2.1 2.4 GHz 주파수 대역에 전자파장해 이론 분석

USB Type-C는 물리 커넥터 형태와 핀아웃(pin-out)을 의미할 뿐, 전송 속도 자체를 지칭하지 않는다. 동일 커넥터 상에서 USB 2.0/USB 3.x/USB4/Alt-mode 등 서로 다른 세대의 프로토콜(protocol)과 다양한 속도 모드로 동작할 수 있다. 주요 속도 등급은 USB 2.0(High-Speed, 480 Mbps), USB 3.2 Gen1 (5 Gbps), USB 3.2 Gen 2(10 Gbps), USB 3.2 Gen 2 x 2(20 Gbps), USB4(20/40 Gbps)로 정리된다. USB Type-C 커넥터에서 동작하는 SuperSpeed USB(USB 3.x) 는 2레벨 PAM-2 (pulse amplitude modulation with 2 levels) / NRZ (non-return-to-zero) 직렬 심볼을 사용한다. 적합성 시험의 결정적 패턴인 CP1 (010101...)을 기준으로 보면, 비트율이 $R_b$일 때 단위 구간은 $T = \frac{1}{R_b}$ 이고 “010101...”은 2 UI 주기로 반복되므로 주기는 $2T$, 기본 주파수는 $f_1 = \frac{1}{2T} = \frac{R_b}{2}$ 이다. CP1은 스크램블러가 비활성화된 고정 시퀀스로, 비트열과 전이 타이밍이 사전에 완전히 규정되어 동일 조건에서 재현성이 높고, 스펙트럼 에너지가 $f_1$ 및 홀수 고조파에 집중되므로 ‘결정적’ 패턴으로 분류된다. 따라서 $R_b = 5 Gb/s$일 때 $f_1 = 2.5 GHz$이며, 이 주파수는 CP1(010101..)에 의해 형성되는 지배적 선 스펙트럼(기본톤)으로서, 협대역(Nyquist 지점) 경계·최악 조건을 정량적으로 평가하는 대표적 데이터 스트레스 기준으로 사용된다^[3]. 임의의 NRZ 비트열은 $v(t) = \sum_{0}^{k} a_k p(t-kT)$로 표현할 수 있다. 이 중에서 $a \in \pm A$는 서로 독립이며 $p(t)$는 폭이 $T$의 직사형 기저대역 펄스로 가정한다. 직사 펄스의 주파수 응답 $P(f) = T sinc(\pi f T)$을 이용하면 비트열의 전력 스펙트럼 밀도(power spectral density, PSD) 는

가 된다. 이 스펙트럼은 첫 영점 $f = \frac{1}{T} = R_b$ 이전에서 연속적으로 분포하므로, 5 Gbps 링크에서는 2.4 GHz가 주엽 안에 있어 임의 데이터 패턴에서도 2.4 GHz에 유의한 에너지가 분포한다. 실제 송신기/채널의 유한 상승시간과 이퀄라이제이션 효과(equalization response)는 $|H(f)|^2$로 가중하여 보정한다^[4].

2.2 USB Type-C 데이터 전송 시 발생하는 전자파 장해 확인

Intel은 2012년에 USB 3.0이 데이터 전송 시 발생하는 EMI에 관한 실험을 수행하였다^[5]. 실험에서는 노트북 PC(personal computer)와 외장 USB 3.0 저장장치로 간섭원으로 규정하고, 인접한 USB 2.0 포트에 2.4 GHz 무선 마우스 동글을 장착한 뒤, 수평/수직 배치 조건에서 거리별 무선 키보드 응답을 기록하였다. 결과에 따르면 USB 저장장치 및 무선 마우스 동글이 수평으로 배치했을 때 응답 지연(lagging response)이 지속적으로 관찰되었고 수직으로 적층하여 USB 3.0 포트 바로 위에 동글을 배치했을 경우는 모든 거리에서 “무응답(no response)”이 확인되었다. 이는 5 Gbps NRZ 데이터가 2.4 GHz 대역에서 생성하는 광대역 잡음 상승 및 공통모드 방사(common-mode radiation)가 커넥터 틈, 케이블 실드, 섀시 슬롯 등을 통해 결합하면서 수신기의 노이즈 플로어를 상승시킨 결과로 해석된다.

