[PCB] S-Parameters (5)

S 파라미터(S-Parameters) : 고속 신호 분석의 필수 도구

디지털 시스템의 동작 주파수가 높아지고 커넥터, 케이블, PCB 트레이스, 비아와 같은 수동 소자들이 전송선(Transmission Line)으로 동작하면서, 기존의 저주파 회로 해석 방식으로는 정확한 분석이 어려워졌습니다.

이번 글에서는 PCB 입문자와 중급자 수준에 맞춰 S 파라미터의 개념과 측정 원리, 그리고 주요 활용 분야를 자세히 설명해 드리겠습니다. 고속 신호 분석을 위한 필수 지식, 지금부터 함께 살펴보겠습니다.

 

S 파라미터란 무엇일까요?

RF 및 고주파 영역에서 소자의 특성을 분석하는 도구입니다.

S 파라미터(Scattering Parameters)는 고주파(RF) 및 마이크로파(Microwave) 회로망의 특성을 정의하는 데 사용됩니다. 입력된 신호가 회로망에서 어떻게 반사되고 전달되는지를 측정하여, 신호의 크기와 위상 정보를 정량화합니다.

이는 블랙박스 모델로 동작하여 내부 구조를 알지 못하더라도 외부에서 관측 가능한 특성을 통해 분석이 가능합니다. 특히 임피던스 불연속성에 의한 반사나 손실을 분석하는 데 유용합니다.

 

S 파라미터 측정의 필요성

고주파 대역에서 정확한 소자 모델링을 가능하게 합니다.

고주파 회로에서는 RLGC(저항, 인덕턴스, 전도도, 커패시턴스)만으로는 회로의 동작을 설명하기 어렵습니다. 주파수가 높아질수록 기생 성분의 영향이 커지기 때문입니다.

S 파라미터는 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용해 광범위한 주파수 영역에서 측정되며, dB 단위로 표시됩니다. 이를 통해 보다 정밀한 모델링과 시뮬레이션이 가능합니다.

 

TDR과의 관계: 임피던스 불연속성 분석

시간 영역에서의 임피던스 변화를 측정합니다.

TDR(Time Domain Reflectometry)은 시간 영역에서 임피던스의 불연속을 측정하는 방식입니다. 반면, S 파라미터는 주파수 영역에서의 특성을 분석합니다.

두 방식은 상호 보완적이며, S 파라미터 데이터에서 TDR 파형을 추출할 수도 있습니다. 특히 PCB 트레이스, 커넥터 등의 임피던스 변화를 파악하는 데 효과적입니다.

 

S 파라미터의 구성: 2 포트 DUT 분석

입력 및 출력 포트 간의 신호 특성을 매트릭스로 표현합니다.

2 포트 회로망에서는 다음과 같은 네 가지 S 파라미터가 정의됩니다:

• S₁₁: 입력 포트 1에서 반사되는 신호 (반사 계수)
• S₂₁: 입력 포트 1에서 출력 포트 2로 전달되는 신호 (전달 계수)
• S₁₂: 입력 포트 2에서 출력 포트 1로 전달되는 신호 (전달 계수)
• S₂₂: 입력 포트 2에서 반사되는 신호 (반사 계수)

N개의 포트를 가진 회로망에서는 N²개의 S 파라미터가 필요합니다. 일반적으로 50Ω 임피던스를 기준으로 측정됩니다.

 

 

주요 S 파라미터와 그 의미

반사 손실과 삽입 손실을 통해 신호 품질을 평가합니다.

• 반사 손실 (Return Loss, S₁₁, S₂₂): 반사된 신호의 비율을 dB로 표현한 값입니다. 값이 낮을수록 반사가 적고, 회로가 매칭 상태에 가깝다는 의미입니다.
• 삽입 손실 (Insertion Loss, S₂₁, S₁₂): 신호가 소자를 통과하면서 얼마나 에너지를 잃는지를 나타냅니다. -3dB는 신호가 절반으로 줄어든다는 뜻입니다.
• 근단 누화 (NEXT, S₃₁): 신호 전송 방향과 반대 방향으로 인접 라인에 유도되는 노이즈를 측정합니다.
• 원단누화 (FEXT, S₄₁): 신호 전송 방향과 같은 방향으로 인접 라인에 유도되는 노이즈를 측정합니다.

EMI 대책 부품(필터, 인덕터, 페라이트 비드 등) 및 고속 디지털 회로 설계 시, S 파라미터 기반 시뮬레이션은 필수적으로 활용됩니다.