A Study on Measurement Accuracy and Required Time based on SCPI of Power Meter in Ka Band

Ka 밴드에서 Power Meter 계측 명령어에 따른 측정 정확도와 소요시간에 대한 연구

Abstract

Measurement accuracy and required time is important to make ATE(Automatic test equipment) system in Ka band, and SCPI commands of power meter which is a representative RF test equipment are studied in this paper. Comparison data between FETCH and MEASURE which are SCPI commands are measured in 30 G ~ 31 GHz and -70 ~ +20 dBm using two power sensor. The data show that FETCH which is the fastest SCPI is able to get reliable data in linear interval above noise level. MEASURE which is the best accurate command takes longer time than FETCH, and the longest time is 13.2 seconds. These results offer that measurement accuracy and required time of the two SCPI for power meter and would be used as a guideline for efficient ATE system in Ka band.

측정 명령어에 따른 정확도와 소요시간은 효율적인 Ka 밴드용 자동 시험 장비(ATE)를 구축하는데 중요한 요소이다. 이에 따라 본 논문에서는 RF 대표 계측기 Power Meter의 측정 명령어에 대해 연구하였다. 30 G ~ 31 GHz에서 Power Meter의 측정 명령어 FETCH와 MEASURE의 각 측정 레벨에 따른 정확도와 소요시간을 비교하였으며, -70 ~ +20 dBm 영역을 2가지 Power Sensor로 측정하였다. 측정 결과 신속하게 데이터를 불러오는 FETCH 명령어는 잡음 레벨보다 높은 선형 구간에서 비교적 정확한 데이터를 얻을 수 있었다. 가장 정확한 데이터를 얻을 수 있는 MEASURE 명령어는 FETCH 대비 시간이 많이 소요 되었으며, 최대 13.2초가 소요 되었다. 이를 통해 30 G ~ 31 GHz에서 Power Meter 측정 명령어의 정확도와 측정 소요시간을 확인할 수 있었고, 해당 연구 결과는 효율적인 Ka 밴드용 ATE를 구축하는데 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

Ⅰ. 서론

자동 시험 장비(ATE, Automatic Test Equipment)는 무기체계의 부품, 장치, 완성품 성능을 검증하는데 유용하게 사용된다. ATE를 이용한 시험 검증은 효율적이며, 무기체계 품질 향상에 매우 큰 영향을 미치고 있다^[1].

RF 계측 장비 회사는 자동 측정 구축을 위한 환경을 제공하고 있다. 대표적인 계측 장비 회사 Keysight와 National Instrument에서는 자동 측정 프로그래밍을 위한 소프트웨어 VEE와 LabView를 각각 제공한다. 계측 장비 사용자는 이 프로그램들을 이용하여 ATE를 운용할 수 있다^[2].

한편, 이동 통신 시장에서는 4G를 넘어 5G를 상용화하기 시작하였다. 이에 따라 캐리어 주파수(Carrier Frequency)가 높아지게 되었고, 전 세계적으로 5G 캐리어 주파수로 28 GHz, 38 GHz, 73 GHz를 중심적으로 연구하고 있는 추세이다^[3]. 우리나라는 조만간 Ka 밴드인 28 GHz 대역을 5G 캐리어 주파수로 상용화할 계획에 있다^[4,5].

위성 통신 시스템에서도 매우 높은 캐리어 주파수를 이용하고 있다. 일반적으로 위성 통신 시스템에서는 지상에서 위성 중계기로 송출하는 상향주파수와 위성 중계기에서 지상으로 송출하는 하향주파수를 나누어 캐리어 주파수를 운용한다. 현재 많은 위성 통신 시스템에서 Ka 밴드인 30 G ~ 31 GHz 이상의 캐리어 주파수를 상향주파수로 사용하고 있으며, 더 높은 주파수에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다^[6].

