Cross Domain Analyzer U3800 Series는 종래의 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)와 동등의 주파수 소인(sweep)에 의한 해석 기능 외에 추가로 2-채널 동기 RF 입력에 의해 측정된 두 신호 간의  위상차 측정 등, 종래에 없는 측정 기능을 가지고 있다. 따라서 기존 측정기에서는 관측이 곤란했던 복잡한 RF 신호의 움직임도 다양한 시점에서 정확하게 포착할 수 있다. 이 글에서는 Cross Domain Analyzer가 갖고 있는 각종 기능과 해석 사례를 소개한다.

크로스 도메인 분석기(Cross Domain Analyzer, CDA)는 전력, 위상, 주파수의 주기적인 미세한 변화를 측정할 수 있는 RF 입력 두 채널(CH)을 보유하고 있어, 그들 채널 간의 동기화 상관 측정 및 연산을 가능하게 한 기존에 없는 새로운 카테고리 측정기이다.

최근 휴대전화, 전자레인지, 반도체 공정, 무선 전력공급 등 RF 신호를 이용한 애플리케이션이 증가하고 있다. 이러한 애플리케이션을 공존시키기 위해 각각의 애플리케이션이 점유하는 주파수 대역폭을 최소한으로 하여 한정된 주파수 자원을 유효하게 이용할 수 있는 기술이 발전해 왔다. 이들 주파수 이용 효율을 향상시키는 데 있어서 공통 기술은 RF 신호의 전력, 위상, 주파수 등을 “단발적, 주기적으로 미세한 상태 변화를 시키는 제어”이며, 이것을 고정밀화 및 다양한 값으로 변환시킴으로써 빠른 정보 전송이나 정밀한 파형 제어를 가능하게 하고 있다. 이것은 RF 신호의 에너지가 캐리어 근처에만 집중하도록 제어되고 있음을 보여 주고 있다. 이러한 RF 신호를 분석하기 위해서는, 특히 신호의 인접 대역에 대한 전력 및 위상, 주파수의 미소 변화를 상세하게 측정할 필요가 있다.
또한, 각 애플리케이션에서 동일한 밴드에 고강도의 외부 환란 신호가 존재하는 환경과 송신기에서 수신기로 원하는 신호가 도달하는 사이에 예기치 않은 지연 신호가 발생하는 환경에서는 그 신호가 악영향을 주어 원하는 RF 신호만을 수신부로 전송하는 것이 곤란하다. 따라서 원하는 신호뿐만 아니라 영향을 미치는 신호도 동시에 측정하여 상관성을 분석할 수 있는 측정이 요구돼 왔다.
크로스 도메인 분석기(Cross Domain Analyzer, CDA)는 전력, 위상, 주파수의 주기적인 미세한 변화를 측정할 수 있는 RF 입력 두 채널(CH)을 보유하고 있어, 그들 채널 간의 동기화 상관 측정 및 연산을 가능하게 한 기존에 없는 새로운 카테고리 측정기이다[1].

CDA의 기능

채널 동기 측정(Cross-Channel Analysis)
크로스 도메인 분석기는 헤테로다인 변환 방식을 채용한 RF 입력 두 채널을 보유하고 있다. 각 RF 입력 기준 신호로써 사용하고 있는 내부의 국부 발진기는 공용으로 할 수 있기 때문에, 주파수뿐만 아니라 위상도 동일한 기준, 즉 동일한 벡터 기준으로 측정할 수 있다. 따라서 2-채널 동기화 RF 입력에서 측정된 신호는 벡터 연산이 가능해진다.

벡터 연산 기능(Cross-Math-Analysis)
2-채널 동기 RF 입력에서 측정된 각 채널의 RF 신호에 대해 상호 간의 가산(+)/가감(-)과 같은 다양한 벡터 연산을 가능하게 하는 X math (Cross-Math) 기능을 탑재하고 있다. 이것은 시간과 함께 변화하는 신호 간의 위상차/진폭 비율 측정, 두 신호의 연산 합성, 차동 신호의 차동/동위상 성분의 분리 등 새로운 영역의 벡터 분석이 가능해진다.

광대역 시간축 해석(Time-Domain Analysis)
각 채널에 광대역 시간축 해석 기능을 탑재하고 있다. 이에 의해 고속의 과도 현상, 간헐적 현상, 버스트(burst) 파형, 광대역 변조파 등 빠른 시간 변동을 동반하는 RF 신호도 2-채널 동기화 측정/분석이 가능하다. 시간축 표시에 다채널 비교 측정이 가능한 오실로스코프는 입력 신호의 선택성/해상도에 차이가 있어, 측정을 원했던 주파수 근접(포착 대역폭, Capture BW)을 고분해능 측정할 경우에는 크로스 도메인 분석기가 적합하다.

