초고주파 캡스톤디자인

PART 01 초고주파 신호 특성 및 기본 측정

Chapter 01 초고주파 신호 기본 특성 

1-1 개 요 

1-2 초고주파 신호에 대한 이해 

1-3 신호의 표현과 분류 

1-3-1 신호의 표현 방식 

1-3-2 신호의 주파수축상의 표현 필요성 

1-3-3 신호의 크기 

1-4 스펙트럼 분석기 

1-4-1 주사 스펙트럼 분석기 

1-4-2 FFT 방식의 스펙트럼 분석기 

1-4-3 스펙트럼 분석기의 용도 

1-4-4 스펙트럼 분석기 규격 예 

1-4-5 스펙트럼 분석기 panel 설명 예 

1-5 RF 신호 발생기 

1-5-1 신호 발생기 사양 예 

1-5-2 Panel 설명 예 

1-6 계측기 등가 회로 및 연결 

1-7 초고주파 신호 기본 측정 실습 

1-7-1 사용 계측기 

1-7-2 스펙트럼 분석기 기본 조작 

1-7-3 고주파 신호 발생기 기본 조작 

1-7-4 신호 크기 측정 

1-7-5 고조파 측정 

1-7-6 개인별 측정 실습 

1-8 학습 평가 

1-9 참고 문헌 

Chapter 02 초고주파 신호 응용 특성 

2-1 개 요 

2-2 변조에 대한 이해 

2-3 진폭 변조(AM, Amplitude Modulation) 

2-4 각 변조(Angle Modulation) 

2-5 초고주파 신호 응용 측정 실습 

2-5-1 사용 계측기 

2-5-2 고주파 신호 발생기 기본 조작 : 변조 신호 발생 부분 

2-5-3 진폭 변조 실습 

2-5-4 주파수 변조 신호 실습 

2-6 학습 평가 

2-7 참고 문헌 

PART 02 초고주파부문 주요 개념 및 응용 측정

Chapter 03 초고주파 신호 발생 및 전력 측정 

3-1 개 요 

3-2 신호의 발생 원리 

3-2-1 귀환 회로 개념 

3-2-2 부성 저항(negative resistance) 개념 

3-3 발진기의 전력 효율 계산 

3-4 건 발진기(Gunn oscillator) 

3-4-1 공진 개념 

3-5 전력 측정기의 원리 

3-6 전력 측정을 이용한 감쇠 및 삽입 손실 측정 원리 

3-7 실습을 위한 장비 소개 

3-7-1 가변 감쇠기 

3-7-2 도파관 형태 소자의 연결 

3-8 초고주파 신호 전력 및 손실 특성 측정 실습 

3-8-1 초고주파 전력 측정 기본 실습 

3-8-2 thermistor에 의한 초고주파 전력 측정 원리 실습 

3-8-3 Gunn 발진기 전력 효율 특성 실습 

3-8-4 전력 측정을 통한 가변 감쇠기의 교정 실습 

3-9 초고주파 훈련 장비 구성품 사진 

3-10 학습 평가 

3-11 참고 문헌 

Chapter 04 초고주파 신호의 검파 특성 및 감쇠 측정 

4-1 개 요 

4-2 PIN diode에 대한 이해 

4-3 수정 검파기(crystal detector) 특성 

4-4 감쇠 특성 측정 

4-5 정재파비 측정기(SWR meter)를 이용한 측정 원리 

4-6 초고주파 신호 검파 특성 및 감쇠 측정 실습 

4-6-1 초고주파 신호 검파 특성 실습 

4-6-2 초고주파 신호 감쇠 측정 실습 

4-7 학습 평가 

4-8 참고 문헌 

Chapter 05 초고주파 신호 도파관 내의 전파 특성 

5-1 개 요 

5-2 선로에 대한 기본 이해 

5-3 도파관에 대한 기본 이해 

5-4 도파관 내의 전자계 분포 특성 

5-5 파동 방정식의 유도 142

5-6 구성 전계 및 자계 성분 유도 

5-7 성분 유도 

5-8 기본 모드 

5-9 기본 모드의 전자계 분포 

5-10 도파관의 특성 변수 

5-11 공진 특성 

5-12 측정을 위한 정재파 특성 및 slotted line 설명 

5-13 도파관 전파 특성 측정 실습 

5-14 학습 평가 

5-15 참고 문헌 

Chapter 06 초고주파 신호 반사 및 정재파 특성 

6-1 개 요 

6-2 전자파의 반사 

6-3 정재파 

6-4 방향성 결합기의 원리 

6-5 방향성 결합기의 특성 

6-6 방향성 결합기를 이용한 반사 특성 측정 

6-7 정재파비(SWR) 측정기의 원리와 사용 

6-8 반사 및 정재파 특성 측정 실습 

6-8-1 방향성 결합기 특성 실습 

6-8-2 반사 계수 측정 

6-8-3 SWR 측정 

6-9 학습 평가 

6-10 참고 문헌 

Chapter 07 임피던스 및 정합 특성 

7-1 개 요 

7-2 임피던스에 대한 이해 

7-3 임의의 지점에서의 임피던스 

7-4 임피던스 정합(impedance matching) 

