동축 케이블의 임피던스란? 기초 지식과 측정 방법을 철저히 설명

동축 케이블은 TV 방송, 인터넷 통신, 음성 신호 전송 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있습니다.

그 중에서도 임피던스는 동축 케이블의 성능에 중요한 요소입니다. 본 기사에서는, 동축 케이블의 임피던스의 기초 지식이나, 측정 방법에 대해 알기 쉽게 해설합니다. 꼭 참고하십시오.

동축 케이블의 임피던스란?

동축 케이블의 임피던스는 전기 신호가 케이블을 통해 흐를 때 발생하는 전기 저항 값을 의미합니다. 특정 주파수에서 신호의 에너지 전송 효율을 최적화하는 데 중요한 특성입니다.

일반적으로 동축 케이블의 임피던스는 50Ω(옴) 또는 75Ω으로 구분되며, 이는 케이블이 연결되는 장비 및 애플리케이션에 따라 선택됩니다.

50Ω은 주로 무선 통신 및 데이터 전송에 사용되며 75Ω은 TV 및 비디오 신호 전송에 적합합니다. 임피던스는 케이블 내부의 중심 도체와 외부 도체의 직경비와 사용되는 절연체의 유전율에 의해 결정되는 것이 특징입니다.

임피던스 특성을 맞추는 것은 「임피던스 매칭」이나 「임피던스 매칭」이라고 불립니다. 회로나 케이블의 임피던스가 맞지 않는 상태는 "임피던스 불일치"로 표현되며, 이 상태에서는 고주파 신호를 올바르게 전송할 수 없습니다.

임피던스가 적절하지 않으면 신호의 반사나 감쇠가 발생하여 통신 품질이 저하될 수 있습니다. 따라서 연결하는 장비와 케이블의 임피던스를 일치시키는 것은 신호 품질을 유지하고 전체 시스템의 효율을 극대화하는 데 매우 중요합니다.

임피던스 케이블을 올바르게 선택하면 신호 반사 및 손실을 최소화할 수 있습니다.

동축 케이블의 임피던스 측정 방법

동축 케이블의 임피던스를 정확하게 파악하는 것은 고품질 신호 전송을 실현하는 데 중요합니다.

임피던스의 측정에는 전용의 측정기를 사용해, 계산에 의한 이론치의 확인도 실시합니다. 이러한 방법을 결합하면 보다 신뢰할 수 있는 측정이 가능합니다.

특성 임피던스의 측정 방법

특성 임피던스를 측정하는 방법은 여러 가지가 있지만, 대표적인 방법은 TDR(Time Domain Reflectometry) 방법과 네트워크 분석기를 사용하는 방법입니다.

TDR법은 동축 케이블의 임피던스 변화를 시간 영역에서 측정하는 방법으로 케이블의 불연속점이나 손상 부분을 특정하는데 적합합니다. TDR 장치는 케이블에 짧은 시간의 펄스를 보내고 반사 파형을 분석하여 임피던스 불일치를 감지합니다. 이 방법은 특히 장거리 케이블과 매설된 케이블의 진단에 유용합니다.

한편, 네트워크 분석기를 이용한 측정 방법은 보다 광범위한 주파수 범위에서 임피던스 특성을 평가하는 데 적합하다. 이 장치는 케이블에 주파수를 바꾸면서 신호를 전송하고 그 응답을 측정하여 케이블의 주파수 특성과 임피던스의 주파수 의존성을 자세히 분석합니다. 이 기술은 특히 고주파수 영역에서 측정이 필요하거나 케이블 설계 단계에서 평가하는 데 유용합니다.

측정을 수행할 때 케이블의 양쪽 끝을 적절히 연결하고 외부 노이즈를 최소화하는 것이 중요합니다. 정확한 임피던스 측정은 시스템의 신호 손실을 최소화하고 통신 품질 향상에 기여합니다. 적절한 측정 장비와 공정을 선택하면 동축 케이블의 성능을 극대화할 수 있습니다.

특성 임피던스 계산 방법

동축 케이블의 특성 임피던스는 케이블의 물리적 구조로부터 계산할 수 있습니다. 계산에는 중심 도체의 직경, 절연체의 직경 및 절연체의 유전율이 필요합니다. 이러한 값을 전용 계산식에 적용하면 이론적 특성 임피던스를 구할 수 있습니다.

