How to measure Noise Figure in mmWave band? / NF 잡음지수

 

 

mmWave 대역에서 Noise Figure를 측정하는 부분을 말씀드리기 전에, 먼저 Noise Figure 가 무엇인지, 그리고 어떻게 측정을 할 수 있는지를 간략하게 살펴보도록 하겠습니다.

그다음으로 왜 mmWave 대역에서의 Noise Figure를 측정하는 부분이 점점 중요해지고 있는지, Rohde & Schwarz에서는 어떠한 방법을 통해서 측정하는지 살펴보도록 하겠습니다.

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What is Noise Figure?

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Noise Figure(NF, 잡음 지수)는 통신 시스템에서 송신 및 수신 시스템을 설계하는데 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있습니다. 통신 시스템은 Amplifier, LNA, Mixer 등의 다양한 소자를 통해서 설계 및 구현이 되는데, 이런 소자나 모듈의 Noise Figure를 측정을 통해서 시스템에 잡음이 얼마나 추가되는지 확인하는 과정 Signal to Noise Ratio(신호 대 잡음비, 이하 SNR)를 평가하여 최종적으로 송신 및 수신 전송 시스템의 Link Budget 등을 계산하는 데 사용을 할 수 있는 핵심 파라미터 중 하나입니다.

즉, 아래와 같이 Noise Figure는 측정 대상이 되는 Device(이하, DUT)를 지나기 전의 신호 Sin/ Nin 와 DUT를 지난 후의 Sout/Nout의 비율을 측정하는 것입니다. 이를 Noise Factor라고 부르며, 약어로는 F로 표현을 하고 있습니다. RF 영역에서는 일반적으로 로그 스케일을 주로 사용하고 있기 때문에, Noise Factor를 dB 스케일로 변환을 하고 이를 우리는 Noise Figure(FdB) 라 부르고 있습니다.

 

그림1) Defination of Noige Figure

 

 

 

How to measure Noise Figure?

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일반적으로 Noise Figure를 측정하는 장비는 스펙트럼 분석기와 네트워크 분석기가 있습니다. 위 장비들은 보통 다른 방법을 통해서 Noise Figure를 측정을 하고 있으며, 해당 블로그에서는 Y factor 측정 방식을 활용하는 스펙트럼 분석기를 통한 측정 방법을 소개하고자 합니다. 이를 위해서는 측정하는 주파수 전 대역에 대해서 광대역 잡음을 인가할 수 있는 Noise Source 가 필수적입니다.

아래와 같이 Noise Source를 DUT의 입력에 연결을 하고, DUT의 출력은 스펙트럼 분석기의 RF 입력단과 연결을 하게 되고, 그리고 일반적으로 스펙트럼 분석기는 Noise Source를 On 하고 Off 하기 위한 전원(e.g. 28V)을 공급하는 단자를 제공하고 있습니다. Y factor는 DUT의 출력단에서 Noise Source 가 On 과 Off 가 되었을 때 각각의 잡음 레벨을 측정하여 그 차이를 의미하고 있습니다.

 

그림2) Y factor Method set-up

 

Y factor 방법을 통해서 Noise Figure를 측정하는 스펙트럼 분석기 측정 솔루션에 대한 구체적인 방법 및 계산 방법에 대해서는 아래의 링크의 Rohde Schwarz 유튜브 Noise Figure 측정 링크 및 Application Note를 통해서 확인이 가능합니다.

 

https://youtu.be/soFXrWV6kDk?feature=shared

 

https://www.rohde-schwarz.com/kr/applications/the-y-factor-technique-for-noise-figure-measurements-application-note_56280-15484.html

The Y Factor Technique for Noise Figure Measurements

 

Noise Figure measurement in mmWave band

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최근 신규로 나오는 기술들은 더 많은 data를 더 빠르고 효율적으로 전달하기 위한 한 가지 방법으로 광대역(Wide bandwidth)을 요구하고 있고, 이러한 광대역을 활용이 가능한 mmWave에 대역에서 활용이 가능한 소자들, 특히 LNA에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다. mmWave 대역에서는 높은 주파수에 따른 파장의 특성상 SNR 이 일반적으로 나빠지게 되고, 수신 시스템에서 이에 따른 LNA가 보다 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

Rohde & Schwarz는 스펙트럼 분석기(e.g. R&S FSW, etc.) 장비에 Harmonic Mixer(e.g. FS-Z90, FS-Z110, FS-Z170, etc.) 또는 Frontend Module(e.g. FE110SR, FE170SR) 을 연결을 통해 mmWave 대역까지 Noise Figure를 측정하는 수 있는 솔루션을 제공하고 있습니다.

또한 Noise Figure 측정에 필수적인 광대역 노이즈 소스의 경우에는 Rohde & Schwarz Smart Noise source(FS- SNS90, FS-SNS110)를 통해 110GHz 대역까지, 그리고 Eravant 사의 Noise Source(ISSN-06)와 연동하여 170GHz 대역까지 측정한 솔루션을 제공하고 있습니다.

특히, Noise Figure 측정 시 일반적으로 스펙트럼 내부의 Preamplifier 활성화를 하거나 또는 외부에 Preamplifier를 연결을 하여 활성화 후, 측정하고 있습니다. 이는 DUT의 Noise Figure 값 및 Gain 이 낮을 때는 더욱더 중요한 요소가 될 수 있습니다. 이는 Preamplifier를 통해서 측정할 수 있는 영역을 넓히고 불확도를 줄이기 위한 부분이며, 더 자세한 내용은 앞서 언급 드린 R&S 유튜브 Noise Figure 측정 링크를 통해서 확인할 수 있습니다.

 

그림3) Rohde & schwarz Noise Figure Measurement solution in mmWave band

 

 

 

Rohde & Schwarz의 이와 같이 FE110SR(75~110GHz), FE170SR(110~170GHz) Frontend Module의 경우는 Preamplifier를 내부적으로 장착이 가능하여 외부에 별도의 Preamplifier를 연결할 필요가 없을 뿐만 아니라, LAN을 통해서 R&S FSW 스펙트럼 분석기와 통신을 할 수 있도록 연결하면, 하나의 스펙트럼 분석기가 된 것과 같이 간편하게 Noise Figure를 기존의 방법과 동일하게 측정이 가능한 장점을 가지고 있습니다. 아래의 링크를 통해서 75GHz ~ 110GHz 의 Noise Figure 측정하는 방법을 영상을 통해서 확인이 가능합니다.

 

https://www.rohde-schwarz.com/us/knowledge-center/videos/noise-figure-and-gain-measurements-of-amplifiers-from-75-ghz-to-110-ghz-video-detailpage_251220-1476291.html

Noise Figure and Gain Measurements of amplifiers from 75 GHz to 110 GHz

위와 같이 Rohde & Schwarz는 무선 네트워크의 발전 방향에 따른 개발 및 검증할 수 있는 방법을 지속적으로 연구하여, 가장 정확하면서도 간편한 방법으로 측정 가능한 솔루션을 제공하고 있습니다.

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작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223600805433

 

 

 

 

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