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WR284 도파관은 직사각형 파동 가이드(rectangular waveguide)로, 주로 마이크로파 및 RF 신호 전송에 사용됩니다. 도파관에서의 guided wavelength (λ_g)는 전자기파가 도파관 내부를 전파할 때, 그 경로와 특성에 따라 달라집니다.

도파관에서의 Guided Wavelength

도파관에서의 guided wavelength는 자유 공간에서의 파장( $\lambda_g​$ )과 도파관의 cutoff wavelength( $\lambda_c$​ )에 의해 결정됩니다. 일반적으로 다음 공식으로 구할 수 있습니다:

$$\lambda_g = \frac{\lambda_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{\lambda_0}{\lambda_c}\right)^2}}$$

​​

여기서:

• $\lambda_g​$는 도파관 내에서의 guided wavelength입니다.
• $\lambda_0$는 자유 공간에서의 파장입니다.
• $\lambda_c$​는 도파관의 cutoff wavelength입니다.

WR284 도파관의 특성

WR284 도파관의 주요 특성은 다음과 같습니다:

• 내부 단면 크기: 2.84 inches x 1.34 inches (72.136 mm x 34.036 mm)
• cutoff 주파수 (TE₁₀ 모드): 약 2.08 GHz
• cutoff wavelength ($\lambda_c$​): 약 144 mm

예제 계산

1. 자유 공간 파장 계산: $\lambda_0 = \frac{c}{f}$​ 여기서 ccc는 빛의 속도 (약 3 X 10^8 m/s), $f$는 주파수입니다.
2. Guided Wavelength 계산: 주파수가 3 GHz일 때의 guided wavelength를 계산해 보겠습니다.
   • 자유 공간 파장: $\lambda_0 = \frac{3 \times 10^8}{3 \times 10^9} = 0.1 \text{ meters} (100 \text{ mm})$
   • Guided Wavelength: $\lambda_g = \frac{100}{\sqrt{1 - \left(\frac{100}{144}\right)^2}}$ ≈ 139.1 mm

따라서, WR284 도파관에서 주파수가 3 GHz일 때의 guided wavelength는 약 139.1 mm입니다.

이와 같은 방식으로 다른 주파수에 대해서도 guided wavelength를 계산할 수 있습니다.

왜 자유공간일때와 도파관 내부에서와 파장의 길이가 차이가 나나요?

도파관에서 전파되는 전자기파의 guided wavelength가 자유 공간에서의 파장과 다른 이유는 다음과 같은 물리적 특성 때문입니다.

도파관의 물리적 구조와 전자기파 모드

1. 경계 조건: 도파관은 전자기파를 금속 경계 내에서 전파시키며, 이러한 경계 조건이 전자기파의 전파 특성을 변경합니다. 금속 경계는 전자기파의 반사와 모드 형성을 유도하여, 전파되는 파동의 파장을 변경합니다.
2. 모드의 형성: 도파관에서는 전자기파가 특정한 모드로 전파됩니다. 가장 일반적인 모드는 TE₁₀ 모드로, 이 모드에서는 전기장이 도파관의 넓은 벽에 평행하게 배열됩니다. 이러한 모드는 도파관의 치수에 따라 cutoff 주파수가 존재하며, 이 주파수 이하에서는 전파되지 않습니다.
3. Cutoff 주파수와 파장: 도파관의 cutoff 주파수는 전자기파가 도파관을 통해 전파될 수 있는 최소 주파수를 의미합니다. cutoff 주파수보다 낮은 주파수에서는 전자기파가 전파되지 않고, 그 이상에서는 특정 모드로 전파됩니다. 이 cutoff 주파수는 도파관의 물리적 치수에 의해 결정됩니다.
4. 파장의 변화: 자유 공간에서는 전자기파가 장애물 없이 직진하지만, 도파관 내부에서는 금속 벽에 의해 다중 반사되고 특정한 경로를 따라 전파됩니다. 이는 전자기파의 유효 경로 길이를 증가시켜 파장을 변경하게 됩니다.

수학적 설명

자유 공간에서의 파장 $\lambda_0$​와 도파관 내부에서의 파장 $\lambda_g$​ 간의 관계는 다음과 같습니다:

$$\lambda_g = \frac{\lambda_0}{\sqrt{1 - \left(\frac{\lambda_0}{\lambda_c}\right)^2}}$$​

이 공식에서 볼 수 있듯이, 도파관의 cutoff 파장 $\lambda_c$​에 가까워질수록 $\lambda_g$​는 급격히 증가합니다. 이는 도파관 내부에서 전자기파가 전파될 때, 자유 공간에서보다 더 긴 경로를 따라 전파되기 때문입니다.

예제 비교

자유 공간에서 주파수가 3 GHz일 때 파장 $\lambda_0$​는 100 mm입니다. 하지만 WR284 도파관 내부에서 같은 주파수에서의 파장 $\lambda_g$​는 약 139.1 mm입니다. 이는 도파관의 경계 조건과 모드 형성에 의해 전파 경로가 길어지기 때문입니다.

이런 이유로 도파관 내부의 guided wavelength는 자유 공간에서의 파장과 크게 다를 수 있습니다. 도파관 설계 시 이러한 특성을 고려하여 설계하고 사용합니다.

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도파관의 Lower cutoff frequency와 upper cutoff frequency 중 어느걸 사용해서 계산해야 되나요?

도파관의 cutoff frequency는 도파관의 모드와 관련된 주파수입니다. 일반적으로 도파관의 cutoff frequency는 특정 모드의 전파가 시작되는 가장 낮은 주파수를 의미합니다. 도파관의 경우, 주로 TE₁₀ 모드의 lower cutoff frequency를 사용하여 계산합니다. 상위 모드가 전파되는 주파수는 upper cutoff frequency라고 할 수 있지만, 기본적인 TE₁₀ 모드의 경우 upper cutoff frequency가 따로 정의되지 않습니다.