다축 동시 측정(Multi-Domain Simultaneous Analysis)
각 채널에서 얻은 2개의 RF 신호 파형 및 벡터 연산 파형은 동일한 시간축에서 전력, 위상, 주파수 등 다양한 분석 축에서 다각적으로 분석하는 것이 가능하다.

독립 주파수 해석(Cross-Frequency-Analysis)
각각의 채널을 두 대의 독립된 분석기로 사용할 수 있으며, 주파수가 서로 다른 경우에서도 내부에서 측정 트리거 타이밍을 공유하여 동시 측정이 가능하다.

스펙트럼 해석(Spectrum Analysis)
종래의 스펙트럼 분석기와 동등한 주파수 소인 방식의 분석이 가능하다.

CDA에 의한 해석 사례
주파수 편이 변조(FSK) 해석
-사용 기능: 광대역 시간축 해석(Frequency vs. Time)

반송파 신호에 주파수 편이 변조(Frequency Shift Keying, FSK)를 실은 RF 신호는 반송파 신호와의 1주기 시간 차이가 매우 작다. 예를 들어, 캐리어 주파수: 1 GHz, 편이 주파수: 20 kHz이면 약 0.02 ps/cycle의 차이 밖에 없다. 오실로스코프에서는 이 차이를 측정할 수 없기 때문에 편이 주파수/편이 주기를 측정하는 것은 불가능하다.
크로스 도메인 분석기라면, 광대역 시간축 해석 기능을 사용해 캐리어 근접에 대역폭 제한을 걸어 주파수 시간 변동(Frequency vs. Time)을 보는 것으로, 편이 주파수/편이 주기가 분석 가능하다. 그림 5에 4식 FSK 측정 사례를 나타낸다. 덧붙여 여기에서는 FSK를 예로 했지만, 진폭 편이 변조(Amplitude Shift Keying, ASK)에 대해서는 Power vs. Time 표시, 위상 편이 변조(Phase Shift Keying, PSK)에 대해서는 Phase vs. Time 표시를 함으로써 같은 분석이 가능하다.

두 신호의 위상차(시간차) 측정
-사용 기능: 2-채널 동기 측정과 광대역 시간축 해석(Phase vs. Time)
RF 신호를 공간으로 전달함에 있어, 주위 환경에 따라 예기치 않은 전파 경로를 통한 지연파가 발생할 수 있다. 지연파의 발생 원인을 조사함에 있어 기준이 되는 신호의 위상 차이를 측정함으로써 지연 시간/거리 차를 계산하여 경로를 확인하는 방법이 있다. 측정에 있어 지연 파는 일반적으로 신호가 작고 인접하게 발생한 경우 미세한 시간 차이 때문에 작은 신호 레벨 분해능이 높고, 위상 동기가 가능한 복수의 수신부가 필요하다.
크로스 도메인 분석기의 경우, 2-채널 동기 측정/광대역 시간축 해석 기능을 사용해 각 신호의 위상(Phase vs. Time)을 봄으로써 위상차, 즉 지연 시간/거리 차이를 측정하는 것이 가능하다. 그림 6에 직접파와 반사파(지연파)의 위상차 측정 사례를 나타낸다.

2-채널 동기 신호의 연산 합성
-사용 기능: 2-채널 동기 측정, 벡터 연산 기능, 광대역 시간축 해석(Power vs. Time／Frequency vs. Time) 및 다축 동시 측정(Multi-Domain Simultaneous)

주파수가 약간 다른 두 신호에 대한 위상이 동상(0°)/역상(180°)이 되는 주기는 두 신호의 주파수 차이와 같다. 그 신호의 주파수 차이와 위상 차이를 측정하려면, (주파수 편이 변조 해석)과 같이 오실로스코프에서는 불가능하다.
크로스 도메인 분석기의 경우, 포착 대역 내(최대 40 MHz)의 주파수 차이라면, 2-채널 동기 측정/광대역 시간축 해석 기능을 사용해 위상차를 측정하는 것이 가능하다. 또한 다축 동시 분석을 사용해 위상 동기화된 전력(Power vs. Time)을 측정할 수 있다. 또한 벡터 연산 기능은 두 신호의 전력 합의 시간 변동을 측정하는 것이 가능하다. 그림 7에 2-채널 동기 신호 측정/연산된 사례를 나타낸다. 크로스 도메인 분석기의 채널 2에 기준이 되는 신호를 입력하고, 채널 1에는 기준이 되는 신호와 주파수 차이가 있는 신호를 입력한 경우이다. 두 신호의 위상 차이가 180°(역상)로 전력 합이 최소가 되어, 위상차 0°(동상)에서 최대 (약 6 dB 가산)로 되는 것을 알 수 있다. 또한 전력 합 최소 주기/최대 주기가 주파수 차이이다. 이와 같이 시간에 따라 변동하는 합성 신호가 실시간으로 측정될 수 있다.

