임피던스 매칭 (5) 시리즈 섹션 series section 75 옴

※ 참고 

 

50옴 케이블에 50옴 부하가 연결되지 않으면 SWR(반사파) 이 존재하며 길이를 아무리 변경해도 변하지 않는다.

만약 길이만으로 임피던스를 매칭 할 방법이 있다면 이런 어려운 작업이 필요가 없을 것이다. (실제 이 현상은 대부분은 CMC 의 영향이다. - 즉 급전선이 레디얼(안테나 시스템에 포함)로 작동하는 상황 - )  https://ds1orj.tistory.com/133

 

CMC 의 이해(1)

이 글에서는 CMC(Common Mode Current : 공통모드전류) 에 대한 개념에 대해 설명합니다. 이해를 돕기 위해 자유공간에 배치된 파장의 1/2 길이의 다이폴 안테나 환경을 가정합니다. 편의상 존칭은 생략

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※ 임피던스 매칭 시리즈 글은 아래 글들과 이어진다. 

 

https://ds1orj.tistory.com/162

 

임피던스 매칭 (1) RFSIM99 사용

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

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https://ds1orj.tistory.com/184

 

임피던스 매칭 (2) 스미스차트 SimSmith

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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https://ds1orj.tistory.com/196

 

임피던스 매칭 (3) 안테나 아나라이저 사용

이 글에서는 무료로 사용할 수 있는 RFSim99, 4NEC2, SimSmith 로 임피던스 매칭을 차례대로 설명한다. 아래 두 글과 이어지는 시리즈이다. 각 프로그램은 무료이며 아래 글들에 기본적인 사용법과 다

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https://ds1orj.tistory.com/197

 

임피던스 매칭 (4) 튜닝 스텁 Stub

이 글에서는 아마추어 무선의 관점에서 튜닝 스텁을 이용한 임피던스 매칭에 대해 설명한다. 여기서는 무료 프로그램인 SimSmith (by AE6TY) 를 주로 사용하고 4NEC2 의 결과도 첨부한다. SimSmith 의 다

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시리즈 섹션은 스텁과 비슷하지만, 급전선에 직렬 또는 병렬로 L,C 가 추가되는 것이 아니고  급전선 중간에 다른 특성 임피던스의 급전선을 끼워 넣는 방법을 사용한다. 

 

예컨데 50 옴 급전선이라면 특정 지점에 75옴 급전선(정해진 길이)을 끼워 넣거나 반대로 75 옴 급전선에 50옴 케이블을 끼워넣는 방법을 쓴다.

 

우리가 쉽게 얻을 수 있는 급전선의 임피던스는 50~75옴(경우에 따라 300옴) 정도이므로 이 조합으로 맞출 수 있는 임피던스 범위는 당연히 제한 될 수 밖에 없다.

 

기본적인 개념 및 수식은 존경하는  W4RNL 오엠의 글을 참고한다. 

http://www.antentop.org/w4rnl.001/ser.html

 

Series Matching: A Review

Series Matching: A Review L. B. Cebik, W4RNL When the load impedance of an antenna does not match the characteristic impedance of the transmission line feeding the antenna, we often wish to effect a match. Similarly, where we wish to shift from one kind of

www.antentop.org

 

실제로 적용한다면 아래와 같은 모습이다. 


7메가에서  100옴의 안테나가 있다고 가정하고 50옴으로 임피던스 매칭을 하는 경우의 예시이다. 

 

여기서 사용하는 급전선은 50옴 케이블이고, 시리즈 매칭 섹션으로 사용할 케이블은 75옴 이다.  

4NEC2 를 이용하면 아래와 같은 결과를 얻는다.  (4NEC2 매칭 사용방법은 아래 글을 참고)

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임피던스 매칭 (3) 안테나 아나라이저 사용

이 글에서는 무료로 사용할 수 있는 RFSim99, 4NEC2, SimSmith 로 임피던스 매칭을 차례대로 설명한다. 아래 두 글과 이어지는 시리즈이다. 각 프로그램은 무료이며 아래 글들에 기본적인 사용법과 다

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상기 값을 SimSmith 에서 확인해보면 아래와 같이 약간의 SWR (1.024) 이 뜨지만 오차범위 이내이다.

매칭섹션의 위치 이동이 필요한 경우 앞부분에 1/2 파장의 배수 길이를 더한다. 각도로 표현하면 180도 이다. 

앞쪽 매칭섹션이 약 15도(1.175미터) 이므로 180도를 더하면 195 도가 된다.

 

SWR 이 조금 상승하지만 앞쪽 매칭 섹션이 1.175 미터에서 15.31 미터(반파장 길이 추가됨) 로 길어졌음을 확인 할 수 있다. SimSmith 의 계산을 좀 더 신뢰한다면 마우스로 끌어서 중앙(50 옴)에 맞추면 SWR 1.0 을 달성 할 수 있다.  

