신호가 송신기에서 안테나로 전달될 때 전력 손실이 발생하는데요,
전력 손실은 두 가지 형태로 나타납니다.
1. 안테나가 보낸 전력 중 일부가 다시 송신기로 돌아온다. (반사손실)
2. 케이블 자체에서 열로 변환되어 전력이 사라진다. (삽입손실)
반사손실
반사손실이란?
반사손실(Return Loss)은 돌아오는 손실이라는 뜻입니다.
신호가 목적지로 가지 못하고 다시 돌아오는 정도를 말하죠.
쉽게 설명하자면, 송신기에서 안테나로 전력을 보낼 때 일어나는 현상입니다.
안테나가 전력을 잘 받아들이지 못하면, 일부가 다시 케이블을 타고 송신기로 돌아옵니다.
반사손실 값이 클수록 시스템이 잘 작동한다는 뜻입니다. (헷갈리죠? 손실이면 값이 작을수록 좋은 것 같지만..;;)
즉, 반사되어 낭비되는 전력이 적다는 의미입니다.
반대로 반사손실 값이 작으면(0dB에 가까우면) 보낸 전력 대부분이 돌아왔다는 뜻입니다.
시스템이 제대로 작동하지 않았다는 뜻입니다.
결론적으로 반사손실이 크다는 것은
임피던스가 잘 매칭되었다, SWR이 1에 가깝다, 반사계수가 작다라는 개념과 연결이 됩니다.
자세한 내용은 링크 참조
반사와 매칭 - 신호는 왜 돌아올까? (SWR, 반사계수)
무전기를 통해 송신된 전파 신호는흔히 일방향으로 쭉 나아가 안테나에서 방사될 것이라고 생각합니다.하지만 신호가 다시 송신기로 돌아오는 경우가 있습니다. 이 현상은 산에서 소리쳤을 때
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반사손실 값의 의미
반사손실은 데시벨(dB) 단위로 표시됩니다.
구체적인 숫자로 보면,
반사손실이 0dB이면 보낸 전력 100%가 모두 반사된 것입니다.
물 호스를 틀었는데 물이 전혀 앞으로 나가지 않고 역류한 것과 같은 거죠.
반사손실이 10dB이면 보낸 전력의 약 10%가 반사됩니다.
20dB면 1%만 반사되고, 30dB면 0.1% 정도만 반사된 것입니다.
즉, 반사손실의 값이 클수록 반사되는 전력이 작다는 것입니다. 그래서 반사손실은 클수록 좋습니다.
이상적인 경우,
안테나와 송신기 임피던스가 완벽히 일치하면 반사가 전혀 없어서 반사손실은 무한대가 될 수 있을 것입니다.
하지만 실제로는 완벽한 일치가 어렵기 때문에 매우 큰 수치로만 표현됩니다.
반사손실과 반사계수( Γ )와의 관계
반사손실을 깊이 이해하려면 반사계수라는 개념과 연결 지어 볼 수 있습니다.
반사계수는 들어온 신호 대비 반사된 신호의 비율을 나타냅니다.
반사계수가 0이면 전혀 반사가 되지 않은 것이고,
반사계수가 1이면 들어온 만큼 모두 반사가 된 것이죠.
이해하기 쉬운 비유를 들어본다면,
산에서 "야호~~~" 하고 외치면
소리가 절벽에 부딪혀 메아리로 돌아옵니다.
이 메아리의 크기가 바로 반사계수입니다.
메아리가 원래 목소리와 비슷하게 크다면 반사계수는 1에 가깝고,
반대로 메아리가 아주 희미하면 반사계수는 0에 가깝습니다.
반사손실은 이 메아리의 세기를 dB 단위로 변환한 것입니다.
수식으로는
반사계수가 0.1이면 반사손실은 약 20dB
반사계수가 0.01이면 반사손실은 약 40dB
결국 반사손실이 크다는 것은 반사계수가 작다는 의미이며,
이는 시스템(안테나)이 송신기의 전력을 잘 받아들여 효율적으로 전달한다는 뜻입니다.
