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삽입 손실 측정
2~4GHz와 같이 지정된 대역에서 작동하는 잘 설계된 커플러의 경우, 이 손실은 일반적으로 0.1dB에서 0.5dB 사이로 매우 낮을 것으로 예상됩니다. 이는 작아 보일 수 있지만, 고이득 시스템이나 다단 증폭기 체인에서는 0.5데시벨의 예상치 못한 손실만으로도 전체 노이즈 성능과 출력 전력이 저하될 수 있습니다. 예를 들어, 0.3dB 손실은 부하로 전달되는 전력이 7% 감소함을 의미합니다. 목표는 보통 “≤ 0.5dB”로 기재된 제조업체 사양을 확인하고, 단일 지점이 아닌 전체 주파수 범위에서 이 사양이 유지되는지 확인하는 것입니다.
먼저, 테스트하려는 주파수 범위(예: 1~6GHz)에 대해 표준 SOLT(Short-Open-Load-Thru) 교정 키트를 사용하여 VNA를 교정합니다. 이를 통해 시스템 오차를 최소화하여 측정 불확실성을 약 ±0.05dB 수준으로 낮출 수 있습니다. 교정 후, 커플러를 단순 통과(Thru) 구성으로 연결합니다. VNA의 포트 1을 커플러의 INPUT 포트에, OUTPUT 포트를 VNA의 포트 2에 연결합니다. 이때 커플링된 포트들은 반사 손실이 -40dB보다 우수한 고품질 50옴 부하(Load)로 터미네이션(종단)되어야 합니다. 이는 매우 중요합니다. 이 포트들에서 반사된 에너지는 삽입 손실 판독값을 왜곡할 수 있기 때문입니다.
이제 주파수 스윕(Sweep)을 설정합니다. 2~4GHz 커플러의 경우, 10,001개 포인트의 스윕은 높은 해상도를 제공하여 좁은 딥(Dip)이나 피크(Peak)를 찾아낼 수 있게 해줍니다. 확인해야 할 트레이스는 S21(포트 1에서 포트 2로의 전송)입니다. 핵심은 전체 대역에서 S21의 최솟값, 최댓값 및 평균값을 관찰하는 것입니다. 좋은 커플러는 평탄한 응답을 보입니다. 예를 들어, 사양이 삽입 손실: 0.4dB ± 0.1dB일 수 있습니다. 만약 3.8GHz에서 갑자기 1.5dB로 튀어 오른다면, 이는 내부 결함이나 임피던스 불일치를 나타내는 중대한 경고 신호입니다.
케이블 손실의 영향을 고려하는 것도 필수적입니다. 테스트 설정 자체에도 손실이 있습니다. 1미터의 RG-316 케이블을 사용하는 경우, 4GHz에서 0.7dB의 손실이 발생할 수 있습니다. 이것이 교정이 케이블 끝, 즉 커플러 포트가 연결되는 면에서 이루어져야 하는 이유입니다. 항상 위상 안정성이 높고 손실이 적은 케이블을 사용하십시오. 고전력 애플리케이션의 경우 전력 스윕을 수행해야 할 수도 있습니다. 평균 전력 50W 등급의 커플러는 먼저 VNA에서 낮은 전력 레벨(예: +10dBm)로 테스트한 다음, 신호 발생기와 전력계를 사용하여 약 20W의 높은 전력에서 삽입 손실을 확인하여 성능 저하가 없는지 확인해야 합니다. 
부하를 이용한 지향성 점검
40dB 이상의 높은 지향성은 커플러가 순방향 신호를 효과적으로 격리하고 있음을 의미하며, 이는 정확한 전력 및 반사 손실 측정에 필수적입니다. 예를 들어, 2.4GHz ISM 대역 애플리케이션에서 사용되는 30dB 지향성 커플러는 반사 손실 측정에서 ±0.5dB의 오차를 유발할 수 있으며, 이는 기본적인 작업에는 허용될 수 있습니다. 그러나 증폭기 선형성 테스트나 고급 안테나 튜닝과 같은 정밀 작업의 경우, 측정 오차를 ±0.1dB 미만으로 유지하기 위해 45dB에서 50dB의 지향성을 가진 커플러가 필요합니다.
