임피던스

 

 임피던스란?

임피던스 역시 매우 기초적이고 간단한 개념임에도 불구하고 의외로 헷갈려하는 사람들이 많다. 임피던스의 원래 정의는 다음과 같다.

      임피던스 : 특정 구조/회로 위치에서의 전압과 전류의 비

 Impedance라는 단어를 사전에서 찾아보면 '방해, 저지' 라는 의미의 단어이다. 언뜻 보면 회로의 저항(resistance)라는 개념과 매우 유사하며 실제로도 그러하다. 그래서인지 임피던스를 단순히 저항의 개념으로 착각하는 사람들이 많다. 그리고 원래 저항소자 (resistor)가 전력소모(dissipation)의 개념보다 함께 부하(load)의 개념이 더 널리 사용되 듯이, 임피던스 역시 부하와 관련된 개념으로 더욱 활용된다. 한가지 중요한 차이점은, 임피던스는 철저히 주파수를 가진 AC 회로에서 응용되는 개념이라는 점이다. 즉 임피던스는 주파수와 무관한 저항 R에, 주파수 개념이 포함된 저항소자인 L과 C에 대한 개념이 포함된 보다 큰 AC 개념의 저항이다. 개념적인 수식으로 정리한다면 아래와 같다.

전송선로 (Transmission line)의 특성임피던스(characteristic impedance)는 아래와 같은 수식으로 표현되기도 한다.

 

 임피던스의 역할

크게 보면 저항과 마찬가지로 소모와 저장, 부하의 3가지 역할로 나눌 수 있다. 도선을 따라 전류가 흐를 때, 주파수와 구조에 따라 자기장으로 에너지가 축적되는 인덕턴스(L)나 전기장으로 에너지가 축적되는 캐패시턴스(C)로 에너지가 축적되면 외부에서 보기에 에너지가 사라져서 마치 소모된 것처럼 보인다. 물론 실제 소모되는 경우도 있지만, 대체로 축적후에 교류상황에 맞게 에너지가 재활용되게 된다. 바로 이렇게 교류저항성 소자들로 인해 주파수에 따라 임피던스가 다르고, 이러한 것을 이용하여 부하(load)를 걸 수 있다. 소모나 축적이라는 기능은 단어만으로도 어느정도 이해가 가능한 부분이지만, 부하라는 부분은 좀더 설명이 필요하다.

자동차 통행이론의 예를 들어서, 목적지에 도달하기 위해서 A라는 도로와 B라는 도로가 있다고 가정해보자. 만약 당신이 서울시장이고, 의도적으로 A와 B의 도로중에, A도로에 80%, B도로에 20%의 차량이 분산해서 통행하기를 원하다면 어떻게 해야할까? 간단하다! A 도로를 B 도로보다 4배정도 넓게 만들어놓으면 자동차들은 알아서 적당히 분산해갈 것이다. 바로 이것이 부하의 원리이고, 도로의 폭이 바로 임피던스이다.

전자회로 설계를 잘 들여다보면, 결국 여러 부위에 원하는 전압이나 전류를 분산하여 인가함으로써 특정한 목적을 가진 회로로서 동작하게 만드는 것이다. 그러려면 특정 부위, 특정 지점에 일정한 전압 또는 전류가 흐르도록 제어해야하게 되는데, 대부분 전압이나 전류중 한 가지는 고정되있기 때문에 임피던스를 조절하면 나머지 한가지 요소를 조절할 수 있게 된다. (임피던스의 정의가 전압과 전류의 비라는 점을 상기할 것!)

 

 특성 임피던스 (Characteristic Impedance)

모든 RF 회로에서는 특성임피던스가 주어진다. 이것은 하나의 회로 혹은 시스템을 기준잡는 임피던스로서, 일반적으로 회로에서는 50옴, 안테나에서는 75옴을 많이 사용한다. 이 임피던스값 자체가 어떤 특성을 가지는 것은 아니고, 기준 임피던스를 잡음으로써 각각의 component/Circuit이 서로 입출력단에서 호환성을 가지게 하려는 의미가 더 강하다. 모든 RF 파트의 입력단과 출력단을 50옴으로 통일한다면 특별한 임피던스 정합을 하지 않아도 바로 연결할 수 있기 때문이다.

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