반도체네트워크

죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

반도체네트워크의 다양한 최신 기능을 사용하려면 이를 완전히 지원하는 최신 브라우저로 업그레이드 하셔야 합니다.
아래의 링크에서 브라우저를 업그레이드 하시기 바랍니다.

Internet Explorer 다운로드 | Chrome 다운로드

반사계 칩을 사용하는 비접촉식 액체 레벨 측정 기술 ①


PDF 다운로드



글/브루스 헴프(Bruce Hemp) 선임 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


비금속성 저장 탱크 옆면에 공기 절연 전송선(air-dielectric transmission line)을 부착하여 RF 임피던스를 검출하는 방법을 활용하면, 탱크의 벽을 통해 정확한 액체 레벨 측정(fluid-level measurement)이 가능하다. 이 글에서는 실제 설계 사례를 살펴보고, 아나로그디바이스(Analog Devices)의 ADL5920 같은 반사계(reflectometer) 소자를 사용해서 설계를 간소화하는 방법을 소개한다.
기계식 플로트(mechanical float)를 사용하는 기존의 액체 레벨 측정 기법과 달리, 반사계 기반 솔루션은 다음과 같은 이점을 제공한다:
• 신속하고, 실시간으로 액체 레벨 측정
• 포괄적인 전자식 후처리 가능
• 비접촉식 설계(액체로 인한 오염 발생 없음)
• 움직이는 부품을 사용하지 않음
• 방사 RF장 최소화(원역장(far field) 제거)
• 탱크 안으로 센서를 넣기 위해 구멍을 뚫을 필요가 없음(누출 가능성 감소)
• 탱크 안으로 전선이나 부품을 연결할 필요가 없으므로 안전성도 향상

액체 레벨 측정의 개요

그림 1은 이 전체 시스템의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이 시스템은 평형을 이루고 종단된 공기 절연 전송선을 구동하는 RF 신호 소스와, 여기에 연결되는 반사계로 구성된다. 

TT(반사계)-1.jpg

[그림 1] 액체 레벨 측정 시스템 블록 다이어그램

동작 원리

공기 중의 전송선은 손실이 적은 도체이고 고체 절연 물질이 없기 때문에 정확한 특성 임피던스와 낮은 RF 손실이 이루어지도록 설계할 수 있다. 고전적인 E 및 H 벡터 플롯에 따르면, 전기장과 자기장이 도체 주변으로 집중되고, 거리에 따라서 크기가 급격히 약해진다는 것을 알 수 있다. 이 점에 착안해서 전송선 구조의 크기와 간격을 기반으로 거리를 측정할 수 있다. 액체 탱크 벽이나 탱크 내의 액체 같이 어떠한 인접 절연 물질이 존재하면 전송선의 전기적 특성이 달라지는데[1], 이러한 특성 변화를 ADL5920 같은 반사계를 사용해서 간편하게 측정할 수 있다.

상세 설명

공기 중에서 특정한 특성 임피던스 ZO가 되도록 설계된 공기 절연 저손실 전송선이 있다고 가정해 보자. 이 전송선의 근역장(near field)에 액체 같은 어떠한 절연 물질이 존재하면 다음과 같은 현상이 나타날 것이다:
• 전송선의 특성 임피던스가 낮아진다.
• 전달 속도가 낮아진다. 그러므로 전송선의 유효 전기적 길이가 길어진다.
• 전송선의 감쇠가 증가한다.
이 세 가지 효과가 결합해서 리턴 손실을 낮춘다. 이것을 반사계 소자를 사용해서 바로 측정할 수 있다. 신중한 설계와 교정(calibration)을 통해서 리턴 손실을 액체 레벨과 서로 관련이 있다.
분석을 간단히 하기 위해, 탱크에 부착하기 전에 그림 1의 공기 절연 전송선의 임피던스를 ZO와 동일하도록 설정했다고 가정하자. 이 전송선은 ZO를 사용해서 종단하므로, 이론적으로는 반사되는 에너지가 없고 리턴 손실은 무한대이다.
이 전송선을 탱크 옆면에 부착하면, 원래 1개의 전송선이던 것이 독립된 2개의 전송선을 직렬로 연결한 것처럼 동작한다:
• 액체 레벨보다 위에 있을 때는, 탱크 벽 소재를 제외하고 전송선이 공기 절연이다. 전송선 임피던스 ZOA는 공기 절연 값 ZO로부터 약간 달라진다. 전송선의 전달 속도 역시 마찬가지다.
• 액체 레벨보다 아래에 있을 때는, 전송선 임피던스 ZOF가 ZOA에 비해서 낮아진다. 유효 전기적 길이가 증가하고, 감쇠도 증가한다. 이는 전송선의 근역장에 추가적인 절연 물질이 존재하기 때문이다.
전송선의 끝에서 종단 임피던스 ZO가 변화하는데, 이를 전송선의 소스 측에서 반사계를 사용해서 측정한다. 이 변화를 그림 2와 같이 그래픽으로 나타낼 수 있다. ZOF가 ZO보다 낮으므로, 화살표로 표시한 것과 같이 시계방향으로 스미스 차트 회전(Smith chart rotation)이 발생한다.

