안테나 및 RF 회로 설계 및 제작에 있어서 임피던스 매칭은 필수이다.
그러나 그 원리를 이해하려면 부수적으로 매우 많은 것들을 함께 이해해야 한다.
예컨대 임피던스의 개념 및 그와 동반된 수학인 복소수(complex) 및 벡터(vector), 스미스차트, S 파라미터의 이해, 등등.
여기서는 어려운 내용은 제외하고 가장 손쉬운 방법인 소프트웨어를 이용하는 방법에 대해 소개하려 한다.(전술한 이론적인 내용은 RFDH 사이트를 방문하면 좋은 자료가 많다.)
시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 손쉽게 임피던스 매칭을 실현할 수 있으며 "무엇을 측정하고 있고 그게 뭘 의미하는지" 이해하는 데 있어 고전적인 방식과는 비교할 수 없을 정도로 빠르다. 측정치가 스미스차트로 바로 표시되는 VNA(옛날에는 집한채 가격)를 누구나 장만해서 쓸 수 있는 시대에 측정기나 컴퓨터가 희귀하던 기존 방식(예컨대 고전적인 안테나 핸드북 같은)을 답습하는 것은 비효율적이다.
이런 류의 RF 관련 분석, 설계 프로그램은 많은 종류가 있다.
아무래도 가장 많이 알려진 것은 Agilent(HP) 의 ADS (이전에는 Genesys) 이지만 이것은 상용이고 매우 비싸다.
설계의 시작부터 끝까지 모두 지원하지만 그만큼 크고 무겁고 다루기가 쉽지 않다.
여기서는 상용 프로그램은 제외하고 합법적으로(무료, 그리고 기간 제한 없이) 사용할 수 있는 프로그램을 몇 가지 소개한다. 이 정도만 되어도 우리가 사용하는 용도에 충분히 실용적이며 아마추어는 물론이고 실제 개발 현장에서도 사용되고 있는 프로그램들이다.
1. LTSpice 및 Micro-cap
SPICE 기반의 회로 설계 및 시뮬레이션 툴.
두 버전 모두 무료이다.(Micro-cap 은 유료였으나 현재는 유료 판매를 중단하고 전기능 버전을 무료로 배포되고 있다).
사용자수는 LTSpice 가 많지만 사용 편의성 면에서는 아무래도 유료였던 Micro-cap 이 좀 더 앞선다.
둘 중 하나로 시작한다면 무료인 만큼 인터넷 상에 자료가 넘쳐나는 LTSpice 를 추천한다.
원래 리니어 테크롤로지에서 만들었던 LTSpice 는 아날로그디바이스에서 다운로드 가능하다.
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html
LTspice Simulator | Analog Devices
The key to most circuit designs is the speed with which you can reach an understanding of your circuit, its correctness, and its limitations. LTspice outperforms many other simulation tools and enables you to iterate your designs in minimal time. Read the
www.analog.com
Micro-cap 은 개발사인 스펙트럼 소프트웨어에서 무료 다운로드 가능
http://www.spectrum-soft.com/index.shtm
Spectrum Software - Micro-Cap 12. Analog simulation, mixed mode simulation, and digital simulation software. SPICE and PSpice®
Spectrum Software was founded in February of 1980 to provide software for personal computers. Initially, the company concentrated on providing software for Apple II systems. One of the earliest products was Logic Designer and Simulator. Released in June 19
www.spectrum-soft.com
2. RFSim99
무료이며 매우 오래된 프로그램이지만 여전히 실행가능하며 이 글에서 설명할 프로그램이다.
거의 모든 작업이 가능하지만 스트립라인을 이용한 설계는 계산기만 갖추고 있다.(스트립라인은 VHF 이하 아마추어 무선 용도로는 거의 사용할 일이 없으므로 큰 문제가 되지 않는다) 다운로드는 아래에서 설명한다.
3. ANSOFT Desiginer SV(학생버전)
현재는 ANSYS 로 통합됨. 과거 학생버전은 무료로 배포되었으며 현재까지도 인터넷을 통해 다운로드가 가능하다.
