GoodKook's Place: 스미스 차트 활용

스미스차트 활용

(2013년 3월/전자공작 카페에 게시했던 글입니다)

재작년(2011년)쯤 김경원님께서 Zepp 안테나를 해석해 주셨었습니다. 그때 스미스 차트를 소개해 주셨었지요.

Zepp 안테나 알아보기 1/2/3/정리
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwx/21
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwx/23
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwx/26
http://cafe.daum.net/elechomebrew/Dfwx/28

스미스 차트에는 회로설계의 모든것이 들어 있습니다. 특히 안테나, 전송선로의 임피던스 매칭 주파수 특성을 한눈에 분석하고 설계할 수 있게해줍니다. 누군가의 회로를 그대로 따라하는 장님 신세를 면하게 해줍니다. 간단한 회로 하나 만들라치면 내 부품 상자에 꼭 맞는 부품이 없을때 좌절하지 않아도 됩니다. 스미스 차트를 이용해 그 회로를 분석하고 내가가진 부품으로 꾸밀 수 있습니다.

다른 회로는 모르겠고 안테나 하나는 손수 해볼만 하다고요? 안테나 아날라이져 하나면 안테나는 못할게 없겠죠? 그런데 막상 안테나 아날라이져에서 보여주는 수치의 의미에 대해 궁금해 하신 적이 있는지요? 흔히 안테나 아날라이져라는 장비는 측정만 해줍니다. 정작 분석(아날라이져)은 사람이 해야 하는데요. 일단 안테나 쳐놓고 아날라이져의 주파수 다이얼 돌려서 그저 임피던스에 50옴만 찍히길 기대하는 그런 신세에서 벗어나 좀 아는체를 해보시지 않겠습니까?

스미스 차트를 조금만 공부하시면 신세계가 열립니다. 이참에 한번 배워 보시길...
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마침 좋은 스미스 차트 소프트웨어가 있어서 소개합니다.

AE6TY 의 SimSmithhttp://www.ae6ty.com/Smith_Charts.html

스미스 차트 활용법을 동영상 강좌로 만들어 놓은 것이 있어서 없는 실력이지만 한글 자막을 넣어 올립니다. 총7편 인데 먼저 2편 입니다. 틈나는 대로 나머지도 올리겠습니다.

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스미스차트 활용 강좌 동영상/1편

스미스 차트를 이용해 임피던스 매칭 회로설계 기초편
- 주파수 고정
- 특정 주파수에서 임피던스 매칭 회로설계
- 안테나 LC 매칭 네트워크 설계/분석 (송수신기 종단에 달려있는 탱크회로, 안테나 튜너 등등)
- 전송선(동축선) 활용 매칭 기법 (동축선을 이용한 스텁/Stub의 설계)

원본동영상: http://www.ae6ty.com/Smith_Charts_files/IntroToSmithCharts.mov

한글 자막본:

스미스차트 활용 강좌 동영상/2편

2편은,
- 주파수 스윕(sweep)시 임피던스 변화 분석/매칭 회로 설계 기법
- 안테나 설계 소프트웨어 EZNEC 나 측정기에서 획득한 임피던스 데이터를 읽어들여 스미스 차트에서 분석하는 기법

가끔 비싼 (벡터) 안테나 아날라이져 측정기 사진보면 이런 그림 나오죠. 저 꼬불꼬불한 그림들은 도데체 뭔가? 궁금하고 답답하셨죠? 속시원하게 설명해 줍니다.

원본동영상: http://www.ae6ty.com/Smith_Charts_files/SmithTutorial2.mov

한글 자막본:

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스미스차트 활용 강좌 동영상/실전:Zepp Antenna

앞서 올려드린 동영상은 즐겁게 보셨나요? 실전을 한번 해보시죠. EZNEC로 Zepp 안테나를 모델링 하고 스미스 차트로 임피던스 매칭 회로를 설계하는 과정입니다.

EZNEC는 안테나 설계(모델링)소프트웨어 입니다. 데모 버젼은 무료로 사용할 수 있습니다. 기본적으로 필요한 기능은 모두 사용할 수 있습니다.

