■ 스펙트럼 분석기 측정시 유의점 (Ⅱ)

스펙트럼분석기는 매우 정밀한 측정장비로서 아주 미세한 세기의 신호를 분석할 수 있는 반면, 조금만 강한 신호가 유입될 경우에도 쉽게 손상을 입게 된다. 그리고 비록 입력제한레벨 이내의 신호일 경우에도 측정장비의 설정 상태에 따라 선형동작영역을 벗어나 측정값이 부정확하게 될 수 있다.

이에 사용자가 보다 안전하고 정확하게 측정할 수 있도록 지난호에 이어 허용 신호세기, 내부 소자특성 그리고 분석기에 공급되는 전원 등 주의사항에 대해 간략히 설명하고자 한다.
 

Ⅰ. 과입력에 따른 보호

분석기의 측정범위 상한 값은 과입력으로부터 측정기를 보호하기 위한 값으로 분석기 전면판에 표시하고 있다. 이 값은 손상되기 쉬운 입력 단의 RF입력 감쇠기와 믹서(그림1 참조)의 최고입력레벨을 말하며, 만일 사용자가 이보다 큰 신호를 분석하기 위해서는 외부에 부가로 감쇠기를 설치하여 측정해야 한다.

가. 감쇠기의 보호

분석기의 내부 감쇠기는 입력신호의 세기를 감쇠하여 입력단을 보호하고 믹서에 적정한 레벨을 제공할 수 있도록 하며, 분석기와 피측정체간의 정재파비를 개선하여 보다 정확한 측정을 할 수 있도록 하는 역할을 한다.

감쇠기 손상레벨은 일반적으로 약 30㏈m(1W)으로 분석기의 전면판 입력레벨 제한 값을 말하며, 이 값은 믹서손상레벨(약 13㏈m)보다 훨씬 높음으로 내부감쇠를 0㏈로 설정할 경우 믹서에 손상이 가지 않도록 더욱 주의를 해야한다.

그림2에서와 같이 감쇠기를 사용할 경우가 사용하지 않을 경우에 비해 훨씬 부정합 오차가 개선됨을 알 수 있다.

나. 믹서의 입력레벨 조정

1) 믹서는 입력신호를 중간주파수로 변환시키는 능동소자이다. 그러므로 분석기가 최적 특성을 발휘하기 위해서는 믹서가 선형영역에서 동작하도록 해야 하며, 그러기 위해서는 믹서 입력 신호레벨 설정이 무엇보다 중요하다. 만약 규정치 이상의 큰 입력신호가 들어오게 되면 신호의 왜곡이나 원치 않는 신호성분이 발생되고, 최악의 경우 믹서가 파괴되어 사용이 불가능해진다. 보통 믹서의 손상레벨은 13~20 ㏈m 정도이며 이값은 분석기 전면판에 기재되어있는 것보다 훨씬 적다. 그리고 CATV(75 Ω) 측정프로그램이 내장된 분석기의 경우 최대 입력범위는 보통 50Ω측정시 보다 적음으로(약 0.2W) CATV측정시에는 필히 성능을 확인하여 측정해야 한다.

2) 그림3은 능동소사인 믹서의 입·출력 특성을 보여주고 있는 것으로, 항상 입력과 출력이 선형적으로 변화되는 것이 아니며, 어느 정도 이상의 입력일 경우 포화되고, 최악의 경우 열로 인해 손상됨을 알 수 있다. 그리고 믹서 자체에서 발생되는 2차, 3차 왜곡은 기본파의 입·출력 변화폭 보다 2배, 3배 크다는 것을 보여주고 있다. 그러므로, 운용자는 신뢰성 있는 측정을 위해 믹서의 선형동작영역, 1㏈억압레벨 그리고 열에 의한 손상레벨 등에 관해 충분히 숙지하고 있어야한다.

3) 그림4는 분석기 제작자에서 제공하는 2차, 3차 왜곡신호 측정시 고려해야할 측정기 특성에 관한 그림으로, 분석기의 분해능(RBW)을 1㎑로 설정한 상태에서 믹서입력레벨에 대한 신뢰할 수 있는 측정범위(㏈c 기준)를 표현한 것이다.

분석기는 믹서 입력레벨이 적어질수록 2, 3차 왜곡에 의한 영향은 적어지나 노이즈레벨에 신호가 묻혀 측정범위(㏈c)가 적어지고, 입력레벨이커질 경우 노이즈레벨에 의한 영향은 적어지는 반면 믹서자체에서 발생되는 2차, 3차 왜곡신호 증가로 측정범위가 적어지는 것을 알 수 있다.

그러므로 신뢰할 수 있는 측정범위(dynamic range)를 갖기 위해 노이즈레벨과 왜곡신호 영향을 충분히 고려하여 적절하게 믹서입력레벨을 설정해야하다. 그림4는 2차 왜곡신호 측정시 믹서입력이 -43㏈m일 경우 -72㏈c, 3차 왜곡신호일 경우 -35㏈m지점에서 -80㏈c로 최대의 측정범위를 갖는 것을 알 수 있다.