7-5 스미스 도표(Smith chart)에 대한 이해 

7-6 스미스 도표(Smith chart) 연습 

7-7 리엑티브(reactive) 임피던스 

7-7-1 스미스도표를 이용하여 임피던스를 어드미턴스로 바꾸기

7-7-2 iris의 임피던스와 어드미턴스 측정하기 

7-8 임피던스 정합 실습 이론 

7-8-1 도파관에 따른 임피던스 측정 

7-8-2 임피던스 정합 측정 

7-9 임피던스 및 정합 특성 실습 

7-9-1 임피던스 측정 

7-9-2 reactance 임피던스 측정 

7-9-3 임피던스 정합 실습 

7-10 학습 평가 

7-11 참고 문헌 

PART 03 초고주파 실무 기술 적용 : 여파기 설계 및 제작

Chapter 08 초고주파 회로 해석 

8-1 개 요 

8-2 2단자 회로망의 표현 방식 

8-3 임피던스 변수(Z parameter) 표현 방식 

8-4 어드미턴스 변수(Y parameter) 표현 방식 

8-5 ABCD 변수(ABCD parameter) 표현 방식 

8-6 2단자 회로망 해석 연습 

8-7 산란 변수(S parameter, Scattering parameter)에 대한 이해 

8-8 2단자 산란 변수(S parameter) 

8-9 전송 산란 변수(transmission parameter, scattering transfer matrix)