본 연구는 Intel(2012)의 USB 3.0 간섭 실험 프레임을 USB Type-C 인터페이스에서 재현하여 5 Gbps 속도로 데이터 전송 시 2.4 GHz 무선 주변기기 (키보드/마우스 동글)에 미치는 영향을 검증하였다. 단순한 표로 결과를 기록하는 것이 충분히 명확하지 않다. 데이터를 정량화하기 위해 그림 1에 제시한 시험 구성을 이용해서 무선 키보드의 입력을 기록할 수 있는 MATLAB 코드를 작성하였다.

그림 1. Type-C 인터페이스의 전자파장해 검증 방법 및 시험 구성

Fig. 1. EMI validation method and test setup for Type-C interface

0.5 m, 1 m, 2 m의 거리에서 키보드의 동일한 키를 연속적으로 누르고, 프로그램을 통해 각 입력의 시점을 기록한 뒤 입력 간의 지연을 계산하여 이를 도식화하여 제시하였다. 이러한 표현은 Intel 실험의 표 형식에 비해 차이를 더욱 직관적으로 확인할 수 있다.

시험은 전자기파 반사가 약한 상대적으로 넓고 조용하며. 주변에 복잡한 전자기 간섭원이 없는 회의실에서 수행되었다. 수평 배치를 Case 1로, 수직 배치를 Case 2로 정의하였다. 결과표기 기준은 다음과 같이 일원화하였다. ‘Normal’은 USB장치를 연결하지 않고 동글(dongle)만 존재하는 기준 상태에서 1분 이내의 유지 입력 구간에 대해 연속 입력 간 지연(delay)을 계측한 값이며, ‘Connect Only’는 노트북 PC에 USB 장치를 물리적으로 연결하였으나 데이터 전송은 수행하지 않은 상태에서 동일 절차로 산출한 연속 입력 지연을 의미한다. 'With Data Link'는 노트북 PC와 USB 장치를 연결하고 실제 데이터 전송을 수행하는 조건에서 측정한 연속 입력 간 지연 결과를 지칭한다.

그림 2는 USB 및 키보드 동글을 수평으로 배치한 경우의 응답 시간 측정 결과를 제시한다. 그림의 X축은 60초 동안의 총 입력 수를 나타내며, 정상적인 키보드 입력은 1800회이다. Y축은 입력 간 지연 시간을 나타내며, 기록된 입력 시점이 직전 입력 시점을 뺀 값을 응답 시간으로 정의한다.

결과를 통해 거리와 상관없이 모든 실험이 유사한 응답 시간으로 기록되었음을 확인하였다. 정상 동작 시 입력 지연이 0.05초 미만임을 고려하면, 모든 경우의 지연 시간이 0.05초 미만이므로 전자파장해의 영향이 없다는 것을 Case 1의 결론으로 도출할 수가 있다.

그림 2. Case 1 경우의 키보드 입력 응답 시간

Fig. 2. Case 1 keyboard-input response time

그림 3. Case 2, 0.5 m 거리에서 키보드 입력 응답 시간

Fig. 3. Case 2, keyboard-input response time at 0.5 m

USB 및 무선 키보드 동글이 수직으로 배치한 경우에는 거리별로 나타난 결과가 상이하여, 거리별로 키보드 입력 응답 시간을 정리하였다. 그림 3은 0.5 m 거리에서의 키보드 입력 응답 시간 결과이다. 빨간색 “X”는 입력이 끊어진 것을 의미한다. 일상적으로 키보드를 사용하는 거리인 0.5 m에서 데이터 전송 시 입력이 총 5번 끊겼다. 총 입력이 정상적인 동작의 1800회에 비해 800회 부족한 1000회이었다.

