안테나 매칭

안테나 매칭~~ 매일 4번씩 읽어보세요 그럼 좀 이해를 할수 있다고 합니다 ~~

글쓴이 : HL2OUK (218.♡.103.80) 날짜 : 2015-02-23 (월) 19:59 조회 : 5637 신고 인쇄

꼭 알아두어야 할 안테나 매칭 ~~~

임피던스 매칭 - 공급측(전원, 신호원, 무전기, 고주파발진기 등)이 가지고 있는 고유한 내부저항치(정확히는 자체 임피던스)와 소모측(부하, 안테나, 부하 임피던스 등의 소비대상)의 부하저항치(정확히는 부하 임피던스)를 서로 같도록 인위적으로 매칭(조치)하는 행위로서 공급측이 소모측으로 최대의 전력(W)이 전달되도록 임피던스를 강제로 동일하게 인식하도록 착각시키는 행위이다.

 

이때 동일하게 착각하도록 인식시키는데 필요한 방법으로는 바룬(Balun, 발룬, 밸런... 같은 말임)이 필요하며 그 두 대상 사이에 넣어서 상호간의 완충지대를 둠으로써 원활하게 그리고 최대로 전력이 전달시키는 용도로 이용된다.

 

 

좀 쉽게 이해하자면 교류성분에서 순저항 레지스턴스와 방향성을 갖는 저항치 리액턴스의 합이 임피던스인데

 

이 중에 레지스턴스만 남기고 리액턴스를 상쇄시켜버려서 회로에는 순수 저항(R)만 가진 상태로 만드는 방법이다라고 생각하면 거의 맞다.

 

리액턴스를 상쇄시키는 방법은 결국 R-L-C 회로를 생각해보면 L과 C가 값은 값을 갖게하면 되는 것이다. 이 두 성분이 같은 값을 갖게된다라는 것은 방향성이 갖는 성분이 서로 각각의 방향(180도 반대 방향)으로 힘을 작용하려다 결국은 0이 되는 이치이다.

 

주파수를 가지고 있는 교류성분 즉, 교류전원이나 고주파(전파) 전류, 주파수 발생기 등은 모두 이러한 방법으로 임피던스 매칭을 시킬 수 있는 소스들이다. 왜냐하면 L과 C를 같게 하는 행위가 그 유명한 공진(resonance)이기 때문이다. 그래서 공진주파수를 찾아내면 그 지점이 바로 L과 C가 같은 값이 되는 지점이며 임피던스 매칭이 되는 주파수 값이기 때문이다.

 

임피던스 매칭이 된다면 반사전력이 없이 모두 소모하므로 전파의 경우는 정재파비(SWR)가 1:1된다.

 

안테나에서 SWR를 최소화하는 이유가 여기에 있다.

 

쫌 유식하게 적자면 (루트 송신출력 + 루트 반사출력) / (루트 송신출력 - 루트 반사출력)의 식이 성립되는데 여기서 반사출력이 0이기 때문에 정재파비는 1/1 즉, 1:1이 되어 이상적인 전력전달이 되는 것이다.

 

 

예를 들어보자면......

 

 

무전기는 내부 임피던스가 50옴으로 생산된다. 동축케이블 역시 제조 당시부터 50옴 용으로 생산된다.

 

하지만.... 안테나는 50옴인지 얼마인지 전혀 알 수 없는 값으로 만들어진다. 물론, 공장에서 기성품으로 만들어 파는 안테나는 당연히 50옴에 근사하도록 생산되어진다. 하지만, 현실은 안테나에 있는 것이 아니라 안테나를 설치하는 과정이나 전파환경이 절대 50옴이 되도록 두지 않는다.

 

 

과연 안테나라는 것이 뭔가라는 의문부터 가지고 접근하면 이해가 빨라지지 않을까 싶다만.... 안테나는 일종의 확장된 도선이다. 그냥 선이다. 재질도 역시 금속성이며 전파를 보내야 하니 전기적 특성이 우수해야함은 당연하다. 임피던스라는 것이 교류에서 나타나는 전류의 흐름을 방해시키는 저항성분이니 안테나 역시 이 임피던스라는 놈에게 자유롭지 못하다. 왜 자유롭지 못하느냐..... 임피던스라는 정의부터 알고나면 고개가 끄덕겨진다. 임피던스는 도선이나 부하에서 순저항 성분과 리엑턴스 성분이 합하여 만들어진 어떤 회로나 전기설비 등에 정량적으로 표기되는 저항체의 단위이다.