특성 임피던스는 전송선로의 물리적 구조와 사용되는 재료의 특성에 의해 결정되며 다음과 같은 식으로 계산할 수 있습니다.

Z=√Zo×√Zs

Zo는 동축 케이블 팁을 열었을 때의 임피던스이고 Zs는 팁을 단락했을 때의 임피던스입니다.

参考：日置電機株式会社（2025年1月）「【LCR】同軸ケーブルの特性インピーダンスの測定方法」、日置電機株式会社 – Hioki、URL（https://hiokisupport.zendesk.com/hc/ja/articles/9370515977999–LCR-%E5%90%8C%E8%BB%B8%E3%82%B1%E3%83%BC%E3%83%96%E3%83%AB%E3%81%AE%E7%89%B9%E6%80%A7%E3%82%A4%E3%83%B3%E3%83%94%E3%83%BC%E3%83%80%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%81%AE%E6%B8%AC%E5%AE%9A%E6%96%B9%E6%B3%95）。

그러나 실제 제조 과정에서의 오차나 사용 환경의 영향으로 계산값과 실측값에 약간의 차이가 생길 수 있습니다.

임피던스 매칭이란?

임피던스 매칭은 전기 회로 및 통신 시스템에서 신호 반사를 최소화하고 전력 전송 효율을 극대화하는 기술입니다.

여기에서는 임피던스 매칭의 의미와 방법을 설명합니다.

임피던스 매칭의 의미

임피던스 매칭이란 신호의 전송로 전체에서 전기적 특성을 매칭시키는 것을 의미합니다. 특히 고주파 신호를 취급하는 경우, 송신측의 임피던스와 수신측의 임피던스가 일치하지 않으면 신호가 반사되어 전송 효율이 저하된다. 이 현상을 방지하기 위해 임피던스 매칭이 수행됩니다.

임피던스 매칭이 부적절하면 신호가 반사되어 복귀하면 전송로에서 신호 열화나 노이즈의 증가를 일으킬 수 있으므로 주의가 필요합니다.

특히 고주파 회로나 안테나 설계에서는 이 매칭이 중요시되고 적절한 임피던스 매칭을 함으로써 통신의 품질이나 시스템 전체의 성능이 대폭 향상됩니다.

임피던스 매칭을 실현하기 위해서는 특정 저항이나 콘덴서, 인덕터 등의 전자 부품을 사용하는 것이 일반적입니다. 이러한 부품을 결합하여 회로의 특성을 조정하고 목표 임피던스를 달성합니다.

또한 동축 케이블 등의 전송로를 사용할 때는 케이블 자체의 특성 임피던스에 맞춘 매칭이 요구됩니다. 이를 통해 신호 전송 효율을 극대화하고 통신의 안정성과 신뢰성을 보장할 수 있습니다.

임피던스 매칭 방법

안테나 회로에서 임피던스 매칭을 수행하는 방법

안테나 회로에서의 임피던스 매칭은 종종 매칭 네트워크를 사용하여 수행된다. L형, T형, π형 등의 필터 구성을 이용함으로써 회로 전체의 특성 임피던스를 조정하여 50Ω이나 75Ω에 접근하는 방법이 일반적입니다.

안테나로 수신된 미약한 신호를 효율적으로 처리하기 위해서는 저잡음 증폭기(LNA)까지의 전송 경로를 최적화해야 한다. 특히 중요한 것은 안테나에서 앰프까지의 배선을 가능한 한 짧게 하여 전송 손실을 억제하고 임피던스를 올바르게 정합시켜 신호의 반사를 방지하는 것입니다.

TV 전파를 수신하는 안테나에서는, 수신한 신호를 부스터 앰프로 증폭하고 나서 건물 내에 배선하는 것이 일반적입니다. 이때 안테나와 앰프의 접속에는 75Ω의 동축 케이블을 사용하고 가능한 한 짧은 거리에서 저손실 케이블을 사용하여 배선하는 것이 중요합니다.

덧붙여 감쇠기를 넣으면 잡음 지수가 오르고, 수신 감도가 크게 저하해 버리기 때문에, VSWR의 값이 나쁜 경우에서도 이 구간에 고정 감쇠기를 삽입하는 것은 피하는 편이 좋을 것입니다.