그림 4. Case 2, 1 m 거리에서 키보드 입력 응답 시간

Fig. 4. Case 2, keyboard-input response time at 1 m

1 m 거리에서의 키보드 입력 응답 시간의 기록 결과는 그림 4를 통해 확인할 수 있다. 1 m 거리에서 데이터 전송 시 입력이 총 6회 끊겼으며 총 입력은 정상적인 동작에 비해서 1200회 부족하였다. 0.5 m 결과에 비해서 끊김 상황이 1회 더 발생하였고, 전체적인 지연 시간은 증가하였으며 총 입력은 0.5 m에 비하여 더 적었다. 또한, 수직으로 놓고 연결만 한 채 데이터 전송을 하지 않은 상황에서도 1회 끊김이 발생하였다. 총 입력도 400회 부족하였다.

그림 5는 2 m 거리에서의 키보드 입력 응답 시간 결과이다. 측정 결과를 통해 데이터 전송 시 2 m 거리에서 블루투스 키보드 연결이 어려웠음을 확인되었다. 총 8회 끊김이 발생하였고, 총 입력은 정상 동작 대비 1750회 부족하였다. 60초 동안 50회만 입력하는 것은 연결이 거의 이루어지지 않을 정도의 전자파 영향을 받았음을 시사한다. 또한, 연결만 한 경우에는 끊김이 1회 발생하였고, 전체 입력 지연 시간이 증가하였으며 총 입력이 700회 부족하였다. 이는 1 m 조건의 400회 부족에 비해 300회 더 부족한 값이다.

그림 5. Case 2, 2 m 거리에서 키보드 입력 응답 시간

Fig. 5. Case 2, keyboard-input response time at 2 m

Intel의 실험과 유사한 블루투스를 이용한 무선 키보드 실험을 통해 USB Type-C로 데이터 전송 중인 상태에서 그림 6에 따르면, Case 2(수직 배치) 조건에서 2.4 GHz 대역을 사용하는 인접 기기의 정상 동작을 저해하거나 간헐적 오작동을 초래할 수 있을 정도의 전자파장해가 발생 가능성이 관찰되었다. 이에 대한 해석은 후속 절에서 추가 시험으로 정량적으로 검증하였다. 또한, 연결만 하는 경우에도 동일한 방향으로 상대적으로 작은 EMI가 발생함을 확인하였다. 즉 데이터를 전송하지 않더라도 SuperSpeed가 활성(U0) 상태일 때는 페이로드가 없어도 Idle/Ordered Set과 SKP Ordered Set을 지속적으로 전송하여 CDR(clock and data recovery)과 버퍼 동기를 유지한다. 전자파적합성 시험에서는 Scrambled Logical Idle (D0.0)을 권장 시퀀스로 사용한다. 즉, 데이터 전송이 없는 상황에서도 5 Gbps 전이가 계속 발생함을 뜻하며, 그 스펙트럼은 2.4-2.5 GHz 부근에 연속적으로 분포하므로 대규모 데이터 전송 시보다 일반적으로 낮은 전자파장해 수준을 보인다 ^[6].

따라서 이러한 복사 방출 (RE, radiation emission) 문제를 해결하려면, 해당 표준에 따라 복사 방출 측정을 수행하고 방출이 전기장 주도인지 자기장 주도인지 확인하여, 적절한 차폐 구조를 설계하여 적용할 수 있다.

