[HAM] ae6ty 의 스미스 차트 강좌: 1. 기초 사용법

[HAM] ae6ty 의 스미스 차트 강좌: 1. 기초 사용법

스미스 차트 활용 강좌 동영상은 7편으로 구성되어 있다. AE6TY의 simSmith 소프트웨어가 계속 업데이트되었다. 이 동영상은 구버젼을 가지고 작성되었으나 기본 구성은 동일하다.

원본출처:
- Basic Smith Chart Use (old but still good!) [Link]
- AE6TY 의 SimSmith 페이지 [Link]

[주: 아래 번역본 내용중 [] 부분은 역자의 의견이다. 혹시 틀린 부분이 있다면 지적바란다. 영문과 한글을 동시에 게시하는 이유는 첫째, 글쓴이가 영어공부가 목적이어서. 둘째, 글쓴이는 아날로그 회로를 어깨넘어 들은 풍월에 불과해서 원문을 오역할까봐 걱정이라서 그런 것임. 행여 불편하면 원문 유튜브를 보던가 뒤로가길 누르던가 하세요. 그리고 고마운 생각이 들거든 원문 유튜브에 가서 좋아요 한번씩 눌러주는 쎈스! ]

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1편: 스미스 차트의 기본이해 (Introduction to Smith Chart)

https://www.youtube.com/watch?v=hYuksRNFWL0&list=PLUl8S204xIewulDYJ6iwI-TmpKTJ7VIhi&index=1

[0:00] 소개

This video is an introduction to computer aided Smith charts. The Smith chart is used to analyze electrical circuits containing capacitors inductors resistors and transmission lines. I am using a program called simSmith. simSmith allows you to draw circuits and provides real-time analysis of the circuit. It also allows you to modify the values of the various circuit elements and shows you again in real time in effect of any changes. In this video I'll show how a circuit can be created and tuned to solve a common design problem, specifically an impedance match at a chosen frequency. Problems of this kind are often found in antenna and an electrical circuit design.

이 동영상은 컴퓨터에서 실행되는 스미스 챠트를 소개한다. 스미스 챠트는 컨덴서와 코일 그리고 전송선로와 저항이 포함된 전기회로를 분석할 때 사용하는 도구다. 사용할 소프트웨어는 simSmith 다. 이 소프트웨어는 회로를 작성하고 시정수들을 변경해가면서 그 효과를 곧바로 분석이 가능하다. 이번 편은 회로를 작성하고 특정 주파수에서 임피던스 정합을 맞춰야 하는 설계과제를 푸는 방법을 설명하겠다. 이런 문제는 특히 안테나를 다룰 때나 회로를 설계할때 종종 마주치게된다.

[simSmith 소프트웨어는 AE6TY 의 SimSmith 페이지에서 내려받을 수 있다. Link]

[0:53] 화면구성

Before we get started, let's take a quick tour around the simnet screen. On the left hand side, there are three menus. The lower one is a menu of circuit elements. We can add to our circuit. The upper menu is called the tuning menu which allows us to change the values of the circuit elements. The middle menu is called the sweep menu but we will not be using that in this session. Along the top of the screen is the circuit being analyzed. On the right hand side is the Smith chart itself. The Smith chart is a special form of graph which we can use to plot complex impedances.

먼저 소프트웨어의 화면 구성부터 살펴보자. 왼편의 중간 아래로 세가지 메뉴가 있다. 가장 아랫부분은 회로에 사용할 부품(circut elements)들이다. 메뉴 위에 있는 회로 그림판에 회로를 꾸밀때 사용한다. 상단의 메뉴는 튜닝 메뉴(tuning menu). 회로에 사용된 부품들의 시정수를 변경할 수 있다. 중간 메뉴는 스윕 메뉴(sweep menu)다. 다음 회[회로분석}에서 다룬다. 화면의 가장 윗 부분이 회로 그림판이다. 분석할 회로(the circuit)를 여기에 꾸민다. 오른편에 스미스 챠트가 있다. 스미스 챠트는 복소수 임피던스(complex impedence)를 알려주도록 특수하게 만들어진 도표다. 도표안에 점을 찍으면 그 위치에 해당하는 임피던스를 복소수 형식으로 알려준다.

[1:35] 스미스 챠트 읽는 법

 When you click on the space inside the graph, simSmith will report the impedance at that point. Down here on the right-hand side. Notice that, when I click the center of the chart, simSmith reports an impedance of 50 ohms with the zero reactance. Or close to zero. On the left-hand side of the chart impedances are lower, here, 123 ohms and on the right-hand side of the chart impedances are higher here 1k, 2k. Above the center of the chart, impedances have reactances which are positive. Down here reactants 44 and below the center of the chart reactances are negative here on -49.

