방향성 결합기의 방향성(directivity)은 원하는 진행 방향의 파와 반대 방향의 파를 얼마나 잘 구별하는지 나타내며 dB로 표현합니다. 방향성이 높으면 반사 측정의 누설 오차 하나를 줄일 수 있지만 측정계 전체의 정확도가 보장되지는 않습니다.
먼저 포트를 정의한다
여기서는 주 선로 입력을 포트 1, 통과를 2, 원하는 결합 출력을 3, 격리 출력을 4로 정의합니다. 실제 제품의 번호가 다를 수 있으므로 포트 그림을 확인합니다.
사용하지 않는 포트는 정해진 정합 부하로 종단합니다. 다른 포트가 열려 있으면 통상적인 사양의 측정 조건과 달라집니다. 내부 종단형 제품의 접근 가능한 포트 수도 확인합니다.
결합도, 격리도와 방향성
같은 실수 기준 임피던스와 정합 조건에서 양의 dB 값으로 C = −20 log10|S31|, I = −20 log10|S41|를 정의하면 D = I − C입니다.
결합도 C = 20 dB, 격리도 I = 50 dB라면 방향성은 30 dB입니다. 격리도 50 dB를 그대로 방향성이라고 부르지 않습니다. 다른 포트 정의나 역방향 시험에서는 그에 맞는 항을 사용해야 합니다.
같은 입력에 대한 두 출력의 전력비로는 D = 10 log10(P3/P4)입니다. 20 dB는 전력비 100, 40 dB는 10,000입니다. 전압·파 진폭비에는 20 log를 사용합니다.
누설은 단순한 랜덤 잡음이 아니다
반사파를 측정할 때 큰 입사파 일부가 잘못된 경로로 들어오면 실제 반사 신호와 복소 진폭으로 더해집니다. 상대 위상에 따라 측정값이 커지거나 작아질 수 있습니다.
간단히 정규화한 모델에서 실제 반사계수 Γ에 크기 약 10−D/20인 누설항이 더해진다고 볼 수 있습니다. 실제 계측기에서는 정합, 추적과 다른 오차항도 존재합니다.
반사 손실 20 dB의 계산 예
실제 반사 손실 RL = 20 dB이면 |Γ| = 0.1입니다. 방향성 30 dB에 해당하는 누설 진폭은 약 0.0316입니다.
이 누설만 고려하고 위상이 달라지면 관측 진폭은 약 0.0684–0.1316이 될 수 있습니다. 반사 손실로는 약 23.3–17.6 dB입니다. 따라서 D = 30 dB가 항상 ±1% 정확도를 의미하지 않습니다.
반사가 더 작으면 누설의 상대 영향은 더 커질 수 있습니다. 반대로 측정 대상의 반사가 크다는 이유만으로 결합기 고유 방향성이 반드시 20 dB 떨어진다고 해석해서도 안 됩니다.
측정 순서
- 대역, 포트 번호, 기준면과 종단을 정의합니다.
- VNA를 해당 면까지 교정하고 케이블을 안정시킵니다.
- 결합 전달과 격리 전달을 같은 조건에서 측정합니다.
- 주파수별 C, I와 D를 계산합니다.
- 역방향 성능이 필요하면 대응 포트로 반복합니다.
- 종단의 정합, 계측기 누설과 잡음 바닥을 평가합니다.
격리 전달이 잡음 바닥 아래라면 정확한 방향성 숫자 대신 측정 한계나 하한을 보고해야 할 수 있습니다. 연결을 바꿀 때 생기는 재현성도 기록합니다.
전력과 실제 운용 조건
평균·피크 입력, 결합 포트와 내부 부하의 허용 전력, 반사 조건을 확인합니다. 방향성 40 dB라는 숫자만으로 고전력 사용에 적합하다고 판단하지 않습니다.
교정은 일부 시스템 오차를 보정할 수 있지만 포화와 불안정한 접속을 해결하지는 못합니다. 전력을 줄이는 예에서도 각 채널을 0.5 dB 낮추면 동일 조건의 합계 전력은 0.5 dB 낮아지는 것이지 자동으로 3 dB 낮아지지는 않습니다.
선정 시 요구할 자료
실제 사용 대역의 최소 방향성, 결합도와 평탄도, 삽입 손실, 정합 및 측정 조건을 확인합니다. 최대값 한 점과 가격으로 전체 성능을 분류하지 않습니다.
방향성 결합기 설명과 S파라미터 정의를 참고하고, 원하는 반사 수준에 대한 오차 예산으로 선택하십시오.
