무선 주파수 (Radio Frequency)
무선주파수는 파장 0.1mm 이상의 범위, 즉 진동수 3THz 이하의 전자기파이며, RF(Radio Frequency)로 약칭한다.
무선 주파수는 아래 표와 같이 분류한다.
| 3 ~ 30kHz | 100 ~ 10km | 초장파 | Very low frequency | VLF |
| 30 ~ 300kHz | 10 ~ 1km | 장파 | Low frequency | LF |
| 300kHz ~ 3MHz | 1km ~ 100m | 중파 | Medium frequency | MF |
| 3 ~ 30MHz | 100 ~ 10m | 단파 | High frequency | HF |
| 30 ~ 300MHz | 10 ~ 1m | 초단파 | Very high frequency | VHF |
| 300MHz ~ 3GHz | 1m ~ 10cm | 극초단파 | Ultra high frequency | UHF |
| 3 ~ 30GHz | 10 ~ 1cm | 초고주파 | Super high frequency | SHF |
| 30 ~ 300GHz | 1cm ~ 1mm | 밀리미터파 | Extremely high frequency | EHF |
임피던스
임피던스란?
임피던스의 원래 정의는 다음과 같다.
임피던스 : 특정 구조/회로 위치에서의 전압과 전류의 비
임피던스라는 단어를 사전에서 찾아보면 '방해, 저지'라는 의미의 단어이다. 언뜻 보면 회로의 저항(resistance)라는 개념과 매우 유사하지만, 철저히 주파수를 가진 AC 회로에서 응용되는 개념이라는 점이다. 즉 임피던스는 주파수와 무관한 저항 R에 주파수 개념이 포함된 저항 소장인 L과 C에 대한 개념이 포함된 보다 큰 AC 개념의 저항이다
개념적인 수식으로 정리한다면 아래와 같다.
그리고 전송 선로의 특성 임피던스는 아래와 같은 수식으로 표현되기도 한다.
임피던스의 역할
임피던스의 역할은 크게 보면 저항과 마찬가지로 소모와 저장, 부하의 3가지 역할로 나눌 수 있다.
도선을 따라 전류가 흐를 때, 주파수와 구조에 따라 자기장으로 에너지가 축적되는 인덕턴스나 전기장으로 에너지가 축적되는 커패시턴스로 에너지가 축적되면 교류 상황에 맞게 에너지가 재활용되게 된다. 이러한 인덕터나 커패시터와 같은 교류 저항성 소자들로 인해 주파수에 따라 임피던스가 다르고, 이러한 것들을 이용하여 부하를 걸 수 있다.
전자회로 설계는 결국 여러 부위에 원하는 전압이나 전류를 분산하여 인가함으로써 특정한 목적을 가진 회로로서 동작하게 만드는 것이다. 이렇게 특정 부위, 특정 지점에 일정한 전압 또는 전류가 흐르도록 제어하는데 임피던스를 조절하여 제어하게 된다.
50옴 임피던스
RF 설계를 하다 보면 거의 웬만한 임피던스가 50옴에 맞추어져 있는 것을 알 수 있다.
고전적으로 마이크로웨이브 엔지니어링에서 전자파 에너지의 전력 전송 특성이 가장 좋은 임피던스는 33옴, 신호 파형의 왜곡이 가장 적은 임피던스는 75옴 정도이다. 그래서 그 중간 정도가 49옴인데, 계산의 편의성을 위해 50옴 임피던스를 사용하게 되었다고 합니다.
실제로 50옴이 가지고 있는 의미는 기준점입니다. 고주파에서 임피던스는 신호 부하에 중요한 역할을 하게 됩니다. 그러한 임피던스가 연결 단에서 서로 조금이라도 맞지 않으면 신호의 반사가 일어나게 됩니다. 그렇게 되면 임피던스 매칭을 해 주어야 합니다. 그래서 모든 회로의 입력단과 출력단을 50옴 임피던스로 가능한 한 만들어 연결할 때마다 임피던스 매칭할 필요 없이 편리하게 사용하기 위함입니다.
75옴 임피던스
TV의 경우 75옴 임피던스를 사용합니다. 이것은 전력 전달 성능보다 신호 왜곡을 최소화하기 위해서 사용됩니다.
TV 안테나의 경우 주로 다이폴 안테나가 사용됩니다. 다이폴 안테나는 그 길이가 0.473 * 파장으로 계산되며, 보통 반파장일 때 주변의 리액턴스 성분이 0이 되는데 그때의 임피던스가 73. xx 옴이 됩니다. 그래서 그런 안테나에서 나오는 케이블들은 75옴 동축선로를 많이 사용하게 되었고 이러한 이유로 케이블 TV 시스템에서도 임피던스를 75옴으로 사용합니다.
임피던스 매칭을 하는 이유
임피던스 매칭이란 어떤 하나의 출력단과 입력단을 연결할 때, 서로 다른 두 연결 단의 임피던스 차에 의한 반사를 줄이려는 모든 방법을 임피던스 매칭이라 부릅니다. 보통은 두 개의 연결 단 사이에 별도의 매칭 단을 삽입하여 두 연결 단의 임피던스 차이를 보정해 줍니다. 임피던스 매칭이 제대도 되지 않아 반사가 발생하면 전자파 에너지의 전력 전송이 반사되는 만큼 손실이 발생하게 됩니다.
임피던스 매칭 방법
임피던스 매칭이란 임피던스가 다름으로 인해 발생하는 반사 손실을 최소화하는 것입니다. 그러기 위해 중간에 양쪽 임피던스를 중재할 수 있는 무언가를 넣는 것입니다. 임피던스 매칭하는 방법은 매우 다양하지만, 그중 RF에서 가장 많이 쓰이는 것은 quarter wave transformer와 stub 매칭입니다.
quarter wave transformer는 두 개의 임피던스 단 사이에 1/4 파장 길이의 중간적 임피던스를 삽입하는 방법입니다. 다만 대역폭이 매우 좁은 단점은 있지만 구현이 간단하기 때문에 종종 사용됩니다.
실제로 가장 많이 사용되는 임피던스 매칭은 stub를 이용한 것입니다. 스미스 차트라는 RF 필수 그래픽 툴을 같이 사용합니다. stub 는 회로 옆에 수직으로 나온 짧은 선로를 의미하며, 스미스 차트를 이용하여 그 길이와 위치를 결정할 수 있습니다. 다른 방법으로는 인덕터나 커패시터 같은 lumped 소자를 이용할 수도 있습니다. 주파수가 1GHz 가 넘어가면 stub 방식을 사용하는 게 일반적이긴 하지만 PCB를 여러 번 검증해야 하는 번거로움이 있어, 가능하다면 인덕터나 커패시터와 같은 lumped 소자를 이용하면서 PCB 제작 횟수를 줄이는 것이 일반적인 추세이다.