RF 측정을 처음 시작할 때 가장 많이 접하게 되는 장비 중 하나가 바로 스펙트럼 분석기입니다. 스펙트럼 분석기는 RF 신호를 주파수 영역에서 분석하는 대표적인 계측 장비로, 무선 통신, RF 회로 설계, EMI 측정, 노이즈 분석 등 다양한 분야에서 사용됩니다.

오실로스코프가 시간에 따른 신호의 변화를 보여주는 장비라면, 스펙트럼 분석기는 신호가 어떤 주파수 성분으로 구성되어 있는지를 보여주는 장비입니다. 따라서 RF 신호의 중심 주파수, 출력 레벨, 고조파, 스퓨리어스, 노이즈 플로어와 같은 정보를 확인할 때 스펙트럼 분석기가 필요합니다.

본 콘텐츠에서는 스펙트럼 분석기란 무엇인지, RF 측정에서 왜 필요한지, 그리고 실제 RF 신호를 분석할 때 어떤 정보를 확인할 수 있는지 설명합니다.

스펙트럼 분석기란? 주파수 영역에서 신호를 분석하는 장비입니다

스펙트럼 분석기의 가장 기본적인 역할은 입력된 신호를 주파수 기준으로 나누어 보여주는 것입니다. 화면의 가로축은 주파수, 세로축은 신호의 크기 또는 전력을 나타냅니다. 일반적으로 RF 측정에서는 세로축 단위로 dBm을 많이 사용합니다.

화면에 표시되는 하나의 피크는 특정 주파수에 신호 에너지가 존재한다는 의미입니다. 예를 들어 1 GHz의 CW 신호를 입력하면 스펙트럼 분석기 화면의 1 GHz 위치에 하나의 피크가 나타납니다. 이때 피크의 위치는 신호의 주파수를 의미하고, 피크의 높이는 신호의 전력 레벨을 의미합니다.

즉, 스펙트럼 분석기는 단순히 신호가 있는지 확인하는 장비가 아니라, 신호가 어느 주파수에 존재하고 얼마나 강한지를 확인할 수 있게 해주는 장비입니다.

시간 영역과 주파수 영역의 차이는 무엇인가?

RF 신호를 이해하기 위해서는 시간 영역과 주파수 영역의 차이를 먼저 이해해야 합니다. 시간 영역은 신호가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 보는 방식입니다. 오실로스코프가 대표적인 시간 영역 계측 장비입니다.

반면 주파수 영역은 신호가 어떤 주파수 성분으로 구성되어 있는지를 보는 방식입니다. 같은 신호라도 시간 영역에서 보면 하나의 파형처럼 보이지만, 주파수 영역에서 보면 여러 주파수 성분이 섞여 있는 형태로 나타날 수 있습니다.

예를 들어 사각파 신호는 시간 영역에서는 단순한 High/Low 파형처럼 보입니다. 하지만 주파수 영역에서 보면 기본 주파수뿐만 아니라 여러 고조파 성분을 포함하고 있습니다. 100 MHz 클럭 신호라면 300 MHz, 500 MHz, 700 MHz와 같은 홀수 차수 고조파가 함께 나타납니다. 이러한 고주파 성분은 RF 간섭이나 EMI 문제로 이어질 수 있으므로, 주파수 영역에서 확인하는 과정이 필요합니다.

이처럼 RF 측정에서는 시간 영역만으로는 확인하기 어려운 정보가 많기 때문에, 스펙트럼 분석기를 이용해 주파수 영역에서 신호를 분석합니다.

RF 측정에서 스펙트럼 분석기가 필요한 이유

RF 측정에서 중요한 것은 단순히 신호가 존재하는지 확인하는 것이 아닙니다. 신호가 원하는 주파수에서 발생하고 있는지, 출력 레벨이 적절한지, 불필요한 신호가 함께 발생하고 있지는 않은지 확인해야 합니다.

예를 들어 무선 송신기가 2.4 GHz 대역에서 동작해야 한다고 가정해보겠습니다. 이때 스펙트럼 분석기를 사용하면 실제 신호가 원하는 주파수에 위치하는지, 출력 레벨은 어느 정도인지, 주변 주파수에 불필요한 신호가 존재하는지를 확인할 수 있습니다.

또한 RF 회로나 송신기에서는 기본 신호 외에도 고조파나 스퓨리어스가 발생할 수 있습니다. 2.4 GHz 송신 신호라면 2차 고조파인 4.8 GHz, 3차 고조파인 7.2 GHz에서 불필요한 성분이 발생할 수 있으며, 이러한 신호는 다른 무선 시스템에 간섭을 일으키거나 EMI 문제의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 RF 제품 개발과 검증 과정에서는 스펙트럼 분석기를 이용한 주파수 영역 측정이 매우 중요합니다.

