임피던스 매칭 네트워크는 전력 전달과 반사를 방지하는 데 중요합니다. 전력 전달, 전압 및 전류를 살펴보는 대신 RF 엔지니어는 일반적으로 S-매개변수를 사용하여 임피던스 매칭 회로를 2포트 네트워크로 평가합니다. 특히, 임피던스 매칭과 관련된 중요한 양은 일반적으로 삽입 손실과 반사 손실이며, 이는 2포트 임피던스 매칭 네트워크에 대한 S-매개변수를 사용하여 계산할 수 있습니다.
여기서, 이전 게시물을 확장하여 Altium Designer의 SPICE 시뮬레이션 도구 세트를 사용하여 간단한 LC 네트워크를 설계하고 그 동작을 시뮬레이션할 것입니다. 복잡한 조작이 필요한 경우, Altium Designer에서 시뮬레이션 데이터를 쉽게 내보내어 다른 분석 프로그램에서 사용할 수 있습니다. 이를 통해 주파수 함수로 광대역 S-파라미터를 추출하고 쉽게 삽입 손실과 반사 손실로 변환할 수 있습니다.
임피던스 정합은 여러 가지 방법으로 평가할 수 있습니다. 직렬로 배치된 회로 요소의 경우, 입력 임피던스와 부하 임피던스가 서로 복소 공액일 때 임피던스가 정합됩니다. 대부분의 실제 상황에서 이는 좁은 대역폭 내에서만 발생하며, 고차 필터링 없이 광대역 정합을 얻는 것은 드뭅니다. 설계 목표는 일반적으로 삽입 손실을 가능한 0 dB에 가깝게 만드는 것(S21 → 1)과, 반환 손실을 가능한 한 임계값 이하로 낮추는 것(보통 -10 dB 이하, 또는 S11 → 0)입니다.
아래 회로도는 우리가 시뮬레이션하고자 하는 임피던스 정합 네트워크를 보여줍니다. 여기서 목표는 S-파라미터, 삽입 손실, 그리고 반환 손실을 추출하여 최적의 임피던스 정합 주파수를 결정하는 것입니다. 여기서, 소스는 1 V 진폭으로 설정되며, 삽입 손실과 반환 손실을 결정하기 위해 주파수 스윕이 사용될 것입니다.
네트워크가 없을 때, 부하 저항 R2에 의해 소모되는 전력은 우리의 프로브 측정값으로부터 쉽게 계산될 수 있습니다. 우리는 매칭 네트워크가 존재할 때 부하를 통해 소모되는 전력을 시뮬레이션하고자 합니다. 이는 삽입 손실과 S21을 사용하여 정량화할 수 있습니다. 또한, 네트워크로 입력되는 전력이 필요한데, 이는 R1을 통한 입력 전류와 (네트워크 + 부하) 회로를 통한 차동 전압으로 계산될 수 있습니다. 삽입 손실과 S21을 평가하기 위해, 다음 공식을 사용할 수 있습니다:
반사 손실과 S11은 입력 임피던스와 매칭 네트워크 + 부하 임피던스 사이의 어떠한 반사를 고려하여 계산될 수 있습니다.
여기에서, 우리는 Z0의 값이 네트워크 입력에서의 소스 임피던스(50 옴)임을 알고 있으며, 네트워크의 입력 임피던스(즉, 네트워크 + 부하 임피던스)인 Znetwork를 계산해야 합니다. 이것은 우리에게 S11과 S21을 제공하는데, 이는 이 임피던스 매칭 네트워크에 대한 중요한 파라미터 중 두 가지입니다. 회로 요소의 배열에 대칭이 없음에도 불구하고 이 네트워크는 상호적입니다. 우리는 항상 S12 = S21 사이의 간단한 관계를 가지고 있지만, S11과 S22에 대해 같은 유형의 동등성을 가지고 있지 않을 수 있습니다. 이 경우가 그러하므로, 소스를 네트워크의 다른 쪽으로 이동하고 소스 임피던스로 70 옴 부하를 배치함으로써 다른 포트의 S-파라미터를 결정할 수 있습니다.
