How to Analyze Signal Behavior - 3. S-Parameter (Frequency Domain)

S-Parameter 분석은 신호를 Frequency Domain에서 해석하는 대표적인 방식이다. 시간에 따른 신호의 변화를 보는 Time Domain 분석과 달리, S-파라미터는 각 주파수별로 회로나 시스템이 신호를 얼마나 잘 통과시키고 반사시키는지를 수치로 표현한다.

실제 측정은 VNA(Vector Network Analyzer)를 사용하여 수행되며, 입력 포트에서 신호를 주입하고 출력 포트에서 얼마나 전달되었는지를 측정한다. 그중에서도 가장 자주 언급되는 항목은 S11(Return Loss)과 S21(Insertion Loss)이다. S11은 입력된 신호 중 자기 포트로 되돌아온 반사 신호의 비율을 나타내며, S21은 입력된 신호가 반대편 출력 포트로 얼마나 전달되었는지를 나타낸다.

이 둘은 dB 단위로 표현되며, S21은 0 dB에 가까울수록 감쇠 없이 신호가 잘 전달된다는 뜻이고, S11은 -∞ dB에 가까울수록 반사가 거의 없는 이상적인 상태임을 의미한다. 

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① S21이 점점 감소하는 지점과 -3 dB 대역폭

S21은 입력 신호가 출력 포트로 얼마나 잘 전달되는지를 나타내는 값이며, dB 단위로 표현될 때 0 dB에 가까울수록 손실 없이 잘 전달되고 있음을 의미한다. 하지만 현실적으로 대부분의 시스템은 일정 주파수 이상부터는 전달 효율이 떨어지기 시작하고, S21 값이 서서히 낮아진다.

 

이때 일반적으로 S21이 -3 dB로 떨어지는 지점을 해당 시스템의 대역폭 한계로 정의한다. 왜냐하면 -3 dB는 전력 기준으로 약 50% 손실, 즉 절반 정도의 신호 에너지만 통과되기 시작하는 주파수 포인트이기 때문이다. 이 지점을 기준으로 시스템은 ‘이 주파수까지는 신호가 안정적으로 전달된다’고 판단하며, 그 이후의 주파수는 감쇄가 심해져 신뢰성 있는 신호 전달이 어렵다고 간주한다.

예를 들어 S21 곡선이 0 dB 근처에서 유지되다가 3 GHz 근처에서 -3 dB로 떨어진다면, 해당 회로나 채널의 유효한 대역폭은 약 3 GHz인 것이다.

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② 특정 주파수에서 S11이 상승하는 경우의 의미

S11은 입력된 신호 중 자기 자신에게 되돌아온 반사 성분의 비율을 나타내며, 보통 dB로 표현될 때는 작을수록 좋다. 이상적으로는 -∞ dB가 반사 없이 완벽한 정합 상태이지만, 현실적으로는 -10 dB 이하이면 90% 이상이 전달되고 있다고 본다.

그런데 특정 주파수에서 S11이 -10 dB 이상으로 상승한다면 이는 그 주파수 대역에서 임피던스 정합(Matching)이 무너지고 있다는 신호다. 정합이 맞지 않으면 입력된 에너지가 로드로 제대로 전달되지 못하고 일부가 되돌아오게 되는데, 그 되돌아온 에너지의 비율이 S11로 나타나는 것이다. 특히 High-Speed 설계에서는 이러한 반사가 클럭 에러, 신호 왜곡, 시스템 불안정성의 원인이 되기 때문에 매우 민감하게 관리된다.

따라서 S11이 급격히 증가하는 주파수는 임피던스 불연속점(discontinuity)이나 커넥터, Via, 패턴 폭 변화 등 구조적 문제의 힌트를 주는 지점으로 해석할 수 있다.

특정 주파수에서 S11이 상승한다면 해당 주파수에서는 임피던스 정합이 좋지 않다는 신호로 해석할 수 있다.

결국 S-Parameter 분석은 시스템이 어떤 주파수 범위 내에서 
신호를 안정적으로 전달할 수 있는지를 판단할 수 있게 해주는 도구이며, 
반사(S11)를 줄이고 전달(S21)을 극대화하는 것이 
High-Speed 시스템에서의 핵심 목표가 된다.