Re:[질문] 케이블 매칭에 대하여

[DS5KJR]

요즘과 같이 공부를 했으면 아마도 壯元及第는 따 놓은 堂上이지 싶습니다...^^

다음은 검색을 통하여 인용한 자료입니다. 같이 한 번쯤 정독하고 머릿속에 담아봅시다.

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시중에서 판매하는 안테나는 임피던스가 50Ω에 조정되어 있다. 이런 안테나는 50Ω동축케이블에 50Ω콘넥터를 사용하여 연결하고 무전기도 50Ω출력에 연결해야 한다. 이럴 경우 안테나 동축케이블, 무전기 및 여기에 사용된 콘넥터 모두가 50Ω의 경우에는 임피던스가 같으니까 구태여 매칭 시키지 않아도 SWR이 1:1로 잘 떨어진다. 단지 필요한것은 안테나쪽 조정 부분을 조금만 조정한다면 SWR을 1:1까지 조정할 수 있다.

그러나 안테나 2개를 병렬로 연결할 경우에는 연결 방법이 달라진다. 50Ω안테나 2개를 병렬연결하면 2개의 안테나가 연결되는 점의 임피던스는 50/2=25Ω이 된다. 이것과 50Ω동축케이블간에는 매칭이 필요하게 된다.

공식

Z = 매칭 시키기 위해 직렬로 삽입해야할 임피던스 값 (1/4λ케이블로 만들 부분)
Z1 = 안테나 임피던스
Z2 = 무전기 출력 임피던스 & 동축케이블 임피던스 값

Z = 35.4Ω이 된다. 그러면 무엇으로 35.4Ω의 임피던스 값을 만드는가? 손실적은 75Ω동축케이블 RG-216이나 RG-11등의 케이블을 1/4λX 단축률로 잘라서 두 개를 병렬로 연결하면 임피던스는 75/2=37.5Ω이 된다. 계산상의 수치 35.4Ω과 1/4λ케이블 병렬 임피던스 37.5Ω은 약간의 차이가 있지만 매칭이 가능하다.

50Ω안테나 4개를 병렬로 할 때도 계산식

 

에 따라 이 된다.

 

그러면 50Ω케이블을 2개 병렬 연결하여 안테나 4개를 병렬 연결한 곳에 직렬로 연결하면 된다.
아래에 매칭 케이블 제작법과 안테나 2개, 4개 매칭방법을 그림으로 표시하였다. 참고하기 바란다.

상기에 표시한 매칭케이블에서 유효 길이는 실드선 종단까지이다. 절연부의 길이는 가능한 짧게 하고 실드 부분은 심선이 흐트러지지 않게 엷게 납을 입힌다. 인두는 60W 또는 100W 급으로 절연체가 손상되지 않도록 짧은 시간에 처리한다. 2개 병렬 연결시에도 심선의 연결거리를 가능한 짧게 하여 L 성분 발생을 억제한다.

* 50Ω안테나 4개를 병렬 연결한 경우에는, 매칭 부분에 75Ω케이블 대신 50Ω케이블이면 된다.

<제작>
시중에 특히 정크 시장엔 이런 동호인을 위해서 75Ω저손실 케이블을 가지고 나오는 동호인이 많이 있다. 예를 들면 벨덴사의 RG-216이라는 케이블은 1/4파장의 길이가 300/145 X 1/4 X 66% = 0.34m가 된다. 이 계산공식에서 145는 VHF 밴드의 주파수이고, 300은 전파의 속도, 1/4은 1/4파장이며 66%는 RG-216의 전기적인 속도계수로서 우리는 흔히 단축률이라고 한다. 이렇게 하여 만들어진 임피던스 75Ω짜리 케이블 2개를 병렬로 연결하면 75/2 = 37.5Ω짜리가 만들어 진다. 앞의 의 계산식에서 필요한 부분은 34.5Ω이 되고, 만들어진 매칭부는 37.5Ω이다. 즉, 34.5는 약 37.5가 되기 때문에 실용상 지장이 없다.

<설치>
두 개의 안테나를 타워 꼭대기에 좌우로 병렬할 경우 안테나의 소자 수에 따라서 안테나와 안테나의 간격을 띄우게 된다. 안테나에서 50 Ω동축케이블을 같은 길이로 끌어서 병렬 연결하고 연결된 부분에 75Ω으로 만든 34cm짜리 매칭부를 연결한다. 매칭부의 반대편에 무전기에서 올라온 케이블을 연결한다. 이렇게 하면 SWR은 1:1.2이하에서 반드시 매칭이 된다.