| 지향성 (dB) | 반사 손실 측정의 대략적 오차 (±dB) |
|---|---|
| 20 | ±1.5 |
| 30 | ±0.5 |
| 40 | ±0.15 |
| 50 | ±0.05 |
먼저, 테스트 케이블 끝까지 VNA를 교정합니다. 그런 다음 커플러를 연결합니다. INPUT 포트를 포트 1에, OUTPUT 포트를 포트 2에 연결하고, ISOLATED 포트를 고품질 50옴 부하로 터미네이션합니다. 핵심은 이 부하의 품질입니다. 해당 주파수 대역에서 반사 손실이 -40dB(이상적으로는 -50dB)보다 좋아야 합니다. 반사 손실이 -20dB에 불과한 저급 부하는 에너지를 반사시켜 지향성 판독값을 심각하게 왜곡하고 1~2dB의 오차를 추가합니다. 첫 번째 측정으로, COUPLED 포트를 또 다른 깨끗한 50옴 부하로 터미네이션하고 역방향 격리도인 S31 파라미터(포트 1에서 COUPLED 포트까지)를 측정합니다. 관심 주파수에서의 이 값을 기록하십시오. 예를 들어 3.5GHz에서 -32.5dB입니다.
직후에 케이블을 움직이지 않은 상태에서 COUPLED 포트의 부하를 교정된 단락 회로(Short Circuit)로 교체합니다. 이 단락 회로는 보통 0.0dB 반사 손실과 180도 위상 변이를 가진 완벽에 가까운 반사 특성을 가져야 합니다. 이제 다시 S31을 측정합니다. 값이 훨씬 높게 나타날 것입니다. 예를 들어 -15.8dB라고 읽힐 수 있습니다. 지향성은 두 번째 판독값에서 첫 번째 판독값을 빼서 계산합니다: -15.8dB – (-32.5dB) = 16.7dB. 이는 놀랍게도 낮은 결과이며, 왜 이 테스트가 중요한지를 강조합니다. 좋은 커플러라면 데이터시트 값인 40dB에 훨씬 가까운 결과를 내야 합니다.
전체적인 특성 분석을 위해 1GHz에서 6GHz까지 10,001개 포인트로 주파수 스윕을 수행합니다. 계산된 지향성을 도표로 그리십시오. 일관성을 확인해야 합니다. 4.2GHz에서 15dB의 날카로운 딥이 발생한다면 이는 공진이나 설계 결함을 나타내며, 해당 주파수에서 커플러를 사용할 수 없음을 의미합니다. 환경 요인도 중요합니다. 안정적인 23°C ±3°C에서 테스트하십시오. 페라이트 코어는 온도에 따라 특성이 변할 수 있으며, 60°C에서는 지향성이 2-3dB 감소할 수 있습니다. 마지막으로 모든 측정에 동일한 +10dBm 전력 레벨을 사용하십시오.
커플링 값 정확도 테스트
20dB로 명시된 커플러는 메인 라인 전력의 1%를 신뢰성 있게 추출해야 합니다. 그러나 이 공칭 값에서 ±0.5dB의 미세한 편차만 생겨도 전력 계산에 ±12%의 오차가 발생합니다. 이 부정확성은 시스템 전체로 전이됩니다. 만약 이 커플러가 50W 송신기의 출력을 모니터링한다면, +0.5dB 오차(19.5dB로 판독)는 실제로는 5.0W인 결합 전력을 5.6W로 믿게 만들어, 순방향 전력을 12% 과대평가하게 합니다.