스미스 챠트 내의 한점을 찍으면 그 위치의 임피던스를 오른쪽 아랫부분에 표시된다. 여기 스미스 챠트의 한가운데가 임피던스 50옴에 리액턴스는 0인 지점이다. 왼편으로 갈수록 임피던스는 낮아지고 오른편으로 갈수록 임피던스는 높아진다. 챠트에서 위로 올라갈수록 리액턴스가 양의 값으로 높아지고 아래로 가면 음의 리액턴스를 가진다.

[스미스 챠트는 임피던스 값을 그려놓은 지도라고 보면 되겠다. 등고선이 좀 복잡한데 컨덴서에 의해 그려지는 등고선과 코일에의해 그려지는 등고선이 좌우로 원을 그리고 있다. 알다시피 코일과 컨덴서는 주파수 특성이 반대다.]

[2:31] 첫번째 예제: LC 회로로 임피던스 맞추기

So, let's get started. Suppose we would like to design a circuit which will match a 75 ohm load to a 50 ohm generator. Most designs start by specifying the impedances.

그럼 시작해보자. 먼저 첫번째 예제로 임피던스가 50옴인 송신기(Generator)에 임피던스가 75옴인 안테나(Load)를 물리기 위한 임피던스 정합회로를 설계해보자. 가장 먼저 할 일은 임피던스 설정하기다. 

Here, the generator has already been set to 50 ohms. And let's set our frequency to be say 10 megahertz which I do by clicking on this parameter and simply typing what I want. Notice that when I started typing, this field turned pink and when we hit the return key, it will turn back to white. We also need to set the load impedance, we said, 75 ohms and there we have it.

송신기의 임피던스는 미리 기본값 50옴으로 정해져 있다. 전송할 신호의 주파수를 10Mhz 라고 하자. 주파수 칸에 숫자를 써넣으면 된다. 새 값을 입력하면 해당 칸이 분홍으로 변했다가 엔터키를 치면 입력되었다는 표시로 다시 흰색 상자가 된다. 이번에는 안테나(부하)측 임피던스를 75옴으로 입력한다.

[사용자 인터페이스가 약간 변경됐다. 위 그림은 최신버젼 simNEC 이다.]

Examining the Smith chart, we can now see a dot at the 75 ohm impedance mark. Since we draws a dot at the impedance of the load and an X at that impedance as seen by the generator. Since the generator is connected directly to the load, the X and the dot are in the same place on the Smith chart.

스미스 챠트를 들여다 보면 75옴 지점에 동그라미가 찍혀 있는 것을 볼 수 있다. 동그라미는 부하측 임피던스, X 표시는 송신측에서 본 임피던스다. 송신기와 부하가 곧바로 연결되어 있기에 X와 동그라미가 스미스 챠트상에 동일 지점에 위치해 있다. [사용자 인터페이스가 변경됐다.]

The goal of our circuit will be to move the X to the center of the Smith chart. A typical solution to this problem is to use what's called an L network.

X 지점을 스미스 챠트의 중앙으로 옮기는 것이 목표다[중앙점이 임피던스가 50옴이다.] 이 문제를 푸는 전형적인 해법은 L 네트워크라고 하는 방법을 사용하는 것이다

[코일과 컨덴서를 조합한 임피던스 정합회로다. 코일과 컨덴서가 주파수 특성을 가지므로 이를 활용해 특정 주파수 만을 통과 시키기 때문에 필터라고 불리기도 한다. 참조: L Matching Network]

[3:50] 컨덴서 용량조절

In the simSmith a circuit is drawn using the familiar drag-and-drop paradigm. First we will add a shunt capacitor, which I click and drag up to the circuit. We can alter the value of the capacitor by selecting the field and using the tune buttons in the tuning menu, clicking on the parameter and then using the tune button. Notice that as I make the value larger the arc gets longer and if I make the value smaller the arc gets shorter. Let's adjust the value of our capacitor so that the X lands on this blue arc which is passing through the center of the Smith chart.

simSmith 프로그램에서 회로를 그리기는 부품들을 끌어다 놓기 방식이다. 먼저 회피용(shunt: 신호성분 중 일부를 접지로 빼내기) 컨덴서를 회로에 끌어다 붙여놓았다. 컨덴서 용량은 튜닝 메뉴에서 증감 버튼으로 변경 할 수 있다. 값을 증가시키면 스미스 챠트에 표시된 원호의 길이가 길어지고 값을 낮추면 원호의 길이가 짧아지는 것을 볼 수 있다. 컨덴서의 용량을 조절하여 X 가 챠트의 중앙을 지나는 파란색 곡선 상에 위치시켜 놓도록 하자.