이처럼 Ka 밴드 주파수 상용에 따라 정확하고 효율적인 Ka 밴드용 ATE 구축이 필요하다. 주파수가 높은 RF 신호의 경우 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 특성이 좋지 못하기 때문에 낮은 주파수 대비 측정 정확도가 저하된다. Ka 밴드에서도 정확한 데이터를 얻으려면 고가의 계측 장비, 계측 소요시간, 계측 명령어(SCPI, Standard Commands for ProgrammableInstruments) 등을 고려한 ATE가 필요하다.

특히 계측 소요시간은 ATE의 자동 측정 프로그램을 설계에 매우 중요한 요소 중 하나이다. 그 이유는 크게 2가지로 첫 번째는 정밀한 데이터를 얻기 위해서이고 두 번째는 효율성을 높이기 위해서이다. 충분한 측정 시간을 할당한 ATE는 정밀한 데이터를 얻을 수 있어, 신뢰성 높은 데이터를 얻을 수 있게 한다. 하지만 과한 측정 소요시간을 할당한다면, 정확한 데이터를 얻을 수 있지만 ATE의 효율을 낮아지게 한다. 이러한 이유로 측정 소요시간을 적절히 할당하여 ATE를 설계해야 한다. ATE의 측정 소요시간과 관련된 요소는 계측 명령어이며, 사용 명령어에 따라 측정 소요시간과 정확도가 달라진다.

측정 명령어는 RF 계측 장비마다 달라지며, 본 논문에는 대표적인 RF 계측 장비 Power Meter의 계측 명령어에 대해 분석하였다. Power Meter는 크게 3가지 FETCH, READ, MEASURE의 측정 명령어를 사용한다. FETCH는 현재 메모리에 저장된 측정 데이터를 읽어오는 명령어이다. 반면에 READ와 MEASURE는 새로운 측정을 시작하고 메모리에 저장하며 이 값을 데이터로 불러온다. 만일 측정을 갱신하는 명령어가 추가되거나 측정값이 갱신된 환경이라면 FETCH와 READ는 동일한 결과 값을 낼 수 있다.

MEASURE는 측정 소요시간이 가장 길고 가장 정확한 데이터를 추출한다. READ는 사용자의 설정에 따라 측정 평균 개수를 조절하여 정확도와 측정 소요시간을 조절할 수 있다. 이런 이유로 세 명령어의 측정 소요시간은 FETCH가 가장 적게 소요되고 READ, MEASURE 순으로 소요된다. 데이터 신뢰성은 MEASURE가 가장 높으며, READ, FETCH 순으로 정확도가 낮아진다^[7].

MEASURE 명령어는 측정값이 Power Sensor 선형 구간에 있는 경우, 측정 소요시간이 적게 소요된다. 하지만 측정값이 Power Sensor의 잡음 레벨에 가까운 경우에는 측정 소요시간이 길어지며, 이에 대한 정확한 분석이 있어야 효율적인 ATE를 구축할 수 있다.

본 논문에서는 이와 같은 이유로 Ka 밴드에서 Power Meter의 명령어 FETCH와 MEASURE의 정확도와 소요시간을 측정하였다. 5G 28 GHz 대역과 위성 통신 상향주파수 30 G ~ 31 GHz 대역 중에서 주파수가 높은 30G ~ 31 GHz 대역을 택하였고, 해당 대역에서 PowerMeter 측정 명령어 FETCH와 MEASURE의 데이터 값을 비교하였다. 2종류의 Power Sensor를 이용하여 -70~ -20 dBm, -30 ~ +20 dBm의 지속파(Continuous Wave, CW) 신호를 측정하였다. 2장에서는 자동 측정환경 및 구성에 대해 설명하였으며, 3장에서는 측정결과를 비교하였고, 4장에서는 결론을 기술하였다.

Ⅱ. 시험 구성 설명

측정 환경은 그림 1과 같으며, 해당 계측 장비들의 제원은 표 1과 같다. 계측 명령어는 GPIB 선을 이용하여 신호 발생기, Power Meter를 연결하였으며, GPIB to USB(82357B)를 이용하여 PC와 연결하였다.

그림 1. 시험 구성도

Fig. 1. Test Environment.

