예제를 통한 SWR 이해하기(2006년 11월호 ARRL QST기사 번역)

[HL2IR]

SWR이란 무엇입니까?

SWR은 기술 전문가에 의하면 전압 정재파 비율의 의미로 VSWR이라고도 합니다.

좋아요, 그런데 그게 실제로 무슨 뜻인가요?

SWR을 쉽게 이해하는 가장 좋은 방법은 예제를 이용하는 것입니다.

일반적인 햄 스테이션 구성에서는 송신기가 피드 라인에 연결되고, 피드 라인이 안테나에 연결됩니다.

송신기에 키를 입력하면 전송선 입력에 무선 주파수 (RF) 전압이 발생합니다.

전압은 급전선을 따라 다른 쪽 끝에 있는 안테나로 이동하며 이를 순방향파라고 합니다.

어떤 경우에는 전압의 일부가 안테나에서 반사되어 먼 절벽에서 울려 퍼지는 음성처럼 송신기를 향해 반대 방향으로 라인을 따라 다시 전파됩니다.

SWR은 순방향 및 역방향 전압 파형에 발생하는 현상과 크기 비교 방법을 측정한 것입니다.

송신기가 50Ω 동축 및 50Ω 안테나에 연결되면 어떤 일이 발생하는지 살펴보겠습니다.

지금은 동축 케이블에 손실이 없고 송신기가 1W CW 신호를 생성한다고 가정합니다.

오실로스코프를 사용하여 송신기 출력의 신호를 보면 사인파가 표시됩니다.

사인파의 진폭은 송신기가 생성하는 전력량과 관련이 있습니다.

진폭이 큰 파도는 더 많은 전력을 의미합니다.

이 에너지 파동은 전송선을 따라 이동하여 안테나에 도달합니다.

케이블과 마찬가지로 안테나 임피던스가 50Ω이면 모든 에너지가 안테나 시스템으로 전달되어 방사됩니다.

측정한 전송선의 어느 곳에서나 전압 파형은 송신기에서 나오는 사인파와 정확히 동일하게 측정됩니다.

이것을 정합 조건이라고 하며, SWR이 1:1 이 된것입니다.

저항성 부하(사이드바 참조)의 경우 SWR은 (부하 R)/Z0 또는 Z0/(부하 R) 중 1.0보다 크거나 같은 결과를 제공하는 값으로 쉽게 계산할 수 있습니다.

부하 또는 종단 저항은 전송선 끝에 있는 모든 것의 RF 저항입니다.

안테나, 증폭기 또는 더미 로드일 수 있습니다.

라인 임피던스 는 전송 라인의 특성 임피던스이며 라인의 물리적 구성과 관련이 있습니다. 도체 크기, 도체 사이의 공간, 절연체에 사용된 플라스틱 등 모두 라인 임피던스에 영향을 미칩니다.

일반적으로 케이블 제조사는 라인 임피던스가 나열되며 사용자가 이를 변경하기 위해 할 수 있는 일은 없습니다.

그런데 안테나가 50Ω이 아니라면 어떨까요? 안테나가 100Ω이고 케이블이 여전히 50Ω이라고 가정합니다. 이 설정의 SWR은 100/50 또는 2:1로 계산됩니다.

이제 에너지 파동이 안테나에 닿고 그 일부가 안테나에 의해 방사되지만 일부는 송신기를 향해 라인 아래로 다시 반사됩니다. 즉, 안테나가 선로와 일치하지 않아 반사가 발생합니다. 2:1 SWR의 경우 전압파의 33%가 라인 아래로 에코처럼 반사되는 것으로 나타났습니다. 표 1에는 다양한 SWR 값에 얼마나 많은 전압과 전력이 반영되는지 나열되어 있습니다.

조건이 일치하지 않는 경우 전송선을 따라 흥미로운 일이 발생합니다.

이전에는 매칭된 안테나를 사용하면 라인을 따라 어느 곳에나 동일한 전압이 존재했습니다. 이제 선의 거리를 따라 이동하면 전압이 변경됩니다. 이제 봉우리와 계곡이 생겼습니다.

안테나로부터의 33% 반사는 순방향 전압파에 교대로 더해지고 뺍니다. 케이블의 어떤 부분에서는 반사 연결 전압이 133%까지 추가되고 다른 부분에서는 일치하는 송신기 출력의 66%까지 뺍니다. 전압 비율은 133/66 또는 2.0입니다. 해당 전압 비율이 SWR을 정의합니다. 라인을 따른 전압이 위치에 따라 변하고 송신기에서 생성되는 전압과 다르다는 사실을 정재파라고 합니다. 정재파는 선이 일치하지 않는 경우에만 존재합니다.

