임피던스 정합이론 및 정합조건

1. 개요

2. 정합조건

 2.1 전원, 부하가 저항(R)만의 회로인 경우 

 2.2 전원, 부하가 리액턴스 성분을 포함한 경우

3. 정합여부의 판단

4. 부정합 시의 문제점

5. 특성임피던스

 

 

1. 개요

  - 공중선과 급전선을 결합할 때 급전선 출력단의 임피던스와 공중선 입력단의 임피던스를 갖게하여 전력손실이 최소가 될 수 있도록 임피던스를 맞추는 것을 정합이라 함

  - 임피던스 매칭이란 결국 임피던스가 다름으로 인한 반사손실을 최소화하기 위해 중간에 양쪽 임피던스를 중재할 수 있는 그 무언가를 넣는 것임

  - 급전선과 안테나 사이에 임피던스 정합이 이루어지지 않으면 반사파가 생겨 급전선상에 정재파가 발생하고 공급전력이 저하됨

<참조> http://www.rfdh.com/

2. 정합조건

  - 최대 전력 전달의 조건이 바로 정합조건이며 아래와 같음

 2.1 전원, 부하가 저항(R)만의 회로인 경우 

 

      - 최대전력이 전달되기 위한 정합조건을 구하려면 PL을 RL에 대해서 미분한 값이 0이 되어야 함

      - 위 식에서 정합조건(최대전력 전달 조건)은 R0=RL가 됨, 이 때 부하에 전달되는 최대 전력 Pm은 

 2.2 전원, 부하가 리액턴스 성분을 포함한 경우

      - 전원 및 부하회로가 모두 리액턴스 성분을 포함

      - Z0=R0+jX0, ZL=RL+jXL

      - 이 때 부하에 전달되는 전력은

      - 최대 전력이 전달되기 위한 정합조건은 R0=RL, X0=-XL이 됨, 즉 전원과 부하가 공액정합이 된다

      - 만약 R0=RL, X0=XL이 되면 영상정합이라고 부르며 최대전력은 전달되지 않으나 접속접에서 반사파는 발생되지 않음

 

3. 정합여부의 판단

  - 급전선에서 임피던스 정합이 잘 이루어졌는지를 나타내는데 전압정재파비와 반사계수 또는 리턴로스가 많이 사용됨

  - 진행파 전압 10V, 반사파 전압이 1V일 때, 전력반사율, 반사손실 및 정재파비는?

 - 반사계수(Γ, gamma, Reflection Coefficient)=반사된 전압/입사된 전압=1/10=0.1

 

 - 반사손실(RL)=-20*log｜Γ｜=20dB

 - 투과계수=2ZL/(ZL+Z0)

 - 정재파비(VSWR)= 최대전압/최소전압= (｜V+｜+｜V-｜)/(｜V+｜-｜V-｜)=(10+1)/(10-1)=11/9=1.22

                           = (1+｜Γ｜)/(1-｜Γ｜)=1.1/0.9=1.22 

 

4. 부정합 시의 문제점

  - 공중선에 공급되는 전력이 감소함

  - 전력의 손실이 증가함

  - 대전력의 경우 급전선의 절연이 파괴될 우려가 있음

  - 급전선에서 방사가 발생함

  - 송신기의 동작이 불안정해짐

 

5. 특성임피던스

       - 모든 RF 회로에서는 특성임피던스가 주어짐. 이것은 하나의 회로 혹은 시스템을 기준잡는 임피던스

       - 전자파 에너지의 전력 전송(Power transfer) 특성이 가장 좋은 임피던스는 33옴, 신호파형의 왜곡(distortion)이 가장 작은 임피던스는 75옴, 계산의 편의를 위해 중간값이 50옴을 기준값으로 함

       - 일반적으로 RF회로에서는 50옴, 케이블TV에서는 75옴을 많이 사용함 

  - 이 임피던스값 자체가 어떤 특성을 가지는 것은 아니고, 기준 임피던스를 잡음으로써 각각의 component/Circuit이 서로 입출력 단에서 호환성을 가지게 하려는 의미임

        - 모든 RF 파트의 입력단과 출력단을 50옴으로 통일한다면 특별한 임피던스 정합을 하지 않아도 바로 연결할 수 있기 때문임.