<주의>
이 경우 안테나에서 내려온 50 Ω케이블과 매칭섹션의 연결부분, 그리고 무전기의 동축케이블과 매칭섹션의 연결부에 동축케이블 컨넥터를 사용하지 말고 직접 납땜으로 처리해야 한다. 납땜으로 처리한 뒤 방수를 한다고 씰리콘을 바르거나 PVC 본드나 왁스같을 것을 바르면 않된다. 동축케이블의 절연체는 폴리에틸렌이므로 다른 재료를 바르면 애써 만든 매칭부분의 특성이 달라지게 된다. 납땜 부분에 니스를 바르거나 스프레이로 된 니스등을 뿌려주는 정도로 하고 설치시 빗물이 들어가지 않도록 PVC 파이프 속에 집어 넣는 정도면 좋을것이다.

<<< 도로 이론 >>>

임피던스를 설명할 때 많이 나오는 이론 중의 하나가 바로 도로이론이며, 실제 전기에너지의 흐름과 아주 유사합니다. 도로이론에서 나오 중요한 개념은 도로의 폭 (=임피던스의 크기)과 한꺼번에 일렬로 통과하는 자동차의 통행량(전류), 자동차의 통행속도(전압)로 정리됩니다.

자, 선로의 폭이 좁으면 임피던스가 커질까요, 작아질까요? 이것에 대해 확실히 답을 못하는 분이라도, 이것은 아실겁니다. 도로의 폭이 좁으면 차들이 잘 지나갈 수 있을까요?  없을까요?  당연히 통행량이 줄어들고 힘들어집니다. 임피던스의 원어인 impede를 사전에서 찾아보시면, '방해하다'의 뜻입니다. 원래 임피던스의 사전적인 정의는 '전류의 흐름을 방해하는 성분값'을 의미하죠. 즉 임피던스가 높다는 것은 결국 전류나 에너지의 흐름을 적게 만든다는 말이 됩니다. 선로의 폭이 좁으면 임피던스는 커지며, 선로의 폭이 넓어지면 임피던스는 작아집니다.

Impedacne Transformer(임피던스 변환기)

가끔 임피던스 변환기와 임피던스 매칭이 무슨 차이인가요? 라는 질문을 받습니다. 답은 간단하죠. "같은 겁니다"  임피던스 매칭이 결국 하는 일은 두개의 다른 임피던스단 사이에, 두개의 임피던스를 완화하는 중간적인 그 무엇을 삽입하는 것입니다. 그러므로, 외부에서 볼때는 그러한 매칭단이 양단의 다른 임피던스를 서로 변환해주는 것처럼 보일 수도 있지요. 그래서 그냥 임피던스 변환기라고 또는 그냥 변환기(transformer)라고 부르기도 합니다. 같은 거니까 헷갈리진 마시길..


임피던스 매칭은 어떻게 하나?

위에서 여러 번 언급 되었지만, 임피던스 매칭이란 결국 임피던스가 다름으로 인한 반사손실을 최소화하기 위해, 중간에 양쪽 임피던스를 중재할 수 있는 그 무언가를 넣는 것입니다. 임피던스 매칭을 하는 방법은, 매우 다양한데, 그중에서 RF에서 가장 많이 쓰이는 것은 아마도 quarter wave transformer와 stub 매칭방법일 것입니다. 

quarter wave transformer는 두개의 임피던스단 사이에 1/4파장길이의 중간적 임피던스를 삽입하는 아주 원초적이고 단순한 방법입니다. 대역폭이 매우 좁다는 문제가 있지만, 구현이 아주 간단하기 때문에 어레이 안테나나 몇가지 RF회로에서 종종 사용되지요. 대역폭을 늘이기 위해 여러단으로 만들 수도 있지만, 공간을 너무 많이 차지해서 그리 권장되지는 않습니다.

실제로 가장 많이 사용되는 임피던스 매칭법은 stub을 이용한 것인데, 이것에는 스미스차트라는 RF 필수 그래프툴을 이용합니다. stub이란 회로 옆에 수직으로 길게 나온 짧은 선로를 의미하며, 스미스차트를 이용하여 그 길이와 위치를 결정할 수 있습니다. 굳이 이런 stub이 아닌 LC lumped 소자를 직접 땜빵해서 만들 수도 있지만, 1Ghz가 넘어가면 stub방식을 쓰는게 일반적입니다.

혹시 좀더 기초가 필요한 초심자를 위해 부연설명을 한다면, lumped 소자란 그냥 우리가 RLC라 불리우는 땜질해서 붙이는 전자회로 소자 전체를 통칭합니다. stub으로 구현한다는 의미는, 그런 lumped소자의 L,C값을 등가적으로 선로의 길이와 폭 등의 패턴형상으로 구현한 distributed 형태로 만든다는 것을 말합니다.

[HL5YI]

어디서 이런 자료를.. 감사합니다... 저도 열심히 공부 합니다...