도파관에서 전파되는 주파수가 lower cutoff frequency보다 높고 upper cutoff frequency보다 낮은 범위에 있을 때 도파관이 정상적으로 작동합니다.

따라서 guided wavelength 계산 시에는 주로 lower cutoff frequency를 사용합니다. WR284 도파관의 lower cutoff frequency는 TE₁₀ 모드에 해당하는 약 2.08 GHz입니다. 이를 기준으로 guided wavelength를 계산해야 합니다.

따라서 앞서 설명드린 계산 방법은 맞습니다. 이때 upper cutoff frequency는 도파관이 특정 모드에서 상위 모드로 전환되는 주파수를 의미하며, 상위 모드의 cutoff frequency는 다른 모드에서의 전파 시작 주파수를 의미합니다. 이 값을 사용하는 경우는 모드를 전환하거나, 상위 모드의 특성을 고려할 때입니다.

따라서, 주파수 범위가 lower cutoff frequency보다 높은 경우, lower cutoff frequency를 사용하여 guided wavelength를 계산하는 것이 맞습니다.

도파관의 90도 엘보를 제작할 때 주의해야 할 점은 여러 가지가 있습니다. 주요한 주의사항을 아래에 정리해 보았습니다:

1. 정밀한 치수 관리:
• 도파관의 치수는 전자파 전송 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 정밀하게 제작해야 합니다. 특히 90도 엘보의 각도와 내부 곡률 반경이 정확해야 합니다.
2. 곡률 반경:
• 도파관의 90도 엘보는 내부의 곡률 반경이 충분히 커야 전송 손실을 최소화할 수 있습니다. 곡률 반경이 너무 작으면 반사와 전송 손실이 증가할 수 있습니다.
3. 도파관의 매칭:
• 엘보 부분이 다른 직선 도파관과 매칭될 때 임피던스가 잘 맞아야 합니다. 매칭이 잘못되면 반사 손실이 커질 수 있습니다.
4. 재료 선택:
• 도파관 제작에 사용하는 재료는 전도성과 기계적 강도가 높아야 합니다. 일반적으로 동, 은, 알루미늄 등이 사용됩니다. 재료의 균일한 두께와 일관된 전도성을 유지하는 것이 중요합니다.
5. 표면 마감:
• 도파관의 내부 표면은 가능한 한 매끄럽게 마감해야 전자파의 반사와 흡수 손실을 줄일 수 있습니다. 불균일한 표면은 전송 특성에 악영향을 미칠 수 있습니다.
6. 용접 및 조립:
• 용접이나 조립 과정에서의 정밀도가 중요합니다. 용접부가 매끄럽게 처리되지 않으면 전송 특성에 영향을 줄 수 있습니다.
7. 테스트 및 검증:
• 제작된 도파관 엘보는 전송 특성, 반사 손실, 삽입 손실 등을 측정하여 규격에 맞는지 확인해야 합니다. 필요시 TDR(Time Domain Reflectometry) 테스트를 통해 불균일성이나 결함을 확인할 수 있습니다.

이러한 점들을 주의 깊게 고려하면 도파관의 90도 엘보를 성공적으로 제작할 수 있습니다.

엘보의 반경은 어느정도로 해야하나?(WR284)

WR284 도파관의 90도 엘보를 설계할 때, 곡률반경은 전송 손실과 반사 손실을 최소화하기 위해 중요합니다. 일반적으로 도파관의 곡률 반경은 다음과 같은 가이드를 따릅니다:

• 일반적인 가이드라인: 도파관의 폭의 최소 2배에서 3배 정도의 곡률 반경을 유지하는 것이 좋습니다.

WR284 도파관의 경우, 단면의 폭이 약 72.14 mm(2.84 인치)이므로, 곡률 반경은 최소 약 144.28 mm(5.68 인치)에서 216.42 mm(8.52 인치) 정도가 적절합니다.

즉, WR284 도파관의 90도 엘보를 설계할 때 권장되는 최소 곡률 반경은 약 144 mm 이상이어야 하며, 가능하면 200 mm 이상으로 설계하여 전송 손실을 최소화하는 것이 좋습니다.

이러한 기준을 따름으로써 도파관의 성능을 최적화할 수 있습니다.

WR284 도파관의 90도 엘보를 설계할 때 권장되는 곡률 반경에 대한 자료는 다음과 같습니다:

1. H-Plane 곡률 반경: 최소 110mm (4.331 인치)
2. E-Plane 곡률 반경: 최소 68mm (2.677 인치)

이 수치는 도파관의 손실을 최소화하고 반사를 줄이기 위해 중요합니다. 예를 들어, AFT Microwave에서 제공하는 WR284 H-Plane 90도 도파관의 곡률 반경은 77.5mm로, 이는 주파수 범위 2856MHz에서 2998MHz에서 사용되며 삽입 손실이 0.05dB로 매우 낮습니다

따라서, WR284 도파관을 설계할 때 최소한의 곡률 반경을 110mm 이상으로 유지하는 것이 전송 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 이는 일반적인 권장 사항으로, 실제 설계 시에는 특정 응용과 주파수 요구 사항에 따라 조정할 수 있습니다.

https://www.everythingrf.com/products/waveguide-bends/aft-microwave-gmbh/622-1837-hb-wr284-02

WR284 (웨이브가이드)

• 주파수 범위: 2.6 GHz ~ 3.95 GHz
• 치수: 내부 치수 2.84인치 x 1.34인치
• 용도: S-밴드 애플리케이션, 레이더 시스템 및 일부 통신 시스템에 주로 사용
• 특징: 중간 크기의 웨이브가이드로, 전력 처리 능력과 주파수 범위 사이에서 좋은 균형을 제공

