우리는 다른 과학 분야에 대한 노출을 통해 파동이 특별한 유형의 행동과 관련이 있다는 것을 알고 있습니다. 빛파는 한 매질(예: 공기)에서 다른 매질(예: 유리)로 이동할 때 굴절됩니다. 물파는 배나 큰 바위에 부딪힐 때 회절됩니다. 음파는 간섭하여 볼륨의 주기적 변화(비트라고 함)를 초래합니다.
전기파는 우리가 일반적으로 전기 신호와 연관시키지 않는 행동의 영향을 받습니다. 전기의 파동적 특성에 대한 일반적인 익숙함의 부족은 놀라운 일이 아닙니다. 왜냐하면 수많은 회로에서 이러한 효과는 무시할 수 있거나 존재하지 않기 때문입니다. 디지털 또는 저주파-아날로그 엔지니어가 수년간 일하고 많은 성공적인 시스템을 설계하더라도 고주파 회로에서 두드러지게 나타나는 파동 효과에 대한 철저한 이해를 얻지 못할 수도 있습니다.
이전 페이지에서 논의했듯이, 특수한 고주파 신호 동작에 영향을 받는 상호연결을 전송선이라고 합니다. 전송선 효과는 상호연결 길이가 신호 파장의 1/4 이상일 때만 중요합니다. 따라서 고주파 또는 매우 긴 상호연결을 사용하지 않는 한 파동 속성에 대해 걱정할 필요가 없습니다.
반사
반사, 굴절, 회절, 간섭—이 모든 고전적인 파동 행동은 전자기 복사에 적용됩니다. 하지만 이 시점에서 우리는 여전히 전기 신호, 즉 안테나에서 아직 전자기 복사로 변환되지 않은 신호를 다루고 있으며, 결과적으로 우리는 반사와 간섭이라는 두 가지에만 신경을 써야 합니다.
우리는 일반적으로 전기 신호를 단방향 현상으로 생각합니다. 신호는 한 구성 요소의 출력에서 다른 구성 요소의 입력으로 이동하거나, 다시 말해 소스에서 부하로 이동합니다. 그러나 RF 설계에서는 신호가 양방향으로 이동할 수 있다는 사실을 항상 알고 있어야 합니다. 소스에서 부하로 이동하는 것은 확실하지만, 반사로 인해 부하에서 소스로 이동할 수도 있습니다.
현을 따라 이동하는 파동은 물리적인 장벽에 도달하면 반사를 경험합니다.
물결 비유
반사는 파도가 불연속성을 만날 때 발생합니다. 폭풍으로 인해 일반적으로 고요한 항구를 통과하는 큰 물파가 발생했다고 상상해 보세요. 이 파도는 결국 단단한 암벽과 충돌합니다. 우리는 이 파도가 암벽에서 반사되어 항구로 다시 전파될 것이라는 것을 직감적으로 알고 있습니다. 그러나 우리는 또한 물파가 해변에 부딪혀도 에너지가 바다로 크게 반사되는 경우가 거의 없다는 것을 직감적으로 알고 있습니다. 왜 이런 차이가 있을까요?
파도는 에너지를 전달합니다. 물파가 열린 물을 통해 전파될 때, 이 에너지는 단순히 움직입니다. 그러나 파도가 불연속성에 도달하면 에너지의 원활한 움직임이 중단됩니다. 해변이나 암벽의 경우 파도 전파가 더 이상 가능하지 않습니다. 그러나 파도에 의해 전달되던 에너지는 어떻게 될까요? 사라질 수 없습니다. 흡수되거나 반사되어야 합니다. 암벽은 파도 에너지를 흡수하지 않으므로 반사가 발생합니다. 에너지는 파도 형태로 계속 전파되지만 반대 방향으로 전파됩니다. 그러나 해변은 파도 에너지가 더 점진적이고 자연스러운 방식으로 소멸되도록 합니다. 해변은 파도의 에너지를 흡수하므로 최소한의 반사가 발생합니다.
