신비로운 50옴 임피던스: 그 유래와 사용 이유

S-파라미터, 임피던스 매칭, 전송 라인 및 RF/고속 PCB 설계의 기본 개념을 언급할 때 50 옴 임피던스 개념이 계속해서 나옵니다. 신호 규격, 부품 데이터 시트, 응용 노트 및 인터넷의 설계 지침을 살펴보면 이 임피던스 값이 반복적으로 나타납니다. 그렇다면 50 옴 임피던스 표준은 어디에서 유래되었으며 왜 중요한 것일까요? 단독으로 고려할 때 50 옴 임피던스를 선택하는 것은 완전히 임의적으로 보일 수 있습니다. 왜 10 옴 또는 100 옴이 아닌 것일까요?

대부분의 경우 답은 누구에게 물어보느냐에 따라 다릅니다. RF 커뮤니티, 특히 케이블 디자이너들은 가장 좋은 답변을 가지고 있으며 동축 케이블에 대한 분석이 그들의 설명을 뒷받침합니다. PCB에서의 일어나는 일에 대해 이것을 논의한 것을 한 번의 전문 참고문헌을 제외하고 본 적이 없지만, PCB에 대한 답변은 공통 논리 회로의 내부 구조와 전기적 특성으로 연결됩니다. 50 옴 임피던스 값에 대한 역사 수업에 준비가 되어 있다면 계속 읽어보세요. 우리는 RF 인터커넥트에서의 신호 및 전력 전달에 대해 배울 수 있는 75 옴 표준에 대해서도 살펴볼 것입니다.

코아실 케이블과 50 옴 임피던스의 역사

50옴 임피던스의 역사는 1920년대 후반/1930년대 초로 거슬러 올라가며, 당시 통신 산업이 초기 단계에 있었습니다. 엔지니어들은 라디오 송신기용으로 kW의 출력을 하는 공기로 채워진 코아실 케이블을 설계하고 있었습니다. 이러한 케이블은 수백 마일에 이르는 장거리를 이동하며 사용되었습니다. 이는 케이블이 최대 전력 전달, 최고 전압 및 최소 감쇠로 설계되어야 함을 의미합니다. 이 세 가지 목표를 모두 충족시키기 위해 어떤 임피던스를 사용해야 할까요?

결국, 많은 다른 설계 문제들과 마찬가지로 세 가지 목표를 모두 균형있게 유지하는 것은 불가능하다는 것이 밝혀졌습니다.

• 최소 손실: 이는 동축 케이블 내부 유전체의 손실에 따라 달라집니다. 공기로 채워진 동축 케이블의 경우, 이는 약 77옴에서 발생하며, 특정 유전체로 채워진 케이블의 경우 약 50옴에서 발생합니다 (아래에서 자세히 설명하겠습니다).
• 최고 전압: 이는 공기로 채워진 동축 케이블의 중심 도체와 측벽 사이의 전기장에 기반합니다. TE10 모드에서 전기장은 도체의 임피던스가 약 60옴인 경우에 최대화됩니다.
• 최대 전력 전달: 어떤 크기의 동축 케이블이든지 전파를 지원하는 전송선으로 작용할 수 있습니다. 동축 케이블이 운반하는 전력은 균열 전기장과 케이블의 임피던스에 의해 제한됩니다: V2/Z. 공기로 채워진 동축 케이블의 경우, TE11 차단 아래에서 전력 전달이 약 30옴에서 최대화됩니다.

아래 그래프는 손실과 전력 간의 트레이드오프를 보여줍니다. 아래 파일은 위키미디어에서 제공되었지만, 많은 다른 참고 자료에서 비슷한 그래프를 찾을 수 있습니다. 또한, 임피던스, 구리 표면 거칠기/스킨 효과, 및 유전체 흡수를 사용하여 손실을 계산하고 동축 케이블에 대해 특별히 유사한 그래프를 생성할 수 있습니다. 전력 계산에는 기본 전파 모드와 특성 임피던스에 대한 완전한 솔루션을 사용해야 합니다.