8-10 주요 회로 및 변수 변환 요약표 

8-11 학습 평가 

8-12 참고 문헌 

Chapter 09 여파기 설계 이론 

9-1 개 요 

9-2 설계 절차에 대한 이해 

9-3 성능 규격의 표현 방식 

9-4 여파기(filter)에 대한 이해 

9-4-1 여파기의 성능 규격 

9-4-2 여파기의 분류 및 종류 

9-5 여파기 설계 이론 

9-5-1 여파기 설계 과정 

9-5-2 Butterworth 여파기 

9-5-3 Chebyshev 여파기 

9-5-4 원형 여파기로부터 저역 통과 여파기 설계 

9-6 여파기 설계 실습 

9-6-1 고주파 저역통과 여파기 단수 결정 및 감쇠 특성 실습 

9-6-2 저역통과 여파기 설계 실습 

9-7 학습 평가 

9-8 참고 문헌 

Chapter 10 단파 대역 여파기 설계 및 제작 

10-1 개 요 

10-2 단파 대역 저역 통과 여파기 설계 

10-3 모의실험(simulation) 313

10-3-1 회로도(schematic) 작성 

10-3-2 모의실험 설정 및 실행 

10-3-3 모의실험 결과 파형 및 데이터 보기 

10-4 단파 대역 여파기 제작 

10-4-1 사용 기판 및 소자 

10-4-2 소자 값 추출 

10-4-3 회로 구성 및 커넥터 연결 

10-5 단파 대역 여파기 특성 측정 

10-6 보고서 작성 및 발표 

10-7 여파기 설계 실습 

10-7-1 규격 설정과 설계 

10-7-2 모의실험 

10-7-3 여파기 제작 

10-7-4 여파기 특성 측정 

10-7-5 보고서 작성 및 발표 

10-8 학습 평가 

10-9 참고 문헌 

Chapter 11 UHF 대역 여파기 설계 및 제작 

11-1 개 요 

11-2 분포(distributed) 정수 회로 설계 개념 

11-3 초고주파 선로에 대한 이해 

11-4 마이크로스트립 선로에 대한 해석 

11-5 선로에 의한 분포 정수 소자 구현 

11-5-1 마이크로스트립 선로를 이용한 병렬 C의 구현 

11-5-2 마이크로스트립 선로를 이용한 직렬 L의 구현 

11-6 모의실험을 통한 UHF 대역 저역 통과 여파기 설계 

11-6-1 Designer 초기 화면 및 프로젝트 생성 

11-6-2 Transmission Line 분석 및 합성 도구 사용 

11-6-3 여파기 합성 도구 사용 

11-6-4 회로 해석 모의실험 실행 

11-6-5 PCB 제작을 위한 패턴 파일 작성  

11-7 UHF 대역 저역 통과 여파기 설계 예 

11-8 UHF 대역 저역 통과 여파기 제작 

11-9 UHF 대역 저역 통과 여파기 특성 측정 

11-10 보고서 작성 및 발표 

11-11 여파기 설계 실습 

11-11-1 규격 설정과 설계 

11-11-2 모의실험 

11-11-3 여파기 제작 및 특성 측정 

11-11-4 보고서 작성 및 발표 

11-12 학습 평가 

11-13 참고 문헌

국내의 이동 전화 가입자가 5,000만명을 넘을 정도로 무선 통신 분야는 생활과 밀접한 관계를 가지게 됐으며, 생활 주변에서도 무선 통신을 이용한 기기와 서비스가 없어서는 안 되는 것으로 인식되고 있다. 이러한 무선 통신 분야의 기본 이론 및 기술이라 할 수 있는 초고주파공학은 무선 통신 분야에서 필수적으로 학습해야할 과목으로 손꼽을 수 있다. 하지만 초고주파 분야는 복잡한 수식과 난해한 이론이라는 선입견으로 이를 학습하고자 하는 학생이나 관련 업계의 실무 종사자들에게 가장 어려운 과목이나 분야로 인식되어 왔다.

요즈음은 무선 통신 분야의 시장 규모가 방대해지고 관련 분야 전공자들이 많아짐에 따라 무선 통신용 초고주파 설계나 해석을 위한 다양한 프로그램이나 도구가 널리 보급되고 있다. 이러한 도구나 프로그램을 이용하여 상대적으로 수월하게 초고주파 분야의 설계나 해석 등의 작업을 수행할 수 있다. 하지만 이러한 프로그램이나 도구를 제대로 활용하기 위해서는 초고주파에 대한 기본적인 개념이 무엇보다도 중요하다.

본 교재에서는 초고주파의 기본 이론에서 실무 기술 적용에 이르기까지의 과정을 이론과 실습을 병행하여 학습하게 함으로써 초고주파 분야에 대한 실질적인 개념을 가질 수 있도록 기술하였다. 전체적으로는 3부분으로 나뉘어져 있다. 제1부는 초고주파 신호의 특성 및 기본 측정 부분으로, 초고주파 신호의 기본 특성에 대한 이론과 고주파 신호 발생기와 스펙트럼 분석기를 이용한 실습을 통하여 초고주파 신호에 대한 기본 개념을 가질 수 있도록 하였다. 제2부는 초고주파 주요 개념 및 응용 측정 부분으로, 초고주파공학의 주요 개념에 대한 이론과 초고주파 훈련 장비를 이용한 실습을 통하여 초고주파 실무 기술에 대한 개념을 가질 수 있도록 하였다. 제3부는 초고주파 실무 기술 적용 부분으로 여파기의 설계, 모의실험, 제작 및 성능시험 과정을 통하여 초고주파 분야의 실무 기술을 확보할 수 있도록 하였다.

본 교재는 기본적으로 전문대학이나 대학교의 졸업반 학생들이 2학기 동안에 초고주파 분야의 기본 이론부터 실무 기술을 실습과 병행하여 진행하도록 구성되어 있다. 첫 번째 학기에는 제1부와 제2부를 학습함으로써 초고주파 실무 기술 과정을 익히기 위한 기본 개념을 정립하게 된다. 두 번째 학기에서는 제3부을 학습함으로써 초고주파 실무 기술을 체험하게 하여 초고주파 관련 산업 현장에서 필요한 기술을 익히게 된다.

제1부는 1장과 2장으로 구성되며 초고주파 신호에 대한 개념을 기본 이론과 더불어 고주파 신호 발생기과 스펙트럼 분석기를 이용한 실습을 병행하게 된다. 1장에서는 일반적인 전기 신호의 특성과 초고주파 신호의 기본 특성을 살펴보고 이를 공학적으로 표현하는 방식을 학습하며 초고주파 신호의 기본 특성을 측정하는 방법을 기술하고 실습한다. 2장에서는 먼저 기본적인 변조의 개념에 대하여 살펴본다. 스펙트럼 분석기를 통하여 변조된 신호의 특성을 측정하기 위하여 진폭 변조와 주파수 변조에 대한 이론적인 기본 사항을 학습한다. 기본 이론을 바탕으로 변조 신호의 특성을 이해하고 변조 신호의 특성 측정 방법을 실습함으로써 초고주파 계측기의 조작 방법을 숙달하도록 하였다.

