RF 회로개념 잡기 - PART 4 ▶ Mixer (혼합기)

RF시스템에서 보이는 듯 마는 듯 중요한 역할을 담당하고 있는 대표적 능동회로 Mixer!
Mixer는 일반적으로 주파수를 변환해주는 회로로 알려져 있습니다.
그런데 말이죠, 이 Mixer를 제대로 이해하는게 RF 시스템을 이해하는데 결정적인 역할을 한답니다.

 

Mixer가 하는 일

Mixer는 잘 알려져있다시피( 앗 혹시 모르셨나요?), 주파수를 변환해주는 역할을 담당하는 녀석입니다. 아래 그림처럼 저 배꼽을 통과하면 신호의 중심주파수가 다른 주파수로 바뀝니다.
그래서 저주파와 고주파를 서로 변환해주는 일을합니다.

우리가 실제로 다루는 의미있는 신호는 저주파이죠. 음성은 수kHz 정도, 영상이나 데이터 같은 경우는 수~ 수십MHz 정도의 주파수를 가진 신호입니다. 하지만 모든 사람이 이런 똑같은 주파수대역의 정보를 각자 교환하려면, 그대로는 교환이 안되겠죠? 모두 주파수가 같기 때문에 혼선이 일어날 것입니다. 그렇기 때문에 우리는 이 똑같은 대역의 의미있는 신호주파수를 서로 다른 높은 주파수로 변환해서 송수신해야 합니다. 물론 이러한 주파수변환은 주파수에 따른 신호 구분 말고도 신호의 품질, 안테나 크기문제 등과 전송거리를 늘리기 위한 것이기도 합니다. 여하튼 유선이건 무선이건 모든 통신에서, 실제 사용하는 원천주파수를 전송용 주파수(소위 말하는 반송파=carrier)로 바꾸는 과정은 필수과정입니다.

실제적으로 RF통신에서 Mixer가 가장 두드러지게 활약하는 곳이라면, IF ↔ RF 변환부입니다. 중간주파수인 IF와 실제 공기중에서 사용되는 반송파(carrier)주파수를 변환해주는 핵심 변환부이죠. 물론 수퍼헤테로다인 통신이니까 baseband ↔ IF를 변환하는 mixer도 있지만, 상대적으로 저주파 mixer이기 때문에 우리는 주로 고주파 Mixer인 IF ↔ RF mixer에 관심을 가지는 것입니다. (이것은 시스템적인 관점으로서 RF시스템 관련 강의를 참조하시기 바랍니다)

이과정에서 주파수 변환을 위해 LO(Local oscillator)라는 고정된 국부 발진기의 주파수를 기준으로 더했다가.. 뺐다가 하게 되죠. 그래서 실제로는 결국 IF - RF 가 막바로 변환되는 것처럼 됩니다.

두 개의 주파수를 섞어서 그 합 또는 차에 해당하는 주파수를 끄집어 낸다.

이것이 바로 Mixer가 하는 일입니다. 말 그대로, 믹서기입니다. 여러분이 집에서 쓰시는 믹서기에 딸기와 사과를 함께 넣어서 갈면 무슨 주스가 될까요? 사과주스도 딸기주스도 아닌 딸기사과주스가 되어 있을 것입니다. 우리의 Mixer는 딸기와 사과 대신 두 주파수를 섞어서 새로운 주파수를 만들어주죠.
(그런데, 가정용 믹서기는 합의 결과는 내주지만 차의 결과는 못내주네요. 혼동이 없으시길 -_-a?)

Mixer가 하는 일은 뭐 그렇다치고.. 주파수 변환이 가지는 '진정한 의미'를 이해하는 게 정말 중요합니다.

 

주파수 변환의 진정한 의미 #1 - 시간축 파형

주파수를 바꾼다.. 뭐 그런가보죠. A라는 주파수에서 B라는 주파수로 바꾸나 보네요.

이 말이 전부 이해가 가십니까? 아마 초보님들이시라면 피부에 와닿지 않는 말이어야 정상입니다. 주파수를 바꾼다니.. 바꾸는 이유야 뭐 그렇다 치고, 주파수를 바꿔도 원래 주파수에 담겨있던 내용물이 상하거나 하지는 않을지.. 하는 생각이 들지 않으신가요? (신호에도 유통기한이 있남?)

Mixer가 해야 하는 중요한 역할은 신호가 담고 있는 정보는 그대로 유지한 채, 주파수만 바꾼다는 것입니다. 바로 이 지점에서 막혀 버릴  수 있는데, 이것을 이해하기 위해서는 '변조'라는 개념을 도입해야 합니다. 또하나 중요한 점은, 우리가 변환하는 주파수는 신호의 중심주파수(center frequency)라는 것입니다.

이해를 돕기 위해서 가장 간단한 AM 변조의 경우를 들어보겠습니다. AM 변조란, 아래와 같이 어떤 신호의 포락선을 따라 반송파 주파수의 peak를 변조하는 가장 단순하고 원초적인 변조법입니다.