시작하려면, 혼합 시뮬레이션 프로필을 생성하고 주파수 스윕을 설정하세요. 여기서는 주파수를 100 MHz에서 1 GHz까지 스윕하고자 합니다. 시뮬레이션 메뉴에서 옵션을 선택하거나 키보드에서 F9를 눌러 시뮬레이션을 실행하세요. 저의 AC 스윕 결과는 아래 그래프에 표시되어 있습니다. 상단 그래프는 저항기를 통해 소모된 전력을 보여주며, 이는 삽입 손실을 계산하는 데 사용됩니다. 이는 단순히 r2[p] 파형을 선택함으로써 계산됩니다.
하단 그래프는 매칭 네트워크 + 부하의 총 임피던스를 보여주며, 이는 입력에서의 반환 손실을 계산하는 데 사용됩니다. 이는 전체 네트워크(netl1_1 파형)를 통한 전압 강하를 취하고, 네트워크로 흐르는 전류(l1[i] 파형)로 나눔으로써 계산해야 합니다.
여기에서 부하를 통한 최대 전력 소모는 약 448 MHz에서 관찰되므로, 그 지점에서 삽입 손실 스펙트럼의 최소값을 볼 것으로 예상합니다. 더 나아가기 위해, 파형 분석 기능을 사용하여 결과를 계산하거나, 외부 프로그램에서 사용하기 위해 데이터를 .CSV 파일로 내보낼 수 있습니다. 저는 편의를 위해 결과를 Excel로 가져가기로 결정했습니다. 이를 위해 파일 → 내보내기 → 차트로 이동한 다음, 데이터의 실수 부분과 허수 부분을 내보내기 위해 “복잡함” 옵션을 선택합니다. 아래 그래프는 S11과 S21의 크기와 위상을 보여줍니다. 이 값들은 위의 공식을 사용하여 쉽게 삽입 손실로 변환할 수 있습니다.
여기에서, 임피던스가 가장 근접하게 일치하는 것은 약 445 MHz이며 S11은 약 200 MHz 대역폭에서 꽤 평탄하게 유지되는데, 이는 위의 그래프에 표시된 전력 데이터와 일치합니다. 그러나 S11은 여전히 상당히 높습니다(최소 0.452, 또는 -7 dB 반환 손실), 일부 불일치가 남아 있음을 나타냅니다. 더 나아가는 방법은 다른 구성 요소 값들을 매개변수 스윕을 사용하여 반복하는 것입니다; 첫 번째 인덕터와 출력 커패시터가 시작하기 좋은 곳입니다.
삽입 손실, 반환 손실 및 S-파라미터를 바라보는 또 다른 방법은 임피던스 정합 네트워크를 일치된 소스와 부하를 가진 필터로 간주하는 것입니다. 위의 네트워크를 필터로 설계할 때, 위에 표시된 동일한 단계를 사용하여 임피던스 또는 전달 함수를 결정할 수 있습니다. 이는 소스와 부하 저항을 제거하고 T-네트워크를 독립적으로 시뮬레이션하는 것을 포함합니다. 용량성 또는 저항성 부하에 대한 임피던스 정합을 시뮬레이션할 때 동일한 절차를 사용할 수 있습니다. 어떤 경우든, 최소한의 전력 반사를 보장하고자 한다면, 부하에 대한 공액 정합이 발생하는 임피던스 정합 네트워크의 주파수를 검토하는 것이 목표입니다.
여기에 표시된 예제는 사전 레이아웃 시뮬레이션 기능을 Altium Designer®에서 활용합니다. 이 강력한 PCB 설계 플랫폼을 사용하면, 매칭 네트워크 디자인을 실제 PCB 레이아웃에 배치하는 데 도움이 되는 CAD 도구에 접근할 수 있습니다. 또한 데이터를 새로운 레이아웃으로 가져와 PCB 설계를 시작하는 데 필요한 도구도 갖추게 됩니다.
이제 Altium Designer의 무료 체험판을 다운로드하여 업계 최고의 레이아웃, 시뮬레이션 및 생산 계획 도구에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 오늘 Altium 전문가와 상담하세요하여 더 많은 정보를 얻으세요.