전자공학/RF

SRF, 자기공진 주파수

안녕 나의 20대 2025. 2. 19. 13:18
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1. SRF란 무엇인가?

1) 기본 정의

  • SRF(Self-Resonant Frequency, 자기 공진 주파수)란, 인덕터・커패시터 등 수동소자 내부에 존재하는 기생 요소(기생 커패시턴스, 기생 인덕턴스 등)가 본래의 L(C) 성분과 상호작용하여 공진을 일으키는 특정 주파수를 의미합니다.
  • 예를 들어 인덕터(L)에는 권선 간 겹침, 패드/단자 구조, 재질 등에 의해 기생 커패시턴스(C_parasitic)가 발생합니다. 이 기생 C와 인덕턴스 L이 특정 주파수에서 LC 공진을 이루며, 그때의 주파수가 바로 Self-Resonant Frequency입니다.

2) 왜 중요한가?

  • 인덕터가 '더 이상 인덕터가 아닌 지점'
    인덕터는 SRF 전후로 동작 특성이 크게 달라집니다. SRF보다 높은 영역에서는 오히려 커패시터처럼 거동하기 때문에, 원래 의도한 ‘인덕터’ 역할을 제대로 수행하지 못합니다.
  • 고주파 회로의 동작 안정성
    필터나 앰프, 임피던스 매칭 회로 등 고주파 설계에서 예기치 않은 공진으로 인해 회로가 발진하거나 특성이 급격히 변할 수 있습니다.
  • 부품 선정과 설계 한계 파악
    데이터시트에서 제시된 인덕터 SRF 값을 확인하면, 설계자가 어느 주파수 대역까지 유효하게 활용할 수 있는지 예측할 수 있습니다.

2. SRF 발생 원리와 등가회로

1) 인덕터 내부 등가회로

  • 이상적인 인덕터 L만 존재한다면 주파수 범위에 상관없이 인덕턴스를 유지합니다.
  • 실제 인덕터에는 권선 간 간격, 리드・패드 구조로 인해 기생 커패시턴스(Cp)가 병렬로 존재하고, 권선 도체 저항(ESR) 및 코어 손실 등의 저항 성분도 직렬로 붙습니다.
  • 그 결과, L과 Cp가 공진하여 특정 주파수에서 임피던스가 극대가 되거나(병렬 공진) 극소가 되는(직렬 공진) 지점이 생기는데, 그중 인덕터가 “더 이상 인덕터로 동작하지 못하는” 지점이 SRF라 볼 수 있습니다.

2) 이론적 계산

  • 간단히 말해, 인덕턴스 L과 기생 커패시턴스 C가 있을 때 근사적으로 계산이 가능합니다
  • 하지만 실제로는 PCB나 주변 부품까지 포함해 기생이 달라지므로, 측정이 가장 확실합니다.

 

3. SRF가 회로에 미치는 영향

1) 필터・공진회로 설계

  • 밴드패스필터(BPF) & 노치필터: 설계 시 인덕터의 SRF를 고려하지 않으면, 목표 주파수 대역에서 필터가 의도치 않은 공진이나 손실변화를 일으킬 수 있습니다.
  • 임피던스 매칭: 고주파·RF 설계에서는 다양한 주파수에서 인덕터・커패시터를 사용해 매칭을 맞추는데, 이때 SRF가 회로 성능(대역폭, Q값)에 직접 영향을 줍니다.

2) 전력증폭기(PA), LNA 회로 안정성

  • PA/앰프 출력단: 파워 핸들링 시 인덕터가 고주파에서 제 성능을 못 내면, 발열 또는 스퓨리어스(불요파) 발생이 심해질 수 있습니다.
  • LNA 입력단: 인덕터의 SRF와 주변 기생 요소가 맞물려, 저잡음 증폭기 감도가 예기치 않게 떨어질 수 있습니다.