마이크로웨이브 설계를 맛보려면 이 프로그램이 적당하다. 스트립라인 설계가 가능.(단, PCB 제작 관련 기능 등 일부 기능은 사용 제한됨) 정식(상용)버전은 EM 시뮬레이션을 비롯하여 ADS 에 필적하는 다양한 기능 제공.
4. 4NEC2 및 EZNEC 안테나 시뮬레이션, 설계 프로그램
NEC 기반의 안테나 시뮬레이션 툴로써 아마추어들이 안테나 설계 및 시뮬레이션에 가장 많이 사용한다.(예컨대 야기 안테나의 설계 등) EZNEC 가 유료였으나 사업을 종료하고 4NEC2 와 동일하게 무료로 배포되고 있다.
4NEC 와 EZNEC 의 간단한 비교는 아래글을 참고한다.
https://ds1orj.tistory.com/200
4NEC2 와 EZNEC 차이 NEC4.2
EZNEC 가 프리웨어로 배포 되었으므로 무료 안테나 시뮬레이션 툴이 두개나 생겼다. 4NEC2 설치 및 기본사용법 https://ds1orj.tistory.com/180 4NEC2 다이폴 안테나 만들기 1. 4NEC2 는 NEC 기반의 안테나 설계 /
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5. 스미스 차트 임피던스 매칭 프로그램 (추가, 2022.10.30)
현재까지 사용해본 무료 임피던스 매칭 프로그램 중 가장 편리한 프로그램 이다.
스미스 차트 상에서 직접 마우로 끌어서 매칭 작업을 진행 할 수 있다.
https://ds1orj.tistory.com/184
스미스차트 임피던스 매칭 (1)
이 글에서는 아마추어 관점에서 간단한 프로그램을 통해 스미스차트의 기본에 대해 알아본다. 스미스 차트는 복잡한 임피던스를 시각화 하는 도구라고 생각할 수 있다. 다른 말로 하면 임피던
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상기 프로그램들이 무료이고 현재도 사용되고 있는 만큼 관련 자료들은 인터넷에 많이 있고 검색을 하면 손쉽게 다운로드 가능하다.
RFSim99 다운로드는 아래 사이트(AD5GG 오엠의 블로그)에서 할 수 있다.(또한 일부 국내 블로거들도 다운로드를 제공하는 것으로 보인다) 아래 사이트는 영문이라 당황할 수 있겠지만 구글 크롬의 번역 기능을 이용하면 거의 완벽한 한글로 번역된다.
https://www.ad5gg.com/2017/04/06/free-rf-simulation-software/
Free RF simulation software - AD5GG
RF Electronics & Ham Radio Blog by AD5GG
www.ad5gg.com
이 프로그램은 꽤 오래된 버전이라 일부 인터페이스가 신버전 윈도우(10이후)와 문제가 좀 있지만 설계 수치는 정확하게 나온다. 처음 설치 후 잘 사용하다가 실행된 프로그램이 보이지 않는 등 해결 안 되는 문제가 발생할 경우 재설치하지 말고 설치된 폴더의 RFSim99.cfg (환경설정파일)을 지우면 초기 상태로 돌아온다.
기능을 그냥 설명하면 재미가 없으므로 7MHz 전용 엔드피드(제프) 안테나 매칭을 클릭 한 번으로 설계하는 예를 보인다.
일반적으로 엔드피드 안테나는 1:64 임피던스 변환을 사용한다. 이때 사용되는 1/2 파장 안테나 엘레먼트의 임피던스는 순저항 3200옴(3.2k)에 근접한다고 한다. 따라서 7.1MHz 에서 50옴을 3200옴(1:64) 으로 변환하고 1/2 안테나 엘레먼트를 연결하면 7MHz 단밴드 엔드피드 안테나가 완성된다.
그 과정을 아래 3 단계로 설명하고 있으며 그대로 따라하면 안테나 매칭 회로를 얻을 수 있다.
1. RFSim 을 실행하면 아래 화면처럼 보인다.(일부 버튼이 안보이면 윈도우를 최소로 줄였다가 키우면 보임)
2. 상단 메뉴 순서대로 선택 Tools ▶ Design ▶ Match
아래 그램을 참고하여 Reactive L 을 선택하고, Zin 에 50R, Zout 에 3.2kR,
Frequency(주파수)에 7.1MHz 를 입력하고 맨아래 왼쪽 Calculate(계산) 를 누르면 계산된 수치가 보인다.
