RF 시스템을 처음 접할 때, 안테나와 송수신기에만 관심을 두는 경우가 많지만
이들을 연결하는 케이블 역시 매우 중요합니다.
잘못된 케이블 선택은 신호를 약화시키거나 왜곡시킬 수 있습니다.
이 글에선 전송선로(transmission line)의 개념,
케이블 종류와 길이가 RF 성능에 미치는 영향에 대해 알아보겠습니다.
전송선로란?
RF 신호를 전달하는 케이블은 단순한 전선이 아닙니다.
고주파 에너지를 손실없이 잘 전달할 수 있도록 설계된 전송선로입니다.
가장 흔한 전송선로는 동축케이블(coaxial cable)입니다.
동축 케이블의 구조 (위 사진)
A - 플라스틱 외피: 케이블 보호
B - 외부 도체(차폐망, 쉴드): 외부 전자파 간섭 차단 + 신호 누설 방지
C - 절연체(유전체): 중앙 도선을 둘러싸며 특성 유지
D - 중앙의 가는 도선: 실제 RF 신호가 흐르는 통로
이런 구조 덕분에 동축 케이블은 고주파 신호를 외부로 누설시키지 않고 안전하게 전달합니다.
마치 물이 새지 않는 파이프처럼 안전한 통로를 제공하는 거죠.
임피던스와 전송선로
전송선로에는 '특성 임피던스'라는 값이 있습니다.
케이블이 RF 신호에 대해 보이는 '저항' 같은 성질인데,
중요한 점은 시스템의 임피던스와 케이블의 임피던스를 맞춰야 신호가 잘 전달된다는 것입니다. (임피던스 매칭)
대부분의 무선 통신 장비와 안테나는 50옴 임피던스에 맞춰져 있습니다.
따라서 RF용 동축 케이블도 보통 50옴 규격입니다.
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임피던스 매칭에 대해서 링크 참고
왜 50옴이 기준인가? - 임피던스 매칭
RF를 공부하다 보면 반드시 마주치는"임피던스 50옴" 안테나, 무전기, 케이블, 측정기 등 대부분의 RF 장비가 임피던스 50옴 기준으로 설계가 되어 있습니다. 근데 왜 하필 50옴일까요? 임피
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참고로 TV 안테나용 동축은 75옴입니다.
수신 위주의 시스템에서 신호 손실을 줄이기 위해서 그렇습니다.
하지만 일반적인 RF 시스템에선 50옴 케이블을 사용하는 것이 원칙입니다.
케이블 길이가 길면 어떤 문제가 생기는가
케이블 길이가 길어지면 신호는 약해집니다.
이 현상을 삽입 손실(insertion loss)이라고 합니다.
케이블을 통해 신호가 이동할 때, 일부 에너지는 열로 소모되기 때문입니다.
케이블이 짧을 때는 손실이 미미하지만, 길이가 길어질수록 누적되는 손실이 커집니다.
+ 삽입손실에 대한 설명 링크 참조
반사손실(Return Loss), 삽입손실(Insertion Loss)
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 자체
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손실 크기는 데시벨(dB) 단위로 표현합니다.
3dB 손실: 신호 강도의 절반 손실(50% 남음)
10dB 손실: 신호 강도의 90% 손실(10% 남음)
실전 예시 (400MHz, 30m 기준)
예를 들어, 30미터 길이의 저렴한 RG-58 케이블로 400MHz 신호를 보내면 약 13dB의 손실이 발생합니다.
이는 원래 신호의 5%만 남는다는 뜻입니다;;
더 굵은 RG-213 케이블을 사용하면 같은 길이에서 손실이 약 5dB로 줄어들고, (신호의 30%만 전달)
저손실 케이블인 LMR-400을 사용하면 2.6dB 정도로 감소합니다. (절반 이상의 신호 전달됨)
같은 길이에서도 케이블 종류에 따라 신호 손실량이 다르다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 고주파 신호를 다루고, 먼 거리를 연결해야 할 때 반드시 저손실 케이블을 선택해야 합니다.
신호 지연
케이블 길이는 신호 지연(time delay)에도 영향을 주는데요,
전기 신호는 케이블 속을 빛보다 약간 느린 속도로 전파됩니다.