위 그래프에 대해 이해해야 할 한 가지는, 유전체 분산이 일반적으로 포함되지 않으며 고주파에서 결과에 영향을 미칠 것이라는 점입니다. 분산(두께 상수 값 및 손실 탄젠트)은 이러한 곡선을 계산할 때 평평한 분산을 가졌다고 가정되며, 이는 주파수 범위 내에서 현실과 일치하지 않을 수 있습니다. 그러나 이 곡선은 50 옴 임피던스에 중점을 두는 이유를 잘 이해하게 해줍니다.

타협 또는 유전체?

이 질문에 대한 빠른 답은 50옴이 최소 손실, 최대 전력 및 최대 전압에 해당하는 임피던스 사이의 최악의 타협이라는 것입니다. 실제로 50옴은 77옴과 30옴 사이의 평균에 근접하며, 60옴에 가까우므로 50옴 임피던스 표준의 이유로 가정하는 것이 자연스러워 보입니다. 그러나 PTFE로 채워진 동축 케이블의 최소 손실에 해당하는 임피던스는 거의 50옴이므로 이것도 또 다른 자연스러운 설명으로 보입니다!

75옴 임피던스는 어떻게 되나요?

전압 값은 중요하지 않을 수 있습니다. 전력을 운반하는 데 걱정되는 경우, 손실을 최소화하려는 경우, 또는 두 가지를 균형있게 유지하려는 경우입니다. 공기나 저 Dk 유전체 충전재가 있는 저가의 동축 케이블은 긴 케이블 런을 위해 77옴 임피던스를 목표로 할 수 있지만, 77옴 대신 75옴으로 반올림하는 이유는 아직도 나에게는 미스테리입니다. 75옴이 쉽게 기억하기 쉬운 좋은 반올림된 숫자라고 생각할 수 있지만, Microwaves 101의 외부 기사에 따르면 이것은 의도적인 설계였다고 합니다. 강철 코어가 있는 동축 케이블의 경우, 지름은 약간 오버사이즈되어 있어 약간의 유연성을 제공하여 임피던스가 75옴이 됩니다. 이것이 사실인지 여부는 확인할 수 없지만, 답변이 있는 경우 LinkedIn에서 나에게 연락 주시기 바랍니다!

참조 임피던스 변환

일반적으로 고속 또는 고주파 채널을 다룰 때, 우리는 주로 S 매개변수 측정을 중요한 신호 무결성 측정 항목으로 사용합니다. 이러한 매개변수는 일반적으로 위의 값 중 하나(50 또는 75 옴)으로 정의되며, 고속/RF 시스템에서 이러한 미디어 중 하나와 인터페이스할 수 있기 때문에 일반적으로 참조 임피던스로 취급됩니다. 저는 참조 임피던스를 원하는 종단 임피던스로 생각하는 것을 선호합니다. 각 포트에서 75 또는 50 옴 임피던스를 목표로 하고 S 매개변수 측정은 설계에서 이 목표에서 얼마나 벗어났는지를 보여줍니다. PCB 상의 연결에 대한 측정된 S 매개변수 행렬이 있다면, 다음 변환을 통해 새로운 S 매개변수 행렬로 변환할 수 있습니다.

이것은 참조 미디어를 전환할 때 S 매개 변수가 어떻게 변할 수 있는지 이해하는 데 유용합니다(예: 75 옴과 50 옴 임피던스 케이블 사이). "참조 미디어"라는 용어를 사용함으로써 DUT/인터커넥트와 이상적인 50/75 옴 케이블, 50/75 옴 포트 또는 50/75 옴 입력 임피던스를 갖는 다른 구성 요소 사이를 비교하고 있습니다.

50옴 임피던스 또는 다른 값으로 설계해야 하는 경우, Altium Designer®의 PCB 레이아웃 기능에는 고속 설계 및 RF 설계에 필요한 도구가 포함되어 있습니다. 레이어 스택 관리자에서 통합 Simberian의 3D 필드 솔버에 액세스하여 PCB 스택업에서 임피던스 제어를 구현할 수 있습니다.

디자인을 마치고 프로젝트를 공유하고 싶을 때 Altium 365™ 플랫폼을 사용하면 다른 디자이너들과 협업하기가 쉬워집니다. Altium Designer를 Altium 365에서 할 수 있는 가능성은 아직 많이 남아 있습니다. 더 깊은 기능 설명을 보려면 제품 페이지를 확인하거나 온디맨드 웨비나 중 하나를 참고하세요.