 

이런 AM에서 주파수를 변환한다는 의미가 무엇인지 아래 그림을 통해 이해해보시기 바랍니다.

백문이 불여일견.. 그림에서 보시다시피 주파수를 변환한다는 것은 원래 신호의 포락선(envelope) 모양새는 그대로 유지한 채, 내부에 빼곡히 존재하는 반송파(carrier) 주파수만 변하고 있습니다. 물론 반송파의 크기는 원래신호의 포락선을 그대로 따라가고, 그것은 원래 정보가 그대로 존재한다는 것을 의미합니다.

이번엔 FM변조의 예를 들어보도록 하겠습니다.

이러한 변조방식을 가진 FM에서, 중심주파수를 변환하면 어떻게 될까요?

위의 그림과 같이, 주파수가 올라가면 전체적으로 주파수의 밀도만 높아진 것처럼 보입니다. 중요한 것은, 주파수의 변화양상은 그대로 유지한채 주파수의 밀도만 변한다는 것이며, 결국 원래 신호의 정보는 그대로 담겨 있는 상태가 됩니다.

 

주파수 변환의 진정한 의미 #2 - 주파수 스펙트럼

시간축 파형의 변화양상의 간단한 사례를 보면서, 정보가 유지되면서 주파수가 변한다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 결국 신호의 중심주파수만 변한다는 의미이며, 이번에는 이러한 주파수 변환을 frequency domain상에서 이해해보도록 하겠습니다.

아래 왼쪽 그림은 약 1MHz의 주파수에 정보가 담겨있는 신호가 존재한다는 가정의 스펙트럼입니다. 이것이 100MHz의 LO주파수를 받는 믹서를 통과하여 주파수 상향변환을 하게 되면 오른쪽 그림과 같이 될 것입니다. (scale이 좀 안맞긴 할텐데 보기좋으라고 그렇게 한 것이니 양해를..)

보시다시피 더하기 빼기 계산에 의한 mixing 결과가 100MHz 라는 중심주파수 양옆으로 나타납니다. 그런데 사실 101MHz로 출력된 결과의 정보만 있어도 되는데, 빼기 계산도 하다보니 얼결에 99MHz에도 주파수 성분이 생겨 버렸습니다. 흠..

그리고 실제로는 정보가 담긴 주파수는 하나의 주파수가 아니라 일정한 주파수대역폭을 갖고 있기 때문에, 실제 스펙트럼상의 그림은 아래와 같이 될 것입니다.

변조를 접하신 분들은 단측파대(single side band)니 양측파대(double side band)니 하는 용어를 아실텐데, 바로 이런 것을 말합니다. 저주파대역의 신호가 mixer를 통과하고 나면 중심주파수를 기준으로 양쪽에 똑같은 정보신호가 존재해 버리게 되지요. 이걸 둘다 이용하느냐 아니면 한쪽만 이용하느냐에 따라 single side니 double side니 하는 말로 표현합니다. 이것과 함께 음의 주파수라는 표현이 나오죠.

초심자 입장에서 음의 주파수라는 용어를 접하면 당황하기 마련인데.. 어떻게 주파수가 음이 될 수가 있나??? 하는 생각이 들죠. 그건 이런 영상주파수(image frequency)를 말합니다. 마치 양의 주파수에 존재하던 원래신호와 똑같이 생긴 녀석이기 때문에 마치 거울에 반사된 영상(image)처럼 존재합니다. 분명히 저주파에 있을 때는 없었는데, 고주파로 변환하면 마치 음의 저주파영역에 있던 신호가 나오는 것처럼 가정할 수 있겠죠.  생각해보면 별 얘기는 아님다~

위의 사례는 저주파 baseband에서 IF 정도의 중간주파수로 변환할 때의 상황이며, 실제로 IF에서 RF로 변환하는 RF mixer는 아래와 같은 역할을 하게 될 것입니다. 이번엔 100MHz대에 존재하는 IF 신호를 800MHz대의 RF로 올려보죠. 그러기 위해서는 700MHz의 LO가 더해져야 할 것입니다.
역시 계산의 이해를 돕기 위해 대꼬챙이 주파수로만 표현하였습니다.

보시다시피 그냥 더하고 빼기 계산만 해도 결과를 쉽게 유추할 수 있습니다. 이중에서 700MHz LO의 빼기 계산으로 인해, 그 반대편에 또다시 image frequency 덩어리들이 발생합니다. 이것 역시 음의 주파수에 똑같이 반사된 주파수 성분들이 튀어나오는 것처럼 보입니다. 이것들은 필터로 잘라내면 됩니다.
그리고 이걸 다시 실제적인 스펙트럼 그림으로 표현하면 아래와 같이 되겠죠.