3) EMC/EMI 영향

  • 고주파 회로에서 기생 공진이 잡음(노이즈) 경로를 만들거나, 특정 대역에서 강하게 방사(RF leakage)되는 문제를 일으킬 수 있어, EMC 시험 시 문제가 될 가능성이 있습니다.

4. SRF 측정・분석 방법

4.1 네트워크 분석기(VNA) 활용

  1. S-파라미터(S11, S21) 측정
    • 인덕터(또는 커패시터)를 픽스처나 SMA/동축 커넥터로 접속 후, 주파수를 스윕하며 반사계수(S11)나 삽입손실(S21)을 관찰합니다.
    • 인덕터의 임피던스 특성이 급격히 변하는(혹은 ‘최고·최저점’을 찍는) 지점이 SRF로 보입니다.
  2. 반사(Reflection) 모드 vs 통과(Transmission) 모드
    • 소신호 수준에서는 Reflection 측정이 간편하지만, 커넥터・픽스처의 보정(SOL, SOLT 등)이 중요합니다.
  3. 임피던스 추적
    • VNA에 임피던스 변환 기능이 있거나, S11 등으로부터 임피던스를 계산하면, 주파수 증가에 따라 (유도성 → 공진 → 용량성)으로 변화하는 특성을 시각적으로 확인할 수 있습니다.

4.2 LCR 미터(고주파 지원 모델)

  • 일부 고급 LCR 미터는 수백 MHz까지 지원하여, SRF 근처까지 임피던스 곡선을 측정할 수 있습니다.
  • 일반 LCR 미터(수십~수백 kHz급)는 SRF 측정에 제한적이므로, 원하는 고주파 대역을 커버하는지 사전에 확인해야 합니다.

4.3 시뮬레이션 vs 실제 측정

  • 시뮬레이션(회로 시뮬레이터, 전자장 3D 시뮬레이션 등): 부품 데이터시트 기반으로 기생 C, ESR 등을 대입해 SRF를 예측 가능
  • 실측: PCB 레이아웃, 실장 높이, 인접 부품/배선 등이 영향을 주므로, 최종 회로 환경에서 측정하는 것이 가장 정확합니다.

5. SRF 설계 시 주의사항

  1. SRF보다 낮은 주파수 범위에서 인덕터로 사용
    • 인덕터를 일반적인 RL 필터나 매칭소자로 쓰려면, 실제 동작 주파수가 SRF의 약 70~80% 이하가 되도록 선정하는 것이 안전합니다.
    • SRF를 너무 근접하게 사용하면, 인덕턴스가 변동하거나 커패시터로서 작동할 위험이 커집니다.
  2. PCB 레이아웃 최적화
    • SMT 인덕터 주위의 GND 면이나 비아(via) 배치가 기생 커패시턴스를 높일 수 있습니다. 데이터시트상의 SRF와 달라질 수 있으므로, 프로토타입에서 꼭 실측해야 합니다.
    • 리드 타입(Through-Hole) 인덕터는 리드 길이가 추가 기생 인덕턴스를 유발할 수 있습니다.
  3. Q값(품질계수)과 ESR 관리
    • SRF 근처에서 인덕터의 ESR이 급증하거나, 반대로 Q값이 급감할 수 있습니다. 필터나 공진 회로라면 Q값이 매우 중요하므로, SRF 인근 특성을 꼼꼼히 확인해야 합니다.
  4. 파트너(제조사) 데이터시트 활용
    • 각 제조사는 자사 인덕터의 공진특성 그래프(주파수 vs 임피던스)를 제공하는데, 이것이 실제 사용 조건(패드 형태, 측정 픽스처 등)과 비슷한지 확인해야 합니다.
  5. 테스트 보드 설계
    • 고주파 특성 평가를 위해 별도의 테스트 보드를 만들고, 동일한 레이아웃 조건에서 SRF 및 S-파라미터를 측정하면, 최종 제품에 적용할 때 정확성이 올라갑니다.
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