S 파라미터

S 파라미터란?

S (scattering) 파라미터는 RF에서 가장 널리 사용되는 회로결과값이다. S 파라미터의 정의는 극히 간단한데, 주파수분포상에서 입력전압대 출력전압의 비를 의미한다. 예를 들어 S21 이라하면, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미한다.즉 1번으로 입력된 전력이 2번포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다.

S 파라미터의 분류

S 파라미터의 각 element들을 분류하자면 크게 4가지 특성파라미터로 분류할 수 있다. 이것은 절대적인 분류가 아니며, 사용자가 설계하려는 구조의 목적에 따라 설계자 본인이 판단하는 것이다.

분류	설명
Transmission	입력 포트대 출력포트의 비. 입력신호를 전송하고자하는 포트까지 얼마나 도달하느냐를 평가한다. 2포트 소자라면 S21이 그에 해당한다.
Reflection	각각의 입/출력력포트의 자체 반사값. S11, S22, S33과 같이 입력과 출력포트가 같은 경우이며, 자기가 입력하고 출력하여 돌려받은 값이므로 결국 반사된 값을 의미한다.
coupling	전송하고자 하는 포트 이외의 포트로 유출된 전력. isolation과는 달리 coupling 자체를 이용하는 경우도 있으므로 가장 애매한 용어임. 일반적으로 연결되어 있지 않은 선로로의 간섭이나 원하지 않아도 유출되는 전력을 의미한다.
isolation	전력을 종단시키는 포트로 유출된 전력. 4포트 하이브리드 커플러에서 S41의 경우.

S 파라미터의 판독

RF에서 S 파라미터는 가장 중요한 결과라고 해도 과언이 아니다. 거의 모든 RF 장비나 부품의 spec은 S 파라미터를 기준으로 만들어져 있기 때문에, 특성을 잘 이해하고 그래프를 잘 판독할 수 있어야 한다. 대부분의 S 파라미터는 dB 스케일로 나타낸다. dB 스케일에서 0dB란 입력된 기준전력을 의미하며, 비선형소자가 추가되어 전력증폭이 되지 않는 한 출력된 전력은 0보다 낮은 - 값으로 내려가는 것이 정상이다.

RF 초심자의 경우 S 파라미터 판독에 어려움을 겪는 경우를 종종 보게 되는데, S 파라미터는 정말 알고보면 별 것도 아니고 아무것도 아니고 그냥 써있는 형상 그대로 용도에 맞게 이해하면 된다. 설계하고자 하는 회로의 목적을 이해하고 있다면, 원하는 S 파라미터 결과는 자연스럽게 알아 볼 수 있다

예 1) 필터

전형적인 필터의 S 파라미터 형상을 아래에 나타내었다.

LPF : 주파수가 증가할수록 반사계수 S11(빨간색)은 증가하여 입력전력을 되돌려보내고, S21(파란색)은 주파수가 내려갈수록 증가하여 낮은 주파수에서 더욱 많은 전력을 출력포트까지 보내고 있다.

BPF : 통과대역에서 S21은 0dB에 가까운 값으로 상승하며, 나머지 대역에서는 억제되어 매우 낮은 값을 기록해야 한다. S11은 정 반대의 양상으로 통과대역에서 가장 낮은 값을 보임으로써, 입력된 전압이 반사되지 않고 최대한 전송된다는 것을 알 수 있다.

예 2) 안테나

안테나의 경우 multi-port를 제외하고 일반적으로 입력포트만 존재하기 때문에 S11만 출력된다. 보통 특정 주파수대역에서 S11이 뚝 떨어지는 형상을 취하게 되는데, 방사주파수에서 S11이 크게 떨어진다는 의미는 그 주파수에서 입력전압이 반사되지 않고 최대한 외부로 방출된다는 의미이다. S11이 크게 떨어질수록 SWR도 작아져서 안테나의 방사특성이 좋다는 의미가 되며, 떨어지는 그래프의 폭이 넓으냐 좁으냐에 따라 협대역이냐 광대역이냐가 구분된다.

광대역 (Broadband)                  협대역 (Narrowband)

예 3) 전송선로

전송선로의 전송성능을 해석한 경우이다. 이 경우 1번포트에서 2번포트로 전송하는 구조인데, 나머지 포트로 가는 S파라미터들은 불필요한 coupling coefficient를 의미한다. 이를통해 각 선로의 삽입손실, 전달능력, 선로 커플링 등을 체크해볼 수 있다.

예 4) 증폭기/발진기 (Amplifier / Oscillator)

능동회로의 S파라미터 특징은 입력전압이 증폭되기 때문에 0dB 이상의 값을 가진다는 것이다. 증폭기와 발진기는 원래 설계방식도 유사하고 S 파라미터형상도 유사하지만, 증폭기는 넓은 주파수대역폭을 가지는 반면 발진기는 특정 주파수의 발진을 목표로 하기 때문에 샤프한 막대기처럼 나타난다.

증폭기 (AMP ; Amplifier)             발진기 (OSC ; Oscillator)