전송선과 특성 임피던스

많은 사람들이 전송선 개념을 헷갈리고 용어를 마구 사용하는 경우가 종종 있는 것 같다. 그래서 전송선이 무엇인지 확실히 알려줄 필요가 있을 것 같아서 이렇게 글을 쓴다.

 

아마도 정확한 의미를 파악하지 못하는 이유 중 하나는 이름이 '전송선'이라서 그냥 전달(전송) 해주는 선이면 다 전송선 아닌가 하는 생각을 하는 사람들이 있는 것 같다. 즉 2개의 도체로 이루어져서 신호만 전달할 수 있으면 다 전송선인 것으로 생각하는 사람들이 있다. 그러나 도체 2개가 있다고 모두 전송선은 아니다.

 

전송이란 말은 어떤 곳에서 떨어져 있는 다른 곳으로 신호(혹은 에너지)를 보내는 것을 말한다. 여기서 떨어져 있다는 것은 충분히 떨어진 것을 의미한다. 충분하다는 것은 두 곳이 서로 하나로 보이지 않을 만큼(lumped 하게 보이지 않을 만큼 또는 동기화 되었다고 보이지 않을 만큼)을 의미한다. 만약에 두 곳이 하나로 보일 정도로 가까우면(lumped 하게 볼 수 있으면) 전송이란 개념을 사용하면 안 된다.

충분히 떨어진(동기화 되지 않는) 두 곳 간에 신호를 전달하려면 전달 경로의 임피던스가 균일해야만 신호의 반사가 발생하지 않아 깨끗한 신호를 전달할 수 있다. 이렇게 전달 경로의 임피던스가 균일한 신호선을 전송선이라고 부른다. 따라서 전송선의 조건은 전 구간에 있어서 임피던스가 균일한 것인데, 그것을 달성하려면 전송선의 단면적이 선로 진행방향을 따라서 균일해야 한다. 이 조건을 만족시키지 못하면 임피던스가 변하게 되고 그러면 신호의 왜곡이 발생하며 그런 신호선은 전송선이 아니다.

단면적이 균일한 신호선의 예로는 코엑시얼 케이블이나 임피던스 제어된 PCB 등이 있다. 반면 커넥터 같은 경우는 일반적으로 핀 형상의 단면이 신호 전달 방향을 따라 일정하지 않은 경우가 많아 전송선으로 볼 수 없는 경우가 많이 있다.

전송선은 충분한(위에 설명) 길이를 갖고 있고 단면적이 균일하기 때문에 lumped 모델을 적용할 수 없고 distributed 모델을 적용해야만 한다(distributed 하다는 것은 동기화 되지 않는다는 것을 의미한다).

 

전송선은 신호 전달 경로를 따라 변하지 않는 일정한 임피던스를 갖는데, 이것을 특성 임피던스라고 부른다. 따라서 특성 임피던스라는 말은 전송선 적용되는 말이다. 어떤 신호 전달 경로가 임피던스가 균일하지 않고 변한다면 특성 임피던스라는 말을 사용할 수 없다. 그래서 케이블에서는 특성 임피던스를 스펙에 명기하는 경우가 많지만 커넥터에서는 특성 임피던스라는 말을 사용하지 않는 경우가 많다(그냥 임피던스라고 언급만 한다).

 

결론,

전송선 = 단면적인 균일한 신호선(특성 임피던스를 갖는 신호선).

충분히 짧은 구간을 연결할 때는 굳이 전송선을 사용할 필요가 없다. 전송선을 사용해도 상관은 없지만 전송이라는 개념이 성립하지 않기 때문에 아무 신호선을 사용하든지 반사등에 의한 신호 왜곡은 발생하지 않는다.