즉, 임피던스 매칭이 잘 되어 있다는 직관적 지표가 됩니다.
| 상태 | 반사계수 | 반사 전력 (%) | 반사손실 (dB) |
| 이상적 매칭 | 0 | 0% | ∞ (무한대) |
| 매우 우수 | 0.01 | 0.01% | 40dB |
| 우수 | 0.1 | 1% | 20dB |
| 보통 | 0.316 | 10% | 10dB |
| 나쁨 | 0.5 | 25% | 6dB |
| 매우 나쁨 | 0.707 | 50% | 3dB |
| 완전 반사 | 1.0 | 100% | 0dB |
* 포인트:
반사계수 낮다 ~ 반사손실 크다~ SWR 1에 가깝다 ~ 임피던스 매칭이 잘 됨 ~ 시스템이 효율적
반사계수 높다 ~ 반사손실 작다 ~ SWR 크다 ~ 임피던스 부정합 ~ 시스템이 비효율적
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반사손실이 크다는 것은
신호가 거의 반사되지 않고, 시스템이 전력을 잘 받아들였다는 뜻입니다.
즉, 안테나가 전파를 효율적으로 방사한다는 의미입니다.
'손실'이라는 단어가 혼동을 줄 수 있는데요,
반사손실이 크다는 건 '반사되는 에너지가 거의 없을 만큼 시스템이 잘 작동한다'는 뜻입니다.
삽입손실
삽입손실이란?
삽입손실(Insertion Loss)은 회로에 어떤 소자나 선로를 삽입했을 때
신호의 세기가 얼마나 줄어드는지를 나타내는 개념입니다.
쉽게 말해 경로 상에서 사라지는 손실입니다.
예를 들어,
송신기와 안테나 사이에 긴 케이블을 연결하면 어떻게 될까요?
케이블의 저항과 유전체 손실 때문에 신호 일부가 열로 바뀌어 줄어듭니다.
(*유전체: 케이블에서 도체를 둘러싼 절연체)
이렇게 선로를 통과하면서 발생하는 에너지 손실을 삽입손실이라고 부릅니다.
삽입손실도 반사손실처럼 데시벨(dB)로 표현합니다.
그렇지만, 반사손실과 달리 삽입손실은 값이 작을수록 좋습니다.
손실이 적다는 뜻이니깐요.
비유를 통한 삽입손실 이해
삽입손실은 물 흐름의 마찰로 쉽게 이해하면 됩니다.
수조에서 물을 먼 밭으로 관을 통해 보낸다고 하면
관이 길고, 내부가 거칠고, 좁으면
물이 흐르는 도중 마찰이 되면서 에너지를 잃습니다.
그 결과 끝에 도달하는 물의 양이 처음 보낸 양보다 줄어들죠.
이렇게 줄어든 비율이 바로 삽입손실에 해당되는 것입니다.
관이 짧고, 매끈하면 마찰이 적어 물 손실이 거의 없을 것입니다.
마찬가지로 좋은 케이블이나 소자는 삽입손실이 적어서 신호를 거의 약화시키지 않고 전달합니다.
반면, 길고 품질이 나쁜 케이블은 신호를 많이 약하게 만들 수 있습니다.
그리고 주파수가 높아질수록 이런 현상은 더 심해집니다.
삽입손실이
0dB : 소자를 넣어도 신호 세기 감소가 없다.
3dB : 출력이 절반으로 줄어듦
1dB : 약 20% 정도이 전력이 사라진다. (79%의 전력만 남는다)
반사손실과 삽입손실 정리
반사손실, 삽입손실 두 개념 다 손실을 다루지만 가리키는 것이 다릅니다.
반사손실
- 입력 단자에서 되돌아가는 전력의 손실을 가리킨다.