표 1. 시험 장비의 제원

Table 1. Specification of Test Equipments.

Power Sensor는 N8487A와 8487D 2가지를 사용하였다. N8487A는 -30 ~ +20 dBm을 측정하는데 사용하였고, 8487D는 -70 ~ 20 dBm을 측정하는데 사용하였다.

FETCH와 MEASURE에 따라 소요되는 시간을 측정하기 위해 간단한 프로그램을 제작하였다. Keysight(Agilent) 사의 VEE 9.32과 Keysight IO Library Suite 17.3를 이용하여 PC와 신호 발생기, Power Meter를 GPIB to USB(82357B)로 연동하였다.

프로그램의 알고리즘은 그림 2와 같이 제작하였다. 이 알고리즘은 측정이 시작되면 신호 발생기의 신호 발생레벨 i 입력, 시간(Timestamp) 저장, Power Meter 출력 값 호출, Power Meter 출력 값 저장, 종료 조건 비교과정을 수행한다. 종료 조건에 부합하지 않으면 1 dB씩 신호 발생 레벨을 갱신하며 신호 발생 레벨 i 입력부터 반복 수행한다. Power Meter 출력 값 호출에서는 측정명령어 FETCH와 MEASURE를 이용하였으며, N8487A의 신호 발생 레벨 i = -30 ~ +20 dBm을, 8487D는 i = -70 ~ -20 dBm을 측정하도록 구성하였다. FETCH 명령어는 약어로 ‘FETC’, MEASURE 명령어는 약어로 ‘MEAS’를 사용한다.

그림 2. SCPI 명령어 시험 프로그램의 알고리즘

Fig. 2. Algorithm for SCPI Commands Test Program.

측정 주파수는 30.0 GHz, 30.5 GHz, 31.0 GHz 세 주파수로 설정하였으며, 측정값과 소요시간에 관한 변수는 다음과 같이 정의하였다.

· P_SG : 신호 발생기 지속파(CW) 설정 레벨

· P_fetc : FETCH 명령어로 읽은 Power Meter 값

· P_meas : MEASURE 명령어로 읽은 Power Meter 값

· t_SG : 신호 발생기 출력 값 설정 관련 소요시간

· t_prog : 측정 프로그램 수행 관련 소요시간

· t_qin : Power Meter에 명령어 입력 소요시간

· t_qout : Power Meter 값 불러오는 소요시간

· t_updt : 측정값 갱신 소요시간

FETCH 명령어의 경우 한 번 수행에 걸리는 소요시간(t_fetc)은 아래와 같이 계산된다.

t_fetc = t_SG + t_qin + t_qout + t_prg       (1)

MEASURE 명령어의 우 한 번 수행에 걸리는 소요시간(t_meas)은 다음과 같다.

t_meas = t_SG + t_qin + t_updt + t_qout + t_prog = t_fetc + t_updt       (2)

Ⅲ. 측정 결과

1. N8487A (-30 ~ +20 dBm)

그림 3은 Power Sensor N8487A의 측정 결과이다. 신호발생기를 30.0 GHz, 30.5 GHz, 31.0 GHz 세 주파수에서 설정 값 p_SG = -30 ~ +20 dBm으로 1 dB씩 올려주며 측정한 평균 출력 값이다. MEASURE 명령어와 FETCH 명령어의 절대값 차이 |p_fetc - p_meas|는 파란색 그래프이며, p_SG = -11 dBm부터 그 이하는 급격하게 증가함을 보이고 있다. p_SG = -23 dBm 이하에서는 |p_fetc - p_meas|가 1 dB 이상을 보이고 있다. p_SG = -27dBm 이하부터는 2 dB 이상 차이를 보였다.

그림 3. N8487A를 이용했을 때, P_meas와 P_fetc의 절대차(파란색 그래프)와 t_meas(주황색 그래프).

Fig. 3. Absolute difference between p_meas and p_fetc (blue graph) and t_meas(orange graph) when N8487A is used.