[새버젼 simNEC 에서는 튜닝 메뉴에 증감 버튼 대신 마우스 휠을 돌려서 값을 변경 시킬 수 있다.]

[4: 54] 코일의 용량조절

To complete the L Network, I need to add an inductor which will cancel out the reactance which was introduced by the capacitor. To do so I merely click on the inductor and drag it up to the circuit. Notice that adding the inductor moved to the X upwards. Now we need to tune the inductor value so that the X lands in the middle of the chart.

코일을 추가하여 L 네트워크를 완성하여 보자. 코일을 넣음으로써 컨덴서로 인해 생긴 리액턴스(reactance)를 상쇄 시킨다. 코일을 끌어다 회로에 떨어뜨리면 된다. 코일을 추가함으로 인해 X 의 위치가 위로 움직인다. 이제 코일의 용량을 조절하여 X 표시가 차트의 중앙에 오도록 하자.

[5:17] 회로를 손쉽게 수정하는 방법(원호 끌고다니기)

In order to explore the utility of the Smith chart a little more, let's look at some other ways. We might do this simple job of matching. The L Network can be implemented in other ways.

simSmith 소프트웨어의 기능을 좀더 알아보자. 앞서만든 회로를 수정하여 다른방식의 L 정합 네트워크 회로를 구현한다.

I can replace the capacitor with an inductor with a capacitor. So I can take out my shunt capacitor and put in a shunt inductor and take out my series inductor and put in a series capacitor and again I can tune the values here. I'm going to tune it so that this first red arc lands on that circle that goes through the center.

컨덴서와 코일의 용도를 바꿔보기로 한다. 먼저 션트 컨덴서를 제거하고 코일로 대체한다. 그리고 선로상에 직렬로 두었던 코일 대신 컨덴서로 바꿔보자. 그리고 컨덴서와 코일의 시정수를 앞서 했던것 처럼 목적에 맞게 수정해 준다. 먼저 붉은 원호를 중심원으로 가도록 변경한다.

In here, I'll affect the value of the capacitor to move the X up. This constant clicking on the tuned buttons can be a little tiresome to simplify rough tuning sense. Mouse allows you to click and drag the ends of arcs on the Smith chart itself. Thus, to change the length of the arc of the inductor, I can use the right mouse button and click on the end of the arc and drag it down or up. Then I can click on the end of the capacitor arc and move it up and down to the center.

그리고 X 를 위로 올리기 위해 컨덴서 용량을 변경한다. 시정수 값을 일일이 화살표 버튼을 눌러가며 변경하려면 짜증날 테니까 스미스 챠드 내에서 원호의 끝을 마우스로 잡아 옮길 수 있다. 코일에 해당하는 원호의 길이를 변경하려면 원호의 끝을 마우스의 오른쪽 버튼으로 끌어다가 원하는 위치에 떨어트리면 된다. 이어서 컨덴서의 원호도 끌어다가 위든 아래든 원하는 위치에 끌어다 놓을 수 있다.

simSmith will even allow you to change two arcs at the same time. Watch what happens if I click and drag the end of the capacitor arc. Notice that simSmith is updating the values of the capacitor and inductor so that the X is following my mouse movements.

심지어 두 원호를 동시에 끌어다 옮길 수도 있다. 컨덴서 원호를 집어서 끌고다녀 보자. X 표시가 마우스의 움직임에 따라서 컨덴서와 코일의 용량 값이 동시에 변하는 것을 볼 수 있다. 

[7:11] 두번째 예제: 전송선로를 사용한 임피던스 매칭

Inductors and capacitors can actually be implemented in another way by using a transmission line stub. In general a transmission line stub which is shorted acts like an inductor. And, a transmission line stub which is open acts as a capacitor.

전송선[동축 케이블] 가닥을 이용하여 코일과 컨덴서의 역활을 대신 할 수 있다. 보통 전송선 가닥을 단락시켜 코일의 역활을 하게 할 수 있다. 그리고 전송선 가닥을 개방한채 두면 컨덴서 역활을 한다.

I can get rid of my inductor and use a shunt shortened transmission line and I can get rid of my series capacitor and add an open transmission line stub and again using the right mouse button I can drag the match to the center. Notice that as I do so simSmith is affecting the length of these transmission line stubs.

션트용 코일을 제거하고 단락시킨 전송선 가닥으로 대체시킬 수 있다. 직렬로 놓은 컨덴서를 제거하고 개방한 전송선으로 대체 시킬수 있다. 마우스 오른쪽 버튼으로 원호를 찝어 끌어서 중앙에 매치 시킨다. 전송선 가닥의 길이가 변하는 것을 보게될 것이다.

[8:10] 1/4 파장 전송선로 매칭

Impedance matching can be done in other ways. Probably the most popular way is to use what is called a quarter wave matching section.