그렇습니다. 중요한 것은 스펙트럼 상에서 중심주파수만 이동하고 주변의 신호 주파수들은 그냥 그대로 옆으로 스~윽 움직이고 있습니다. 마치 시간축 파형에 담긴 정보는 그대로 유지하듯이 말입니다!

이제 '주파수 변환의 진정한 의미' 라는 제목에서 전하고자 하는 바가 무엇인지 이해하셨으리라 생각됩니다. 말로는 이해가 잘 안가기 때문에 시간축,주파수축에서 바라본 주파수변환을 들여다 본 것입니다. Mixer를 통과하면, 원래 신호의 정보는 그대로 존재하고, 그것을 실어나르는 반송파(carrier)의 중심주파수만 이동합니다.

이부분은 RF와 통신시스템을 이해하는데 엄청나게 중요한 개념입니다. 부디 잘 이해하시길!!!!

 

Mixing의 원리 - 비선형성 그 자체를 그대로 이용

Mixer의 원리..는 사실 알고 보면 좀 썰렁합니다. 왜냐면 Mixer만을 위해 준비된 특별한 원리가 있는 것은 아니기 때문입니다. 일단 Mixing.. 이라는 말의 의미는 두 개 이상의 주파수가 섞여서 제 3의 주파수들을 만들어낸다 라는 의미로 보시면 됩니다. 이러한 Mixing은 모든 능동소자에서 발생 가능한 대표적인 비선형 현상입니다.

선형성 기초강의부분을 열심히 보신 분이라면, 지금쯤은 비선형적이다 라는 표현해 대해 어느정도 감을 잡고 계실거라 생각됩니다. 비선형적이란 의미를 복습삼아 다시 짚어보도록 하지요.

Diode나 Transistor와 같은 반도체 물성소자들은 오른쪽과 같이 입력과 출력이 비선형적인 특성을 가지는 비선형소자입니다. 그렇게 되면 입력과 출력간의 관계가 선형 1차함수가 아닌 다차항의 함수로 표현됩니다. 이때, 입력에 두 개 이상의 다른 주파수가 들어가면 이 함수식은 복잡하게 섞여 버리게 되지요. 그래서 발생하는게 Intermodulation 이라는 것을 알고 계실 것입니다. ( Intermodulation 강의 참조)

이렇게 입력 주파수성분들이 온통 짬뽕이 되는 Intermodulation은 Mixing과 어떻게 다른 문제일까요? 눈치 채신 분도 계시겠지만, 현상적으로 두가지는 완전히 동일한 개념입니다. 둘다 비선형소자에 두 개의 주파수 신호를 넣었고, 비선형성에 의해 두 신호 및 그 하모닉들간의 복잡한 합과 차의 신호가 검출된다는 점에서, 원리적으로 완벽하게 동일합니다. 단지, 이러한 현상이 사용자의 의도대로 만들어진 것이냐 아니면 본의아니게 튀어나오는 주파수냐.. 에 따라 말도 달라지고 대우도 달라질 뿐입니다.

위의 그림에서처럼, 비선형소자를 사용하는 Mixer에 두 개의 주파수가 입력되면 그 주파수의 합과 차는 물론, 입력주파수의 하모닉 성분들끼리의 합과 차까지 해서 아주 복잡한 주파수 출력이 나오게 됩니다. Mixer 이외에도 비선형소자를 사용하는 증폭기 등에서도 이런 mixing 현상이 당근 발생하지만, 거기서는 그렇게 생긴 새끼주파수를 잡아죽이려고 안달이죠. Mixer는 오히려 입력된 주파수부터 과감히 잘라내 버리고, 여러 새끼 주파수 성분들 중에서 상황에 따라 두 주파수의 합과 차에 해당하는 성분만 골라서 사용합니다.

여하튼 비선형 소자에 한 개의 주파수를 때려넣으면 자기 주파수 말고도 줄줄히 harmonic 주파수들을 만들어내고, 두 개 이상의 주파수를 때려넣으면 그것들이 오만잡다하게 섞이는 mixing 현상이 무조건 일어납니다. 그게 바로 비선형 소자고, 그래서 비선형 소자로 불리우는 것이고, 그런 현상이 바로 비선형소자를 비선형 소자답게 만드는 것입니다. 어쨋튼 비선형소자에겐 Mixing현상이 너무나 당연한 현상이라는 것을 온몸으로 받아들이셔야 합니다. 원래가 그렇고 그런 녀석입니다.

Mixing의 원리가 비선형소자 고유의 특성이라면, 그냥 비선형소자만 갖다 쓰면 mixer가 될까요?

 

Mixer는 어떻게 만드나?

보셨다시피 Mixer의 원리 자체는 썰렁합니다. 전혀 특별한 별도의 원리가 아니라 그냥 비선형소자들은 원래 모두 주파수 Mixing 특성을 갖고 있어서 누구나 Mixer가 될 수 있습니다.