SWR이 높을수록 전송되는 전력이 낮아지나요?

항상 그렇게 극적인 것은 아닙니다. 

믿거나 말거나, 앞의 두 예에서는 실제로 전력의 100%가 전달 되었습니다 .

첫 번째 경우, 50Ω 안테나의 경우 반사가 없기 때문에 모든 전력이 방사될 안테나로 어떻게 전달되는지 쉽게 확인할 수 있습니다.

두 번째 경우, 33% 전압 반사는 송신기로 다시 이동하여 멈추지 않고 송신기에서 전방 파동과 함께 다시 안테나 쪽으로 재 반사

됩니다.

에너지는 무 손실 전송선 이라면 안테나에 의해 모두 방사될 때까지 케이블 내부에서 앞뒤로 바운스됩니다 .

알아야 할 중요한 점은 손실이 매우 낮은 전송선을 사용하면 SWR에 관계없이 대부분의 전력이 안테나에 전달될 수 있다는

것입니다 .

이후의 예에서는 이것이 어떻게 발생할 수 있는지 보여줍니다.

높은 SWR이 나쁜가요, 아니면 아닌가요?

이제 SWR이 무엇인지 이해했으므로 몇 가지 예를 통해 특정 조건에서 SWR이 높으면 전력 방출이 줄어들 수 있고 다른 경우에는 별 문제가 되지 않는 이유를 알 수 있습니다.

SWR이 안테나 시스템에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 가장 쉬운 방법은 차트 세트를 사용하는 것입니다. 그림 1과 2는 전송선을 논의하는 장의 ARRL 핸드북에서 가져온 것입니다.

핸드북에는 제가 여기서 제시하는 것보다 훨씬 더 많은 이론이 있으므로 전송 회선 에 대한 전문가가 되고 싶다면 여기에서

더 많은 것을 배울 수 있습니다.

이전 예에서는 전송선 에 손실이 없었고 모든 전력이 안테나로 전달되었습니다.

이는 반사에 무슨 일이 일어나고 있는지 시각화하는 좋은 방법이지만 모든 전송선에 약간의 손실이 있기 때문에 현실 세계와 일치하지 않습니다.

보다 실용적이고 간단한 상황은 다음과 같습니다.

이번에는 총 손실이 3dB(50% 전력)인 50Ω 케이블 길이와 50Ω 안테나가 있습니다. 따라서 SWR은 1:1입니다.

1W를 전송하면 안테나에 0.5W가 적용됩니다. SWR은 1:1이므로 걱정할 불일치 손실이 없습니다.

매우 간단한 상황이며 차트가 필요하지 않습니다. 인생이 그렇게 단순하다면!

다음으로 동일한 동축 케이블을 사용하여 100Ω 안테나를 사용해 보십시오. 100/50 = 2.0이므로 SWR은 안테나에서 2:1입니다.

그림 1에 따르면, 추가 로 0.35dB의 불일치 손실을 예상합니다 .

케이블 손실까지. 이 경우 총 3.35dB의 신호가 손실되고 안테나에 0.46W가 전송됩니다. 1:1의 완벽한 SWR과 큰 차이가

없습니다.

동일한 케이블로 SWR이 3:1이면 어떻습니까? 다시 그림 1에 따르면 0.9dB의 추가 손실이 발생하므로 안테나에 대한 총 손실은 3.9dB 및 0.41W가 됩니다.

이는 SWR이 3:1이더라도 여전히 추가 손실이 크지 않습니다.

대부분의 조건에서 0.9dB의 전력 감소는 공중에서 눈에 띄지 않습니다. 3:1 SWR에서도 신호는 크게 감소 하지 않았습니다 .

SWR 대 손실 표를 사용하면 일치하는 케이블 손실을 알고 있는 한 특정 안테나 시스템에 대한 추가 손실이 무엇인지 쉽게

파악할 수 있습니다.

그게 전부인가요?

아니요, 정확히는 아닙니다. SWR의 세계에는 탐험할 것이 더 많이 있습니다.

길고 손실이 많은 전송선에서 매우 이상한 상황이 발생합니다.

이로 인해 SWR이 안테나에서는 형편없더라도 송신기에서는 양호하게 나타나게 됩니다.

잘 측정된 SWR, 피드 라인의 막대한 손실 및 전력 공급이 전혀 발생하지 않는 경우가

전적으로 가능합니다.

여기에 예가 있습니다. 방금 새 2미터(144 Mhz) 안테나를 설치하고 120피트의 RG-8X 케이블을 연결했습니다.