출력 포화구간에 가까워지는 p_SG = +18 dBm 이상부터는 FETCH 측정값 p_fetc과 MEASURE 측정값 p_meas 차이가 벌어졌지만 최고레벨 p_SG = +20 dBm에서는 차이가 나지 않았다. 이는 Power Sensor N8487A의 최대 측정레벨에 근접하여 p_SG = +20 dBm 이상의 값이 측정되지 않아 발생하는 현상으로 판단된다.

반면에 p_SG = -10 ~ +17 dBm은 FETCH 와 |p_fetc - p_meas|가 크게 없었으며, 최대 0.17 dB 차이로 FETCH 명령어로도 매우 정확한 데이터를 얻을 수 있는 구간임을확인할 수 있었다.

MEASURE 명령어를 사용하였을 때 걸리는 시간 t_meas은 그림 3의 황색 그래프, 오른쪽 y축을 통해 나타내었다. 주황색 그래프는 크게 세 가지 계단 형태와 네 구간을 보여주었으며, 첫 번째 계단은 p_SG = -9 dBm, 두 번째 계단은 p_SG = -19 dBm, 세 번째 계단은 p_SG = -28 dBm에서 큰 변화를 나타내었다. 측정 시간 t_meas는 최대 약 13.2 초로 네 번째 구간 p_SG = -30 ~-28 dBm 구간에서 소요되었다. 세 번째 계단은 p_SG =-27 dBm ~ - 19 dBm 구간에서 t_meas = 6.72초로 소요되었다. 두 번째 계단은 p_SG = -18 dBm ~ -9 dBm으로 t_meas = 0.99초가 소요되었다. 첫 번째 구간 p_SG = -8dBm부터는 t_meas = 0.14초로 측정 시간이 소요되었다.

한편, FETCH 명령어의 소요시간 t_meas은 모든 구간에서 약 0.05초가 소요되었다.

2. 8487D (-70 ~ -20 dBm)

그림 4는 Power Sensor 8487D의 측정 결과이다. 신호발생기 설정 값 p_SG = -70 ~ -20 dBm으로 1 dB씩 변화 주었으며, 다른 측정 환경 요소는 N8487A와 동일하다. MEASURE 명령어와 FETCH 명령어의 차이 |p_fetc - p_meas|는 N8487A와 비슷한 경향을 보였으나, MEASURE 측정 소요시간은 최대 소요시간 t_meas이 약 6.78 초로 N8487A 대비 덜 소요되었다.

그림 4. 8487D를 이용했을 때, p_meas와 p_fetc의 절대차(파란색 그래프)와 t_meas(주황색 그래프).

Fig. 4. Absolute difference between p_meas and p_fetc(blue graph) and t_meas(orange graph) when 8487D is used.

신호발생기 설정 값 p_SG = -51 dBm 이하부터 FETCH와 MEASURE의 차이가 급격하게 증가하였으며, p_SG = -61 dBm 부터는 약 1 dB 이상의 차이가 발생하였다. p_SG = -65 dBm 부터는 약 2 dB 이상의 차이가 발생하였다.

출력 포화구간에 가까워지는 p_SG = -21dBm 이상부터는 |p_fetc - p_meas|가 벌어졌다. 최고레벨 p_SG = -20dBm에서는 Powr Sensor N8487A와 동일하게 차이가 나지 않았으며, 이 역시 8487D의 최대 측정레벨에 근접하여 p_SG = -20 dBm 이상의 값이 측정되지 않아 발생하는 현상으로 판단된다.

-50 dBm ~ -22 dBm는 FETCH와 MEASURE 명령어의 측정값 차이 |p_fetc - p_meas|가 크게 나지 않았으며, 평균 차이는 약 0.083 dB 이하였다. 이 구간에서는 FETCH 명령어로 정확한 데이터를 얻을 수 있었음을 확인할 수 있었다.

