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전력 증폭기 포화[Amplifier Saturation] 측정의 이해 및 시험 방법
안녕하세요? 오늘은 전자파 내성 시험에 필수적인 장비인 전력 증폭기(Power Amplifier)의 포화(Saturation)에 관해 알아보겠습니다.
전력 증폭기 선형성의 중요성
전도 또는 방사 내성 시스템에서 시험에 필요한 전력을 얻기 위해서는 전력 증폭기가 필수입니다. EMC 표준에서도 전력 증폭기의 선형성을 중요하게 다루고 있어 전력 증폭기가 비선형성을 가질 때 나타나는 특징을 측정하고 선형적인 특성에 있음을 검증하는 것을 요구하고 있습니다. 그중에서도 이번 포스팅에서는 전력 증폭기의 포화 측정에 대해서 이야기하고자 합니다.
내성 시험에서는 시험 시 진폭 변조(AM, 1 kHz, 80% Depth)를 일반적으로 사용합니다. 진폭 변조는 <그림 1>과 같이 신호의 레벨의 변화가 있으며, RMS 값으로 1 V의 CW 신호를 80% Depth로 진폭 변조를 시키면 RMS 값이 최대 1.8배로 증폭이 됩니다. 따라서 전력 증폭기에서는 시험 레벨 형성을 위해 1.8배 더 높은 전력을 필요로 합니다.
만약 교정 전력이 선형 영역에 있다고 한다면 <그림 2>처럼 전력 증폭기는 입력 신호를 신호의 왜곡 없이 증폭된 신호를 출력으로 보내 줄 것이고, 비선형 영역에 있다고 한다면 <그림 3>과 같이 포화 상태에서 더 이상 증폭을 시킬 수 없어 포화가 상태가 높을수록 사인파가 구형파 같은 형태로 왜곡됩니다.
전력 증폭기가 포화인 상태에서 시험을 했다면 실제 시험 레벨보다 더 낮은 시험 레벨이 피시험 기기에 인가되어 잘못된 시험 결과로 이어질 수 있습니다. 따라서 시험 표준에서는 시험에 필요한 전력과 진폭 변조를 사용 시 필요한 최대 전력이 선형성이 보장되는 영역에서의 사용하는 지를 전력 증폭기 포화(Amplifier Saturation) 측정을 통해 전력 증폭기의 사용 전력이 P2dB(2 dB Compression Point) 이내로 사용하고 있음을 검증하도록 요구하고 있습니다. P2dB의 의미는 앞서 포스팅했던 “EMC Amplifier의 기초 - Part 2”에서 설명하고 있으니 참고하시면 됩니다.
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이제 시험 표준에서 요구하는 전력 증폭기의 포화 측정에 대해서 설명드릴 텐데, 전도 내성 시험과 방사 내성 시험의 측정 절차에 차이가 조금 있어 구분해서 설명하겠습니다.
전도 내성 시험에서의 전력 증폭기 포화 측정
전도 내성 시험에서는 필요한 전력은 시험 표준에 맞게 설치를 잘 했다면 환경적인 영향을 거의 받지 않아 앞서 포스팅했던 “전도 내성 시험의 이해 및 시험 방법”에서 계산된 필요 전력에서 차이가 많이 나지 않습니다. 따라서 시험 레벨 교정 시 필요한 시험 레벨로 교정을 하고 전력 증폭기가 포화 상태가 아닌 것을 보장하기 위해서 아래 추가 확인 과정을 필요로 합니다.
전도 내성 [Conducted Susceptibility] 시험이란?
안녕하세요? 오늘은 전자파 내성 시험 중 전도 내성(Conducted Susceptibility)에 대해 포스팅하려 합니...
1) 신호 발생기의 레벨을 5.1 dB( 5.1dB = 20 × log(1.8))만큼 올린다.
2) 결합 장치에 전달된 새로운 출력 전력 또는 150 Ω - 50 Ω 아답터의 출력 포트에서의 전압을 기록한다.
3) 시험 레벨 교정 시 측정된 출력 전력과 신호 발생기의 레벨을 5.1 dB 올렸을 때의 출력 전력의 차이를 계산한다.