임피던스 매칭의 또다른 방법을 알아보자. 대개 1/4 파장 섹션[전송선을 1/4파장이 되도록 맞춤]이라고 알려진 방법 이다.

This technique uses a 1/4 wave long section of transmission line. Let me get rid of my stubs and add a piece of transmission line and I want it to be a quarter wave long which is 90 degrees. Notice that the X again has moved in an arc. This time, however, the arc is part of the circle whose center is at the characteristic impedance of the transmission line.

이 방법은 전송선을 1/4파장의 길이로 분할해 놓는 기법이다. 전송선 단락을 제거하고 전송선으로 대체시킨다. 그리고 [위상을] 90도로 두면 1/4 파장 전송선의 의미가 된다. 다시 X 를 찝어서 움직여보자. 이번에는 원호의 모습은 전송선의 특성 임피던스에 중심을 둔 원의 일부 모양을 하게된다.

I can adjust the characteristic impedance of the line by clicking on the parameter Z naught(Z_0) and using the pinning buttons. If I hold the button down since my full auto repeat. There's our match.

[매칭에 사용할] 전송선의 특성 임피던스를 변경해 줄 수 있다. 전송선의 시정수 항목에서 Z_0를 클릭한 후 화살표 버튼을 눌러 길이를 변경 할 수 있다. 버튼을 마우스로 계속 누르고 있으면 자동으로 증감시킬 수 있다. X 가 차트의 중앙으로 이동하면서 매칭된다.

[전송선을 90도(1/4파장 길이)에 맞출려면 61옴짜리 전송선이 있어야 한다. 현실적으로 불가능]

Note that simple allow you to drag tune the impedance of a transmission line. Only the length can be adjusted using this drag tuning.

???? 이 정합 방법은 전송선의 길이만을 수정할 수 있다.

[9:25] 1/12 파장 전송선로 매칭

Another way transmission lines can be used to achieve a match is to use what's called the 1/12 wave solution. In this technique two pieces of transmission line are used.

또다른 전송선 매칭으로 1/12 파장 기법이 있다. 이 기법은 두종류 전송선을 사용한다.

Both of which are approximately 1/12 of a wave long. Let me add a second section and set them both to be 1:12 long which is 30 degrees.

사용할 전송선의 길이는 모두 대략 1/12 파장이다. [회로에] 전송선을 한개 더 추가한다. 그리고 1/12 길이에 대응하는 위상 30도를 입력한다.

Now, I need to set the impedances of the line. Using this technique, one set of the impedance of the first line to be the impedance of the generator which would be 50 ohms which is already set at and the second section has an impedance which is set to be the same as the load to accept this to 75. Here, the match is already pretty good.

이제 전송선의 특성 임피던스를 입력한다. 이 기법에서는 앞의 전송선의 임피던스를 송신기 임피던스와 동일하게 맞추고 뒤이은 전송선의 임피던스를 부하 쪽에 맞춘다. 기본으로 주어진 50옴과 나머지 한쪽의 임피던스는 75옴이다. 보다시피 정합이 이뤄졌다.

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[10:18] 마무리

In this video we have explored the use of computer-aided Smith charts. Using the example of a simple impedance matching at a single frequency we have seen how we can create a circuit and adjust various circuit element values. Using different circuits we have seen how to transform one impedance into another. Other tutorials show what happens as we vary the frequency.

이번편의 동영상 강좌는 컴퓨터에서 실행되는 스미스 차트의 기본 활용을 다뤘다. 단일 주파수를 상정해 간단하게 임피던스 매칭하는 예를 봤다. 회로를 어떻게 꾸미고 시정수를 변경하는 방법을 살펴봤다. 몇가지 예를 바꿔서 임피던스를 어떻게 맞추는지도 봤다. 다음편에서는 주파수를 변화시키는 방법을 다뤄보겠다.

Please note that the various tutorials were developed at different stages in the simSmith's development. This tutorial is a remake of the original and uses a version 7.3. Most videos were made with substantially older versions while the circuit techniques presented in those videos are useful. The user interface has changed significantly.

simSmith 소프트웨어를 개발하면서 다양한 강좌 동영상을 제공하게 될 것이다. 이번 강좌는 7.3 버젼을 기준으로 제작됐다. 대부분 강좌 동영상이 구 버젼으로 제작 될지도 모른다. 회로설계기법은 변함없으나 사용자 인터페이스가 크게 변경 될 수도 있다.

Please contact me concerning any bugs and to make feature requests. As always, thanks for watching.

사용하다 오류가 발견되거나 원하는 기능이 있다면 알려달라. 늘 그렇듯 봐줘서 고맙다.

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