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전력 증폭기 고조파[Amplifier Harmonics] 측정의 이해 및 시험 방법
안녕하세요? 이번 포스팅에서는 앞서 포스팅했던 전력 증폭기 포화 측정에 이어 전력 증폭기의 고조파 측정에 대해서 알아 보도록 하겠습니다. 전력 증폭기의 포화 측정은 하기 링크를 통해 확인하시면 됩니다.
전력 증폭기 포화[Amplifier Saturation] 측정의 이해 및 시험 방법
전력 증폭기 포화[Amplifier Saturation] 측정의 이해 및 시험 방법안녕하세요? 오늘은 전자파 내성 시험에 필수적인 장비인 전력 증폭기(Power Amplifier)의 포화(Saturation)에 관해 알아보겠습니다.
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고조파(Harmonics)란?
고조파(Harmonic)는 원천 주파수(Fundamental Frequency)의 배수 주파수 성분을 말합니다.
전력 증폭기는 <그림 1>과 같이 비선형 영역에서 가까울수록 시간축에서는 필요한 최대 출력을 내지 못해 구형파와 같은 신호로 변하면서 주파수 축에서는 고조파 성분이 급격하게 증가합니다. 예를 들어 1 GHz의 신호를 발생시키고 있다면 2체배는 2 GHz, 3체배는 3 GHz, 4채배는 4 GHz에 필연적으로 고조파가 만들어집니다.
고조파와 포화로 인해 유발될 수 있는 문제
내성 시험에 사용되는 측정 장비 중 필드 프로브 및 파워 센서는 특정 주파수 성분의 전력을 측정할 수 있는 장비가 아니라 측정 주파수 범위 내 전체 전력을 측정하는 장비입니다. 따라서 포화된 증폭기로 인해 다음의 결과가 유발될 수 있습니다.
1) 측정된 전력은 필드 프로브와 센서에 의해 원천 주파수와 고조파 성분이 다 합쳐진 값을 측정하기 때문에 측정된 시험 레벨이 부정확할 수 있습니다.
2) 피시험 기기가 의도된 기본 주파수에서는 강하지만, 고조파 주파수에 약할 경우에 고조파는 피시험 기기 고장을 유발할 수 있습니다. 잘못된 시험 기록으로 부정확한 재설계로 이어질 수 있습니다.
3) 고조파는 특수 상황에서 쉽게 억제되지만, 시험 결과에도 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어 900 MHz 수신기를 시험하는 경우 보호해야 될 주파수 대역으로 해당 주파수에는 내성 신호를 인가하지 않습니다. 하지만 300 MHz에 방해 신호 인가 시 매우 약한 고조파 신호가 수신기 입력단에 과부하를 유발해 기능 이상이 생길 수 있습니다. 이때 저역 통과 필터(Low Pass Filter) 또는 노치 필터(Notch Filter)를 사용해 피시험 기기를 보호해야 합니다.
4) 측정 가능한 고조파 성분이 없더라도 포화 상태가 나타날 수 있습니다.
이런 이유들로 고조파 성분을 측정하고 관리해야 할 필요성이 있습니다.
고조파 성분 측정
시험 표준인 IEC 61000-4-3(방사 내성)과 IEC 61000-4-6(전도 내성)에서 고조파 성분 제한에 대해서 중요하게 다루고 있기는 하지만 측정 구성 및 방법에 대해서 자세히 설명하고 있지는 않습니다. 그나마 IEC 61000-4-3 표준에서 다음과 같이 설명하고 있습니다.
- 전자기장의 고조파 성분은 선택적인 필드 프로브를 사용하여 직접 측정할 수 있거나, 다음에 의해 간접적으로 측정할 수 있다.
- 유효 안테나 계수(주어진 챔버와 안테나 위치에 대한 입력 전력과 전계강도 사이의 비울)를 먼저 결정한 다음 기본 주파수에서의 순방향 전력과 고조파 사이의 비율 또는 안테나 제조업체가 제공하는 고조파에서 안테나 계수를 고려하여 커플러를 사용한다.
일반적인 전자파 측정에 사용하는 필드 프로브는 주파수에 대한 전력을 선택적으로 측정할 수 없습니다. 따라서 직접 측정은 필드 프로브로는 불가능하기에 간접적인 측정을 할 수밖에 없습니다. 그리고 피시험 기기 위치에서 형성되는 고조파 측정을 해야 하나 간접 측정 방식으로 측정하더라도 안테나 제조사로부터 특성 주파수 외 안테나 팩터의 데이터를 얻을 수가 없어 간접 측정 방식도 제약이 많습니다. 이런 설명마저도 IEC 61000-4-3 3판에서 4판으로 개정 후 사라졌습니다.
따라서 측정 방법은 측정하는 기관 또는 시스템을 운용하는 사람마다 다를 수 있습니다. 그중에서 가장 쉬운 방법은 <그림 4>와 같이 시험 구성에서 순방향 전력을 측정하기 위한 파워 센서 대신 스펙트럼 분석기 또는 EMI 리시버를 이용해 원천 주파수에서의 순방향 전력과 고조파 성분의 비를 구하는 방법입니다.
<그림 5>와 같이 모든 고조파 성분과 원천 주파수의 순방향 전력의 비가 전도 내성 시험 표준인 IEC 61000-4-6에서는 -15 dBc, 방사 내성 시험 표준인 IEC 61000-4-3에서는 -6 dBc를 넘지 않도록 요구하고 있습니다.
측정 소프트웨어에서의 전력 증폭기 고조파 측정
방향성 커플러에서 간접적인 측정을 한다면 EMC32 또는 ELEKTRA에서 하드웨어 구성상 순방향 전력 측정 장비를 스펙트럼 분석기 또는 EMI 리시버로 등록을 한다면 Test Template 설정에서 <그림 7>과 같이 System Monitoring 설정 내 Harmonics Test 메뉴가 활성화되며 최대 6체배까지 측정이 가능합니다.
측정 결과 시험 표준에 벗어난다면 포화 측정과 마찬가지로 필요한 전력 증폭기의 출력을 낮춰서 고조파 성분을 낮출 수도 있지만 저대역 통과 필터(Low Pass Filter)를 사용해 개선이 가능합니다. 하지만 저대역 통과 필터에 의해 생기는 전력 손실 및 주파수 제약에 따른 측정 자동화에 대한 제약 사항이 있을 수 있습니다. 그리고 전력 증폭기 포화 측정과 고조파 측정 결과가 서로 상관관계가 있지만 고조파 측정 결과는 괜찮더라도 포화 측정은 문제가 있을 수 있으니 두 개의 측정이 동일한 결과를 나타내지는 않습니다.
이번 포스팅도 관심 있게 구독해 주셔서 감사합니다. 이번 포스팅은 마무리하고 다음 포스팅은 IEC 61000-4-6(전도 내성) 표준에서 요구하는 전력 증폭기의 선형성 확인에 대한 내용으로 찾아뵙겠습니다.
작성자: 로데슈바르즈코리아 EMC 기술지원팀
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