RF 고주파 신호를 처음 접하면 보통 안테나나 무전기에만 관심을 두기 쉽습니다. 그러나 이들 장비를 연결하는 전송선로인 동축케이블도 성능에 큰 영향을 미칩니다.
전송선로에 대한 설명 링크 참조
전송선로 - 케이블 길이와 선택 팁
RF 시스템을 처음 접할 때, 안테나와 송수신기에만 관심을 두는 경우가 많지만이들을 연결하는 케이블 역시 매우 중요합니다. 잘못된 케이블 선택은 신호를 약화시키거나 왜곡시킬 수 있습니다.
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전송선로를 고를 때 고주파일수록 손실에 취약하므로 저손실 케이블을 고려합니다. 그렇다면 이런 질문이 떠오릅니다.
"왜 고주파에서 신호 손실이 더 커질까요?"
이 글에서는 고주파에서 신호 손실이 더 커지는 이유를 설명하겠습니다.
표피 효과(Skin Effect)가 주범
전류는 도선 전체에 고르게 흐르지 않습니다. 주파수가 높아질수록 전류는 도선의 표면 가까이로만 흐르게 되는데요, 이것을 "표피 효과(Skin Effect)" 라고 부릅니다.
왜 이러한 현상이 일어날까요?
먼저 전류가 흐르면 자기장이 생겨납니다. 주파수가 높을수록 이 자기장의 변화가 더 빨라집니다. 빠르게 변화하는 자기장은 도선 내부에 새로운 유도 전류(와전류)를 만들어냅니다.
이 유도 전류는 원래의 전류 흐름을 방해하는 방향으로 형성 되는데요 (렌츠의 법칙), 마치 같은 극의 자석이 서로를 밀어내듯, 도선 중심부로 흐르려는 전류는 점점 표면으로 밀려납니다.
결과적으로 전류가 실제로 흐를 수 있는 유효 단면적이 줄어들게 됩니다. 단면적이 줄어들면 저항이 증가합니다. 그러면 더 많은 에너지가 열로 변환되어 손실이 되지요. 즉, 신호의 손실이 더 커진다는 것입니다.
* 위 식의 A는 전류가 흐르는 단면적. 단면적이 작아지면 저항 R은 커진다.
유전체 손실 원인
동축케이블은 중심 도체와 외부 실드 사이에 유전체(절연체)가 있습니다. 이 유전체는 도체 사이에서 전자기장을 유지해주는 역할을 합니다.
고주파에서는 전자기장이 이 유전체를 통과하면서 분자들을 진동시키는 데요, 이 진동은 분자 수준의 마찰을 일으키고, 결과적으로 에너지가 열로 변환됩니다. 이를 '유전체 손실(dielectric loss)'이라고 합니다.
주파수가 높아질수록 분자들의 진동이 더 활발해지므로, 이 손실도 커집니다. 따라서 고주파용 케이블은 유전체 재질이 특히 중요합니다.
참고로 고가의 저손실 케이블 (헬리액스 계열) 중에는 공기만을 유전체 구조로 설계되기도 합니다. 공기는 손실이 거의 없는 이상적인 유전체이기 때문입니다.
구조적 민감성: 작은 결함도 문제
고주파에서는 파장이 짧아집니다. 예를 들어 100MHz에서는 파장이 약 3m이지만, 1GHz에서는 약 30cm로 줄어들죠. 1cm의 구조 변화에서 같은 결함이더라도 100MHz에서는 거의 무시되지만 1GHz에선 파장의 1/30이니 더 큰 영향을 끼칩니다.
파장이 짧아지면 케이블의 작은 구부러짐, 압착, 커넥터의 미세한 오차도 문제가 됩니다. 이런 작은 결함들은 임피던스 불일치가 일어나 일부 신호가 반사될 수 있습니다. 반사된 신호는 목적지로 가지 못하고 되돌아가므로, 전체 시스템의 효율이 떨어집니다.
저주파는 파장이 길기 때문에 간섭이 있어도 회절을 하지만, 고주파는 파장이 짧아서 직진성이 강합니다(AM 라디오는 상대적으로 먼 거리에서 신호를 받아도 Wi-Fi는 그렇지 못하죠). 그래서 조그마한 변화(회로 패턴까지..)에도 영향을 받습니다. 즉, 작은 구조적 결함에도 간섭의 원인이 되는 것입니다.
결론적으로, 고주파 신호를 다루는 RF에서는 케이블에서의 표피효과, 유전체 손실, 구조적 민감성에 대해서 고려를 하여야 합니다. 저주파 시스템에선 큰 영향을 주지 않는 작은 요소들이 고주파 환경에서는 신경써야 할 것들입니다;; 이러한 물리적 특성을 이해하고, 저손실 케이블이나 부품 선택, 회로 설계 등을 신경써야 RF 시스템의 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.