이 그림이 의미하는 바는 7.1MHz 에서 50옴을 3.2k 로 변환하라는 것이다.
오른쪽 아래 녹색 Simulate 버튼을 누르면 회로도가 생성 된다. 그리고 아래 화면을 볼 수 있다.
3. 왼쪽 상단에 시뮬레이트 버튼을 누르면(버튼이 안보이면 창 크기를 마우스로 드래그하여 줄였다가 다시 키우면 보인다)
아래 화면이 보인다. (앞으로 이 프로그램을 쓰면서 가장 많이 보게 될 화면으로 빨리 익숙해지는 게 좋다)
※ L 네트웍 및 T 네트웍 매칭 작업은 계산기만 있어도 진행 할 수 있다.
아래는 3200옴을 50옴으로 7.1MHz 에서 매칭하는 값이다.
Cp=55.6, Ls=8.89uH 로 RFSim99 자동매칭 값과 완전히 동일한 것을 알 수 있다.
즉, 동일한 수식이다. 아래 임피던스 매칭 글을 참고한다.(공학용 계산기용 프로그램을 제공한다)
https://ds1orj.tistory.com/232
임피던스 매칭 공식, Impedance Matching Formula, 공학용 계산기, CASIO 9860, 9750
이전에 올린 글에서는 스미스 차트를 사용하여 임피던스를 매칭하였다.스미스 차트를 사용하지 않고 매칭 값이 자동 계산 되는 프로그램은 어떻게 작동하는가? 이 글에서는 계산을 통한 임피
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아마도 VNA 사용자라면 이와 비슷한 화면을 이미 많이 봐서 익숙할 것이다.(바로 그 화면이다)
맨 위의 그래프 형식은 스퀘어 그리드(Squear grid) 선택 (이것이 처음엔 제일 알아보기 쉽다)
이것 말고도 스미스 차트를 비롯하여 다양한 형식을 지원한다.
좌측에 빨간색 선은 S21 (포트 1에서 2로 가는 S파라미터) 선택, 즉 통과 손실이다.
우측에 파란색 선은 S11 (1에서 1로 가는 파라미터, 즉 포트 1 에서의 반사(손실)를 의미) 선택
그 아래에서 각각의 스케일은 일반적인 dB 전력비를 의미하는 10Log(P) 를 선택한다.
이외에도 필요에 따라 전압비 또는 위상, 선형 스케일 등을 선택할 수 있다.(일반적으로는 잘 안 본다)
(2022. 10.11 수정, S12 격리 -> S21 삽입 손실)
하단의 좌, 우측 주파수는 주파수 Sweep 범위를 나타낸다.
보고 싶은 주파수 범위를 지정하는데 여기서는 6MHz 에서 8MHz 를 입력한다 (MHz 영문까지 입력, 입력 안 하면 Hz 로 인식한다). 여기서 중요한 또 하나의 파라미터는 중앙에 위치한 "500 points" 라는 숫자인데 이것은 주어진 주파수 범위를 얼마나 촘촘하게 볼 것인가를 의미한다.(많으면 좋지만 느려진다)
여기까지 다 됐으면 맨 아래 스크롤바를 좌우로 이동하여 관심 주파수를 이동하면서 S 파라미터 값을 볼 수 있다.(스크롤 바 좌측에 dB 값이 표시되는 것을 알 수 있다)
이 시뮬레이션에서 아래와 같은 결과를 도출할 수 있다.
- 설계 중심 주파수(7.1MHz) 에서 손실은 거의 없으므로 설계대로 잘 작동한다는 것을 알 수 있다.
- 상징적인 대역폭인 전력반치점(-3dB 저하지점)은 약 6.1MHz 7.9MHz 까지 이다. 그러나 -3dB 까지 가면 전력이 반으로 줄어듦므로(100W -> 50W) 실용적이지 않다.
- 따라서 일반적인 튜너 삽입손실인 -1dB 를 가정하면 약 6.625 MHz 7.55MHz 까지 실용 가능하다는 결론이 나온다.
