전송선(Transmission Line)

전송선은 물리적으로 떨어져있는 부품(또는 시스템)들을 연결하여 전기신호를 흐르게하는 매체를 통털어서 일컽는다. PCB상의 회로선들, wire, 동축케이블(coax cable)등을 예로 들 수 있다. 집중회로(lumped circuit)일 경우에는 신호를 전달하는 신호선들이 회로해석을 하는데 어려움이 없지만 분포회로(distributed circuit)일 경우에는 신호의 상승시간, 동작주파수, 최고주파수성분등 여러가지의 신호성질들이 전송선(transmission line)을 흐르면서 회로동작에 상당한 영향을준다. 전송선을 해석하기 위해 많은 파라미터들이 사용되나 그 중 대표적인것들은 다음과같다.

• 전파 지연시간(propagation delay)
• 특성임피던스(characteristic impedance)
• 직류감쇄(DC attenuation)
• 교류감쇄(AC attenuation)
• 크로스톡(crosstalk)

위의 파라미터들을 살펴보기 위해서는 전송선의 모델을 만들어 입출력간의 전압/전류의 관계를 따져봐야 한다. 이전에도 잠깐 언급했지만 신호의 전류가 도체를 통해 소스로부터 부하까지 흐르기 위해서는 동일한 양의 전류가 부하에서 소스로 다시 돌아와야 한다. 즉, '어느 지점에서 나가는 전류의 총합은 동일한 지점으로 들어오는 전류의 총합과 같다'라는 키르히호프의 전류법칙을 따라야 한다. 이 말은 곧  [그림 1]과 같이 소스로 부터 부하까지 신호가 전달되는 신호경로(signal path)가 있다면 반드시 그 신호의 전류가 소스로 돌아올 수 있는 귀환경로(return path)가 있어야 한다는 말이다.

[그림 1]

따라서 엄밀히 말하면 전송선(transmission line)은 두개의 도체(신호선로와 귀환경로)로 이루어 진다고 할 수 있다. 일반적으로 귀환경로는 접지(ground)를 통해 이루어지며 신호선과 접지선은 전류루프(current loop)를 형성하게 된다.

[그림 2]

[그림 2a]은 신호경로와 귀환경로를 갖는 전송선을 보여준다. 전송선의 미소부분을 Δz 라고 하면 그 부분의 등가회로는 그 밑에 보여진것처럼 RLGC회로로 나타낼 수 있다. 각각의 소자가 의미하는 바는 다음과 같다.

• R: 이상적인 도체를 제외한 모든 도체는 저항성분(resistance)를 가지므로 모든 전송선은 직렬성분의 R을 갖는다.
• L: 도체에 전류가 흐르면 자계(magnetic field)가 변하게 되어 반드시 인덕턴스(inductance)가 생기므로 모든 전송선은 직렬성분의 L을 갖는다.
• C: 일반적으로 신호경로와 귀환경로는 유전체(dielectric material)에 의해 분리되는데 두 경로를 이루는 도체사이의 전압차이는 케페시턴스(capacitance)를 가지게 되어 모든 전송선은 신호경로와 귀환경로사이에 C를 갖는다.
• G: 이상적인 유전체를 제외한 모든 유전체는 어느정도의 전도성(conductance)을 가지고 있으므로 모든 전송선은 신호경로와 귀환경로사이에 G를 갖는다.

[그림 2b]는 귀환경로에 있는 R과 L을 신호경로에 합해놓은 등가회로이다. 따라서 [그림 1b]에 보여진 Δz 에 해당하는 RLGC회로를 여러개 연결하면 단위길이당(meter또는 inch)에 대한 전송선의 모델(transmission line model)이 된다. 전송선을 모델링할때 몇개의 RLGC회로 블럭을 사용해야 하는가는 전송선의 길이(length), 전파속도(propagation velocity) 그리고 신호의 상승시간(rise time)에 의해 정할 수 있다. 또한 각각의 RLGC값들은 주어진 전송선의 기하학적인 구조를 가지고 field solver(HFSS, HSpice, ADS,...) 시뮬레이션을 실행하여 RLGC모델을 구하여 소자 값들을 알아낼 수 있다.




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