 

다연히 안테나가 도선과 같은 류에 해당된다고 이미 말했으니 특히 교류성분의 전원이나 주파수 발생기의 소스로부터 임피던스에서 자유롭지 못한 태생적 한계가 있는 것이다. 게다가 도선은 코일의 특성- 전압보다 전류의 위상차가 90도 앞서는 것 - 이 더 많이 간직하고 있긴해도 유도성 성분과 용량성 성분이 리엑턴스의 주 성분이니 최대전력전달을 하려면 이 리엑턴스 성분을 없애야 하는 과제를 안고 있는 것이다. 그래서 최대전력 전달을 위해 안테나에서 공진점을 찾는 것이다. 갑자기 안테나에서 공진점을 왜 찾느냐..... 리엑턴스의 성분이 인턱터 즉 코일과 캐패시터 즉 콘덴서의 양이기 때문에 이 두 성분이 같은 값을 가지는 순간 임피던스는 순저항 성분만 가지게 된다. 왜냐 코일과 캐패시터는 방향성이 있는 벡터 성분이라서 서로는 정확히 180도의 반대방향의 성질을 가지고 있기 때문에 두 성분의 값이 같으면 서로 상쇄되어 결국 0이 되기 때문이다. 이렇게 리엑턴스가 0이 되고 안테나의 순저항 성분만 남아있는 상태를 공진(레조넌스 ; 공명이라 하기도 하지만....)이라 한다.

 

공진상태가 되면 말 그대로 저항만 남기 때문에 공급측 전력이 소모측으로 최대로 전달되어 전력전달이 가장 좋은 상태가 되는 것이다. 안테나에서 공진점 즉 공진주파수를 찾는 이유는 결국은 무전기에서 출력이 안테나를 통해 전파로 변해서 잘 나가게 하기 위한 목적이고 공진하는 주파수 영역이 알맞게 된다면 그 주파수 영역에서의 안테나를 최상으로 사용할 수 있는 것이다.

 

 

물론 안테나의 임피던스(여기선 공진을 하니 순저항값이)가 얼마인지 알아내진 않았지만 항상 그 값이 일정하지도 않다. 날씨의 영향도 받고 기후적 특성도 작용한다. 다시말해 50옴용 안테나라는 것이 존재하지 못한다라고 생각하면 가장 정확할 것이다.

 

 

최대전력전달이란 전원측에서 부하측으로 외부 손실없이 오로지 부하의 소모용으로만 모든 전력이 쓰이게 하는 것이 최대전력전달이다.

 

안테나의 임피던스 매칭이 안테나 본연의 기능을 수행하도록 좌우시키는 중요인자인 이유이다.

 

그래서 안테나를 자작하는 많은 아마추어무선사들이 공진점을 찾을려고 안테나를 제단하고 야외나 장소를 옮겨 설치할라치면 안테나 아널라이저로 SRW값을 측정하고 그 값이 1 :1.5 이내의 범위에 들어오도록 안테나의 높이, 길이나 방향을 잡느랴 정신이 없는 걸 볼 수 있다.

 

이 또한 최적의 상태로 무선설비를 운용하려고 하는 눈물겨운 현장인 것이다.

 

 

여기서 최대 전력전달이 뭔가에 대해 곰곰히 생각해봐야 할 일이다.

 

가령, 무전기의 임피던스가 50옴이면 안테나의 임피던스도 50옴이 되면 옴의 법칙에 따라 안테나로 전달되는 전력은 최고값을 갖게된다. 50옴이 안되어도 소비되는 전력(여기선 무전기로부터 전달 받은 신호전력)이 낮게되고 50옴이 초과되어도 역시 마찬가지로 전력이 50옴일때보다 못하다.

 

이러한 사실관계 입증 부분의 계산적 검정은 여기서는 생략한다. 어차피 계산해봐야 50옴일 때 부하에서 소비되는 전력이 최대가 나온다.

 

입증 예시를 따로 표기해야 믿겠지만 간단히 글로써 적자면 이렇다. 공급측의 전원이 100V이고 내부 임피던스가 50옴일때 부하측의 임피던스가 50옴이 되면 소비되는 전력은 50W가 된다. (거짓말 같으면 계산해보시길)

 

이때 흐르는 전류는 1A이므로 공급측 내부 임피던스 걸리는 전압이 50V가 되고 부하측 전압도 역시 50V가 인가된다. 따라서 보내는 공급측의 전력이 50W가 나오고 받는 부하측도 역시 50W로 되어 최대전력전달이 이루어지는 샘이다.

 

하지만, 부하측 임피던스가 60옴이 되면 48.6W가 된다. 반대로 40옴이 되면 48.4W이 된다.

 

다시 말해서 양쪽의 임피던스가 각각 50옴으로 같으면 50W가 나오지만 같지 않으면 그 보다 낮은 전력이 전달된다는 소리다.

 

임피던스 매칭이 최대 전력전달에 있는데 양쪽의 임피던스가 같지 않음으로 인해서 최대전력전달 실패 뿐 아니라 무전설비의 경우에는 안테나로 송신출력이 나가지 못하고 되돌아 오게되어 양질의 전파송신 불량 뿐 아니라 무전기에 damage를 야기하여 무전기 성능을 저하시키게 만든다.

 

 

이러한 문제를 개선하고자 나타난 것이 바룬이라는 것이다. 무전기에서 만든 출력을 안테나로 최대출력으로 전달하기위해 안테나가 가지고 있는 임피던스를 무전기나 동축케이블이 가지고 있는 임피던스 50옴으로 강제로 맞춰주어야 하는데 그때 바룬이 강제로 매칭시는 기능을 한다는 것이다.