이전의 스텁 매칭 글을 읽었다면 알겠지만, 급전선을 이용하여 매칭하는 방법에서는 계산 값(각도, 즉 길이)에 180도(1/2 파장)가 추가 적용되면 스미스차트 상에서 한바퀴 돌아서 다시 원점으로 오게 되므로 길이만 변경되고 임피던스는 그대로 유지 된다.  (이 이유 때문에 급전선의 특성 임피던스와 무관하게 1/2 파장의 배수 길이에서 임의 임피던스로 사용 가능하게 되는 것이다) , 단, 이 경우에 보는 바와 같이 매칭 대역폭(사용가능 대역폭)이 줄어든다.


상기와 반대로 매칭을 해야 하는 경우가 있다. 

 

예컨데 안테나와 리그는 50 옴 인데, 급전선이 50 옴이 아닌 경우에는 또 다른 시리즈 매칭인  Bramham System  라는 임피던스 매칭 방법을 쓸 수 있다.  (자세한 것은 글 도입부에 설명한 W4RNL 의 링크를 참고한다.  http://www.antentop.org/w4rnl.001/ser.html )

 

아래서부터 50 옴 안테나에 75 옴 급전선을 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다.

 

이 예시에서 우리가 일반적으로 사용하는 리그는 50옴 임피던스 이므로 변환이 두번 필요하게 된다. 즉  50->75  변한 후  다시 75->50 으로 변환을 해야  75 옴 케이블을 사용 할 수 있다. (임피던스 매칭 회로는 양방향으로 작동한다)

 

※ 단, 상기 그림에서 "같은 길이" 라는 것은 전기적 각도를 얘기하는 것으로써 서로 다른 단축률이 지정되면 서로 다른 길이가 되는 것은 자명한 사실이다. 

 

이 계산을 수행해주는 프로그램이 없었으므로 아래 수식을 사용한다. 

※ 수식만 보면 어떻게 계산하는지 감이 안오므로 예시를 든다.

 

M = 75/50 + 50/75 + 1 = 약 3.166   

L1 과 L2 의 전기적 길이(각도) = arctan * (1/root(3.166) ) = 약 29.334 (도)  

상기 값들은 50 옴과 75옴을 사용하는 이상 변하지 않는 값이다.

 

따라서 임피던스 매칭 섹션은 약 30도(29.334 이지만 계산 편의성을 위해) 길이가 필요하다.

참고로,  전파장(1 wave) 은 360도,  반파장(1/2)은 180 도,  1/4 파장은 90도에 해당한다.

 

각각의 주파수에서 30 도의 길이를 변환하면 아래와 같다. 

 

7메가는 전파장이 약 40미터 이므로  40 * (30/360) = 약 3.333 미터가 나온다. 

21 메가는 전파장이 약 15미터 이므로 15 * (30/360) = 약 1.25 미터가 나온다.

145 메가는 전파장이 약 2미터 이므로  2 *  (30/360) = 약 0.166 미터가 나온다.

 

상기 길이는 단축률이 고려되지 않았으므로 케이블의 단축률 약 0.67 을 고려한다면 7 메가에서는 3.333 * 0.67 = 약 2.233 미터가 된다. 

이 값으로 SimSmith 에서 시뮬레이션 해보면 아래와 같이 50 옴으로 일치 되는 것을 확인 할 수 있다.


75 옴 급전선을 사용하고 싶다면 안테나 자체를 75 옴으로 만드는게 가장 합리적이다.

이 경우 아래와 같은 방법으로 급전 가능하다.

 

1. 내장 튜너가 있는 경우 75 옴 급전선으로 리그에 연결하고 리그측에서 튜너를 사용한다.

(특히 멀티 밴드 안테나에 75 옴 급전선을 사용할 경우 가장 적합한 방법)

 

2. 내장 튜너가 없는 경우 75 옴 급전선을 리그에 연결하기 전에 50 옴으로 변환한다.

(스텁 매칭, 시리즈 매칭  또는 1.5 : 1 임피던스 변환 트랜스포머-멀티밴드- 사용)

 

3. 마지막으로 50 옴 안테나에 75옴 케이블을 사용 주파수의 1/2 파장 배수(이 길이에는 단축률이 적용된다) 로 절단하여 사용할 수 있다. 이렇게 하면 50 옴이 그대로 50 옴으로 전달된다. (전송선로의 임피던스 변환 성질을 이용)

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전송선로의 이해(임피던스 변환)

이 글에서는 전송선로의 개념 중 혼동하기 쉬운 임피던스 변환 개념에 대해 설명합니다. 설명 편의상 존칭은 생략 합니다. 부하 임피던스와 급전선의 임피던스가 동일할 경우 케이블 길이는 아

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4. 이외의 경우는 50  안테나 -> 50-75  매칭  ->  75 급전선 임의길이 -> 75-50 매칭 ->  50 리그  라는 복잡한 경로를 거쳐야 한다.