EZNEC Ver.5.0 Demo
http://www.eznec.com/index.shtml

설계하려는 안테나는 7.010Mhz 용 제프 안테나 입니다.

제프 안테나의 영문 표기는 Zepp 입니다. (Zeep 라고 하는 분이 아직도 많아요. Zeep는 미국 자동차 회사의 상품명인데요. 2차 대전 때 미군의 야전용 지휘차로 유명해서 붙여진 별명이죠.) 2차 대전 직전 독일 제펠린 Zeppelin 비행선에 달았던 엔드 피드 형태의 안테나에서 유래되어 붙은 이름이라는 군요. 이 안테나는 특성 임피던스가 5000옴 정도 된다는데 군요. 급전점의 높이가 충분하고 이상적인 경우 이정도 임피던스가 나옵니다.

설치조건이 충분치 않아 급전점의 높이가 2미터, 엘리먼트 다른 끝의 높이는 3미터인 제프 안테나의 특성을 구해봅니다.

(1) EZNECT 소프트웨어를 실행합니다.
(2) 안테나 설계 주파수를 입력
(3) 안테나 모양을 보면서
(4) 엘리먼트의 길이를 정합니다.

제프 안테나는 반파장 와이어를 엘리먼트로 사용하죠. 높이는 Z축으로 2미터와 3미터 높이에 있습니다. 길이는 Y축으로 반파장을 잡았군요.

(5) 설계한 안테나의 SWR 변화값을 봅니다. 살펴볼 주파수 범위를 6.95에서 7.05Mhz 까지로 정했고 계산시 분해능을 10Khz 로 잡았습니다. 범위를 넓게하거나 분해능을 좁히면 정밀한 계산을 하지만 시간이 오래 걸립니다. 급전점의 임피던스 Z0=50옴 일때 주파수별 SWR 값이 계산되어 도표로 표시되었군요.

그런데 공진은 되었는지 SWR이 뚝 떨어지긴 했는데 임피던드가 턱도 없습니다. 딥-메터는 이렇게 뚝 떨어지는 주파수점을 알려줘서 공진점을 찾는데 사용하는 장치입니다. 정밀한 임피던스 매칭을 하려면 소위 벡터형(Z=R+jX로 측정되는) 안테나 아날라이져가 필요한 것이죠. 어쨌든 7Mhz 근처에서 급전점 임피던스가 50옴일 경우 매칭이 않된거군요.

일단 공진점을 우리가 원하는 7.01Mhz 가 되도록 와이어 길이를 조절합니다. 위의 "Wires"에서 길이를 늘이거나 줄이면서 공진점이 7.010Mhz가 되게 합니다. 와이어 길이를 조절하면 SWR을 다시 계산해야 합니다.

L-네트워크 회로를 구성하여 우리가 원하는 무전기의 50옴과 현재 쳐놓은 안테나의 특성 임피던스를 맞추는 것이 우리의 목표죠. L-네트워크 회로란 LC를 사용하여 하나는 션트, 다른 하나는 시리얼로 만들어 L 자모양이라하여 붙은 이름입니다.

그러면 7.010Mhz에 공진된 안테나의 특성 임피던스는 얼마일까요? 제프 안테나 특성 임피던스가 5K 옴이라고 하지만 이것은 어디까지나 아주 이상적인 경우에 그렇다는 것입니다. 실제로 EZNEC를 써서 높이를 20미터 이상 높여보면 수 킬로옴이 나올겁니다. 우리가 지금 쳐놓을 안테나는 높이가 겨우 2미터 밖에 되지 않습니다. 그러니 임피던스 특성 값이 다르겠지요.

위에서 7.010Mhz의 SWR이 5.63 이었습니다. 그렇다면 임피던스가 얼마일 때 SWR이 1이 되는지 구하면 결국 이 안테나의 특성 임피던스가 되는 겁니다. 계산해 보니 281옴이군요.

(6)SWR 계산 값이 대략 1.15정도군요. 1이 안나온 이유는 계산오차입니다. 주파수 스윕시 분해능을 0.001Mhz 로 낮춰서 계산해보면 거의 1에 가깝게 계산됩니다.