물에서 전자까지
전기 회로는 또한 파동 전파에 영향을 미치는 불연속성을 나타냅니다. 이 맥락에서 중요한 매개변수는 임피던스입니다. 전송선을 따라 이동하는 전기파를 상상해 보세요. 이것은 바다 한가운데 있는 물결과 같습니다. 파동과 관련된 에너지는 소스에서 부하로 원활하게 전파됩니다. 하지만 결국 전기파는 목적지인 안테나, 증폭기 등에 도달합니다.
이전 페이지에서 최대 전력 전달은 부하 임피던스의 크기가 소스 임피던스의 크기와 같을 때 발생한다는 것을 알고 있습니다. (이 맥락에서 "소스 임피던스"는 전송선의 특성 임피던스를 나타낼 수도 있습니다.) 매칭된 임피던스에서는 실제로 불연속성이 없습니다. 부하가 파동의 모든 에너지를 흡수할 수 있기 때문입니다. 그러나 임피던스가 매칭되지 않으면 일부 에너지만 흡수되고 나머지 에너지는 반대 방향으로 이동하는 전기파의 형태로 반사됩니다.
반사 에너지의 양은 소스와 부하 임피던스의 불일치의 심각도에 영향을 받습니다. 두 가지 최악의 시나리오는 개방 회로와 단락 회로로, 각각 무한 부하 임피던스와 0 부하 임피던스에 해당합니다. 이 두 가지 경우는 완전한 불연속성을 나타냅니다. 에너지를 흡수할 수 없으므로 모든 에너지가 반사됩니다.
매칭의 중요성
RF 설계나 테스트에 관여한 적이 있다면 임피던스 매칭이 일반적인 논의 주제라는 것을 알 것입니다. 이제 우리는 반사를 방지하기 위해 임피던스를 매칭해야 한다는 것을 알고 있지만, 왜 반사에 대해 그렇게 많은 관심을 기울이는 것일까요?
첫 번째 문제는 단순히 효율성입니다. 안테나에 연결된 전력 증폭기가 있는 경우 출력 전력의 절반이 증폭기로 반사되는 것을 원하지 않습니다. 요점은 전자기 복사로 변환할 수 있는 전력을 생성하는 것입니다. 일반적으로 전력을 소스에서 부하로 이동하고자 하며, 이는 반사를 최소화해야 함을 의미합니다.
두 번째 문제는 좀 더 미묘합니다. 전송선을 통해 불일치 부하 임피던스로 전송된 연속 신호는 연속 반사 신호를 생성합니다. 이러한 입사파와 반사파는 서로 반대 방향으로 지나갑니다. 간섭은 정상파 , 즉 입사파와 반사파의 합과 같은 정상파 패턴을 생성합니다. 이 정상파는 실제로 케이블의 물리적 길이를 따라 피크 진폭 변화를 생성합니다. 특정 위치는 피크 진폭이 더 높고 다른 위치는 피크 진폭이 더 낮습니다.
정상파는 전송되는 신호의 원래 전압보다 높은 전압을 발생시키며, 어떤 경우에는 케이블이나 구성 요소에 물리적 손상을 일으킬 정도로 영향이 심할 수 있습니다.
요약
- 전기파는 반사와 간섭을 겪습니다.
- 물파는 돌담과 같은 물리적 장애물에 도달하면 반사됩니다. 마찬가지로 전기 반사는 AC 신호가 임피던스 불연속성을 만날 때 발생합니다.
- 부하 임피던스를 전송선의 특성 임피던스에 맞춰 반사를 방지할 수 있습니다. 이를 통해 부하가 파동 에너지를 흡수할 수 있습니다.
- 반사는 전원에서 부하로 전달될 수 있는 전력량을 줄이기 때문에 문제가 됩니다.
- 반사는 정상파를 발생시킵니다. 정상파의 고진폭 부분은 부품이나 케이블을 손상시킬 수 있습니다.