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믹서 스퓨리어스 성분의 올바른 측정법

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글/Weston Sapia, RF Applications Engineer, Linear Technology Corp.
     Now Part of Analog Devices, Inc.

무선 디자인에서 믹서가 믹싱을 할 때 출력에서 원하는 신호 이외에 다른 것들이 발생될 수 있다. 믹서의 모든 포트로 입력 및 LO 주파수의 정수 배수로 원치 않는 신호들이 나타날 수 있다. 이러한 기생 신호들이 서로 혼합되고 믹서의 출력 포트를 빠져나가서 신호 체인 상의 나머지 부분들로 유입될 수 있다. 이러한 불요 출력 신호들을 스퓨리어스(spurious)라고 한다. 이러한 스퓨리어스가 전력이 높으면 무선 디자인에서 많은 문제들을 일으킬 수 있다. 예를 들어서 트랜스미터에서 인접 채널을 오염시키거나, 리시버에서 감도가 떨어지거나, 원하는 신호를 왜곡하는 것을 들 수 있다. 특정 시스템의 필요에 따라서 다양한 방법으로 이와 같은 문제의 신호들을 처리할 수 있다. 신중한 주파수 계획과 필터링을 사용함으로써 스퓨리어스의 수를 크게 줄일 수 있으나 완전히 없앨 수는 없다. 그러므로 시스템 디자이너가 믹서 출력에서 스퓨리어스를 정확하게 측정해야 한다. 그래야 어떻게 하면 가장 잘 처리할 수 있을지를 판단할 수 있다.
믹서의 스퓨리어스를 측정하는 것은 간단치가 않다. ‘측정된’ 신호가 해당 믹서로부터만 온 것이라고 생각하기 쉬운데, 실제로는 부적절한 테스트 셋업으로 인한 아티팩트일 수 있다. 다행히 테스트 시의 이러한 문제들을 완화하고 측정 결과가 믹서 자체로부터만 비롯된 것임을 확신할 수 있는 방법들이 나와 있다. 그림 1은 믹서 스퓨리어스 성분을 측정하기 위한 적절한 테스트 셋업을 보여준다. 테스트 셋업이 스펙트럼 분석기에서 측정되는 스퓨리어스에 기여하는 것을 최소화하기 위해서는 대역통과 필터와 감쇠기 패드가 중요한 역할을 한다.
스펙트럼 분석기를 과구동하면 상당한 내부 왜곡 성분을 발생시킬 수 있다. 과도한 전력을 인가하면 내부 리시버 체인이 압축될 수 있으며, 그러면 모든 비선형 스퓨리어스 성분이 메인 입력 신호에 대해서 가중적으로 증가함으로써 측정되는 스퓨리어스 전력이 인위적으로 높게 나타나게 된다. 스펙트럼 분석기는 통상적으로 입력 상에서 약 -30dBm부터 -40dBm을 사용해서 최상으로 동작하도록 설계된다. 이러한 전력 수준을 충족하려면 내부 감쇠나 외부 감쇠나 혹은 둘의 조합을 사용해서 분석기로 제시되는 전력을 제한해야 한다. 스퓨리어스가 정확하게 측정되는지 알아보기 위한 한 가지 테스트는 스펙트럼 분석기의 내부 감쇠 설정을 높이고 스퓨리어스 전력이 어떻게 변화하는지 살펴보는 것이다. 스퓨리어스 전력이 0.5dB 이상 변화하면 스펙트럼 분석기가 과구동되고 있는 것으로 볼 수 있다. 그러면 스퓨리어스 레벨을 실제보다 더 높게 리딩한다. 입력 감쇠를 하기 위한 출발점으로는 내부 감쇠이든 외부 감쇠이든 합쳐서 대략 총 20dB~30dB가 적절하다. 그림 2부터 그림 5까지는 스펙트럼 분석기로 입력 감쇠 양을 늘리면서 CW 톤 측정을 한 것을 보여준다. 감쇠가 높아질수록 측정되는 전력 레벨이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 이것은 다시 말해서 분석기가 애초에 과구동되고 있었다는 것을 나타낸다.
스펙트럼 분석기를 과구동하면 부적절한 스퓨리어스 측정을 하게 된다는 것을 알았으므로, 이 문제를 완전히 피하기 위해서 단순히 분석기를 낮은 전력 수준으로 구동하기로 할 수 있다. 30dB의 감쇠가 좋다면 100dB는 더 좋을 것이다. 어쨌든 스펙트럼 분석기는 내부 감쇠기가 변화되면 신호들을 정규화한다. 하지만 불행히도 문제의 스퓨리어스를 보고자 할 때는 이 방법이 통하지 않는다. 입력 감쇠의 매 dB마다(내부 감쇠이든 외부 감쇠이든 마찬가지로) 분석기의 잡음 플로어가 1dB 올라감으로써 분석기의 동적 범위를 낮춘다. 그러므로 정작 측정하고자 하는 일부 스퓨리어스를 숨길 수 있다. 스케일이 동일한데도 그림 5는 그림 2부터 그림 4까지와 비교해서 잡음 플로어가 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한 높은 차수의 스퓨리어스 성분들은 원하는 출력 신호에 대해서 전력이 선형적으로 변화하지 않는다. 그러지 않고 입력 전력 변화의 배수로 전력이 변화한다. 다시 말해서 2차 성분(2*INx1*LO, 2*IN x 2*LO, 2*IN x 3*LO 등)은 2dB/dB로 변화하고, 3차 성분(3*IN x 1*LO, 3*IN x 2*LO, 3*IN x 3*LO 등)은 3dB/dB로 변화하는 식이다. 예를 들어서 입력 신호 전력을 2dB 감소시키면 5*IN x 2*LO의 스퓨리어스는 10dB 감소하고 2*IN x 1*LO의 스퓨리어스는 4dB 감소한다. 그렇기 때문에 스펙트럼 분석기로 너무 낮은 신호 전력을 사용하면 측정하고자 하는 모든 저전력 스퓨리어스를 분석기의 잡음 플로어로 가게 만들 뿐이다...(중략)