실제로도 마찬가지입니다. 어떤 비선형 소자건 간에, 두 개의 주파수 입력을 넣으면 그 두 개 주파수와 그 하모닉의 합과 차에 해당하는 잡종 주파수가 나오게 될 것입니다. 우리는 그 잡종 주파수 중에서 필요하다고 생각되는 결과를 하나만 잘 골라내면.... 그게 바로 Mixer인거죠. 크게 두 입력주파수의 합과 차에 해당하는 성분중 하나를 출력에서 골라내면 됩니다. 이것을 간단명료하게 개념적으로 풀어보면 아래 그림처럼 설명됩니다.

두 개의 주파수가 들어가도록 입력부를 꾸미고, 그것을 비선형 소자에 통과시킨 후 그 결과중 자기가 원하는 짬뽕 주파수만 필터로 골라내면, 간단하게 우리가 원하는 Mixer를 구현할 수 있습니다. 어쨋든 여러 주파수 신호가 비선형 비스꾸리한 무언가를 지나가면 frequency mixing이 일어나 버리기 땜시롱...
이것이 바로 Mixer의 기본구조입니다. 생각해볼수록 썰렁하지 않습니까? 휘~잉

물론 적당한 비선형소자를 선택하고, 두 개의 주파수 입력이 들어가는 방법에 대해 여러 가지 자잘한 테크닉을 사용하고, 출력에서 적절히 원하는 주파수를 골라낼 수 있도록 매칭을 잘 해야 합니다. 매칭을 이해하신 분은 아시겟지만, 매칭구조 자체가 특정 주파수의 흐름만 좋게 하는 필터특성을 가집니다.

여하튼 중요한 것은, 모든 Mixer는 위의 저 기본적인 구조에서 시작한다는 점입니다. 이러한 구조적 기본원리부터 이해하시고, 아래부터 설명되는 좀 더 세분화된 개념을 읽어 보시기 바랍니다.

 

Active Mixer & Passive Mixer

Mixer는 보통 크게 두가지로 분류됩니다. 능동혼합기(Active Mixer)와 수동혼합기(Passive Mixer)입니다. 한마디로 Mixer의 비선형 소자로서 DC가 필요한 Tr을 이용하느냐, 아니면 전원이 불필요한 diode를 이용하느냐의 문제입니다. 이것을 표로 간단히 정리하면 아래와 같습니다.

구분지표

Active Mixer

Passive Mixer

사용되는
비선형소자


Transistor
(BJT,FET,HEMT,HBT..)


Diode
 (Schottky)

DC 입력

O

X

변환이득

conversion gain을 가짐
(입력보다 출력전력이 커질 수 있음)

conversion loss를 가짐
(입력대비 출력전력 감소)

회로구성

상대적으로 복잡

상대적으로 간단

특징

증폭현상이 수반되므로 결과물의
크기를 키울 수 있으나, 발진과 같은 추가적인 문제점도 해결해야 한다.

전원없이 쉽게 구성이 가능하지만,
손실로 인해 출력이 작아서 큰 LO 전력 또는 buffer amp등이 필요해진다.

이것에 입각하여 아주 원초적으로 mixer를 구현하면 아래 그림처럼 표시할 수도 있습니다.

보시다시피 Tr은 DC전원을 받아 증폭을 할 수 있기 때문에 출력을 더 키울 수 있지만, Tr의 특성상 아무래도 active mixer는 구현이 좀더 까다롭습니다. 반면 걍 diode만 잘 엮으면 되는 passive mixer는 손실이 쫌 된다는 거 빼면 상대적으로 쉽게 구현이 가능합니다.

단순하게 생각하면 active mixer는 passive mixer에 비해 부족한 출력을 때워주니까, 같은 면적 같은소자를 쓸 때 좀더 유리해보입니다. mixing 후에 출력결과의 크기가 작아지는 것은, 애초부터 mixing이 fundamental frequency의 전력을 직접 사용하는게 아니라 그 새끼 조합들을 만들어내는 것을 말하기 때문입니다. harmonic 특성을 보면 알 수 있듯이, 자연스러운 비선형상태에서는 fundamental 보다 harmonic과 같은 새끼 주파수가 점점 더 작아지는게 당연하니까요. 그래서 아래와 같이 주파수변환에 따른 이득과 손실문제를 논하게 됩니다.

 

Conversion Gain / Loss

Mixer는 결국 fundamental frequency(원래 주파수란 뜻)를 직접 이용하는게 아니라, 그것들의 합과 차에 해당하는 새끼 잡신호를 끌어내는 회로입니다. 그리고 두 개의 신호가 입력된다고야 말은 하지만, 사실은 그중 하나의 입력신호는 시스템상에 이미 고정되어 있는 주파수 - 바로 국부발진기(LO : Local Oscillator)입니다. 그래서 실제 주파수 변환 구조는 아래처럼 되지요. 그야말로 frequency converter입니다.

LO야 말그대로 이미 고정되어 있는 주파수이므로 어떤 주파수 입력 하나와 주파수 출력 하나만 존재하게 되는 것입니다.

