전송선 SWR 반사계수 계산기

전송선 SWR 반사계수 계산기 사용법

고주파(RF) 통신 및 안테나 시스템에서는 송신기의 출력 임피던스(통상 $50\,\Omega$)와 동축 케이블 전송선, 그리고 안테나의 부하 임피던스가 정확히 일치해야 최대 전력이 안테나를 통해 공간으로 방사됩니다.

임피던스가 일치하지 않으면 송신된 전력의 일부가 부하에서 반사되어 전송선을 타고 송신기로 되돌아옵니다. 이때 입사파(Forward Wave)와 반사파(Reflected Wave)가 합성되어 전송선 상에 전압 정재파(Standing Wave)가 형성되며, 이 전압의 최댓값과 최솟값의 비율을 **정재파비($\text{SWR}$ 또는 $\text{VSWR}$)**라고 부릅니다.

본 계산기는 현장에서 측정한 정재파비($\text{SWR}$)와 송신기의 입사 전력을 입력받아 전압 반사계수($|\Gamma|$), 반사전력 비율($\%$), 반사 손실($\text{Return Loss}$), 그리고 실제로 반사되거나 부하로 전달되는 전력($\text{W}$)을 즉시 계산합니다.

계산 방법

정재파비와 반사 특성 사이에는 다음과 같은 명확한 전자기학 공식이 성립합니다.

1. 전압 반사계수 ($|\Gamma|$)

전압 반사계수는 입사 전압파 대비 반사 전압파의 비율(크기 $0 \le |\Gamma| \le 1$)이며, 정재파비($\text{SWR}$)로부터 직접 도출됩니다.

2. 반사전력 비율 및 유효 전송 비율

전력은 전압의 제곱에 비례하므로 반사전력 비율은 전압 반사계수의 제곱입니다.

반사되지 않고 안테나 부하로 전달되는 유효 전력 비율은 다음과 같습니다.

3. 반사 손실 (Return Loss, dB)

반사 손실은 입사 전력 대비 반사 전력의 감쇄비를 나타내며, 수치가 클수록 정합 상태가 우수함을 의미합니다.

4. 실제 반사 전력 및 송신 전력 (W)

송신기의 진행파 전력($P_{\text{in}}$)이 주어졌을 때 실제 반사되는 전력($P_{\text{ref}}$)과 안테나로 전달되는 순수 전력($P_{\text{trans}}$)은 다음과 같이 산출됩니다.

대표적인 SWR 기준표

| SWR (VSWR) | 전압 반사계수 ($|\Gamma|$) | 반사전력 비율 ($\%$) | 반사 손실 ($\text{dB}$) | 정합 상태 평가 | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | 1.0 : 1 | 0.000 | 0.00 % | $\infty$ (완전 정합) | 이론적 최상 (무손실) | | 1.1 : 1 | 0.048 | 0.23 % | 26.4 dB | 정밀 계측 및 최우수 상태 | | 1.2 : 1 | 0.091 | 0.83 % | 20.8 dB | 상용 방송 및 우수 통신 | | 1.5 : 1 | 0.200 | 4.00 % | 14.0 dB | 일반 무선통신 목표 권장치 | | 2.0 : 1 | 0.333 | 11.11 % | 9.5 dB | 장비 허용 한계선 (주의) | | 3.0 : 1 | 0.500 | 25.00 % | 6.0 dB | 정합 불량 (튜너 필터 필요) | | 5.0 : 1 | 0.667 | 44.44 % | 3.5 dB | 장비 위험 (송신 금지 권장) |

계산 예시

상황 1: 100W 송출 시 SWR 1.5:1인 경우 (일반적인 양호 상태)

• 입력값: $\text{SWR} = 1.5$, 입사 전력 = $100\,\text{W}$
• 전압 반사계수:

• 반사전력 비율: $0.200^2 \times 100 = 4.0\%$
• 반사 손실: $-20 \log_{10}(0.2) \approx 13.98\,\text{dB}$
• 실제 전력 배분: 반사 전력은 $4\,\text{W}$, 실제 안테나로 방사되는 전력은 $96\,\text{W}$가 됩니다.

상황 2: 50W 차량용 무전기에서 SWR 2.5:1로 정합이 틀어진 경우

• 입력값: $\text{SWR} = 2.5$, 입사 전력 = $50\,\text{W}$
• 전압 반사계수:

• 반사전력 비율: $0.429^2 \times 100 \approx 18.37\%$
• 실제 전력 배분: 송출 전력 $50\,\text{W}$ 중 약 $9.18\,\text{W}$가 반사되어 송신단으로 되돌아오며, 부하로는 $40.82\,\text{W}$만 전달됩니다. 이 경우 송신기 종단 트랜지스터에 열이 축적되어 장시간 운용 시 소자가 손상될 수 있습니다.

사용 시 주의사항 및 활용 팁

• 전송선 손실(케이블 감쇠)의 영향: 긴 동축 케이블 끝단에 안테나가 있는 경우, 케이블 자체의 감쇠로 인해 송신기 쪽에서 측정한 SWR이 실제 안테나 단자보다 더 양호하게 왜곡되어 측정될 수 있습니다. 정확한 안테나 특성을 파악하려면 안테나 급전점 근처에서 측정하거나 케이블 손실을 보정해야 합니다.
• 송신기 보호 회로(Foldback Protection): 대부분의 현대식 트랜시버는 고반사파로부터 출력석을 보호하기 위해 SWR이 약 $2.0:1$ 이상으로 상승하면 출력을 자동으로 줄입니다. 계측기 상 출력이 떨어졌다면 장비 고장 이전에 SWR 이상 여부를 먼저 확인하세요.
• 안테나 튜너(ATU)의 역할: 안테나 튜너는 안테나 자체의 공진 상태를 바꾸는 것이 아니라, 송신기와 튜너 사이 전송선에 송신기가 바라보는 임피던스를 $50\,\Omega$으로 맞춰 송신기를 보호하는 장치입니다. 안테나 자체의 복사 효율을 극대화하려면 안테나 엘레멘트 길이나 급전 정합부를 물리적으로 조정하는 것이 근본적인 해결책입니다.