TT(반사계)-2.jpg

[그림 2] 전송선 입력 임피던스를 수치로 나타낸 스미스 차트. 액체 레벨을 리턴 손실 측정값으로 어떻게 서로 관련 지을 수 있는지 알 수 있다.

전송선 임피던스가 전송선 끝의 저항 종단과 정확하게 일치하면, 임피던스 변화는 없을 것이다. 이 조건은 그림 2에서 스미스 차트의 중앙에 해당한다. 이 지점에서는 임피던스 수치가 1 + j0Ω이다. 전송선을 탱크에 부착하기 전의 리턴 손실은 최소한 26dB여야 한다.
비어 있는 탱크에 전송선을 부착하면, 탱크의 벽 소재가 전송선에 약간의 추가적인 절연 물질로서 존재하는 것이기 때문에 전송선 임피던스는 ZOA로 낮아지고 전송선의 유효 전기적 길이는 약간 늘어날 것이다. 이것을 나타내는 것이 그림 2의 1번 화살표(빨간색)이다. 리턴 손실은 약 20dB로 여전히 꽤 우수하게 측정될 것이다.
탱크에서 액체 레벨이 상승하면 공기가 차지하고 있던 공간의 일부를 액체가 대체함으로써 전송선 임피던스가 감소한다. 그러면 ZOA였던 전송선 임피던스는 ZOF가 된다. 따라서 스미스 차트에서 회전 중심이 아래로 내려가며, 이와 동시에 스미스 차트 회전 양은 증가한다. 전송선의 유효 전기적 길이가 증가하기 때문이다. 이것을 나타낸 것이 그림 2에서 2번(주황색)과 3번(하늘색) 화살표이다. 결과적으로 전송선의 제너레이터 측에서 리턴 손실이 낮아진다. 이것을 반사계를 사용해서 측정한다.
ADL5920은 위상이 아니라 반사 크기를 측정하므로, 반응 성분이 음(-)인 스미트 차트의 아래쪽 절반으로 임피던스 변화를 제한해야 한다. 그렇게 하지 않으면 임피던스가 스미트 차트의 중앙을 향해 되돌아감으로써 측정의 모호성을 야기한다. 다시 말해, 가득 찬 탱크에 부착되는 전송선의 전기적 길이가 90° 이하여야 한다는 뜻이다. 만약, 전기적 길이가 90°를 넘으면 측정되는 리턴 손실이 폴드백을 일으키는 것으로 보일 수 있다.
ADL5920은 양방향 RF 검출기로서 특성 임피던스 ZO = 50Ω인 RF 전송선을 따라서 dBm 단위로 입사 전력과 반사 전력 둘 다를 측정할 수 있다. 또한 ADL5920은 두 개의 판독값을 감산해서 곧바로 dB로 리턴 손실을 측정할 수 있다.


리턴 손실이란 무엇인가?