이 경우, 실제로는 입력대 출력에 해당하는 어떤 이득과 손실관계가 발생할 수 있다는 것을 눈치챌 수 있습니다. 바로 그것이 Mixer의 주요한 특성지표인 Conversion gain 또는 Conversion loss입니다. 이 말에서 눈치챌 수 있듯이, 주파수를 변환하면서 입력보다 출력의 전력이 커진다면 그것은 변환이득(conversion gain)이 존재하는 것입니다. 반면에 주파수를 변환하면서 전력이 더 작아진다면, 변환손실(conversion loss)이 존재한다고 볼 수 있습니다.

일반적으로 DC전원이 필요없는 passive mixer는 증폭에 사용될 전력공급이 없으므로, 주파수를 변환하면서 이득을 만들어내지 못합니다. 게다가 원래 주파수성분을 그대로 사용하지 않고 새끼친 주파수를 사용하기 때문에, 입력에 비해 수dB에서 수십dB까지 떨어진 전력이 출력됩니다. (세상에 공짜는 없습니다!) 그래서 반드시 입력보다 출력전력이 줄어드는 conversion loss를 가집니다.

반면에 DC전원이 필요한 active mixer는 비선형소자(주로 결국 BJT나 FET를 쓰지만)의 증폭현상도 함께 이용할 수 있기 때문에, 주파수를 변환하면서 전력이 더 커지게 할 수 있습니다. 이런 경우 conversion gain을 가진다고 말하게 됩니다.

잘 생각해보면 별거 아닌 개념인데.. 초심자분들이 이 두가지 개념에 대해 혼동하는 경우를 종종 보게 됩니다. 예를 들어 conversion gain이 5dB라면, 그것은 그 active mixer에서 주파수 변환을 하면 변환된 주파수의 출력전력이 5dB 더 커진다는 것을 말합니다. 반대로 conversion loss가 10dB라면, 출력전력이 입력보다 10dB 작아진다는 의미가 됩니다.

그런데 conversion gain이 -3dB다.. 라고 말해 버리는 경우도 있습니다. 이는 결국 3dB의 conversion loss를 가진다는 말로써, 용어의 통일을 위해 loss냐 gain이냐를 딱히 구분하지 않고 conversion gain이라는 말 하에 이와 같이 부호로 실제 이득인지 손실인지를 표시하는 경우도 있다는 점입니다. 생각하면 생각할수록 별거 아닌 개념이니까 부디 혼동이 없으시길..

 

  Isolation

Mixer의 성능을 평가하는 중요한 항목중 하나가 바로 이 Isolation(격리)입니다. RF에서는 이 Isolation 이라는 말이 꽤 광범위하게 사용되는데, 그 의미는 단순합니다. Isolation은 어떤 두 대상을 격리한다는 말로써, 서로 간섭이 생길 만한 요소를 최소화하여 어떻게든 따로 놀게 만들자는 것이죠.

이것은 주로 입출력 신호가 드나드는 port를 기준으로, 각 port마다 간섭이 일어나서 각 port만의 고유의 신호들이 다른 port로 서로 넘나들지 않게 할 때 많이 사용하는 말입니다. 자기 신호는 남에게는 방해물이고 잡음일 뿐이니까요. 역으로 남의 신호가 치고 들어와서 좋을건 하나도 없습니다.

RF Mixer의 port는 아시다시피 IF, LO, RF 의 3개입니다. 당연히 이 3개의 포트는 각각 따로 놀아야지, LO신호가 RF port로 바로 가고 RF가 IF로 바로 간다던지 하는 교란이 일어나서는 안되겠죠? 이렇게 넘어선 안되는 선을 넘지 못하도록 최대한 격리한 정도, 그것을 Mixer의 Isolation이라고 정의합니다. 각 port마다 들어간 신호가 그대로 다른 port로 나와서는 안되는 것입니다. 그렇게 술~술 통과해 버릴  거면 Mixer가 할 일이 없죠. 중간에서 다리를 놔서 서로 섞이라고 만들어놓은 회로인데 지네들끼리 알아서 통하면 Mixer가 섭섭하져- ^^;

이것은 결국 Mixer의 품질을 규정하는 중요한 요소가 됩니다. 예를 들어 IF port로 들어간 1의 신호가 LO port로 전달되는 정도가 0.01정도라면, 1/100의 전력이 IF에서 LO로 바로 새 버린 것이죠. 이 경우 IF - LO 간 isolation은 -20 dB라고 말합니다. 이처럼 Mixer의 모든 port에 대해서 각각의 전달계수를 Isolation이라는 특성으로 정의할 수 있습니다. 쉽게 생각하면 3port 인 Mixer에서 자신의 주파수에 해당하는 S12 (S21), S13 (S31), S23 (S32) 과 같은 녀석들이 각각 해당 port와 관련된 Isolation 값이 됩니다.