이로 인해 케이블 1m 당 수 나노초(ns)의 지연이 발생합니다.
일상적으로는 체감하기 어렵지만,
정밀한 시스템에서는 이 지연이 중요할 수 있으니 케이블 길이를 고려해야 합니다.
케이블 종류: RG-58, RG-213, LMR-400
자주 사용되는 동축 케이블의 특징을 살펴보겠습니다.
먼저 RG-58은 지름 약 5mm으로 유연하고 저렴해서 많이 쓰입니다.
단점으로는 손실이 큰데, 특히 고주파에서 손실이 큽니다.
그래서 짧은 연결에 쓰이는 것이 좋습니다.
RG-213은 그보다 좀 더 두껍습니다. (약 10mm)
RG-58보다 손실이 절반 이하 수준이고, 아마추어 무선에서 장거리 안테나 연결에 쓰입니다.
전력 처리 능력이 좋고 내구성이 우수한 반면 RG-58보다 무겁고 덜 유연합니다.
VHF, UHF 대역까지 무난합니다.
LMR-400은 저손실 동축 케이블입니다. 외경은 RG-213과 비슷합니다.
수백 MHz~ 수 GHz 영역까지 뛰어난 성능을 갖습니다.
대신 가격이 비싸고 뻣뻣하죠.
장거리 연결을 하거나 안테나 설치 시 신호 보존이 중요한 경우 쓰입니다.
이 외에 초고주파에서는 세미리짓(Semi-Rigid) 동축이나
파이프 형태의 경질 동축(Heliax 브랜드) 케이블을 씁니다.
어느 케이블이 얼마나 손실을 가지는지 감을 잡으려면
데이터 시트, 자료를 찾아보는 것이 좋습니다.
각 케이블 별 주파수별 손실(dB/m, dB/100m)이 나와있으니
내가 다루는 주파수와 거리에서는 몇 dB 손실이 예상되는지 계산해보면 좋습니다.
* 3dB 이상이면 신호 절반 이상이 날아가는 것이라 생각하고 비교하면 쉽습니다.
올바른 케이블 선택을 위한 팁
주파수: 주파수가 높을수록 케이블 손실이 커집니다. 고주파일수록 저손실 케이블을 고려해야 합니다.
길이: 케이블 길이가 길수록 손실이 누적됩니다. 길이가 길어야만 한다면 저손실 케이블을 사용합니다. 설치할 때 전송선로 길이가 짧다면 굳이 비싼 케이블을 쓰지 않아도 됩니다. 예산을 고려하면 되겠습니다.
환경과 설치조건: 옥외 설치를 할 경우 내후성(자외선, 습기)에 강한 외피를 가진 케이블을 선택합니다. 케이블을 굽히고 움직여야 하는 경우면 유연성도 생각합니다. 주변 전자기 간섭이 우려되면 차폐(쉴드)가 우수한 케이블(이중, 삼중 차폐 케이블)을 쓰는 것이 신호 품질에 좋습니다.
전력과 신호 세기: 송신기의 출력이 높다면 케이블의 전력 처리 능력도 고려합니다. 얇은 케이블은 발열이 생길 수 있고, 잘못하면 화재의 위험도 생길 수 있습니다. 일반적으로 굵을수록 더 큰 전력을 전달하기 좋습니다. 또한 약한 신호를 수신하고자 한다면 저손실 케이블을 고려해야겠죠.
저손실 케이블일수록 가격이 높지만 투자한만큼 성능이 좋습니다.
예산과 설치 목적을 따지고서 균형있게 선택하면 됩니다.
삽입손실을 생각하지 않고
무전기와 안테나 사이에 RG-58 케이블로 30여미터를 연결하면;;; 곤란합니다.
출력이 충분한데 수신이 잘 안 되니 무전기나 안테나 문제가 아냐?? 하고 의심할 수 있지만
사실 케이블 손실이 문제였던 거죠..
데이터 시트를 보면서
케이블 길이와 종류를 생각하고 전송선로를 설치하는 것이 중요합니다.
이 작은 차이가 생각보다 RF 시스템 성능을 좌지우지 합니다. ^^