간단히 말해, RF 소스를 부하에 연결하면 전력의 일부는 부하로 전달되고 나머지는 소스로 반사된다. 이 두 전력의 차가 리턴 손실이다. 이는 부하가 소스에 대해서 얼마나 잘 매칭되어 있느냐를 나타내는 지표이다.

발룬의 용도

발룬(balun)은 각각의 도체를 수준은 동일하고 극성은 반대인 AC 전압으로 구동하는 역할을 한다. 그럼으로써 다음과 같은 두 가지 일을 한다:
• 전송선으로의 스트레이 RF(stray RF) 결합을 감소시킨다. 이는 방사 및 취약성에 대한 규제 조항을 준수하는 데 있어서 중요하다. 각 방향의 원역장 EMI는 상쇄에 의해 감소된다.
• 임피던스를 변화시킨다. 임피던스가 높을수록 전송선 소자들의 간격이 넓어진다는 것을 의미하고, 그러면 컨테이너로 전기장이 더 깊숙이 침투한다. 결과적으로 액체 레벨에 대해서 리턴 손실이 더 많이 변화하고, 이것은 액체 레벨 측정을 더욱 예민하게 할 수 있다는 뜻이 된다.
발룬은 대역 통과 필터의 전체 통과 대역에 걸쳐서 공통모드 제거비(CMRR)가 우수하도록 설계해야 한다.

대역 통과 필터가 필요한가?

스트레이 RF가 전송선과 결합할 수 있는 경우에는 그림 1에서 보는 것처럼 대역 통과 필터 사용(옵션)이 권장된다. 대역 통과 필터는 와이파이, 셀룰러, PCS 서비스, 지상 모바일 무선, 그 밖에 다른 외부 신호들로부터 간섭을 낮추거나 제거하고자 할 때 매우 유용하다.
최상의 결과를 달성하기 위해서는 대역 통과 필터 제품의 삽입 손실이 낮고 리턴 손실이 적정해야 한다. 다시 말해, 30dB 이상인 제품이 좋다.

기본적인 설계 순서

기본적인 설계 순서는 다음과 같다:
• 전송선 길이를 고려해서 동작 주파수를 선택한다. 일반적으로 전송선 길이는 탱크 높이와 같게 하거나 약간 더 길게 할 수 있다. 동작 주파수는 전송선 길이가 공기 중에서 RF 파장 길이의 1/10 ~ 1/4이 되도록 선택한다. 그림 3은 이 대략적인 주파수 범위를 보여준다. 주파수가 낮으면 액체 레벨 대비 리턴 손실의 선형성이 우수하고, 주파수가 높으면 리턴 손실 신호 범위가 넓어지는 대신에 선형성은 좋지 않고 측정 폴드백이 발생할 수 있다(그림 2 참조). 복사 방사 적합성이 요구되는 경우에는 해당되는 ISM 주파수 목록 중에서 선택할 수 있다[2].
• 선택한 주파수 또는 주파수 대역에 적합한 발룬을 설계하거나 선택한다. 발룬은 집중정수 소자(lumped-element)인 LC나 트랜스포머를 사용할 수 있다. 발룬은 평형을 이루고 종단했을 때 우수한 리턴 손실을 나타내야 한다.
• 전송선의 도체 폭과 간격을 계산한다. 이를 위해서는 ATLC (arbitrary transmission line calculator) 같은 전송선 임피던스 계산기를 사용할 수 있다[3].

TT(반사계)-3.jpg

[그림 3] 전송선 길이에 따른 권장 동작 주파수

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>


PDF 다운로드

개인정보보호법 제15조에 의한 수집/이용 동의 규정과 관련하여 아래와 같이 PDF 다운로드를 위한 개인정보 수집 및 이용에 동의하십니까? 동의를 거부할 수 있으며, 동의 거부 시 다운로드 하실 수 없습니다.

이메일을 입력하면,
(1) 신규참여자 : 성명/전화번호/회사명/분야를 입력할 수 있는 입력란이 나타납니다.
(2) 기참여자 : 이메일 입력만으로 다운로드가 가능합니다.

×

회원 정보 수정



* 가입시 이메일만 입력하신 회원은 이름란을 비워두시면 됩니다.