그래서 Mixer는 S파라미터에 기반한 해석이나 측정보다는 스펙트럼 주파수 측정이나 Harmonic balance 해석에 기반한 특성들이 많습니다. 중요한건 새로운 주파수성분을 만들어내는 것이니까요.

여하튼 Mixer는 애초부터 각각의 port끼리 direct로 뭔가 신호가 전달되라고 만든게 아니고, Mixer 회로를 통해 mixing된 무언가를 만들어내기 위해 존재합니다. 고로 이렇게 direct로 통과해 버리는 신호들은 손실이면서 동시에 필요없는 곳에선 잡음으로 동작하는 것이지요. 잘 생각해보면 쉬운 개념입니다.

바로 이러한 문제점을 해결하는게 Mixer 설계의 주안점중 하나이고, 이것을 개선해 나가는 과정을 이해할 수 있도록 Mixer의 기본적인 입출력 구조를 다시 들여다보겠습니다.

Mixing 동작이야 잘 된다 치고.. 보기만 해도 찜찜한 녀석들이 있습니다. 송신부에서는 IF와 LO가, 수신부에서는 RF와 LO가 같은 입력으로 들어가야 하는데, 그러다보니 둘이 겹쳐서 뭔가 모르게 뒤끝이 개운하지 않습니다. 한마디로 이런 식이면 어느 한쪽의 두 신호는 전혀 격리되어 있지가 않아서 쪼~까 거시기할거란 예상을 할 수 있습니다. 이 문제를 해결하는데는 뭔가 구조를 개선해야 할 필요가 있습니다.

 

  Balanced Mixer

Isolation 문제를 해결하려면, 각각의 port가 최대한 격리되도록 뭔가.. 뭔가가 필요한 듯 합니다. 일단 같은 단자로 똑같이 들어가지 않으면서 같은 곳을 향해가도록 만들려면 무엇이 필요할까요? 이런 경우 양단을 격리할 수 있는 coupler 나 transformer가 필요할 것입니다. 또는 신호를 양과 음의 balanced signal로 만들어서 단자를 나누고 서로 상쇄시킬 수도 있을 것입니다. 흐흠.. 그렇다면..?

이번에는 isolation을 향상시키는 Mixer 구조에 대해, passive와 active mixer를 함께 살펴보도록 하겠습니다. (구조를 파악하기 위해 편의상 필터부와 바이어스부는 생략한 그림입니다)

▶ Single Ended Mixer (SEM)

          

원리적으로 가장 간단하게 구현가능한 구조이지만, 뭐.. isolation에 대해 별다른 대책은 없습니다. 흠.. 그냥 간단하다는 것 자체가 장점같아 보이지만.. 모든 port에 filter를 달아야 할 수도 있기 때문에 따지고 보면 그리 간단한 구조가 아닐 수도 있습니다. 복잡한 내부회로구조구현이 어려운 millimeter wave쪽에서 종종 사용되긴 한데 일반 통신계열에서 널리 사용되는 형태는 아닙니다.

▶ Single Balanced Mixer (SBM)

   

우선 diode passive mixer를 보면, 가장 문제가 될 만한 두 개의 주파수 입력부를 coupler (혹은 transformer나 balun)으로 분리한 구조입니다. 이렇게 coupler로 두 입력을 따로 들어가게 하면 양쪽에서 동시에 입력되더라도 서로같은 곳을 향해가지만 상대방에게 전달되는 신호는 최소화됩니다. coupler는 90도 하이브리드나 한쪽만 180도 위상차를 만드는 coupler를 사용하며, 기본적으로 두 개의 다이오드에 걸리는 파형의 위상이 180도 차이나게 만듭니다.

Active mixer의 경우는 Tr 두개를 추가적으로 사용해서 두 신호 path를 양과 음의 balanced signal로 분리합니다. 이러한 balanced amplifier 구조를 이용하면 서로 상쇄되는 효과가 있어서 Single Ended에 비해 특성이 좋아집니다. 구현의 복잡도가 double balanced 보다 간단하고 효과가 좋아서 가장 많이 사용되는 형태의 Mixer입니다.

▶ Double Balanced Mixer (DBM)

   

앗싸리 모든 port가 완전히 격리될 수 있도록 좀더 강화된 형태로, passive mixer의 경우 싸그리 몽창 coupler(transformer)를 이용하여 모든 입출력을 연결합니다. 그림상에선 transformer형식으로 그렸는데, 만약 coupler로 구현하면 양쪽 출력이 180도의 위상차가 나도록 만들어서 각각의 diode pair에 180도의 위상차로 신호가 입력되면 됩니다. 이렇게 되면 모든 입출력 포트들이 서로 직접 연결되지 않으면서도 함께 mixer로 거치게 되므로, 최상의 isolation 특성을 가지게 됩니다. 물론 회로구조가 복잡하고 커진다는 단점은 어쩔 수 없습니다.