 

(사실, 바룬 입장에서의 기능은 안테나 임피던스 매칭의 목적보다는 안테나를 통해 송출되어야 할 전력이 모두 나가지 못하고 반사되어 되돌아오는 즉, 반사전력이 무전기로 되돌아 들어와 무전기에 영향을 주지 않도록 불평형인 동축케이블에서의 누설전류를 억제시키는 기능이지만 전체적인 안테나, 동축케이블, 무전기 등의 설비를 묶어서 볼 때 바룬은 임피던스 매칭에 활용되는 중간자적 역할을 한다.)

 

쉽게 말해서 무전기 임피던스가 50옴이고 안테나가 200옴 정도의 차이값을 가지고 있다고 한다면 무전기 입장에서는 송신할 때 송출될 전력이 잘 나가도록 안테나 임피던스가 50옴이 되어있길 바라고 안테나 입장에서는 전파를 받아들이 경우에 무전기의 저항이 200옴이 되어 있길 바라지만 실상은 상호간에 임피던스 격차가 존재하는 것은 현실이다.

 

이러한 괴리의 값을 특정 소자를 사용해 강제로 같은 것 처럼 착각을 일으키게 조치해놓으면 무전기와 안테나의 양자간에 동작은 아주 최적화되어 동작된다는 소리다. 이것이 임피던스 매칭이라 생각하면 거의 맞다. 그리고 이때 사용하는 대상체가 바로 전압바룬이라는 것이다.

 

 

상기의 무전기와 안테나를 예를 가지고 비교하여 설명하자면 무전기와 안테나는 임피던스의 비가 50옴 : 200옴 으로 약 1:4 비를 보인다. 이 비율은 임피던스비가 그렇다는 것이다. 이 임피던스비는 전압비로 나타내면 딱 제곱근의 값을 가진다. 1:4 는 1^2 : 2^2과 같은 꼴인데 이때 1:2 비로 나타낸 것이 전압비인 것이다.

 

전압바룬이 등장한 이유는 이 전압비가 임피던스비를 결정짓는 방법으로 활용할 수 있다는 이유 때문이다.

 

 

다시 말해 전압비를 조절하면 절대 변할 수 없는 고정된 값으로 여겼던 임피던스비를 실제 50옴 대 200옴인 상황에서 50옴(200옴) 대 50옴(200옴) 임피던스비를 갖는 것처럼 느끼게 만들어줄수 있다는 것이다.

 

 

임피던스비를 알면 전압비로 환산하여 무전기와 안테나의 임피던스가 미스매칭되는 현재의 상황을 임피던스가 매칭이 된 것으로 착각을 일으키도록 조작할 수 있는 방법이 존재한다는 것과 같은 말이다.

 

 

1:4 바룬이라는 말은 임피던스비가 50옴 대 200옴인 것을 50옴 대 50옴 또는 200옴 대 200옴 처럼 서로 동일시 하게 인식시켜버리는다는 조작질을 해놓은 바룬이라 하겠다.

 

 

그럼 , 어떻게 1:4 바룬이 만들어지느냐..... 앞서 말한 전압비가 그 해결책이다. 바룬에 사용되는 토로이달 코어는 일종의 전압트랜스 즉 변압기이다. 변압기는 1차권선과 2차권선의 권선비 달리하면 전압비와 전류비가 달라져 버린다. 즉 전압비가 1:2 비를 갖도록 만들려면 1차 권선을 5바퀴 감고 2차 권선을 10바퀴 감으면 바로 1:2 비율이 된다. 또는 1차를 10바퀴, 2차를 20바퀴 감아도 비율은 역시 1:2 인 것이다. 이런 비율로 감은걸 1:2전압비 즉 1:4 바룬이 탄생하는 것이다.

 

무전기와 안테나 사이에 1:4 바룬을 집어넣으면 임피던스 매칭은 성공한 것이라고 이 선에서 생각을 접을 수도 있겠지만 가장 중요한 무전기로 반사되는 누설전류를 차단할 수 있도록 조치가 완료되었다라고 생각하면 정답이다.

 

여기서 문제가 되는 것은 그럼.... 안테나 임피던스는 어떻게 알아내느냐.....안테나 임피던스를 알아야 1:4 바룬을 만들든지 1:9 바룬을 만들든지 아니면 1:1 전압 바룬을 만들든지 할게 아닌가.....

 

가장 중요한 안테나의 임피던스가 얼마냐 하는 걸 나도 모르겠다. 어떻게 찾지??

 

이건 휘트스톤 브릿지의 원리를 이용하면 알게된다.

 

브릿지 회로에서 4개의 저항을 연결하고 3개의 저항값을 알고 있을 때 나머지 하나인 저항 즉 미지저항을 찾는 방법은 간단하다. 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge) 회로를 찾아보시길....

 

 

 

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HL2OUK (218.♡.103.80) 신고 2015-02-23 (월) 20:43