제2부는 3장에서 7장까지로 구성되며 초고주파 실무 기술을 익히기 위한 초고주파 기본 개념을 초고주파 훈련 장비를 이용한 실습과 병행하여 학습하게 된다. 실습에 대한 본문의 설명과 실습 내용은 labvolt의 초고주파 훈련 장비인 labvolt- 8090을 기반으로 기술하였다. 3장에서는 초고주파 신호를 어떻게 발생시키는지에 대한 기본 개념과 발생된 신호의 크기를 전력 측정기를 이용하여 측정하는 원리와 방법에 대하여 학습한다. 4장에서는 초고주파 신호를 진폭 변조하는 데 사용되는 PIN 다이오드의 일반적인 특성과 변조된 초고주파 신호의 포락선 검파에 사용되는 수정 검파기의 회로 원리와 동작 원리를 학습한다. 그리고 변조 및 검파에 대한 특성을 측정하기 위한 정재파비(SWR) 측정기의 사용법과 원리를 기술한다. 5장에서는 도파관 내에서 신호의 전달 원리를 이해하고 공학적인 특성을 파악함으로써 초고주파 신호 및 시스템에 대한 기본 개념과 특성 변수를 학습하게 된다. 이들 이론적인 배경을 바탕으로 초고주파 신호의 전파 전파 특성을 실험적으로 측정하여 그 원리를 익힌다. 6장에서는 전자파의 반사와 정재파의 개념을 정립한다. 아울러 공학적인 계산으로 반사 계수와 정재파비 등의 특성 값을 구하는 방법을 익힌 후, 실습을 통하여 반사 계수와 정재파비를 측정함으로써, 전자파의 기본 특성인 전파의 반사에 대한 원리를 익힌다. 7장에서는 임피던스에 대한 개념을 이해하기 위하여 임피던스의 정의와 기본적인 개념을 이해하고, 임피던스를 회로 및 선로 상에서 구하는 방법과 원리를 익힌다. 아울러 공학적인 계산을 도식적인 방법으로 구하는 도구인 스미스 도표의 원리와 사용법을 학습한다. 그리고 궁극적으로는 회로 및 시스템 상에서 임피던스 정합에 대한 개념을 가지고 적용할 수 있는 방법을 갖추도록 한다.

제3부는 8장에서 11장까지로 구성되며 초고주파 실무 기술 적용을 위하여 초고주파 소자 중에서 공학적으로 가장 기본적이고 많이 사용되는 저역 통과 여파기에 대하여, 설계 이론의 학습과 설계, 컴퓨터 모의실험, 제작과 성능 시험, 그리고 개발 보고서 작성의 전 과정을 학습하게 된다. 이를 통하여 회사에서 제품을 개발할 때 필요한 실무 적용 기술을 가질 수 있도록 하였다. 8장에서는 일반적인 전자 회로나 시스템의 특성을 표현하는 여러 가지 공학적인 방식에 대하여 살펴본다. 기본적인 방식의 이해를 통하여 주어진 회로를 공학적으로 표현하는 방법을 익히고 초고주파 분야에서 많이 사용되는 산란 변수에 대한 개념에 대하여 학습한다. 9장에서는 제품 설계에 대한 기본 개념과 여파기에 대한 기본 이론을 학습하고 여파기 설계에 필요한 이론과 절차를 익히게 된다. 10장에서는 분포 정수 회로 형태의 여파기 제작에 앞서 단파 대역 저역 통과 여파기에 대하여 설계부터 모의실험, 제작 및 특성 측정까지의 전 단계를 수행하는데 필요한 기술을 확보할 수 있도록 한다. 11장에서는 분포 정수 회로 개념을 이용하여 마이크로스트립 선로만으로 여파기가 구현되도록 UHF 대역에서 저역 통과 여파기를 설계 및 제작하게 된다. 이를 통하여 초고주파 회로에서 널리 사용되는 분포 정수 개념을 이해하고 초고주파 회로를 설계하고 제작하는 과정에 대한 개념을 확보할 수 있도록 한다. 아울러 산업 현장에서 필요로 하는 고주파용 회로 설계 도구(Ansoft사의 Designer)를 이용한 설계 및 모의실험 기술과 회로망 분석기를 이용한 측정 및 데이터 처리 기술을 익히도록 한다.

책을 저술하면서 책의 내용이 결국은 무선 통신 및 초고주파 분야에서 앞서 연구하거나 저술하신 분들의 내용을 이 책을 학습하는 분들이 쉽게 이해 및 기술을 갖추도록 정리하고 체계화하는 범주를 넘어서지 못한다는 것을 밝힘으로써 그분들에게 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 이 책이 초고주파공학에 대해 배우려는 학생들과 관련 분야 종사자들에게 미력하나마 도움이 되기를 기대해 봅니다. 아울러 미진한 부분과 충고가 필요한 부분에 대한 아낌없는 고언을 부탁드립니다. 끝으로 이 책을 출판하는데 도움을 주신 복두출판사 송광헌 사장님과 임직원 여러분에게 감사의 마음을 전합니다.

2017년 1월

이 해 선(hslee@dongyang.ac.kr)