WR340 (웨이브가이드)

• 주파수 범위: 2.2 GHz ~ 3.3 GHz
• 치수: 내부 치수 3.40인치 x 1.70인치
• 용도: 일반적으로 C-밴드 레이더 시스템 및 통신 링크에 사용
• 특징: 더 낮은 주파수와 좋은 전력 처리 능력을 허용하는 더 큰 웨이브가이드

N 커넥터

• 유형: 동축 RF 커넥터
• 주파수 범위: 최대 11 GHz (표준 버전); 고성능 버전은 최대 18 GHz까지 가능
• 용도: 무선 통신, 방송 장비 및 네트워킹 하드웨어에 널리 사용
• 특징: 고주파에서 좋은 성능을 제공하며, 50-옴 및 75-옴 버전으로 제공

DIN 4 커넥터

• 유형: 멀티 핀 전기 커넥터 (RF 애플리케이션에 특정하지 않음)
• 일반 용도: 오디오 및 비디오 장비, 데이터 전송 애플리케이션, 전원 공급 장치
• 핀: 일반적으로 4핀이나 구성에 따라 다를 수 있음 (예: DIN 5, DIN 6)
• 특징: 다양한 전자 장치에서 신뢰할 수 있는 연결을 제공하는 원형 커넥터로, 다양한 핀 배열이 있음

각 커넥터 및 웨이브가이드 유형은 특정 주파수 범위 및 애플리케이션에 맞춰 설계되어 있으며, 해당 분야에서 최적의 성능을 제공합니다.

각 Cable / Waveguide의 최대 Power

WR284 (웨이브가이드)

• 전력 처리 능력: WR284 웨이브가이드는 일반적으로 약 1 MW (메가와트) CW를 처리할 수 있으며, 펄스 애플리케이션에서는 수 메가와트 이상의 전력을 처리할 수 있습니다.

WR340 (웨이브가이드)

• 전력 처리 능력: WR340 웨이브가이드는 일반적으로 약 1.5 MW CW를 처리할 수 있으며, 펄스 애플리케이션에서는 몇 메가와트 이상의 전력을 처리할 수 있습니다.

N 커넥터

• 전력 처리 능력: N 커넥터의 전력 처리 능력은 주파수에 따라 다릅니다:
• 1 GHz 이하: 일반적으로 최대 약 1000 W (1 kW)
• 1 GHz에서 2 GHz: 약 600 W
• 2 GHz에서 3 GHz: 약 400 W
• 3 GHz 이상: 주파수가 높아짐에 따라 감소하며, 일반적으로 고주파에서는 약 200 W

DIN 4 커넥터

• 전력 처리 능력: DIN 4 커넥터는 주로 오디오, 비디오 및 데이터 전송 애플리케이션에 사용되며, RF 전력 애플리케이션에 적합하지 않습니다. 따라서 일반적으로 몇 와트 (특정 설계 및 애플리케이션에 따라 최대 10-20 W)의 전력을 처리합니다. RF 애플리케이션에서는 7/16 DIN 커넥터가 사용되며, 이는 수 kW 수준의 전력을 처리할 수 있습니다.

웨이브가이드와 커넥터의 전력 처리 능력은 설계, 재료, 환경 조건 및 냉각 메커니즘에 따라 달라질 수 있습니다.

서큘레이터(Circulator)와 아이솔레이터(Isolator)는 주로 마이크로파 및 RF(Radio Frequency) 시스템에서 사용되는 두 가지 중요한 패시브 소자입니다. 이 둘의 주요 차이점과 특성을 설명하겠습니다.

서큘레이터(Circulator)

1. 정의: 서큘레이터는 다수의 포트를 가지며, 신호를 한 방향으로만 순환시키는 소자입니다.
2. 포트 수: 일반적으로 3포트 또는 4포트 형태로 제공됩니다.
3. 동작 원리: 입력된 신호는 인접한 다음 포트로 전달되며, 한 방향으로만 흐릅니다. 예를 들어, 3포트 서큘레이터의 경우, 포트 1로 들어간 신호는 포트 2로 나가고, 포트 2로 들어간 신호는 포트 3으로 나가며, 포트 3로 들어간 신호는 포트 1로 나갑니다.
4. 용도: 주로 송신기와 수신기를 동일 안테나로 연결할 때 사용됩니다. 또한, 주파수 도메인에서 신호를 분배하거나 합치는 데 사용됩니다.

아이솔레이터(Isolator)

1. 정의: 아이솔레이터는 신호를 한 방향으로만 통과시키고 반대 방향의 신호는 차단하는 소자입니다.
2. 포트 수: 일반적으로 2포트 형태로 제공됩니다.
3. 동작 원리: 한 방향으로 들어온 신호는 그대로 통과하지만, 반대 방향으로 들어오는 신호는 흡수되거나 반사됩니다. 예를 들어, 포트 1에서 포트 2로는 신호가 전달되지만, 포트 2에서 포트 1로는 전달되지 않습니다.
4. 용도: 주로 반사된 신호나 피드백을 차단하여 회로 보호를 위해 사용됩니다. 고출력 증폭기나 레이저 시스템에서 특히 유용합니다.

요약

• 서큘레이터: 신호를 여러 포트 사이에서 순환시키는 소자. 다수의 포트를 가지고 있으며 신호가 지정된 방향으로만 흐름.
• 아이솔레이터: 신호를 한 방향으로만 통과시키고 반대 방향의 신호는 차단하는 소자. 2포트를 가지고 있음.

이 두 소자는 각기 다른 용도로 사용되지만, 모두 RF 및 마이크로파 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

서큘레이터를 아이솔레이터로 만들려면?

