
적인 면에서 다소 불리하나 를 통하여 측정 데이터를 출력하고 에서Serial Port PC
데이터 수집만 하면 가능한 모델이다 다음은 에 의해 제어가 가능. Microprocessor
은 다음과 같이 가지 형태로 구성되며 모든 제어권은PC Based GPIB System 2 PC
에 있으므로 제어 프로그램에 의하여 계측기를 제어하며 데이터를 수집한다 시스.
템 구축은 쉬운 반면 구축비용이 필요하다 의 기본 구성은 및. GPIB System Linear
배열구조의 다음의 가지로 표현되며 최대 가지의 계측기를 접속할 수 있Star 2 16
다.
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그림 의 기본 구성 좌 및 우 구성그림 의 기본 구성 좌 및 우 구성그림 의 기본 구성 좌 및 우 구성그림 의 기본 구성 좌 및 우 구성19 GPIB System : Linear( ) Star( )19 GPIB System : Linear( ) Star( )19 GPIB System : Linear( ) Star( )19 GPIB System : Linear( ) Star( )
그림 구성 예그림 구성 예그림 구성 예그림 구성 예20 GPIB System20 GPIB System20 GPIB System20 GPIB System
의 기초설계는 에서의 기본적인 수식을 이용하여 산출하였다RF Cable TEH Mode .
의 예상 손실과 입력 를 감안하여 중심도체RF Cable Return Loss (Inner Conductor)
의 직경과 유전체의 유전율을 먼저 결정한다 다음 순서로 외경 도체. (Outer
의 직경을 결정하고 의 삽입 손실을 고려하여 도체의 표면을 어떤Conductor) Cable
재질로 처리할 것인가를 결정한다 기초 설계에 필요한 수식을 이용하여 재질의 물.
리적 치수를 결정 후 사의 를 사용하여 검증작업을 수행하였고CST EM Simulator
결과는 만족하였다.
나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원나 와 간의 인터페이스 및 검증방법 기술지원. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable. RF Connector RF Cable
와 간의 인터 페이스는 시뮬레이션 방법으로는 정확한 개선을RF Connector Cable
수행하기는 어렵다 를 선택시 이 우수한 것을 사용하여RF Connector VSWR RF
과 접속하고 상에서 입력 임피던스를 측정하는 것이 손쉬운Cable Network Analyzer
방법이다 의 특성 임피던스를 정확히 측정하기 위해서는 전용 측정. RF Cable TDR
기나 에 측정 이 내장된 장비를 사용하는 좋으나 국Network Analyzer TDR Option
내에는 전용 장비를 구비한 곳이 거의 전무하고 또한 에TBR , Network Analyzer
측정 이 내장된 계측기를 보유하고 있지 않아 본 기술지원에서는TBR Option ,
를 이용하여 의 입력 임피던스를 측정하여 의 특성 임Network Analyzer Cable Cable
피던스를 산출하였다 기본적인 측정개념과 측정방법은 기술자료로 제공하였. TDR
고 를 이용하여 만족할 만한 결과를 도출하였다Network Analyzer .
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다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원다 초고주파 계측기를 활용한 시제품의 특성 측정 기술지원
보유한 대역까지 측정 가능한 를 활용하50GHz HP8510C Vector Network Analyzer
여 제작된 시제품의 주파수 특성과 삽입손실 입력 입력 임피던스를, Return Loss,
측정하였고 재질의 물성은 물성분석기를 통하여 분석하였고 분석결과는 비교적 만
족하였다 초고주파 계측기의 사용시 주의할 사항과 교정방법 측정방법에 대한 기. ,
술을 실습을 통하여 자세히 지도하였다.
라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원라 특성 측정의 자동화 구축 기술지원. System. System. System. System
특성 자동 측정은 구축비용이 저렴한 간이 측정기를 구상하였고 핵심 칩의 선정과
주변회로 구성 핵심 칩 구동용 를 제시하였다 시스템은, Software . PC Based GPIB