Active mixer에서의 double balanced 구조는 single balanced mixer 두 개를 붙인 듯한 형태로서, 3개의 모든 신호포트가 양과 음의 신호로 분리된 balanced signal로 처리됩니다. 복잡하긴 해도 diode passive mixer와 마찬가지로 최상의 isolation과 harmonic 상쇄특성을 가지게 됩니다.

이러한 복잡한 Balanced 구조가 가지게 되는 장점과 그 이유는 아래와 같습니다

  ▶ 각 port간의 isolation이 크게 좋아진다. (신호경로 자체가 분리됨)
  ▶ 각종 spurious나 harmonic의 발생을 많이 억제할 수 있다. (위상차에 의한 신호상쇄를 이용)
  ▶ 외부필터의 사용을 줄일 수 있다. (필터대신 커플러 또는 신호분리로 격리시키므로)
  ▶ 처리가능한 전력한계가 높아진다. (여러소자로 병렬처리하므로)

balanced 구조를 구현하는 방법은 이런 일반적인 방법말고도 상당히 다양합니다. 위의 회로도는 지극히 기본적인 회로개념도이며, 신호의 경로를 분리하면서 최소한의 손실로 병렬처리가 가능하게 하는 것이 주안점입니다. 그래서 경우에 따라선 이게 mixer인지 알아보기도 힘든 복잡한 회로도를 그리기도 하지만, 중요한 점은 이러한 Mixer 구조개선의 목적은 동일하다는 것입니다.

비선형소자를 이용해 mixing이 일어나게 하고, 각각의 포트들이 서로 간섭없이 목적하고자 하는 주파수출력만 최대한 깨끗하게 뽑아내기 위한 것, 그것은 변함 없다는 점만 기억해두시면 됩니다. 그러기 위해 많은 Mixer들은 적절한 balanced 구조로 구현된다는 사실 정도는, 굳이 Mixer를 만들지 않는 RF인이라해도 상식으로 기억해야겠지요.

 

Spurious

RF장이들이 가장 미워하는 단어중 하나인 spurious... 일명 스퍼라고 부르는 짜식들 잡느라 밤새신 분들도 많을 것입니다. 원하지 않는 주파수에 뜨는 잡신호들을 통칭하는 이 spurious가 가장 민감하게 발생하는 회로중 하나가 바로 Mixer입니다. 그래서 Mixer를 다룰 때는 spurious에 대해 미리 대비해야 하는 경우가 많습니다.

그 이유는.. Mixer란게 애초부터 원래 이거저거 섞어서 다른 조합의 주파수를 만들자는 거다 보니까 다른 회로에 비해 원치 않는 주파수의 출력이 훨씬 많이 발생하게 됩니다. 잘라내고 걸러내고 골라내고.. 남들보다 더 신경써서 잡아야 할 필요가 생겨 버리죠. 그래서 시스템을 보다보면 아래처럼 spurious 계산을 하거나 엑셀등을 통해 섞이는 주파수 출력을 잔뜩 분석해야 하는 경우도 생깁니다.

입력 주파수들과 그것들의 2차,3차,4차,5차.. 하모닉들끼리 아주 복잡하게 mixing이 일어나면 실제로 위와 같이 지저분하리만치 다양한 주파수가 출몰할 수 있습니다. Mixer가 아무리 많은 새로운 주파수성분을 만들어낸다한들 우리가 필요한 출력은 하나뿐입니다. 그러한 spurious 출력들이 어떤게 나오는지 정도는 분석해서, 시스템 차원에서 문제가 없는지 체크해야 할 필요가 있습니다. 이것들은 대부분 필터를 통해 해결해야 할 경우가 많지만, balanced 구조를 잘 이용하여 억제하기도 합니다.

여하튼 mixer란 녀석이 워낙 사생활이 복잡해서(?) 자기는 물론 그 자식과 자식의 자식들까지도 열심히 새끼를 많이 치는 놈이니까 항상 주의해야 합니다.

 

Mixer의 주요 특성들

Mixer에서의 나머지 중요한 특성지표들을 둘러보도록 하겠습니다.

▶ Dynamic range
Dynamic range(동작영역)이라 함은 보통 활용가능한 전력대역을 말합니다. 최소 얼마에서 최대 얼마까지의 전력까지 사용하다.. 라는 개념이죠. 최소활용가능한 전력대란 말은 최소한 잡음레벨보다는 커야한다는 의미가 되므로 Mixer의 Noise figuire와 관련이 있고, 최대활용가능한 전력대는 1dB 압축점과 관련있습니다. Mixer 역시 비선형소자를 이용하기 때문에 입출력관계 (conversion loss or gain)가 일정하게 유지되다가 어느정도 전력이상이 되면 loss가 늘어나기 시작합니다. 그러한 1dB Conversion compression point 에 따라 Mixer의 최대 활용 전력대가 결정됩니다. 다시말해서 Dynamic range는 Mixer가 이용가능한 (최대전력 - 최소전력) 범위를 지칭합니다.