3포트 서큘레이터에서 포트 하나에 저항을 연결하면 그 서큘레이터는 아이솔레이터처럼 동작합니다. 구체적으로 설명하자면:

3포트 서큘레이터의 아이솔레이터 변환

1. 기본 동작 원리: 3포트 서큘레이터의 기본 동작은 포트 1에서 포트 2로, 포트 2에서 포트 3으로, 포트 3에서 포트 1로 신호가 전달됩니다.
2. 저항 연결: 만약 포트 3에 저항을 연결하면, 포트 3로 들어오는 신호는 저항에 의해 흡수됩니다. 이로 인해 포트 1에서 포트 2로 신호가 전달되고, 포트 2에서 포트 3으로 신호가 전달되지만, 포트 3로 들어오는 신호는 흡수되므로 포트 1로 돌아오지 않습니다.
3. 아이솔레이터처럼 동작: 이렇게 포트 3에 저항이 연결된 서큘레이터는 포트 1에서 포트 2로 신호가 전달되고, 포트 2에서 포트 1로 신호가 전달되지 않으므로, 사실상 아이솔레이터처럼 동작하게 됩니다.

요약

• 3포트 서큘레이터에서 포트 하나(예: 포트 3)에 저항을 연결하면, 그 포트로 들어오는 신호가 흡수되어 반사되지 않기 때문에, 서큘레이터가 아이솔레이터처럼 동작하게 됩니다.
• 이는 포트 1에서 포트 2로 신호는 전달되지만, 포트 2에서 포트 1로 신호는 전달되지 않는 아이솔레이터의 특성을 가지게 합니다.

스미스 차트(Smith Chart)는 주로 고주파 회로와 전자기학 분야에서 사용되는 그래프 도구입니다. 이 차트는 복소 임피던스와 반사 계수를 시각적으로 표현하는 데 매우 유용합니다. 스미스 차트는 원형 그래프로, 임피던스 또는 어드미턴스의 변화에 따라 그래프 위에서 위치를 표현할 수 있게 합니다. 다음은 스미스 차트의 주요 구성 요소와 사용 방법에 대한 설명입니다.

스미스 차트의 주요 구성 요소

1. 임피던스 서클 (Impedance Circles):
   • 차트의 수평 중심선은 실수 임피던스 (저항) 값에 해당하며, 수직 중심선은 허수 임피던스 (리액턴스) 값에 해당합니다.
   • 동일한 실수 임피던스를 가지는 점들을 연결한 원들이 차트 위에 그려져 있습니다.
2. 어드미턴스 서클 (Admittance Circles):
   • 임피던스의 역수로서 어드미턴스 (컨덕턴스와 서셉턴스)가 표시됩니다.
   • 어드미턴스는 스미스 차트에서 임피던스와 동일한 방식으로 원형 그래프로 표시됩니다.
3. 반사 계수 (Reflection Coefficient):
   • 스미스 차트는 반사 계수를 시각화하는 데 사용됩니다. 반사 계수는 복소 평면에서의 점으로 표현되며, 이를 통해 입력 임피던스를 계산할 수 있습니다.

스미스 차트의 사용 방법

1. 임피던스 매칭:
   • 주파수에 따라 변하는 임피던스를 매칭하기 위해 스미스 차트를 사용합니다. 임피던스 매칭은 전력 전달 효율을 극대화하는 데 중요합니다.
2. 회로 분석:
   • 스미스 차트를 사용하면 고주파 회로의 임피던스 변화를 쉽게 분석할 수 있습니다. 회로의 각 구성 요소가 임피던스에 미치는 영향을 시각적으로 파악할 수 있습니다.
3. 전파 반사:
   • 전송선로에서 발생하는 반사를 분석하는 데 사용됩니다. 반사 계수와 임피던스 변화를 시각적으로 표현하여 설계 및 분석 과정을 단순화합니다.
4. 매칭 네트워크 설계:
   • 안테나와 같은 고주파 장치에서 원하는 임피던스를 맞추기 위해 매칭 네트워크를 설계할 때 유용합니다.

스미스 차트의 장점

• 직관적 시각화: 복잡한 수식을 시각적으로 표현하여 이해하기 쉽습니다.
• 다양한 용도: 고주파 회로 설계, 임피던스 매칭, 전파 반사 분석 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.
• 계산 단순화: 복소수 계산을 그래프를 통해 직관적으로 해결할 수 있습니다.

예시

스미스 차트를 통해 임피던스 매칭을 하는 예시는 다음과 같습니다.

1. 주어진 임피던스를 스미스 차트에 표시합니다.
2. 원하는 임피던스로 변환하기 위해 필요한 리액턴스나 저항값을 차트에서 읽어냅니다.
3. 해당 값을 실제 회로에 적용하여 임피던스를 매칭합니다.

스미스 차트상 중앙에 가장 가까운 점에서 VSWR이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 

스테인리스 스틸에서 싱글 멜트(Single Melt)와 더블 멜트(Double Melt)는 재료를 용해하는 횟수와 그 공정 방식에 따라 구분됩니다. 두 방식은 금속 내 불순물 제거 정도, 조직 균일성, 기계적 특성 등에 영향을 줍니다.