| 주파수 (GHz) | 공칭 커플링 (dB) | 전형적인 측정값 (dB) | 허용 공차 (±dB) |
|---|---|---|---|
| 2.0 | 20.0 | 20.1 | 0.3 |
| 4.0 | 20.0 | 20.5 | 0.4 |
| 6.0 | 20.0 | 21.2 | 0.6 |
이를 테스트하려면 교정된 VNA를 사용하십시오. 포트 1을 INPUT에 연결하고 OUTPUT 포트를 50옴 부하로 터미네이션합니다. 결정적으로 ISOLATED 포트 역시 동일하게 고품질 부하로 터미네이션해야 합니다. 개방(Open) 상태로 두면 결과가 0.2-0.3dB 왜곡될 수 있습니다. COUPLED 포트는 VNA의 포트 2에 직접 연결합니다. 측정할 파라미터는 INPUT에서 COUPLED 포트로의 S21입니다. 이는 직관에 어긋나 보일 수 있지만, 이 구성에서는 커플링 경로로 전달되는 에너지를 직접 측정하게 됩니다. VNA를 1GHz에서 6GHz까지 10,001개 포인트, 0dB 출력 전력으로 스윕하도록 설정하십시오. 트레이스에 커플링 값이 표시됩니다. 고품질 커플러는 평탄한 응답을 보이며, 20dB 모델의 경우 -20dB에서 거의 직선에 가까운 모습을 보일 것으로 예상됩니다.
진정한 테스트는 편차를 확인하는 것입니다. 트레이스를 확대하여 피크 투 피크(peak-to-peak) 변동을 관찰하십시오. 20dB ± 0.5dB 사양은 전체 대역에서 측정이 -19.5dB와 -20.5dB 사이를 유지해야 함을 의미합니다. 주파수가 높아짐에 따라 약간 선형적으로 증가하는 것은 흔한 일입니다. 2GHz에서 20.1dB였다가 6GHz에서 20.5dB로 변하는 것은 많은 애플리케이션에서 허용됩니다. 그러나 3.8GHz와 같은 특정 주파수에서 비선형적인 1dB 피크가 나타난다면 이는 설계 불량이나 장치 손상을 의미합니다. 절대적인 정확도를 위해 VNA 판독값을 신뢰할 수 있는 전력계와 비교하십시오. 2.5GHz에서 +20dBm (100mW) 연속파(CW) 신호를 INPUT 포트에 주입합니다. 전력계로 COUPLED 포트의 전력을 측정합니다. +0dBm (1mW)가 측정되어야 하며, 이를 통해 20dB 커플링 계수를 확인할 수 있습니다. +0.5dBm과 같이 판독값에 큰 차이가 있다면 VNA 교정 오류나 부정확한 커플러를 의심해야 합니다. 
주파수 응답 범위 검증
방향성 커플러의 명시된 주파수 범위(예: 800MHz~2.5GHz)는 단순한 권장 사항이 아닙니다. 이는 커플링, 지향성, 삽입 손실과 같은 주요 파라미터가 가용한 한계 내에서 유지되는 엄격한 경계입니다. 이 대역을 단 100MHz라도 벗어나면 성능이 급격히 저하될 수 있습니다. 예를 들어, 2.4GHz WiFi용으로 설계된 커플러가 2.4GHz에서 20.1dB의 커플링 값을 보이다가, 2.7GHz에서는 22.5dB로 드리프트하여 전력 측정에 +15% 오차를 유발할 수 있습니다.
- 커플링 값 변동: 공칭 값(예:
20.0 dB ± 0.5 dB)으로부터의 편차를 추적합니다. - 최저 지향성: 측정 정확도에 중요한 지향성의 가장 낮은 지점을 식별합니다.
- 삽입 손실 피크: 신호 전력에 영향을 미치는 최대 삽입 손실을 기록합니다.
- 반사 손실 저하: 입력 및 출력 포트 정합(이상적으로 VSWR < 1.25:1)을 모니터링합니다.
이를 테스트하려면 전체 명시된 범위에 양 끝으로 10-15%를 더한 범위에서 CW 스윕을 수행하도록 VNA를 구성하십시오. 2-4GHz 커플러의 경우 1.8GHz에서 4.2GHz까지 스윕합니다. 1001포인트 스윕으로는 놓칠 수 있는 좁고 문제가 되는 공진을 찾아내기 위해 10,001개의 많은 포인트를 사용하는 것이 이상적입니다. 출력 전력을 +10dBm 정도로 든든하게 설정하십시오. 전력 레벨이 너무 낮으면 비선형성을 자극하지 못할 수 있고, 너무 높으면 긴 스윕 동안 열 드리프트를 유발할 수 있습니다. 목표는 몇 개의 주파수만 확인하는 것이 아니라 성능에 대한 세부 지도를 만드는 것입니다.
