매칭 회로 설계가 더 쉬워졌습니다!

다양한 예를 통해 알아보는 임피던스 매칭 회로 설계

안녕하세요.
다름을 디자인하다, 알테어입니다.

무선 시스템 설계 시 필수적인 작업은 RF 체인의 여러 구성 요소간에 적절한 임피던스가 매칭하도록 하는 것입니다.

임피던스가 일치하지 않으면 앰프와 안테나 사이의 에너지 전달을 저하시켜 무선 장치의 효율성, 통신 범위 및 배터리 수명을 줄입니다.


임피던스 매칭은 단순해 보일 수 있습니다. 모든 RF 엔지니어는 두 개의 구성요소(인덕터 또는 커패시터)만 사용하여 한 주파수의 다른 임피던스와 매치하는 방법을 알고 있습니다.

하지만 현실 세계에서의 상황은 더 복잡합니다.

첫째, 무선 시스템에는 항상 일부 작동 대역폭이 있으므로, 임피던스는 전체 주파수 대역에서 일치해야 합니다.

광대역 일치에서는 두 개 이상의 구성요소를 사용해야 하며, 구성요소의 수에 따라 가능한 일치 회로 토폴로지의 수가 기하급수적으로 증가합니다.

둘째, 실제 생활에서 인덕터 및 콘덴서는 항상 인접한 모든 회로 레이아웃 및 연결선 근처에서 일치하는 구성 요소의 최적화에서 고려해야 하는 기생 저항과 리액턴스를 포함하고 있다는 것입니다.

손실이 존재하는 경우, 중요한 것은 임피던스 불일치를 최소화하려고 시도하는 대신 RF 체인을 통한 에너지 전달을 극대화 해야할 것입니다.

간단한 예로, 50Ω 저항기가 50Ω 전송선과 완벽한 임피던스를 제공하지만 모든 전력이 전송되지 않고 이 저항기에 흡수됩니다.

임피던스 매치의 최적화는 네트워크 분석기와 스미스 차트를 사용하여 수행할 수 있지만 RF 체인의 효율 최적화를 위해서는 시뮬레이션 도구가 필요합니다.

이제 RF 엔지니어가 일치하는 회로를 설계하고 RF 체인의 성능을 최적화하도록 지원하는 소프트웨어 패키지인 Optenni Lab RF Design Automation Platform을 소개하겠습니다.

Optenni Lab은 설계 흐름 속도를 높이고 RF 설계에서 많은 반복 작업을 자동화합니다.



Optenni Lab의 RF 회로 설계는 실시간 링크를 통해 네트워크 분석기 또는 알테어의 FEKO와 같은 전자기 시뮬레이터에서 직접 얻을 수 있는 안테나와 같은 로드 임피던스 데이터로 시작합니다. 그런 다음 사용자가 원하는 작동 주파수 범위, 사용할 일치하는 구성 요소의 최대 수, 사용할 인덕터 및 콘덴서 시리즈를 입력합니다.



몇 초 안에 Optenni Lab은 사용자를 위해 최적화된 여러 개의 일치하는 회로 토폴로지를 제공합니다.

모든 회로는 일치하는 구성 요소의 저항성 손실과 구성 요소 및 해당 포장의 기생 반응성을 고려하여 최대 전력 전달에 최적화되어 있습니다.

제조 공차의 효과는 몬테카를로 분석을 통해 쉽게 분석할 수 있으며, 또한 구성 요소에서 주어진 입력 전력 레벨에 대한 최대 전류와 전압을 쉽게 확인할 수 있습니다.
PCB상에 매칭 회로를 구현할 때, 배치 효과는 매칭 회로의 작동을 극적으로 바꿀 수 있습니다.

Optenni Lab은 배치를 마이크로스트립 라인의 짧은 세그먼트로 간주하거나 PCB 배치 부분의 전자파 시뮬레이션 결과를 사용하여 쉽게 고려할 수 있습니다. 이러한 도구를 사용하면 시뮬레이션 결과와 일치하는 회로를 쉽게 구축할 수 있습니다.



다음 설계 예에서, LTE 대역 1 (1920-2170 MHz)의 매칭 회로는 세 가지 구성요소로 최적화 되었습니다. 첫 번째 결과는 이상적인 무손실 인덕터 및 콘덴서를 사용하는 것입니다. 이는 숙련된 RF 엔지니어가 수동으로 작업하여 얻을 수 있습니다.

두 번째 예에서는 이상적인 구성 요소를 특정 무라 타 인덕터 및 커패시터 시리즈에서 가장 가까운 값으로 대체했습니다.

위에서 볼 수 있듯이, 실제 인덕터 및 콘덴서의 기생 리액턴스에 의해 일치하는 회로의 성능이 크게 바뀌었으며, 효율은 원래 시뮬레이션의 몇 퍼센트에 불과합니다.



반대로, 다음은 실제 인덕터 및 콘덴서 모델을 사용하는 Optenni Lab의 최적화된 일치 회로의 예입니다.

이상적인 구성 요소의 경우보다 인덕터 및 커패시터의 손실로 인해 효율이 다소 떨어집니다. 또한 이러한 구성 요소 시리즈를 사용하면 더 나은 임피던스 일치를 얻을 수 있지만, 당연히 효율성은 떨어지게 됩니다.

우리는 이러한 예를 통해 임피던스 매칭의 기본에 대해 토론했습니다.
Optenni Lab은 여러 안테나를 동시에 일치시키고 조정 가능한 커패시터 또는 스위치를 사용하여 일치 회로의 작동 주파수를 제어하는 것과 같은 훨씬 더 복잡한 RF 일치 애플리케이션에도 적용할 수 있습니다.

자세한 내용은 (여기)에서 확인하세요.

감사합니다, 알테어드림