1. 싱글멜트 (Single Melt)

• 정의: 1회 용해로 제조되는 스테인리스 스틸
• 공정 예시: 일반적으로 전기로(EAF: Electric Arc Furnace) 혹은 **인덕션 퍼니스(IF)**에서 용해
• 특징:
  • 상대적으로 제조 비용이 낮음
  • 불순물 제거 수준이 낮고, 미세한 결함(기공, 개재물 등)이 남을 수 있음
  • 일반적인 구조용이나 비정밀 부품에 사용

2. 더블멜트 (Double Melt)

• 정의: 2번 이상 용해 공정을 거쳐 제조된 스테인리스 스틸
• 대표 공정:
  • 1차: EAF나 IF에서 1차 용해
  • 2차: 진공 아크 재용해(VAR) 또는 전자빔 재용해(EBM) 또는 진공 유도 용해(VIM)
• 특징:
  • 더 높은 청정도와 균일한 미세조직 확보
  • 기계적 강도, 피로 수명, 내식성, 용접성 등이 우수함
  • 항공우주, 원자력, 의료용 부품 등 고신뢰성/고정밀이 요구되는 분야에 사용

요약 비교

필요에 따라 트리플 멜트(Triple Melt)까지도 진행되며, 이는 품질 요구 수준에 따라 결정됩니다.

VCR(VeriClean Remakeable) 피팅은 반도체, 바이오, 진공 시스템 등에서 사용되는 고성능 배관 피팅으로, 금속 대 금속 씰링(Metal Gasket Face Seal) 방식으로 극한 조건에서의 누설 제로 수준의 신뢰성을 제공한다.

1. 구조 및 작동 원리

VCR 피팅은 다음과 같은 주요 구성요소로 이루어진다:

• Male/Female Body: 배관 연결을 위한 메인 피팅 구성.
• Gasket (가스켓): 금속(SS316L, Ni, Cu 등) 또는 PTFE 재질로, 밀폐 성능을 확보.
• Nut & Retainer: 체결을 위한 고정 부품 및 가스켓 위치 유지.

조립 시, 가스켓이 소성 변형(plastic deformation)되면서 양쪽 피팅의 접면 사이를 완전히 밀봉하게 된다.

2. 주요 특징

• 초고진공 대응: 최대 10⁻⁹ Torr 수준의 누설률.
• 고압 지원: 수천 psi의 고압 환경에서도 안정적인 성능.
• 화학적/열적 안정성: 금속 씰 기반으로 고온, 부식성 가스 대응 가능.
• 재사용성: 본체는 재사용 가능, 가스켓만 교체하면 반복 체결 가능.
• 초청정: 파티클 발생이 적어 고순도 가스 라인에 최적.

3. 압력 범위

VCR 피팅은 고압 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있다. 일반적인 SS316L 재질 기준 압력 범위는 다음과 같다:

※ 사용 온도가 상승할 경우 허용 압력은 감소하며, 가스켓 재질에 따라 내압 성능도 달라질 수 있다.

4. 적용 분야

• 반도체 공정 장비 (CVD, ALD, Etch 등)
• 고순도 가스 공급 시스템
• 진공 챔버 및 고진공 장비
• 제약·바이오 생산 공정
• 연구용 고압/진공 실험장치

5. 설치 시 유의사항

• 가스켓 재사용 금지: 가스켓은 1회용, 체결 시 반드시 새 것으로 교체.
• 권장 토크로 체결: 과도한 체결은 씰면 손상 위험. 토크렌치 사용 권장.
• 이물질 제거 및 표면 클린 유지: 씰링 표면에 스크래치나 오염이 있으면 누설 위험 발생.

6. VCR vs 일반 튜브 피팅 비교

마무리

VCR 피팅은 정밀도, 청정도, 밀폐성, 고압·진공 대응력을 모두 만족시키는 고성능 피팅이다. 특히 극한 공정 조건에서의 누설 방지가 필수적인 반도체 및 바이오 산업에서는 사실상 표준적인 선택지로 자리잡고 있다. 시스템의 신뢰성을 높이기 위해서는 정확한 체결, 정품 가스켓 사용, 그리고 압력 범위 내 운용이 중요하다.

무손실 전송선로(Lossless Transmission Line)는 실제로 저항과 유전체 손실이 없는 이상적인 전송선로를 말합니다. 이 전송선로는 신호를 전송하는 동안 에너지를 잃지 않으며, 주로 고주파 신호를 전송할 때 사용되는 개념입니다. 무손실 전송선로의 특성과 주요 개념을 설명하겠습니다.

무손실 전송선로의 특성

무손실 전송선로에서는 저항($R$)과 컨덕턴스($G$)가 0으로 가정됩니다. 따라서 무손실 전송선로의 특성은 다음과 같이 요약될 수 있습니다:

• 저항( $R$ ) = 0
• 컨덕턴스( $G$ ) = 0

주요 파라미터

무손실 전송선로의 주요 파라미터는 다음과 같습니다:

1. 특성 임피던스 ($Z_0$​)

무손실 전송선로의 특성 임피던스는 다음과 같이 정의됩니다:

$Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}$

여기서,

• $L$: 단위 길이당 인덕턴스 (H/m)
• $C$: 단위 길이당 커패시턴스 (F/m)

이 특성 임피던스는 실수이며, 전송선로의 고유한 특성을 나타냅니다.

2. 전파 상수 ($\gamma$)

무손실 전송선로의 전파 상수는 복소수로, 다음과 같이 정의됩니다:

$\gamma = j\beta$

여기서,

• $\beta$: 위상 상수 (rad/m)

위상 상수 $\beta$는 다음과 같이 계산됩니다:

$\beta = \omega \sqrt{LC}$​

여기서 $\omega$는 각주파수 (rad/s)입니다.

전압과 전류의 분포

무손실 전송선로에서의 전압($V$)과 전류($I$)는 위치($z$)에 따라 다음과 같이 표현됩니다:

$V(z) = V_0^+ e^{-j\beta z} + V_0^- e^{j\beta z}$

$I(z) = \frac{V_0^+}{Z_0} e^{-j\beta z} - \frac{V_0^-}{Z_0} e^{j\beta z}$

여기서 $V_0^+$​와 $V_0^-$는 각각 전송선로의 전진파와 반사파의 진폭을 나타냅니다.

