3장에서 특성 임피던스 , 전송선 , 임피던스 매칭에 대해 논의했습니다 . 전송선에는 특성 임피던스가 있으며 이 임피던스는 RF 회로에서 중요한 요소라는 것을 알고 있습니다. 정상파를 방지하고 소스에서 부하로의 효율적인 전력 전송을 보장하기 위해 임피던스를 매칭해야 하기 때문입니다. 특정 도체를 전송선으로 취급할 필요가 없더라도 여전히 매칭해야 할 소스 및 부하 임피던스가 있습니다.
또한 3장에서 우리는 표준화된 임피던스 값 (가장 일반적인 것은 50Ω) 을 사용하면 임피던스 매칭이 크게 단순화된다는 것을 보았습니다 . 제조업체는 50Ω 입력 및 출력을 위해 구성 요소 또는 상호 연결을 설계하며, 많은 경우 엔지니어는 매칭된 임피던스를 달성하기 위해 특정 조치를 취할 필요가 없습니다.
그러나 임피던스 매칭에 추가 회로가 필요한 상황이 있습니다. 예를 들어, 전력 증폭기(PA)와 안테나로 구성된 RF 송신기를 생각해 보세요. 제조업체는 PA를 50Ω 출력 임피던스로 설계할 수 있지만 안테나의 임피던스는 물리적 특성과 주변 재료의 특성에 따라 달라집니다.
또한 안테나의 임피던스는 신호 주파수에 비해 일정하지 않습니다. 따라서 제조업체는 특정 주파수에서 50Ω 임피던스를 갖는 안테나를 설계할 수 있지만 다른 주파수에서 안테나를 사용하면 경미하지 않은 불일치가 발생할 수 있습니다. 다음 플롯은 2.4–2.5GHz 시스템용 세라믹 표면 실장 안테나의 데이터시트에서 가져온 것입니다. 곡선은 반사 전력과 입사 전력의 비율에 해당합니다. 신호 주파수가 2.45GHz에서 멀어짐에 따라 임피던스 매칭의 품질이 빠르게 저하되는 것을 볼 수 있습니다.
이 데이터시트 에서 가져온 플롯입니다 .
매칭 네트워크
RF 회로에 임피던스가 일치하지 않는 구성 요소가 포함된 경우 두 가지 옵션이 있습니다. 구성 요소 중 하나를 수정하거나 불일치를 수정하는 회로를 추가합니다. 오늘날 첫 번째 옵션은 일반적으로 실용적이지 않습니다. 집적 회로나 제조된 동축 케이블을 물리적으로 수정하여 임피던스를 조정하는 것은 실제로 어려울 것입니다. 그러나 다행히도 두 번째 옵션이 완벽하게 적합합니다. 추가 회로를 매칭 네트워크 또는 임피던스 변압기라고 합니다. 두 이름 모두 기본 개념을 이해하는 데 도움이 됩니다. 매칭 네트워크는 소스와 부하 간의 임피던스 관계를 변환하여 적절한 임피던스 매칭을 가능하게 합니다.
매칭 네트워크의 설계는 특별히 간단하지 않으며, 이 책과 같은 교과서에서 자세히 논의할 내용은 아닙니다. 그럼에도 불구하고, 몇 가지 기본 원칙을 고려할 수 있으며, 또한 상당히 간단한 예를 살펴보겠습니다. 염두에 두어야 할 몇 가지 중요한 사항은 다음과 같습니다.
- 매칭 네트워크는 소스와 부하 사이에 연결되며, 그 회로는 일반적으로 소스의 출력 임피던스의 복소수 켤레와 같은 입력 임피던스를 제공하면서 거의 모든 전력을 부하로 전달하도록 설계됩니다. 또는 매칭 네트워크는 소스의 출력 임피던스를 부하 임피던스의 복소수 켤레와 같도록 변환하는 것으로 생각할 수 있습니다.
- (실제 회로에서는 소스 임피던스에 허수부가 없는 경우가 많으므로 항상 복소수 켤레를 참조할 필요가 없습니다. 임피던스가 순수하게 실수일 때 복소수 켤레는 중요하지 않으므로 부하 임피던스는 소스 임피던스와 같아야 한다고 간단히 말할 수 있습니다.)