그림 6. Type-C 데이터 전송 시 노이즈 방사 방향

Fig. 6. Noise radiation pattern during Type-C data-links

2.3 해당 표준에 따른 복사 방출 및 근역장 측정

위 글에 게시된 문제를 검증하고자, 한국 멀티미디어기기 방사 시험 중 하나인 KS C 9832에 따라 검증된 반무반향실(SAC, semi-anechoic chamber)에서 3 m 거리, 1-6 GHz 주파수 대역에서 USB Type-C 인터페이스가 5 Gbps 속도로 데이터 전송 시 발생하는 복사 방출을 측정하였다. 수직/수평 편파별로 전 대역을 스캔하고 턴테이블 0-360° 중 최대치를 채록하였으며, RBW 1 MHz로 피크 검파(peak detection)를 결과로 확인하였다. 상세한 측정 시험 구성은 그림 7과 같다.

그림 7. USB Type-C 인터페이스가 데이터 전송 시 1 - 6 GHz 대역의 RE 측정 시험 구성

Fig. 7. RE measurement setup for 1–6 GHz band during USB Type-C data-links

표 1은 KS C 9832 표준의 1 GHz 초과 주파수에서 B급 기기(가정용 기기)의 방사성 방출에 대한 요구 규격을 나타낸 표이다. 표준에 따르면, 평가는 우선 평균 검파(average) 측정값을 한계치와 비교하고, 평균 한계를 초과한 경우에 한하여 피크 검파 한계와 추가 비교를 수행한다. 따라서 가정용 멀티미디어 기기의 1 - 6 GHz 구간 복사 방출은 평균 검파 $50 dB\mu V/m$이하, 피크 검파 $70 dB\mu V/m$이하여야 한다^[7].

그림 8은 3 m 거리에서 수행한 복사 방출(RE) 측정 결과를 나타낸다. 빨간색 보조선은 KS C 9832에서 정의된 피크 값 허용기준(limit)을 의미한다. 여러 조건에서 USB Type-C 인터페이스로 데이터 전송 시 복사 방출을 측정한 결과, 전체적으로는 검정색으로 표시된 환경 잡음과 큰 차이가 없음을 확인하였으며, 2.4 GHz 부근(파란색 표시)에서도 뚜렷한 피크나 증가가 관찰되지 않았다. 즉, 데이터 전송 상태에서도 2.4 GHz 인근의 원거리 방출 레벨은 규격 한계 이내이며, 3 m 조건에서는 유의한 방사 노이즈로 확인되지 않았다.

다만, 원거리 RE 측정에서 뚜렷한 피크가 보이지 않는다는 사실이 곧바로 근거리 간섭 가능성이 없음을 의미하지는 않는다. 이는 KS C 9832 시험 방법이 부적절하다는 뜻이 아니라, 본 연구와 같이 ‘인접 사용 환경에서 특정 방향 결합 경로’가 지배적인 문제에서는 원거리 RE 평가만으로는 결합 메커니즘을 충분히 설명하기 어려울 수 있음을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 원거리 RE 측정 결과와 병행하여, 실제 사용 시나리오에서의 결합 경로를 분석하고 차폐 설계로 연결하기 위한 보완적 접근으로 근역장 스캔 기반 분석을 추가하였다.