반사와 정합

무손실 전송선로에서는 임피던스 정합이 매우 중요합니다. 전송선로의 특성 임피던스와 부하 임피던스가 일치하면 신호의 반사가 발생하지 않고, 최대 전력 전달이 이루어집니다. 임피던스 불일치가 발생하면 반사가 발생하여 신호 전송 효율이 떨어집니다.

이상적인 특성

무손실 전송선로는 에너지를 손실하지 않기 때문에 이상적인 전송선로로 간주되며, 다음과 같은 특성을 가집니다:

1. 에너지 손실 없음: 전송선로를 따라 신호가 전파되는 동안 에너지가 손실되지 않습니다.
2. 위상 변이: 신호의 진폭은 변하지 않고, 위상만 변합니다.
3. 주파수 독립성: 특성 임피던스는 주파수와 무관하게 일정합니다.

실제 응용

실제로 완벽한 무손실 전송선로는 존재하지 않지만, 이상적인 모델로 사용되어 전송선로의 설계와 분석에 중요한 기준을 제공합니다. 실제 전송선로에서는 저항과 유전체 손실이 있지만, 이를 최소화하려는 노력이 계속됩니다. 무손실 전송선로 모델은 마이크로파 회로, 안테나 시스템, 고속 데이터 통신 등에서 매우 유용합니다.

무손실 전송선로의 개념은 이론적 이해를 돕고, 실제 전송선로에서 발생하는 손실을 최소화하고 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다.

손실 전송선로

손실 전송선로(Lossy Transmission Line)는 신호가 전송되는 동안 에너지가 손실되는 전송선로를 의미합니다. 이는 실제 전송선로에서 매우 일반적인 현상으로, 전송선로의 재료 특성과 구조로 인해 발생합니다. 손실 전송선로의 특성과 주요 개념들을 설명하겠습니다.

1. 손실의 종류

손실 전송선로에서 발생하는 손실은 주로 다음과 같은 두 가지로 나눌 수 있습니다.

a. 저항 손실(Conductor Loss)

전송선로의 도체(Conductor)가 저항을 가지고 있기 때문에 전류가 흐를 때 열로 에너지가 변환되어 손실이 발생합니다. 이는 전송선로의 길이, 도체의 재료, 단면적 등에 따라 달라집니다.

b. 유전체 손실(Dielectric Loss)

전송선로의 도체를 절연하는 유전체(Dialectric) 재료가 신호의 전송 과정에서 에너지를 흡수하여 열로 변환하는 현상입니다. 유전체의 재질, 주파수, 온도 등에 따라 달라집니다.

2. 전송선로의 파라미터

손실 전송선로의 성능을 나타내는 주요 파라미터는 다음과 같습니다.

a. 특성 임피던스(Characteristics Impedance, Z0Z_0Z0​)

전송선로의 고유한 임피던스로, 선로의 전기적 특성에 따라 결정됩니다. 이는 손실이 없는 전송선로와 동일하게 계산할 수 있습니다.

b. 감쇠 상수(Attenuation Constant, α\alphaα)

전송선로를 따라 신호의 크기가 감소하는 정도를 나타냅니다. 이는 저항 손실과 유전체 손실 모두를 포함한 값입니다.

c. 위상 상수(Phase Constant, β\betaβ)

전송선로를 따라 신호의 위상이 변하는 정도를 나타냅니다. 이는 주파수와 선로의 특성에 의해 결정됩니다.

3. 전송선로 방정식

손실 전송선로는 다음과 같은 복소수 파라미터로 나타낼 수 있습니다.

$\gamma = \alpha + j\beta$

여기서 $\gamma$는 전파 상수(Propagation Constant)로, 신호의 감쇠와 위상 변화를 모두 나타냅니다.

4. 전압과 전류 분포

손실 전송선로에서 전압과 전류는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

$V(z) = V_0^+ e^{-\gamma z} + V_0^- e^{\gamma z}$ 

$I(z) = \frac{V_0^+}{Z_0} e^{-\gamma z} - \frac{V_0^-}{Z_0} e^{\gamma z}$

여기서, $V_0^+$와 $V_0^-$는 각각 전송선로의 전진파와 반사파의 진폭을 나타냅니다.

5. 중요성 및 적용 분야

손실 전송선로의 이해는 고주파 회로 설계, 통신 시스템, 마이크로파 및 RF 공학 등에서 매우 중요합니다. 실제로, 모든 전송선로는 어느 정도의 손실을 가지고 있기 때문에 이를 적절히 모델링하고 보상하는 것이 필요합니다.

손실 전송선로의 특성을 정확하게 파악함으로써, 신호 전달의 효율을 높이고, 시스템의 성능을 최적화할 수 있습니다.

손실 전송선로와 특성 임피던스

손실 전송선로와 특성 임피던스는 전송선로의 전기적 특성을 이해하는 데 중요한 관계를 가집니다. 특성 임피던스는 전송선로의 고유한 임피던스를 나타내며, 전송선로를 통해 전송되는 신호의 전압과 전류 간의 관계를 결정합니다. 손실 전송선로에서 특성 임피던스는 선로의 저항(R), 인덕턴스(L), 컨덕턴스(G), 및 커패시턴스(C)에 의해 결정됩니다.

손실 전송선로에서의 특성 임피던스

손실 전송선로의 경우, 특성 임피던스 $Z_0$​는 다음과 같은 복소수 형태로 표현됩니다.

$Z_0 = \sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}$​​

여기서,

• $R$: 단위 길이당 저항 (Ω/m)
• $L$: 단위 길이당 인덕턴스 (H/m)
• $G$: 단위 길이당 컨덕턴스 (S/m)
• $C$: 단위 길이당 커패시턴스 (F/m)
• $\omega$: 각주파수 (rad/s)

손실이 없는 전송선로에서의 특성 임피던스

손실이 없는 전송선로에서는 $R = 0$이고 $G = 0$으로 가정할 수 있습니다. 이 경우 특성 임피던스는 보다 단순하게 다음과 같이 됩니다.

$Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}$​​

손실이 있는 경우와 없는 경우의 차이

손실이 있는 전송선로에서는 특성 임피던스가 복소수 값이 됩니다. 이는 전송선로에서 에너지가 손실됨을 의미하며, 주파수에 따라 변합니다. 반면에 손실이 없는 전송선로에서는 특성 임피던스가 실수 값이 되며, 이는 전송선로를 통해 신호가 손실 없이 전달됨을 나타냅니다.

물리적 의미

특성 임피던스는 전송선로의 입력 단자에 정합(impedance matching)이 잘 되었는지를 판단하는 중요한 기준입니다. 전송선로와 부하의 임피던스가 일치하면 신호 반사 없이 최대의 전력 전달이 가능합니다. 손실 전송선로의 경우, 복소수 특성 임피던스를 고려하여 정합을 맞추는 것이 중요합니다.

결론

손실 전송선로와 특성 임피던스는 전송선로의 성능과 효율성을 결정하는 중요한 요소입니다. 손실 전송선로에서는 저항 및 컨덕턴스로 인해 특성 임피던스가 복잡해지지만, 이를 통해 전송선로의 신호 전달 특성을 정확히 파악하고, 적절한 임피던스 정합을 통해 신호의 손실을 최소화할 수 있습니다.

※ ChatGPT-4o를 이용해 작성된 게시글입니다.

전송선 이론은 장거리 전도체를 통해 전기 신호가 전파되는 방식을 이해하는 데 필수적이며, 주로 통신, 전력 분배 및 고속 디지털 회로에 사용됩니다. 다음은 이 이론에 대한 포괄적인 설명입니다:

기본 개념

1. 전송선 기본:
   • 신호의 파장에 비해 회로가 매우 길어 전압 및 전류의 분포가 전송선 상에 위치에 따라서 다르게 나타납니다. 
   • 아래 그림이 전송선 이론의 개념을 잘 나타냅니다. 
   •  

     

2. 분포 파라미터:
   • 단순 회로가 집합된 파라미터(저항, 인덕턴스, 커패시턴스, 도전성)를 사용하는 것과 달리, 전송선은 분포 파라미터를 사용하여 분석됩니다.
   • 이 파라미터는 선의 길이에 따라 분포되며 다음을 포함합니다:
     • R (단위 길이당 저항): 도체의 저항으로 인한 전력 손실을 야기합니다.
     • L (단위 길이당 인덕턴스): 도체 주변에 형성된 자기장을 고려합니다.
     • C (단위 길이당 커패시턴스): 도체 간의 전기장을 나타냅니다.
     • G (단위 길이당 도전성): 절연 재료를 통해 도체 간에 누설 전류를 고려합니다.

     • 

3. 분포 파라미터: 이는 위치(z)와 시간(t)의 함수로서 전송선의 전압(V) 및 전류(I)를 설명하는 선형 미분 방정식 쌍입니다.

$$\frac{\partial V(z,t)}{\partial z} = -L \frac{\partial I(z,t)}{\partial t} - R I(z,t) $$

$$\frac{\partial I(z,t)}{\partial z} = -C \frac{\partial V(z,t)}{\partial t} - G V(z,t)$$

파동 전파

1. 특성 임피던스 (Z0):
   • 전송선의 중요한 특성으로, 다음과 같이 정의됩니다: $Z_0 =\sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}$
   • 손실이 없는 선(R = 0, G = 0)의 경우 다음으로 단순화됩니다: $Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}}$
   • 이는 선을 따라 이동하는 파의 전압과 전류 간의 관계를 결정합니다.
2. 전파 상수 (γ):
   • 신호가 전파되는 동안 감쇠 및 위상 변화를 설명합니다.
   $\gamma = \alpha + j\beta$
   • $\alpha$ 는 감쇠 상수(네퍼/미터)이고, $\beta$ 는 위상 상수(라디안/미터)입니다.

반사 및 전송

1. 임피던스 매칭:
   • 전송선이 부하에 종단될 때, 부하 임피던스 $Z_L$가 특성 임피던스 $Z_0$​와 일치하지 않으면 반사가 발생할 수 있습니다.
   • 반사 계수: $\Gamma = \frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}$​​
   • 완벽하게 매칭된 선($Z_L = Z_0$​)은 $\Gamma = 0$이며, 이는 반사가 없음을 의미합니다.
2. 정재파:
   • 입사파와 반사파의 중첩으로 인해 발생합니다.
   • 정재파비(SWR)는 불일치 정도를 나타냅니다:$SWR = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|}$​

실제 응용

1. 고주파 신호 전송:
   • 전송선은 신호 무결성이 중요한 RF(라디오 주파수) 응용 분야에서 중요합니다.
2. 디지털 회로:
   • 고속 디지털 회로에서 적절한 전송선 설계는 신호 열화 및 반사를 최소화하여 신호 무결성을 유지하는 데 필수적입니다.
3. 전력 분배:
   • 전력망의 전송선은 손실을 최소화하고 장거리 전기 에너지를 효율적으로 운반하도록 설계됩니다.

분석 기법

1. 스미스 차트:
   • 전송선 및 매칭 회로 문제를 해결하는 데 사용되는 그래픽 도구입니다.
   • 임피던스, 반사 계수 및 기타 파라미터를 시각화하는 데 도움이 됩니다.
2. 시뮬레이션 도구 (예: PSpice):
   • 복잡한 회로에서 전송선을 모델링하고 분석하는 데 사용됩니다.
   • 신호 동작을 예측하고 회로 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다.