전자계 방사 측정
-사용 기능: 2-채널 동기 측정과 광대역 시간 측정축 분석(FFT)

회로에서 방사되는 노이즈 방지책으로 전계 방사의 경우와 자계 방사의 경우와는 그 방법이 다르기 때문에 분리하여 측정할 필요가 있다. 분리 측정하려면, 전계/자계 프로브를 사용해 두 차례에 걸쳐 측정하는 것이 일반적이다. 그러나 방사 신호가 간헐적이면 어느 측정 시 방사 신호를 포착하지 못할 가능성이 있다. 따라서 발생 타이밍과 각 방사량을 분석함으로써 방사의 근원뿐만 아니라 원인을 찾아 낼 수 있다면 보다 근본적인 대책이 가능하다.
크로스 도메인 분석기의 경우, 2-채널 동기 측정을 사용해 전계 방사와 자계 방사의 동시 측정이 가능하다. 또한, 어느 주파수에서 간헐적으로 나타나는 방사가 있는 경우, 부근에서 광대역 시간축 해석 기능을 사용해 Power vs. Time Mode에서 발생 타이밍을 분석하는 것이 가능하다. 또한 이것은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 표시하는 것도 가능하며, 1 주파수로 인식될 것 같은 성분도 고속/고분해능의 분리 측정이 가능하다. 그림 8은 전자기 방사의 측정 사례를 나타낸다.

서로 다른 주파수의 버스트 신호 타이밍 측정
-사용 기능: 광대역 시간축 해석(Power vs. Time) 및 독립 주파수 해석

주파수가 서로 다른 버스트 신호의 발생 타이밍을 고분해 측정하려면, 포착 대역폭을 제한해 측정 채널의 측정 타이밍을 동기화할 필요가 있다. 두 대의 광대역 시간축 해석 기능을 가진 측정기를 사용하는 경우에는, 측정 타이밍을 동기시킬 외부 트리거 신호를 제공해야 한다.
크로스 도메인 분석기의 경우 광대역 시간축 해석 기능/독립 주파수 해석을 사용해 2-채널 RF 입력에 대해 주파수가 서로 다른 경우에도 오르내리는 시간 간격 등의 정확한 발생 타이밍을 측정할 수 있다. 이것은 내부 타이밍 동기화를 위한 트리거 신호를 갖고 있기 때문이다. 그림 9에 서로 다른 주파수 버스트 신호의 타이밍 측정 사례를 나타낸다.






고주파 전원을 사용한 플라즈마 장치의 상태 감시 측정
- 사용 기능: 독립 주파수 해석 및 스펙트럼 해석

반도체, 액정, 태양전지 등의 제조 과정에서 고주파 전원이 널리 사용되고 있다. 이러한 과정에서 중요한 것은 다음과 같다.
① 고주파 전원의 공급 전력 매칭 네트워크를 통해 효율적으로 챔버로 전송될 것, 즉 챔버에서 반사된 신호 레벨이 작을 것[2]
② 공급 전력은 낮은 고조파 왜곡 신호일 것[3]
이러한 최적의 상태로 안정시키는 것이 제품의 고품질화/제조의 안정화로 연결된다.
크로스 도메인 분석기 경우, 독립 주파수 해석/스펙트럼 해석을 이용해 제조 과정에서 위의 중요한 정보를 동시에 실시간으로 모니터링이 가능하다. 그림 10은 크로스 도메인 분석기에 의한 고주파 전원을 사용해 플라즈마 장치의 상태 모니터링 측정 사례를 나타낸다.






마무리
지금까지 크로스 도메인 분석기의 각종 기능 및 해석 사례를 소개했다. 크로스 도메인 분석기는 스펙트럼 분석기의 발전 형태이며, 2-채널 동기화 RF 입력, 광대역 시간축 측정, 그리고 벡터 연산 등의 기능을 갖추고 있어 복합 측정이 가능하고, 그 적용 범위는 종래의 측정기 범주를 넘어서 다양한 측정 및 분석을 얻을 수 있다.