아이솔레이터를 삽입하는 방법

전문 장비에서는 정재파로 인한 주파수 특성의 열화를 방지하기 위해 아이솔레이터를 활용하는 방법이 있습니다. 아이솔레이터를 기기의 입력단과 출력단에 설치함으로써 사용하는 주파수 대역에서 신호 품질을 유지할 수 있습니다.

아이솔레이터의 삽입은 특히 고주파 대역에서의 작동에 중요합니다. 고주파에서는 미소한 임피던스 불일치로도 큰 손실을 일으킬 수 있으므로 아이솔레이터를 사용하여 확실한 신호 전송을 확보할 필요가 있습니다.

적절한 아이솔레이터를 선택할 때는 주파수 대역, 삽입 손실, 아이솔레이션 성능 등의 특성을 고려하여 자신의 시스템에 최적인 것을 선택하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 통신 시스템의 성능이 크게 향상되고 신호 품질이 향상될 수 있습니다.

임피던스 변환기를 삽입하는 방법

임피던스 변환기는 송신측과 수신측의 임피던스가 다른 경우 불일치를 해소하는 역할을 한다. 임피던스 트랜스듀서는 서로 다른 임피던스 디바이스들 사이의 연결을 가능하게 하여 시스템 설계의 유연성을 향상시킨다.

예를 들어, 50Ω의 출력 임피던스를 가지는 신호 발생기를 75Ω의 전측계에 접속하여 측정을 실시하는 경우, 임피던스의 차이에 의해 신호의 반사가 발생하여 정확한 측정을 할 수 없습니다. 따라서 임피던스 컨버터를 사용하여 두 인터페이스를 최적화합니다. 임피던스 변환기로 호환성 문제를 해결하면 안정적인 통신을 실현할 수 있습니다.

트랜스미터에는 저항, 변압기, 스트립 라인 등 다양한 종류가 있으며 용도에 따라 선택할 수 있습니다. 변환기를 사용할 때는 변환 후의 임피던스에 맞는 동축 케이블을 선택하여 신호의 전송 효율을 최대한 높일 수 있습니다. 임피던스 변환 후 변환 후 값에 맞는 동축 케이블을 사용하여 장비를 연결합니다. 75Ω으로 변환한 경우 75Ω 동축 케이블을 사용하여 장비를 연결합니다.

50Ω 및 75Ω 동축 케이블 선택 방법

50Ω과 75Ω의 동축 케이블은 용도와 특징이 다릅니다. 우선 각각의 특징을 살펴 봅시다.

50Ω 동축 케이블은 주로 무선 통신 장비 및 데이터 전송 시스템에서 사용됩니다. 휴대 전화 시스템, GPS 안테나, 각종 측정기 등 높은 전력 처리 능력이 필요한 경우에 적합합니다. 50Ω의 케이블은 전력 처리 능력과 신호 손실의 밸런스가 뛰어나 무선 기기와의 궁합이 좋은 것이 특징입니다.

한편, 75Ω 동축 케이블은 텔레비전 및 비디오 신호 전송에 최적의 특성을 가지고 있습니다. 케이블 TV나 위성 방송의 수신 등, 영상 신호를 취급하는 기기로 널리 사용되고 있습니다. 신호 감쇠가 적고 정전 용량도 낮기 때문에 장거리에서의 신호 전송에도 적합합니다.

케이블을 선택할 때 중요한 포인트는 연결하는 장비의 용도입니다. 무선 통신이나 데이터 전송에는 50Ω을, TV나 비디오 신호에는 75Ω을 선택합시다. 또한 배선 거리가 길면 신호 감쇠를 억제하기 위해 적절한 두께의 케이블을 선택해야 합니다. 다만, 굵은 케이블은 취급이 어려워지는 경우가 있으므로, 설치 환경도 고려에 합시다.

또한 사용할 주파수 대역에 해당하는 케이블을 선택하는 것도 중요합니다. 또한 50Ω과 75Ω에서는 커넥터의 형상이 다를 수 있으므로 접속하는 기기와의 호환성도 확인이 필요합니다. 동축 케이블을 선택할 때는 접속하는 기기의 임피던스를 확인하고 그에 맞는 케이블을 선택하여 최적의 신호 전송이 가능합니다.