고주파 전송선 이론으로 이해하는 RF 신호 흐름

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서론

RF 회로 설계에서 전송선 이론은 신호의 흐름을 이해하는 기본 언어다.
DC 회로에서는 단순히 전류가 흐르지만, 고주파에서는 신호가 파동 형태로 전파되며 전압과 전류의 위상이 달라진다.

그래서 회로의 선 길이, 재질, 접지 구조 하나가 시스템 전체의 성능을 결정한다.
이 글은 입문자에게 고주파 전송선의 원리를 실무 감각과 함께 풀어주는 가이드다.

1. 고주파 신호의 본질

RF 신호는 단순한 전류 흐름이 아니라 시간과 공간을 따라 움직이는 전자파다.
주파수가 높을수록 파장이 짧아지고, 도체 내부에서는 표피 효과(Skin Effect)가 커져 전류가 표면으로 집중된다.
그 결과 저주파에서는 무시되던 선로의 길이, 폭, 유전체 두께가 신호 품질에 큰 영향을 미친다.
즉, 전송선은 회로가 아니라 ‘파동의 통로’로 봐야 한다.

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2. 전송선의 개념과 역할

전송선(Transmission Line)은 RF 신호를 안정적으로 전달하기 위한 경로다.
대표적인 형태는 동축 케이블, 마이크로스트립, 스트립라인 등이다.
이들은 전기적 길이와 유전율(εr)에 따라 신호 위상을 조절하고, 반사를 최소화하도록 설계된다.

동축 케이블: 실드 구조로 외부 노이즈 억제
마이크로스트립: PCB 상단에 금속선, 하단에 접지
스트립라인: 양면 접지 구조로 정밀도 높음

RF 설계자는 이 세 구조 중 목적에 따라 선택해야 한다.

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3. 임피던스와 반사의 관계

전송선에서 가장 중요한 값은 특성 임피던스(Z₀) 이다.
일반적으로 50Ω 기준으로 설계하며, 소스와 부하의 임피던스가 다를 경우 신호 일부가 반사된다.
이 현상을 반사계수(Γ)로 표현하며, |Γ|가 0이면 완벽한 정합 상태다.

Q: 임피던스 정합이 안 되면 어떤 일이 생길까?
A: 신호가 되돌아오며 간섭을 일으키고, 출력이 불안정해진다.
예를 들어 S11 값이 -10dB 이상이면 신호 손실이 커져 실제 전송 효율이 급감한다.

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4. 전송선 손실의 원인과 영향

고주파 대역에서는 신호가 이동하면서 다양한 손실이 발생한다.

도체 손실: 표피 효과로 인한 저항 증가
유전체 손실: PCB 재질의 손실 탄젠트(tan δ)에 비례
복사 손실: 차폐 불량으로 전자파가 외부로 누설

이 손실은 전체 전력 효율뿐 아니라 신호 위상에도 영향을 준다.
특히 5GHz 이상 영역에서는 1cm 선로 길이 차이로 위상오차가 발생하므로, 길이 보정이 필수다.

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5. 스미스차트로 보는 신호 이동

스미스차트는 복잡한 임피던스 변화를 시각적으로 표현하는 도구다.
신호가 전송선 위를 이동할 때, 반사와 정합 상태를 원의 형태로 나타낸다.
예를 들어 정합점(50Ω)은 중앙에, 개방(Open)은 오른쪽, 단락(Short)은 왼쪽에 표시된다.
이 차트를 통해 설계자는 어느 지점에서 정합이 깨졌는지 직관적으로 파악할 수 있다.

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6. 전송선 길이와 위상 변화

고주파 신호는 파동이기 때문에, 선로의 길이가 신호의 위상에 직접 작용한다.
λ(파장)의 1/4 길이만 변해도 위상이 90° 이동한다.
이 원리를 이용한 것이 바로 λ/4 트랜스포머다.
송신기와 부하의 임피던스가 다를 때, 이 길이를 이용해 반사를 최소화할 수 있다.

예시:
2.4GHz Wi-Fi 신호의 파장은 약 12.5cm → λ/4는 약 3.1cm.
즉, 불과 몇 cm로 전체 시스템의 정합 상태가 달라진다.

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7. 측정 장비를 활용한 실전 이해

실제 RF 회로에서 전송 특성을 확인하려면 네트워크 분석기(VNA) 가 필수다.
이 장비는 주파수별 S-파라미터(S11, S21 등)를 측정해 반사 손실과 전송 이득을 수치화한다.
설계 시뮬레이션만으로는 기판 오차나 온도 변화 등을 반영하기 어렵기 때문에, 실측 데이터는 매우 중요하다.

팁:

측정 전 케이블 교정(Calibration) 필수
SMA 커넥터 청결 유지
케이블 길이와 커넥터의 손실 보정 반영

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8. 설계 시 고려해야 할 실제 팁

PCB 기판은 저손실 재질(예: Rogers, Taconic) 사용
접지면을 연속적으로 배치해 리턴 경로 안정화
트레이스 폭은 50Ω 기준으로 계산
코너는 둥글게 처리해 반사 최소화
시뮬레이션(ADS, HFSS) 결과를 반드시 실측으로 검증

이처럼 작은 요소 하나하나가 RF 신호 품질에 직접적인 영향을 미친다.
따라서 전송선 이론은 단순한 계산이 아닌, 실제 물리 현상을 해석하는 감각의 영역이다.

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결론

고주파 전송선 이론은 RF 설계의 뼈대이자 출발점이다.
신호는 눈에 보이지 않지만, 반사와 위상, 손실이라는 수치로 존재한다.
이 기본을 정확히 이해하면, 복잡한 RF 회로도 결국 ‘하나의 전송선의 연속’으로 해석할 수 있다.
그것이 진정한 RF 설계자의 시각이다.

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