- 일반적인 매칭 네트워크(무손실 네트워크라고 함)는 반응성 부품, 즉 에너지를 소산 하지 않고 저장하는 부품만 사용합니다 . 이러한 특성은 매칭 네트워크의 목적, 즉 소스에서 부하로 최대 전력을 전달하는 데서 자연스럽게 따릅니다. 매칭 네트워크에 에너지를 소산하는 부품이 포함되어 있으면 부하에 전달하려는 전력의 일부를 소모하게 됩니다. 따라서 매칭 네트워크는 저항기가 아닌 커패시터와 인덕터를 사용합니다 .
- 광대역 매칭 네트워크를 설계하는 것은 어렵습니다. 매칭 네트워크가 반응성 부품으로 구성되어 있다는 점을 기억한다면 이는 놀라운 일이 아닙니다. 인덕터와 커패시터의 임피던스는 주파수에 따라 달라지므로 매칭 네트워크를 통과하는 신호의 주파수를 변경하면 효과가 떨어질 수 있습니다.
L 네트워크
가장 간단한 매칭 네트워크 토폴로지는 L 네트워크라고 합니다. 이는 두 개의 커패시터, 두 개의 인덕터 또는 하나의 커패시터와 하나의 인덕터로 구성된 8개의 다른 L자형 회로를 말합니다. 다음 다이어그램은 8개의 L자형 네트워크 구성을 보여줍니다.
L 네트워크는 간단하고 효과적이지만, 광대역 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. 또한 인덕터와 커패시터는 고주파에서 심각하게 비이상적인 동작을 보인다는 사실( 1장 4페이지 에서 논의 )을 염두에 두어야 하며, 따라서 주파수가 기가헤르츠 범위로 올라갈수록 L 네트워크의 동작은 예측하기 어려워질 것입니다.
소스 및 부하 임피던스를 기반으로 매칭 네트워크 값을 수동으로 계산하는 데 관련된 개념을 이해하는 것은 확실히 가치가 있지만, 이는 계산기 도구가 이 작업을 쉽게 수행할 수 있는 시대에 학문적 또는 지적 연습에 가깝습니다. 여기서는 계산 예를 살펴보지 않겠지만, 시뮬레이션을 사용하여 매칭 네트워크의 효과를 살펴보겠습니다.
예
소스 임피던스가 50Ω이고 안테나 임피던스가 200Ω이며 100MHz에서 작동한다고 가정해 보겠습니다. 인덕터와 커패시터로 구성된 L 네트워크를 사용하겠습니다.
AAC의 L-네트워크 설계 도구는 인덕터와 커패시터에 대해 다음과 같은 값을 제공합니다: 138 nH 및 13.8 pF. 즉, 임피던스 매칭 회로는 다음과 같습니다:
매칭 네트워크의 효능을 평가하기 위해 시뮬레이션을 실행한 다음 부하에 흐르는 전류로 나눈 부하 전압을 플로팅할 수 있습니다. 이는 입력 임피던스와 같습니다. (이 경우 부하에 흐르는 전류는 인덕터 L1을 통과하는 전류입니다.) AC 분석은 특히 주파수에 따라 매칭 네트워크의 효과가 어떻게 변하는지 볼 수 있기 때문에 유용합니다. 다음 플롯은 10MHz~190MHz(즉, 매칭 네트워크가 설계된 주파수보다 90MHz 위아래)의 주파수 범위를 가진 시뮬레이션을 위한 것입니다. 결과는 다음과 같습니다.
보시다시피, 100MHz에서 부하는 원래 부하의 임피던스가 200Ω임에도 불구하고 50Ω 소스 임피던스와 매우 밀접하게 일치합니다. 그러나 위에서 말했듯이 L 네트워크는 광대역 토폴로지가 아니며 시뮬레이션은 이를 확실히 확인합니다. 입력 임피던스는 신호 주파수가 100MHz에서 멀어짐에 따라 빠르게 변합니다.
요약
- 매칭 네트워크는 임피던스 변압기라고도 하며, 소스와 부하(예: 전력 증폭기와 안테나) 간 매칭 임피던스를 생성하는 데 사용됩니다.
- 손실 없는 매칭 네트워크는 반응성 부품으로만 구성되며 저항성 부품은 전력을 소모하기 때문에 피하는 반면, 매칭 네트워크는 전원에서 부하로 전력을 쉽게 전달 하도록 설계되었습니다.
- 간단한 협대역 매칭 네트워크 토폴로지는 L 네트워크입니다. 이는 두 개의 반응성 구성 요소로 구성됩니다.
- 계산기 도구를 사용하면 소스 임피던스, 부하 임피던스, 신호 주파수를 기반으로 매칭 네트워크를 빠르게 설계할 수 있습니다.