4) 이 차이가 3.1 dB ~ 7.1 dB일 경우 전력 증폭기는 허용 오차 내에 있으며, 시험 장치는 선정된 시험 레벨에서 시험하기에 충분하다. 그 차이가 3.1 dB 미만이거나 7.1 dB를 초과하는 경우에는 전력 증폭기가 비선형이며, 시험에 적합하지 않다.
이때 가장 이상적인 측정값은 5.1 dB입니다.
방사 내성 시험에서의 전력 증폭기 포화 측정
방사 내성 시험에서는 측정 시스템의 VSWR 및 챔버 내부 환경에 의해 필요한 전력이 차이가 많이 나며, 특정 주파수에서는 전력 증폭기의 최대 출력을 사용해야 하는 경우도 많습니다. 따라서 방사 내성 시험에서 균일장 영역 교정 시 시험 레벨로 교정을 하는 것이 아니라 시험 레벨의 1.8배의 레벨로 교정을 진행하고, 다음의 전력 증폭기 포화 측정 절차처럼 신호 발생기의 출력 레벨을 5.1 dB 감소시키면서 측정합니다.
1) 균일장 영역 교정 절차에서 결정한 바와 같이 신호 발생기 출력을 순방향 전력을 정하는데 필요한 레벨로부터 5.1 dB 감소시킨다
2) 안테나로 전달된 새로운 순방향 전력을 기록한다.
3) 2) 단계에서 측정한 순방향 전력을 균일장 영역 교정 과정에서 결정된 순방향 전력에서 뺀다. 그 차이가 3.1 dB ~ 7.1 dB이라면 증폭기는 포화되지 않은 것이므로 시험하기에 충분하다. 다른 경우에는 시험하기에 적합하지 않다.
IEC 61000-4-3 3판에서는 전력 증폭기 포화 측정의 허용 기준이 3.1 dB ~ 5.1 dB으로 이상적인 특성일 때도 허용 기준을 벗어나는 이상한 기준을 요구했으나, ISH 문서로 5.1 dB가 넘어가도 허용한다는 해설서가 추가됐고 2020년에 출판된 IEC 61000-4-3 4판에서 3.1 dB ~ 7.1 dB 기준이 적용됐습니다.
측정 소프트웨어에서의 전력 증폭기 포화 측정
앞서 보신 그림에서 아마 느끼셨을 것 같습니다. 전력 증폭기 포화 측정 시 장비의 구성은 시험 레벨 교정 시 사용한 장비 구성과 동일합니다. 시험 레벨 교정 절차에서 추가로 신호 발생기의 레벨을 5.1 dB 올리거나 내리는 과정이 하나 추가된 것이기 때문에 장비 구성의 변경이 필요 없이 EMC32 또는 ELEKTRA에서 간단하게 System Monitoring 메뉴에 있는 Amplifier Saturation 항목을 활성화해주시면 <그림 9>와 같이 측정 소프트웨어에서 그래프로 표현해 줍니다.
만약 전력 증폭기의 포화를 측정했는데 시험 표준에 벗어난다면 조치할 수 있는 방법은 방사 내성의 경우는 챔버 환경 또는 균일장 형성 위치를 변경해 필요한 전력 증폭기의 최대 전력을 낮추거나, 전력 증폭기를 출력이 더 높은 장비로 변경해야 합니다. 전도 내성 시험의 경우 절대적으로 전력 증폭기의 출력이 낮기 때문에 출력이 더 높은 전력 증폭기로 교체해야 합니다.
이번 포스팅에서는 전력 증폭기 포화 측정에 대해서 알아봤습니다. 전력 증폭기가 포화 상태에 가까울수록 나타나는 특징 중에 다른 하나는 고조파 성분(Harmonics)이 발생합니다. 다음 포스팅에서는 제품 시험 시 고조파 성분으로 나타날 수 있는 결과와 측정 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
전력 증폭기 고조파[Amplifier Harmonics] 측정의 이해 및 시험 방법
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작성자: 로데슈바르즈코리아 EMC 기술지원팀
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