그림 8. USB Type-C 인터페이스가 데이터 전송 시 1 - 6 GHz 대역의 RE 측정 결과

Fig. 8. RE measurement result for 1–6 GHz band during USB Type-C data transfer

본 논문에서는 근·원역장 구분을 위해 Ott의 서술을 참고하여, 관측점과 소스 사이의 거리가 증가함에 따라 파동 임피던스가 자유공간 임피던스(377 Ω)로 수렴한다는 점에 착안하였다^[8]. 연구 대상은 2.4 GHz 대역에서 USB Type-C 데이터 전송 중 발생하는 전자파장해 가능성이므로, 해당 주파수에서의 파장 $\lambda$에 대해 근역장/원역장 경계는 일반적으로 $r = \frac{\lambda}{2\pi}$ 로 평가할 수 있다. 본 문제의 특성상 3 m RE(원거리 방사) 측정만으로는 실제 제품 동작 시 DUT 인근에서 형성되는 근역장 분포 및 인접 기기(블루투스 동글 등)로의 결합 경로를 충분히 반영하기 어렵다고 판단되어, 근역장 장강도 측정을 병행하였다. 구체적으로 근역장 측정에는 ROHDE & SCHWARZ HZ-15(E/H Near-field Emissions, 30 MHz~3 GHz) 프로브 세트를 사용하였고, 2.4 GHz 대역 스캔을 위해 전기장 근역장 프로브(RSE10) 및 자기장 근역장 프로브(RS H 2.5-2)를 적용하였다^[9]. 측정 체인은 스펙트럼 분석기(입력 임피던스 50 Ω)에 연결하여 각 프로브 출력의 피크 검파(peak detector) 기록값을 사용하였으며, 실제 동작 조건을 명확히 하기 위해 Type-C USB 저장장치가 노트북 PC로 파일을 최대 전송률로 전송하는 상태에서 프로브를 USB 상부의 고정 위치(상부 1 cm)로 유지한 채 2.4 GHz 대역의 장 강도를 스캔하였다. 또한 동일 조건에서 재현성을 확인하기 위해 해당 측정은 총 4회 반복 수행하였다.

그림 9는 데이터 전송 조건에서 수행한 근역장 스캔 결과를 제시한다. 붉은 점선으로 표시한 2.4 GHz 지점에서 네 차례 측정 모두 유의한 장강도(field strength) 피크가 일관되게 관측되어 재현성이 확인되었으며, 이는 2-2절의 블루투스 키보드 실험에서 확인된 기능 저하와도 정성적으로 부합한다. 따라서 본 연구는 원거리 방사(RE) 규격 측정에서의 적합성 확인과 별개로, 근거리 사용자 시나리오에서 문제될 수 있는 근역장 결합 관점의 전자파 영향 가능성을 근역장 스캔 결과로 추가 검증하였다.

그림 9. USB Type-C 인터페이스가 데이터 전송 시 1 - 6 GHz 대역의 근역장 측정 결과

Fig. 9. Near-field scan results for 1–6 GHz band during USB Type-C data transfer

2.4 근역장 차폐하기 위한 장주도 모드 판별

근역장의 차폐 구조를 설계하는 과정에서 파동 임피던스 (wave impedance) 평면파의 임피던스 ($\eta_0 \approx 377\Omega$) 에 비해서 얼마나 다른지가 차폐를 어떤 식으로 적용이 될 것에 매우 중요한 요소이다. 파동 임피던스는

로 전의된다. 근역장에서는 장주도 모드에 따라서 파동 임피던스를 상황별로 고려해야 하며, 주로 전기장 주도(E-field-dominant near field / capacitive near field) 모드 및 자기장 주도(H-field-dominant near field / inductive near field) 모드로 나눌 수 있다.

전기장 주도 시, 식 (3)을 이용해서 전기장 주도 근역 장의 파동 임피던스를 계산할 수 있으며 자기장 주도일 때, 식 (4)을 통해 자기장 주도 근역 장의 파동 임피던스를 얻을 수 있다. 위 과정을 상황별로 정리한 결과는 그림 10과 같다. 그림은 H. W. Ott.저서에서 제시된 근역장 개념과 일치한다^[8].