동시에 하나의 디스플레이 창에서 4개의 모든 S-파라미터를 모니터링하십시오. S31(커플링)의 평탄도를 관찰합니다. 대역의 하단에서 상단까지 1.2dB의 완만한 증가는 데이터시트에 따라 허용될 수 있지만, 3.1GHz에서 0.8dB의 급격한 딥이 발생한다면 제조 결함이나 손상된 부품임을 나타냅니다. S41(격리도)이 일반적으로 40dB 이상으로 높게 유지되는지, S11(입력 반사 손실)이 -20dB 미만(VSWR < 1.22:1)을 유지하는지 확인하십시오. 가장 중요한 뷰는 S31과 S32 측정값에서 도출된 지향성 트레이스입니다. 지정된 대역 내의 어느 지점이라도, 특히 2.05GHz나 3.95GHz와 같은 가장자리에서 지향성이 25dB 미만으로 떨어진다면 안테나 튜닝이나 반사 전력 모니터링과 같은 정밀한 용도로 부적합한 커플러입니다.
포트 임피던스 정합 평가
방향성 커플러의 효과는 각 포트가 50옴 시스템에 얼마나 원활하게 통합되느냐에 달려 있습니다. 정합이 불량하여 전압 정재파비(VSWR)가 1.25:1보다 크면(반사 손실이 -14dB보다 나쁘면), 회로 내에서 신호 반사계 역할을 하게 됩니다. 3GHz에서 입력 포트의 1.35:1 VSWR은 입사 전력의 4.5%를 반사합니다. 이 반사된 에너지는 측정을 왜곡하여 주파수 응답에 리플을 유발하고, 순방향 및 반사 전력 판독값에 ±0.4dB를 초과하는 오차를 도입합니다.
- 입력/출력 VSWR: 전체 대역에서 일반적으로 1.25:1 미만(반사 손실 -20dB 미만)이어야 합니다.
- 커플링 포트 정합: 종종 약간 더 나쁘며, 1.35:1 미만(RL -17dB 미만)이면 허용됩니다.
- 격리 포트 정합: 지향성 정확도에 중요하며, 1.30:1 미만(RL -18dB 미만)이어야 합니다.
- 전력/온도에 따른 정합 안정성: 임피던스는 -10°C에서 +55°C 사이에서 VSWR 기준으로 ±0.05 이상 변하지 않아야 합니다.
나머지 세 포트를 반사 손실이 -40dB보다 우수한 고품질 50옴 부하로 터미네이션합니다. INPUT 포트 테스트를 위해 VNA의 포트 1을 연결하고 OUTPUT, COUPLED, ISOLATED 포트를 터미네이션합니다. 측정할 파라미터는 S11입니다. 1GHz에서 6GHz까지 10,001개 포인트로 스윕을 설정합니다. 핵심 지표는 커플러의 지정된 작동 범위(예: 2GHz~4GHz) 내에서의 S11 최댓값(또는 최소 반사 손실)입니다. 매끄러운 곡선이 나타나야 합니다. 1.20:1 VSWR 사양은 S11 트레이스가 -21dB 미만을 유지해야 함을 의미합니다. 만약 3.6GHz에서 -15dB(1.43:1 VSWR)까지 치솟는 좁은 스파이크가 보인다면, 이는 결함 있는 커넥터나 내부 결함으로 인한 공진일 가능성이 높으며 해당 장치는 신뢰할 수 없습니다.
각 포트에 대해 이 과정을 꼼꼼히 반복하십시오. OUTPUT 포트(S22) 테스트도 OUTPUT을 포트 1에 연결하고 다른 포트를 터미네이션하여 동일한 절차를 따릅니다. COUPLED 및 ISOLATED 포트(S33 및 S44)는 설계상 약간 불일치할 수 있지만 여전히 데이터시트 사양(일반적으로 VSWR < 1.35:1)을 충족해야 합니다. 실제 작동 조건에서 COUPLED 포트의 정합을 테스트하는 것이 중요합니다. 이는 INPUT 포트를 터미네이션한 상태뿐만 아니라 50옴 소스로 구동되는 상태에서도 S33을 테스트하는 것을 의미합니다. 이 두 상태 사이에서 VSWR이 0.05 정도 차이 날 수 있으며, 데이터시트 값은 거의 항상 터미네이션된 경우를 기준으로 합니다.