결론

전송선 이론은 물리학, 수학 및 전기 공학 원리를 결합하여 신호가 도체를 따라 어떻게 전파되는지 이해합니다. 통신, 전력 분배 및 고속 전자 장치 시스템을 설계하고 분석하는 데 중요한 역할을 하며, 효율적이고 신뢰할 수 있는 신호 전송을 보장합니다.

특성 임피던스와 회로 임피던스의 차이

특성 임피던스 (Characteristic Impedance,$Z_0$​)

1. 정의:
   • 특성 임피던스는 무한히 긴 전송선의 고유한 속성으로, 전송선을 통해 전파되는 전압과 전류의 비율을 나타냅니다.
   • 수식으로 정의하면 다음과 같습니다: $Z_0 = \sqrt{\frac{R + j\omega L}{G + j\omega C}}$​​
   • 여기서 $R$은 단위 길이당 저항, $L$은 단위 길이당 인덕턴스, $G$는 단위 길이당 도전성, $C$는 단위 길이당 커패시턴스입니다.
2. 특징:
   • 전송선의 특성에 따라 결정되며, 전송선의 물리적 구조와 재료에 의존합니다.
   • 신호가 반사 없이 전송되기 위해서는 부하 임피던스가 특성 임피던스와 일치해야 합니다.
3. 적용:
   • 고주파 신호가 전송선을 통해 이동할 때 중요합니다.
   • RF 회로, 안테나, 고속 디지털 신호 전송 등에 자주 사용됩니다.

회로 임피던스 (Circuit Impedance, $Z$)

1. 정의:
   • 회로 임피던스는 특정 지점에서 회로의 전압과 전류의 비율을 나타내는 일반적인 용어입니다.
   • 수식으로 정의하면 다음과 같습니다: $Z = \frac{V}{I}$​
   • 여기서 $V$는 전압, $I$는 전류입니다.
2. 특징:
   • 저항($R$), 인덕턴스($L$), 커패시턴스($C$)의 조합으로 구성됩니다.
   • 주파수에 따라 달라지며, 복소수 형태로 표현될 수 있습니다: $Z = R + jX$
   • 여기서 $R$은 저항, $X$는 리액턴스(인덕티브 리액턴스 또는 커패시티브 리액턴스)입니다.
3. 적용:
   • 회로의 임피던스를 이해하는 것은 회로 설계, 분석 및 신호 전송의 효율성을 최적화하는 데 필수적입니다.
   • 일반적인 전기 회로, AC 회로 분석 등에 사용됩니다.

주요 차이점

1. 적용 범위:
   • 특성 임피던스는 주로 전송선 이론에서 사용되며, 고주파 신호의 전송 특성을 설명합니다.
   • 회로 임피던스는 일반적인 회로 분석에서 사용되며, 다양한 회로 요소의 전압과 전류 관계를 설명합니다.
2. 구성 요소:
   • 특성 임피던스는 전송선의 물리적 특성과 재료에 의존하는 분포 파라미터($R$, $L$, $G$, $C$)를 포함합니다.
   • 회로 임피던스는 특정 지점의 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스로 구성된 집중 파라미터를 포함합니다.
3. 반사 및 매칭:
   • 특성 임피던스는 전송선의 반사를 최소화하기 위해 부하 임피던스와 매칭되어야 합니다.
   • 회로 임피던스는 다양한 회로 구성 요소 간의 상호 작용을 분석하는 데 사용됩니다.

이와 같이, 특성 임피던스와 회로 임피던스는 각각 전송선과 일반 회로 분석에서 중요한 역할을 합니다. 두 개념을 이해하고 구분하는 것은 전기 및 전자 공학에서 필수적입니다.

※ ChatGPT-4o를 이용해 작성된 포스트입니다. 

※ 고양이 한마디: 특성 임피던스와 회로 임피던스는 이름이 같아 혼동을 주지만 완전히 다른 개념으로 기억해야 함. 

둘이 호환 안 됩니다. 서로 장착하면 장착은 되는데, 각도가 달라서 탭/쓰레드 손상으로 인해 재사용 불가합니다. 참고하세요.

배관, 유체 제어, 설비 산업에서 사용되는 **관용 테이퍼 나사(pipe taper thread)**는 대표적으로 PT(R) 계열과 NPT 계열이 있습니다. 외형이 유사해 혼동하기 쉽지만, 나사 각도, 표준, 호환성 면에서 명확한 차이를 가집니다. 본 글에서는 PT(R)/Rc와 NPT/NPTF의 차이를 구조적으로 정리합니다.

1. 표준과 명칭

• PT는 일본식 명칭으로, ISO 7-1 기준의 R 나사와 동등합니다.
• Rc는 R/PT의 암나사(내경 테이퍼) 대응이며, Rp는 평행 내나사입니다.
• NPT는 미국에서 사용하는 테이퍼 외경 나사이고, NPTF는 별도 실런트 없이 밀봉 가능한 강화형입니다.

2. 나사 형상 및 밀봉 방식

• PT(R)는 금속 간 밀착으로 밀봉이 가능하나, 실런트 보조 사용 시 누설 방지에 더 유리합니다.
• NPT는 체결만으로는 완전 밀봉이 어려워 반드시 테이프나 실런트를 사용해야 합니다.
• NPTF는 밀봉 정밀도를 높인 버전으로 별도 실런트 없이도 밀봉이 가능한 구조입니다.

3. 지역별 사용 및 호환성

• PT(R)과 NPT는 체결이 물리적으로 가능하더라도 나사산 형상이 달라 누설 위험이 큼.
• 반드시 동일한 규격 간의 체결이 필요하며, 다른 규격 간 연결은 변환 피팅 어댑터 사용을 권장합니다.

4. 정리 요약