MEASURE 명령어 소요시간은 N8487A와 달리 두 계단 형태와 세 구간을 보였다. 첫 번째 계단은 p_SG = -49 dBm, 두 번째 계단은 p_SG = -59 dBm에서 나타났다. 측정 시간은 t_meas = 6.78 초로 세 번째 구간 p_SG = -70 ~ -59 dBm에서 소요되었다. 두 번째 구간 p_SG = -58 ~ -49 dBm에서는 t_meas = 1.09 초가 평균적으로 소요되었으며, 첫 번째 구간 p_SG = -48 dBm 부터는 t_meas = 0.17 초가 소요되었다.

8487D의 t_fetc은 N8487A와 동일하게 모든 구간에서 약 0.05 초가 소요되었다.

3. N8487A와 8487D의 측정 결과 고찰

N8487A와 8487D 두 Power Sensor 모두 잡음 레벨에 가깝거나 포화레벨에 가까울 때 FETCH와 MEASURE 명령어 간 차이가 커졌다. N8487A로 측정한 -30 ~ +20 dBm에서 p_SG = -27 dBm 이하부터는 |p_fetc - p_meas|가 2 dB 이상 차이를 보여, 현실적으로 -27 dBm 이하에서의 FETCH 측정값 p_fetc은 실효성이 없을 것으로 판단된다. 포화 영역에서는 FETCH 측정값 p_fetc은 실질적으로 p_SG = +18 dBm 이상부터 실효성이 없는 것으로 판단된다. 8487D로 측정한 -70 ~ -20dBm에서는 p_SG = -65 dBm 이하와 -21 dBm 이상에서 FETCH 측정값 실효성이 없는 것으로 판단된다.

FETCH 명령어로 정확한 데이터를 얻을 수 없다는 것은 다른 의미로는 FETCH 명령어 측정 간격인 0.05내에 갱신된 데이터가 정확하지 않다는 것을 의미한다. 즉, N8487A를 사용하여 -30 ~ +20 dBm 영역을 FETCH 명령어로 측정할 경우에는 -23 dBm 이하와+18 dBm 이상에서의 FETCH 명령어는 0.05초 내에 신뢰성 있는 데이터가 갱신되지 않으며, 이 범위에서의 ATE는 Power Meter 값 갱신 과정과 갱신 소요시간 tupdt을 고려하여 설계해야 한다는 것을 보여준다. 마찬가지로 8487D를 사용하여 -70 ~ -20 dBm 영역을 FETCH 명령어로 측정할 경우에도 0.05초 내 신뢰성 있는 데이터가 갱신되지 않으며, -65 dBm 이하와 -21 dBm 이상 역시 Power Meter 값 갱신 소요시간 t_updt을 고려해야 한다.

만일, 측정 레벨을 예상할 수 없으나 정확한 데이터를 얻고 싶어 MEASURE 명령어만을 사용한다면 N8487A 경우에는 각 데이터 당 t_meas ≥ 13.2 초로 설계하면 되고, 8487D 경우에는 각 데이터 당 t_meas ≥ 6.78 초로 설계해야 한다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 ATE를 위한 Power Meter 측정 명령어 MEASURE와 FETCH에 대해 비교하였다. 30 G ~ 31 GHz 대역에서 명령어로 인한 측정값 차이를 -30 ~ +20 dBm, -70 ~ -20 dBm 두 영역에서 N8487A와 8487D로 확인하였다.

N8487A의 경우에는 -10 ~ +17 dBm에서, 8487D Power Sensor는 -50 ~ -22 dBm에서 FETCH로 정확한 데이터를 얻을 수 있었다. MEASURE 명령어를 사용할 경우에는 측정 소요시간이 N8487A는 최장 13.2초가 소요되었으며, 8487D는 최장 6.78초가 소요되었다.

본 논문의 측정 결과는 Ka 밴드에서 측정값에 따른 필요한 소요시간을 계산하는데 이용될 수 있으며, 이를 토대로 효율적인 ATE를 구축 및 적용에 도움이 될 수 있다. 더 나아가 타 RF 계측기의 계측 명령어 정확도와 소요시간에 대한 연구가 진행된다면, 5G 시대에 알맞은 Ka 밴드용 RF ATE를 구축하는데 기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.