▶ 선형성 (IP3, IP2)
Mixer도 선형성이 중요합니다. 비선형 회로는 어차피 비선형인데, 이 비선형성을 이용하면서도 정작사용해야 하는 신호입장에서는 선형성이 확보되어야 하는 딜레마가 있습니다. Mixer의 선형성은 IP3를 주로 이용하며, 이 값을 통해 시스템 전체의 선형성이 어느정도이냐를 계산하는데 사용하게 됩니다. Super heterodyne이 아닌 Direct conversion의 경우는 IP3가 아닌 IP2가 중요한 지표가 됩니다.
(선형성과 IP3에 대한 개념은 기초강의실 선형성 정복편을 보시기 바랍니다)

▶ 잡음지수 (Noise figure)
수신단 Mixer는 항상 LNA와 같이 다니게 됩니다. 만약 LNA가 품질이 캡숑 좋아서 뒷단의 잡음지수가 별로 좋지 않아도 되면 상관없지만... LNA혼자서 그 짐을 다 짊어지기는 힘든 경우도 많습니다. 아시다시피 잡음지수는 초단의 영향이 절대적이긴 하지만, 그 다음단의 잡음지수도 적지 않은 영향을 미치기 때문에 LNA 뒤에서 동작하는 비선형 회로인 Mixer의 noise figure도 수신감도 측면에서 만만치 않게 중요한 역할을 할 수 있습니다. 요즘처럼 spec이 빡신 세상에서는 Mixer 도 Low noise mixer가 환영받는 시대인 것이죠.
한가지 추가적으로 언급할 만한 것은 SSB noise와 DSB noise 문제입니다. 저~ 위에서 그려져있듯이, Mixing을하면 튀어나오는 image frequency 성분도 같이 써먹는 DSB(double side band)의 경우는 SSB(single side band)보다 잡음지수가 3dB낮아집니다. 왜냐하면 Mixer 입력에는 한밴드의 주파수신호가 입력되도, 출력에서 Double side band로 image frequncy 성분까지 출력되면 채널이 두배가 되므로, DSB는 SSB에 비해 채널전력합이 두배(+3dB)가 됩니다. 반면 잡음은 서로 corelation이 없어서 채널sum이 안되므로 그대로입니다. 그러므로 입력 신호대 잡음비 / 출력신호대 잡음비에 해당하는 잡음지수값은 DSB가 SSB보다 3dB 낮아지는 것입니다.

 

결론

우리가 비선형소자를 어려워 하는 이유중 하나는, 원치않는 주파수성분을 많이 뽑아낸다는 점입니다. 반면에 Mixer처럼 그 현상을 적극적으로 이용하여 원하는 주파수로 신호를 변환할 수 있다는 점에서, 그런 비선형성은 유용한 도구가 되기도 합니다.

Mixer는 그 중요성이나 역할에 비해서는 다른 능동회로들(amp,osc,pll..)에 비해 관심도가 다소 떨어지는게 사실입니다. 자료도 별로 없고, 다룬 책도 많지가 않지요. 그것은 Mixer란 회로 자체가 다양한 테크닉보다는 기본에 충실해야만 할 필요가 많고, 기술적인 개선요소가 다른 회로들보다는 다소 적어서입니다. Mixer와 관련한 서적으로는 소위말하는 마스책이라는 명저(거의 유일한 Mixer 전문서적)가 있으니 Mixer에 대한 전문적인 지식이 필요하신 분이라면, 이책은 절대필수강추소장도서입니다.

      ▶ Microwave Mixer Stephen A. Maas / Artech House

이것으로 RF시스템의 최고핵심부인 Mixer에 대해 개괄적으로 알아보았습니다. 위의 내용들을 정리해보면 아래와 같이 정리될 것입니다.

- Mixer는 RF시스템에서 신호의 내용은 유지한 채 중심주파수를 변환해주는 핵심회로이다.
- Mixer는 비선형소자의 비선형현상을 그대로 이용하며, 여러 비선형주파수출력중 주파수상향변환을
   위해서는 두 입력주파수의 합의 결과를, 주파수 하향변환을 위해서는 차의 결과를 선택한다.
- Isolation을 비롯한 여러 특성을 위해 많은 Mixer는 balanced 구조로 구현된다.

아마도 Mixer를 실제로 설계할 분은 그다지 많지는 않고, 대부분의 분들이 그냥 Mixer를 사용하는 유저이실 듯 합니다. 직접 설계하는 분에겐 전혀 도움될 것 없는 내용(?)일지는 몰라도, 비설계자분들을 중심으로 Mixer의 필요성이나 역할, 개략적인 구조와 핵심특성에 대해 풀어보았습니다. 좀 더 자세한 정보를 원하시는 분이라면 위의 서적이나 기술자료실 전체검색기능을 통해 Mixer 관련 자료들을 찾아보시면 좀더 깊이있고 최신의 Mixer 기술을 접해보실 수 있을 것입니다.

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