제조업체 데이터에 따르면 2미터 주파수에서 이 케이블 길이에 대해 4.5dB의 케이블 손실이 예상되어야 합니다. 좋지는 않지만

당신은 그것을 받아들입니다.

송신기에서 SWR을 측정하고 2:1로 기록합니다. 이는 좋지도 않지만 너무 나쁘지도 않습니다. 하지만 잠깐만요.

얼마나 좋은가요?

케이블에서 앞뒤로 반사되는 모든 반사를 기억하시나요?

앞서 나는 그것들이 결국 방출된다고 말했지만 그것은 케이블 손실이 없을 때 입니다.

이제 이야기는 달라집니다. 우리는 손실을 입었습니다 .

케이블의 각 반사는 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동할 때마다 4.5dB씩 또는 9dB 왕복으로 감쇠됩니다.

케이블 손실로 인해 반사가 감쇠되고 반사가 방출되는 대신 케이블에서 소멸됩니다.

그렇다면 실제로 얼마나 나쁜가요? 그림 2를 살펴보십시오.

송신기의 SWR이 2:1이고 케이블 손실이 4.5dB인 경우 차트에는 안테나의 SWR이 20:1로 표시됩니다! 우와! 이는 송신기 에서

측정된 2:1보다 훨씬 나쁩니다 .

그림 1을 되돌아보면 안테나의 20:1 SWR로 인해 추가로 7dB의 불일치 손실이 발생합니다. 실제로 손실이 4dB에 불과하다고

생각한 안테나 시스템의 손실은 11dB입니다. 송신기 전력 의 1/10 미만이 방출됩니다!  맙소사!

동일한 케이블에 안테나 대신 개방 회로가 있고 길이 가 수백 피트인 경우 송신기 의 SWR 미터는1:1로 읽겠습니다.

왜? 케이블 손실로 인해 매우 긴 케이블이 케이블에서 반사가 사라지면서 송신기에 대한 가상 저항처럼 나타나는 경향이

있기 때문입니다.

어떤 반사도 1:1 SWR처럼 보이지 않는다는 점을 기억하세요.

이 경우 가상 저항의 값은 특성 임피던스의 정의인 50Ω입니다. 또는 일부 케이블을 50Ω이라고 부르고 일부 케이블을 75Ω 또는 300Ω이라고 부르는 이유도 있습니다.

그 숫자는 케이블이 무한히 길 경우 RF가 보게 될 임피던스입니다. 또는 에너지 반사를 일으키지 않고 케이블과 일치시키기 위해 필요한 부하의 저항이기도 합니다.

이 이야기의 교훈은 특히 케이블 길이가 긴 경우 안테나에서 SWR을 측정하는 것입니다. 송신기에서의 SWR 측정은 속일 수

있습니다.

두 번째 교훈은 케이블 제조업체가 손실 수치를 인용할 때 SWR이 1:1, 즉 완벽한 일치를 기반으로 한다는 점을 아는 것입니다.

완벽하게 일치하지 않는 경우 추가 손실이 발생할 수 있습니다.

높은 SWR에 래더 라인(사다리 모양의 급전선)이 작동하는 이유

오픈 와이어 라인, 윈도우 라인, 래더 라인은 라디오 초창기부터 사용되어 왔습니다.

이러한 유형의 케이블의 손실은 HF 주파수에서 매우 낮기 때문에 그럴 만한 이유가 있습니다.

이는 최고의 동축 케이블을 제외한 모든 케이블보다 낮습니다.

예를 들어, 300피트의 450Ω 래더 라인은 일치 시 30MHz에서 0.5dB 미만의 손실을 갖습니다.

좋은 품질의 값비싼 동축 케이블은 같은 길이에서 1dB의 손실을 가질 수 있지만 대부분의 고급 아마추어 동축 케이블은 그러한

조건에서 2dB 이상의 감쇠를 갖습니다.

송신기에서 매칭이 제공되는 경우 공기 유전체(또는 윈도우 라인의 경우 대부분 공기)를 가지고 있는 래더 라인이

높은 SWR을 갖는 안테나에서 효과적으로 사용될 수 있는 것은 이러한 낮은 손실 때문입니다.

이 유형의 래더 라인은 손실이 적기 때문에 대부분의 반사가 케이블 내에서 손실되는 대신 방사될 수 있습니다.

마지막 예는 이것이 어떻게 작동하는지 보여줍니다.

방금 전파장 HF 다이폴 안테나를 설치했습니다.

이를 공급하려면 30MHz에서 0.5dB의 손실을 갖는 300피트의 450Ω 래더 라인을 사용합니다.