다. 직류전압에 대한 주의

분석기는 시간영역에서 분석하기 어려운 합성파와 고조파 같은 성분을 주파수영역으로 변환하여 표현함으로 쉽게 왜곡성분을 측정할 수 있도록한 매우 유용한 장비이다. 그러나 DC의 경우에는 주파수 영역으로 변환시 0㎐부근에 대다수의 에너지가 집중됨으로 비록 미약한 전압에도 분석기를 손상시킬 수 있으므로 직류차단용 콘덴서(DC Block)를 입력 단에 장착하여 사용한다.

라. 입력신호를 모르는 경우

측정할 신호의 레벨을 잘 모르는 경우에는 안전하게 사용하기 위한 몇가지 방법이 있다.

첫째, 입력 단에 충분한 외부 감쇠기를 부가하고, 분석기는 내부 감쇠값과 기준레벨을 최대로 하며 입력 신호가 화면에 나타나지 않는 경우를 방지하기 위해서 가장 큰 수평축(Span/Div 또는 Max Span)으로 설정한다. 그리고 과도하게 큰 신호들이 화면에 나타나는가를 주의 깊게 살피면서 분석기의 입력 단에 신호선을 시험적으로 접촉(Contact)한 후 화면의 가장 큰 신호가 기준레벨에 일치하도록 기준레벨을 줄여나간다.

둘째, 만약 고주파 전력계(Power Mater)를 가지고 있다면 신호원을 분석기에 연결하기 전에 모든 신호들의 합의 크기를 나타내는 전력계를 이용하여 신호레벨을 점검한다. 그리고 분석기에 신호를 연결하기 전에 오실로스코프, 전압계, 고주파 전압계 및 다른 측정 계기로 직류나 교류신호의 레벨을 점검한 후 측정장비를 연결한다.

Ⅱ. 전원의 안전사용

가. 안정된 전원

측정기의 정상운용을 위해서는 안정된 전원공급이 필수적이며, 사용전원이 불안정해지면 분석기에 영향을 주어 정확도와 안정도가 떨어지게 된다.

일반적으로 분석기의 입력변동 허용값은 +5%~-10%이며, 이것은 +5%~-10%범위 내에서 전압이 큰 변동 없이 지속되도록 해주는 것이 좋다는 의미이다. 그러므로 소모전력이 큰 전기기기(에어컨, 모터, 공기 청정기 등)의 작동·멈춤시 전압강하, 상승, 스파크 등으로 인하여 측정오차가 발생될 뿐만 아니라 측정기의 손상을 유발시킬 수 있으므로 계측기의 전원과 분리하여 사용하며 가능한 근접을 피하도록 한다. AC 110V/220V 혼용 사용하는 곳에서는 측정기를 220V에 연결하고 사용하며, 가능한 피측정체와 동일한 전원콘센트에 측정기를 연결하여 사용한다. 그리고 측정기와 피측정체간의 전원코드방향을 바꿔보면서 측정기와 피측정체간의 전위 차가 낮은(가능한 5V이내)방향을 선택한 다음 접지선을 연결한 후 마지막으로 RF케이블을 피측정체에 연결한다.

나. 3상 전원인 경우

그림6과 같이 3상 전원을 사용하는 경우, 피측정체가 2,3번 전원(110V)에 연결되어 있고, 측정기가 1,2번 전원(110V)에 연결되어 있을 경우 측정기(프리전압사용과 무관)와 무선설비간에는 220V(1,3번)의 전위 차가 발생되어 측정장비 또는 피측정체의 파손뿐만 아니라 사용자에게도 감전 사고가 우려되어 아주 위험하다.

이러한 경우는 측정기를 피측정체쪽 전원에 같이 연결하거나 1,3번(220V)에 연결하여 무선설비와 측정장비간 전위 차가 낮은 방향을 찾아 전원을 연결하고 접지를 한 다음 RF 케이블을 연결하여 측정한다.

다. 접지의 중요성

1) 스펙트럼분석기의 전원코드는 그림7과 같이 3구로 구성되어 있으나 통신실의 전원 구성이 미약하여 2구로 되어있는 전원콘센트가 제공되는 경우 별도의 접지선을 준비하여 측정장비를 접지 한 후 측정한다.

2) 그림8과 같이 스펙트럼분석기와 무선설비의 전원접지를 하지 않으면 분석기와 무선설비의 전위 차가 발생하여 전압이 높은 쪽 에서 낮은 쪽으로 흘러 분석기나 무선설비가 파손될 수 있으며, 분석기와 무선설비간의 내·외부 잡음 값을 포함한 측정이 된다.(한쪽만 접지가 되어있을 경우 더욱 위험함)

정상인 경우		비정상인 경우
H-N:110V	H-N:220V	H-N 간의 전압이 0V : 접지 되어있지 않았거나 전원차단
H-G:110V	H-G:220V	H-G 간의 전압이 정상전압이하 : 접지상태 불량
N-G:0V	N-G:0V	N-G 간의 전압이 110, 220 : H와 N의 극성이 바뀜

표. 전원과 접지와의 관계
 

 

3) 그러나 그림9와 같이 양쪽에 접지를 한 경우는 분석기와 무선설비간의 전위 차가 동전위(0V)가 되어 손상이 없을뿐더러 잡음성분도 모두 접지로 흘러 측정값에 영향을 주지 않는다.

※ 출처 - http://www.kora.or.kr/