스펙트럼 분석기로 확인할 수 있는 주요 항목

스펙트럼 분석기를 사용하면 RF 신호의 다양한 특성을 확인할 수 있습니다. 대표적인 측정 항목은 다음과 같습니다.

스펙트럼 분석기 화면 읽는 기본 방법

스펙트럼 분석기 화면에서 가장 먼저 확인해야 할 것은 피크의 위치와 높이입니다. 피크의 위치는 신호가 존재하는 주파수를 의미하고, 피크의 높이는 해당 신호의 전력 레벨을 의미합니다.

화면 아래쪽에 넓게 깔려 있는 신호는 노이즈 플로어입니다. 노이즈 플로어는 측정 가능한 최소 신호 수준과 관련이 있습니다. 측정하려는 신호가 노이즈 플로어에 너무 가까우면 실제 신호와 노이즈를 구분하기 어려울 수 있습니다.

따라서 스펙트럼 분석기 화면을 읽을 때는 단순히 피크 하나만 보는 것이 아니라, 주변 노이즈 레벨과 불필요한 신호가 함께 존재하는지도 확인해야 합니다.

스펙트럼 분석기의 주요 활용 분야

스펙트럼 분석기는 RF 분야 전반에서 사용됩니다. 특히 무선 통신 시스템, RF 회로 설계, EMI 측정, 생산 테스트에서 매우 중요한 역할을 합니다.

스펙트럼 분석기의 한계: 순간 신호 측정

스펙트럼 분석기는 RF 신호의 주파수 성분을 분석하는 데 매우 강력한 장비이지만, 모든 신호를 완벽하게 잡아낼 수 있는 것은 아닙니다. 일반적인 스펙트럼 분석기는 주파수 범위를 순차적으로 스캔하는 Sweep 방식으로 동작합니다.

이 방식은 일정하게 유지되는 신호나 비교적 천천히 변하는 신호를 분석하는 데 적합합니다. 하지만 매우 짧은 시간 동안만 나타나는 순간 신호나 Burst 신호는 Sweep 타이밍에 따라 화면에 표시되지 않을 수 있습니다.

따라서 순간적으로 발생하는 신호나 간헐적인 간섭 신호를 분석해야 하는 경우에는 RTSA(Real-Time Spectrum Analyzer)와 같은 실시간 분석 기능이 필요할 수 있습니다. 이 내용은 이후 RTSA 강의에서 자세히 다룰 예정입니다.

마무리

스펙트럼 분석기는 RF 신호를 주파수 영역에서 분석하는 가장 대표적인 계측 장비입니다. 신호가 어느 주파수에 존재하는지, 출력 레벨은 얼마인지, 불필요한 고조파나 스퓨리어스가 있는지, 노이즈 플로어는 어느 정도인지 확인할 수 있습니다.

RF 측정에서는 단순히 신호가 보이는지 확인하는 것보다, 신호의 주파수와 전력 정보를 정확하게 해석하는 것이 중요합니다. 스펙트럼 분석기는 이러한 RF 신호 해석의 출발점이 되는 장비라고 할 수 있습니다.

RIGOL은 입문용부터 실시간 분석(RTSA)을 지원하는 고성능 모델까지 다양한 스펙트럼 분석기 라인업을 제공하고 있습니다. 다.

자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 오실로스코프에도 FFT 기능이 있는데 스펙트럼 분석기가 따로 필요한가요?

오실로스코프의 FFT 기능으로도 기본적인 주파수 성분 확인은 가능합니다. 하지만 스펙트럼 분석기는 다이내믹 레인지와 감도가 훨씬 높아, 노이즈 플로어 근처의 미소 신호나 큰 신호 옆에 존재하는 작은 스퓨리어스를 훨씬 정밀하게 측정할 수 있습니다. -100 dBm 이하의 작은 신호 측정이나 고조파/스퓨리어스 검증이 필요한 RF 측정에서는 스펙트럼 분석기를 사용하는 것이 적합합니다.

Q. 스펙트럼 분석기로 필터나 안테나의 S-파라미터를 측정할 수 있나요?

기본형 스펙트럼 분석기는 입력되는 신호를 분석하는 장비이므로 S11, S21과 같은 S-파라미터 측정은 불가능합니다. S-파라미터 측정에는 네트워크 분석기(VNA)가 필요합니다. 다만 트래킹 제너레이터(TG)가 내장된 스펙트럼 분석기라면 필터의 주파수 응답과 같은 스칼라 전달 특성 확인 용도로는 활용할 수 있습니다.

Q. 순간적으로 짧게 발생하는 신호도 측정할 수 있나요?

일반적인 Sweep 방식 스펙트럼 분석기는 짧은 순간 신호나 Burst 신호를 놓칠 수 있습니다. 간헐적인 간섭 신호나 주파수 호핑 신호를 분석해야 한다면 RTSA(실시간 스펙트럼 분석기) 기능이 있는 장비가 필요합니다.

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