10미터 길이의 안테나를 모델링했는데 우연히 임피던스가 4500Ω이라는 것을 알게 되었습니다.

이는 래더 라인의 SWR 4500/450 또는 10:1에 해당합니다.

꽤 나쁘죠? 그렇게 빨리 결론 내리지 마십시오.

그림 1을 참조하여 일치 손실이 0.5dB임을 알면 SWR 10:1에서 0.9dB의 추가 손실이 표시됩니다.

이 안테나 시스템의 총 손실은 1.4dB입니다. 나쁘지 않습니다.

밸런스드 라인 튜너를 장착하면 바로 사용할 수 있습니다!

당신의 똑똑한 알렉 친구는 동일한 안테나를 설치하기로 결정했지만 안테나가 라디오에서 불과 40피트 떨어져 있고 사다리

모양의 선이 마음에 들지 않는다는 사실을 알고 가장 좋고 가장 비싼 동축 케이블을 선택했습니다.

그는 자신의 동축 손실이 래더 라인의 절반인 0.25dB로 지정되어 있다고 자랑합니다.

그는 불일치를 해결하기 위해 튜너를 사용할 수도 있다고 생각합니다.

당신은 안테나의 4500Ω이 그의 50Ω 케이블에서 90:1의 SWR을 제공하여 0.25dB 케이블 손실을 넘어 12dB의 불일치 손실이

발생한다는 것(래더라인 대신 동축 케이불을 사용했을 경우)을 알고 있기 때문에 조용히 그에게 미소를 지었습니다.

물론 그는 라디오의 튜너를 사용하여 SWR을 1:1로 조정할 수 있지만 누가 DX를 잘 할지 추측해 보세요.

결 론

SWR이 심각한 문제이거나 그다지 중요하지 않은 문제일 수 있다는 점을 사례를 통해 보여줄 수 있었으면 좋겠습니다.

그래프와 전송선 및 안테나에 대한 약간의 정보를 사용하면 실제로 방송되는 신호의 양이나 전송선에서 손실되는 신호의 양을

쉽게 확인할 수 있습니다.

글쓴이

K5DVW인 Darrin Walraven은 1986년부터 18세의 나이로 라이센스를 받았습니다. 그는 DX, CW 및 SSB를 즐깁니다. 그는 텍사스 A&M 대학교에서 공학 학위를 취득했으며 RF 설계 엔지니어로 근무하고 있습니다. k5dvw@hotmail.com으로 그에게 연락할 수 있습니다.

swr.pdf

961.41KB

                                              영어 원문을 첨부합니다.

[HL1FY]

수천 Volt나, 수백 Amp 를 다루었던 강전 Engineer의 경험으로는 이론이나 실제를 막론하고 이해하기 어려운 과제입니다. 더군다나 서양말에도 어둔할 뿐 아니라 용어조차 생소한 지금의 시점에서는 더 더욱 문맹이 되어가고 있습니다. 그래도 알아야 한다면?? 더듬거려 가면서도 공부는 해야 하겠지만 이젠 석두가 되어서 도저히 ~~~~~ ㅋㅋㅋㅋ

[HL1HG]

어렵지 않은 것 같지만 사실은 매우 어려운, SWR에 대한 이해에 많은 시사점을 주는 기사군요. 좀더 정독해서 이해해 보도록 해야 할 듯 합니다. 자료 고맙습니다.

[HL2IR]

위 글을 한마디로 하면 저 손실 급전선을 사용하면 SWR이 높더라도 안테나로 방출되는 에너지의 손실이 크지 않다는 것입니다. Figure1(표 1) 을 보면 손실율 0.5db의 급전선을 사용할 경우 SWR 이 5:1 이 되도 추가 손실은 0.45db 가 되어 합계 손실이 0.95db
즉 1 db 이하가 되어 손실이 1 db 가 되는 동축 게이불을 사용하여 SWR 을 1:1 로 만든 것과 같다는 이야기입니다.
사다리형 급전선(래더 라인)은 손실율이 0.5 db 입니다.
이러한 이유로 W 에서는 많은 햄들이 안테나가 멀리 있어 긴 급전선이 필요 할 경우 동축 케이불을 사용하지 않고
사다리형 급전선을 사용합니다.

[HL5IL]

요즘은 손실이 적은 발포케이블이 많이 생산되는데 방수를 철저히 하고 취급할 때 주의사항만 잘 지키면
리니어 한대 쓰는 것 이상의 효과를 볼 수 있을 것입니다.
이론은 이해한다 해도 SWR을 조정하는 과정은 정말 복잡하고 힘듭니다. hi hi