- 송신기가 보낸 신호 중 얼마나 반사되어 돌아오는지 측정한다
- 한 포트(입력) 측정으로 평가됨 (S11)
- 값이 클수록 좋다 (반사가 적다는 의미)
- 임피던스 매칭의 지표.
- 예: 안테나의 반사손실이 20dB 이상이면 양호하다.
삽입손실
- 입력에서 출력으로 가는 경로 전체에서 줄어든 전력을 나타낸다.
- 두 포트(입력 -> 출력) 사이의 전력 전달 효율을 측정한다 (S21)
- 값이 작을수록 좋다. (손실이 적다는 의미)
- 경로 손실의 지표다.
- 예: 케이블 삽입손실이 2dB이다 -> 출력으로 전달되는 신호가 원래보다 약 2dB 줄어듦.
요약하면, 반사손실이 크다는 것은 신호가 목적지로 가려는 의지가 강하다는 것이고,
삽입손실이 작다는 것은 신호가 가는 길에 힘을 덜 잃는다는 뜻입니다.
안테나와 케이블 사례로 보는 손실 개념
송신기 -> 케이블 -> 안테나 순으로 연결된 RF 실제 시스템 예로 생각해 보겠습니다.
안테나의 반사손실
안테나의 입력 임피던스가 송신기의 출력 임피던스(일반적으로 50옴)와 맞지 않으면,
송신기에서 보낸 전력 중 일부가 안테나에 흡수되지 못하고 다시 송신기로 반사됩니다.
예를 들어,
반사손실이 5dB인 안테나는 약 30% 이상의 전력이 반사가 됩니다. 좋지 않은 상태죠.
반사손실이 20dB인 안테나는 반사가 매우 적어서 거의 대부분의 전력을 받아들입니다.
따라서 안테나 튜닝이나 매칭 회로 설계 시 반사손실을 높이는 것이 핵심 목표입니다.
그래야지 송신 전력이 효율적으로 안테나를 통해 방사되기 때문입니다.
케이블의 삽입손실
고품질의 단단한 동축 케이블은 삽입손실이 낮습니다.
긴 케이블, 얇은 케이블, 저품질 케이블은 삽입손실이 커서 신호가 크게 줄어듭니다.
예를 들어 몇십 미터짜리 안테나 케이블은 2~3dB 정도 삽입손실이 발생할 수 있는데,
이것은 송신전력의 40~50%가 안테나에 도달하기 전에 사라진다는 뜻입니다.
측정 시 주의사항
케이블의 삽입손실이 반사손실 측정에 영향을 줄 수가 있습니다.
만약 안테나 자체의 반사손실이 15dB인데
안테나까지 가는 케이블이 5dB 삽입손실이 있어서
측정 장비가 보기에 시스템 전체의 반사손실이 25dB로 더 좋아 보이는 착시 효과가 생길 수 있습니다.
케이블이 신호를 전달하는 과정에서 반사파까지 크게 약화시키기 때문입니다.
그래서 너무 좋은 반사손실이 오히려 수상할 수도 있습니다.
반사손실이 지나치게 양호하면 성능 좋은 안테나 때문이기보단
케이블의 과도한 삽입손실 때문일 수 있는 것입니다.
이러한 것들을 함께 고려해서 측정 데이터를 해석해야 하므로
반사손실과 삽입손실 둘 다 모두 점검을 해야 합니다.
반사손실은 임피던스 매칭 관점에서,
삽입손실은 신호 전달 효율 관점에서 이해하면 됩니다.
이 글에서 다룬 개념을 통해
안테나 사양의 반사손실 수치를 보고 성능을 판단하고,
케이블 스펙의 삽입손실 값을 통해 적절한 길이와 품질을 선택하실 수 있게 되길 바랍니다 ^^
핵심은 높은 반사손실, 낮은 삽입손실을 목표로 하는 것입니다.