전력 처리 용량 평가
방향성 커플러의 전력 처리 등급(종종 평균 50W, 피크 500W로 기재됨)은 성능 저하가 발생하거나 영구적인 손상이 생기기 전의 작동 한계를 정의합니다. 평균 전력 한계를 잠시라도 초과하면 내부 온도가 급격히 상승할 수 있습니다. 예를 들어, 50W 커플러에 60W 평균 전력을 인가하면 단 90초 만에 코어 온도가 주변 온도보다 35°C 높아져 자성 특성이 변하고 커플링 값이 0.4dB 변할 수 있습니다. 피크 전력 등급은 전압 아크(Arcing)를 방지합니다. 500W 피크 등급 장치에 2kW 펄스를 가하면 내부 전송 라인에서 쉽게 아크가 발생하여 탄소 경로가 생성되고 지향성이 영구적으로 15dB 낮아질 수 있습니다.
“커플러를 절대적인 정격 한계에서 테스트하지 마십시오. 50W 장치의 경우, 45W에 도달하도록 테스트를 설계한 다음 성능 드리프트를 모니터링하십시오. 이는 측정 불확실성과 예상치 못한 부하 불일치를 고려하여 10%의 안전 마진을 제공합니다.”
평균 전력 처리를 테스트하려면 신호 발생기, 100W급 50옴 더미 로드(Dummy Load), 전력계가 필요합니다. 발생기를 INPUT 포트에, 더미 로드를 OUTPUT 포트에 연결하고 커플링 포트들을 터미네이션합니다. 발생기를 커플러가 가장 민감한 주파수(보통 중간 대역인 3GHz 등)의 CW 톤으로 설정합니다. +20dBm (0.1W)과 같은 낮은 전력 레벨에서 시작하여 출력 부하의 전력을 확인합니다. 입력 전력을 5dB 단계로 서서히 올리며, 열 안정화를 위해 각 단계에서 2분간 유지합니다. 각 단계에서 COUPLED 포트의 방향성 전력계로 커플링 값을 측정합니다. 안정적인 커플러는 5W에서 45W까지 커플링 변화가 ±0.1dB 미만이어야 합니다. 전력이 올라감에 따라 -0.3dB 정도 완만하게 변하는 것은 코어 가열 및 고장 가능성을 나타냅니다.
피크 전력 테스트에는 1kW급의 고출력 펄스 신호 발생기와 고전력 프로브가 있는 오실로스코프가 필요합니다. 펄스 폭을 10µs, 듀티 사이클을 1%(PRF: 1kHz)로 설정하십시오. 이 신호를 INPUT 포트에 인가합니다. 오실로스코프로 COUPLED 포트의 파형을 모니터링하여 아크나 왜곡이 있는지 확인합니다. 스코프에 깨끗하게 복제된 10µs 펄스가 나타난다면 커플러가 피크 전압을 견딜 수 있음을 의미합니다. 3dB의 링잉(Ringing)이 있는 왜곡된 펄스는 고전압 하에서의 임피던스 문제를 나타냅니다.
| 전력 등급 | 인가된 테스트 전력 | 지속 시간 | 최대 허용 커플링 드리프트 | 최대 케이스 온도 상승 |
|---|---|---|---|---|
| 50 W 평균 | 45 W | 60분 | ±0.2 dB | +55°C |
| 100 W 평균 | 90 W | 60분 | ±0.2 dB | +60°C |
| 500 W 피크 | 450 W 피크 | 10,000 펄스 | ±0.3 dB | +25°C |
케이스 온도가 95°C를 초과하는 핫스팟은 내부 열 전달이 불량함을 나타내며, 이는 부품 수명을 10년에서 2년 미만으로 단축시킵니다. 1시간 동안의 45W 테스트 직후, INPUT 및 OUTPUT 포트를 통해 전송 라인의 DC 저항을 측정하십시오. 저항값이 5% 이상 크게 변했다면 과열로 인한 내부 손상을 의미합니다.