그림 10. 파동 임피던스 소스로부터 거리에 따른 차이점

Fig. 10. Wave impedance depends on the distance from the source

그림에서 X축은 소스 R로부터의 정규화 거리이며, r = 1일 때의 실제 거리는 근역장 및 원역장의 임계점이 될 수 있다. 이 지점 왼쪽에 각각 파동 임피던스를 나타내는 두 개의 선이 있는데, 하나는 상승하는 경향을 보이고 다른 하나는 하락하는 경향을 보이며, 각각 자기장 주도 근역장과 전기장 주도 근역장 파동 임피던스의 변화를 의미하다. 관심 대상인 USB Type-C 인터페이스의 근역 장 방사 모드를 확인하기 위하여, 실제 측정이 가능한 거리를 고려해 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm의 다섯 지점을 선정하였다. 동일 지점에서의 전기장/자기장 비교를 위해 E-프로브와 H-프로브를 하나의 공용 지그에 정밀하게 장착하며 지그 상에 1-5 cm 위치 표식을 마련한 뒤, 기록 시 프로브 정렬이 항상 동일한 참조에 일치하도록 정렬·고정하였다. 이후 각 위치에서 취득한 데이터를 전기장/자기장 강도 값으로 정규화하고 식 (5)에 따라 파동 임피던스로 환산하여, 거리별 경향을 분석함으로써 근역장의 장주도 모드를 판별하였다. 그림 11(a)는 측정 개념도이고 그림 11(b)는 실제 측정 사진이며, 측정은 상기 조건에서 수행하였다.

근역장 측정 장비는 전술한 HZ-15(E/H) 프로브 세트(ROHDE & SCHWARZ)를 동일하게 사용하였고, 2.4 GHz 대역에서는 RSE10(E) 및 RS H 2.5-2(H)를 이용하였다^[9]. 측정 체인은 E-field 프로브와 H-field 프로브의 출력 전압을 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)($50\Omega$)에서 각각 $U_E$, $U_H [dB\mu V]$로 읽어 저장하였다. 식 (2)을 적용하여 파동 임피던스를 산출하고 그 경향성을 검토하기 위하여, 측정값을 대응하는 전기장/자기장장 강도로 환산한 뒤 계산을 수행하였다. 또한, E-근역장 프로브는 일종의 단극 안테나, H-근역장 프로브는 일종의 루프 안테나으므로 안테나 팩터를 이용해서 전압/전류 강도를 전기장/자기장 장강도로 전환하였다. R&S 공식 문서에 따르면 R&S에서 E-근역장 프로브 안테나 팩터는 “frequency-dependent transducer factor (Ke)”, H-근역장 프로브 안테나 팩터는 “Frequency-dependent transducer factor (Kh)”로 표기한다^[10].

그림 11. 장주도 판별 측정 (a) 개념도 (b) 측정사진

Fig. 11. Measurement to determine near-field dominance (a) conceptual diagram (b) photograph of the setup

식 (7)에 나타난 바와 같이 동일 단위계에서 로그 차를 취하면 파동 임피던스를 바로 계산할 수 있다. R&S HZ-15 데이터시트 기준으로 $f = 2.4 GHz$에서 $K_e \simeq -42 [dB/m]$, $K_h \simeq -29 [dBA/(Vm)]$ 이며 파동 임피던스의 계산식은 식 (8)과 같다.

그림 12. 거리에 따른 파동 임피던스 변화 추세

Fig. 12. Trend of wave impedance changing with distance

그림 12는 USB Type-C 인터페이스가 5 Gbps 속도로 데이터 전송 시, USB 본체 상부 방향에서 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm 위치에서 측정하여 계산한 파동 임피던스를 제시한다. 그림 12의 ‘Distance’는 DUT 기준점(커넥터 중심선 상부)으로부터 수직(Z) 방향으로 근역장 프로브를 이격시킨 높이를 의미한다. 즉, 동일한 XY 위치에서 프로브의 높이를 1–5 cm로 변화시키며 수행한 1D line scan으로부터 각 거리의 E/H를 측정하고 파동 임피던스를 산출하였다. 데이터가 많아 전 구간을 모두 제시하지 않고 2.4 GHz 부근의 총 11개 주파수 포인트만을 발췌하여 도시하였다. 도시한 11개 주파수에서의 파동 임피던스 곡선은 1 cm부터 5 cm까지 전체적으로 하강하는 경향을 보였다. 그림 10의 이론에 따르면, USB Type-C 인터페이스가 데이터 전송 시 발생하는 노이즈 방사는 전기장 주도임을 확인할 수 있다.