TDR 개요(1)

TDR은 time-domain reflectometry의 약자로서 반사파(reflection)의 형태와 반사파 도달까지 걸린 시간 등을 시간의 흐름에 따라, 즉 시간축(time-domain)에서 분석하여 원거리에 있는 사물 및 형상을 판정하는 기술을 의미합니다. 일반적으로 파동(wave)이 진행할 때 매질의 특성이 변하거나 중간에 방해물이 존재하면 굴절(refraction)과 반사(reflection)등의 파동의 변형이 발생합니다. 이 중 반사는 파동이 진행하고 있는 반대 방향으로 파동이 보유하고 있는 에너지 중 일부가 되돌아 가는 것을 의미하는데, TDR에서는 반사된 에너지를 파동의 입사 지점에서 관측하여 반사가 일어난 지점의 특성을 분석합니다. TDR을 응용하는 가장 대표적인 예는 공중에 위치한 물체의 종류와 거리를 측정하기 위해 사용하는 레이더나 수중에서 동일한 목적으로 사용되는 소나를 들 수 있습니다. 한 지점에서 전자기파 혹은 음파를 발사했을 때 진행 중간에 존재하는 물체에 의해 반사파가 발생하며, 이 반사파의 형태나 반사파가 되돌아오는데 걸리는 시간을 측정함으로써 해당 지점까지의 거리를 계산할 수 있습니다. TDR을 전기전자 분야 중 유선 부분으로 한정하면 전선의 한쪽 끝에서 펄스를 발사하였을 때 특성 임피던스의 불연속 지점에서 나타나는 반사파를 측정하여 그 지점까지의 거리와 임피던스 변화 정도를 측정하는 기술을 의미합니다. 이 기술에서 중요한 개념으로는 특성 임피던스(characteristic impedance)와 전파속도(VOP: velocity of propagation)을 들 수 있습니다. 전자는 반사파의 형태를 결정하고 후자는 파동의 속도를 의미하는데, 이들에 대해 좀더 자세히 알아봅니다. 임피던스: 전자기 이론에서 임의의 금속 도체 두 개를 붙여 놓으면 일정한 특성 임피던스를 갖는 전송선(transmission line)을 구성하게 됩니다. 두 도체 사이에는 절연을 위해 절연체를 두게 되는데, 케이블의 특성 임피던스는 사용되는 절연체의 종류, 도체의 단면적, 도체 사이의 거리 등에 의해 결정되며 단위로는 ohm을 사용합니다. 케이블의 제작 상태가 양호하여 케이블을 따라 특성 임피던스를 결정하는 요소가 일정하게 유지되면 그 내부에 전송되는 전자기파는 일정한 속도로 진행하지만, 어느 지점에서 특성 임피던스가 달라지면 그 지점에서 전자기파의 반사가 발생하여 최초 전자기파가 입사된 지점으로 되돌아갑니다. 특성 임피던스의 변화는 결국 케이블 상태의 연속성이 깨지는 지점으로 간주할 수 있으며, 대표적으로는 단선(open, 특성 임피던스 = 무한대), 단락(short, 특성 임피던스 = 0)와 같은 극단적인 경우와 절연 손상, 케이블 간격의 변화, 심한 굴곡 등과 같은 부분 손상의 경우가 있습니다. 반사파의 대략적인 형태로는 진행하던 이상 지점에서의 특성 임피던스가 지금까지 진행해오던 케이블의 특성 임피던스보다 작아지면 아래로 내려가게 되고, 반사파가 커지면 위로 올라가는 형태가 됩니다. 결국 지금까지 기술한 좁은 의미의 TDR 기술은 케이블의 특성 임피던스의 변화 지점을 찾아내는 기술로 설명할 수 있습니다.