※ 참고로 이 회로는 당연히 역방향으로도 작동한다. 즉, 3.2k 는 50 으로 변환되어 들어오고 50은 3.2k 로 변환되어 나간다. 수동소자로 구성되는 거의 모든 RF 회로는 이렇게 양방향으로 작동한다.
이론상 이 회로를 실제로 구성하고 VNA 등으로 측정하면 동일한 값을 얻는다.
물론, 1/2 파장 안테나 엘레먼트 자체의 대역폭이 있으므로 매칭회로의 대역폭이 충분하더라도 실제 운용 상황에서 저 수치에 도달하기는 어려울 것이다. (여기에 추가적으로 부품 편차, 손실(품질) 및 기타 원인에 의해 약간의 오차가 더 발생한다. ) 이런 류의 회로에 익숙한 사람이라면 이 회로가 일반적인 "L 매칭 튜너의 회로" 와 같다는 것을 바로 알 수 있으며 튜너의 L, C 값을 상기 회로와 같이 설정해 놓으면 동일하게 작동한다는 것도 알 수 있다.
※ 같은 방식으로 50MHz 또는 145MHz 엔드피드 안테나의 매칭도 만들어 볼 수 있다.
또한 엔드피드 안테나는 1/4 파장 매칭 섹션(J 폴의 하부 50cm)을 제외한 J -pole 안테나와 원리적으로 동일한 안테나이다.
아래부터는 RFSim 에서 제공하는 또 다른 기능들이다.
※ 필터 계산 및 시뮬레이션
메뉴 순서대로 선택 Tools ▶ Design▶ Filter
일반적으로 사용되는 모든 필터를 만들고 시뮬레이션할 수 있다.
※ 감쇠기(어테네이터) 계산 및 시뮬레이션
메뉴 순서대로 선택 Tools ▶ Design▶ Attenuator
임의 입출력 임피던스에 대해 감쇠기를 계산해준다.(pi, tee 구성)
※ 윌킨슨 컴바이너 계산
메뉴 순서대로 선택 Tools ▶ Component ▶ Splitter
이전 컴바이너 게시물에서 설명했던 2 Way 윌킨슨 컴바이너의 집중정수 계산을 클릭 한번으로 수행한다.
컴바이너나 스플리터에 대해 더 알아보고 싶다면 아래 글을 참고한다.
https://ds1orj.tistory.com/161
안테나 또는 증폭기를 병렬 연결하는 컴바이너
안테나나 증폭기를 단순 병렬 연결 하면 (입출력 임피던스가 정해진 RF 회로의 특성상)임피던스가 변경되어 사용할 수 없다는 것은 모두가 알고 있는 사실이다. 여기서는 실제 아마추어 무선 관
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※ 이외에도 기본적인 마이크로 스트립 계산 기능 등 다양한 메뉴가 존재한다. 익숙해지는 방법은 책이나 인터넷에 나와 있는 관심 회로를 직접 입력하고 설명대로 또는 이해한 대로 작동하는지 직접 시뮬레이션 해보는 것이다. 이것은 다른 시뮬레이션 툴도 동일하다.
여기까지 정리.
1. 일반적인 상황에서의 임피던스 매칭이라면 클릭 몇 번으로 끝낼 수 있다. (물론 상용 프로그램을 사용하면 훨씬 더 다양한 조건의 임피던스 매칭이 가능하지만)
2. 주파수 및 부품값 등을 변경하고 즉석에서 결과를 알 수 있다. 이를 통해 스미스차트 상에서의 궤적 움직임, S 파라미터 값 등을 손쉽게 관찰할 수 있고 그 관계를 이해하는데 크게 도움이 된다.
3. 임의의 회로(예컨대 무전기 회로의 밴드패스 필터 등) 특성이 궁금하면 회로도를 그려 넣고 특성이 어떻게 되는지 시뮬레이션하여 작동을 이해할 수 있다.
4. 참고로 TR, FET, IC 등의 능등소자를 포함한 복잡한 회로의 시뮬레이션은 SPICE 계열 툴을 사용하는 것이 좋다.
(이외의 R,C,L 등의 수동소자 시뮬레이션은 RFSIm99 로 충분함)