감쇠기

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1. 개요
2. 특징
3. RF 감쇠기
4. 오디오 감쇠기
5. 구조 및 회로
6. 용도
7. 구성 요소 값 계산
참조

1. 개요

감쇠기는 신호의 진폭을 감소시키는 데 사용되는 수동 소자이다. 감쇠기는 전압 분배기 회로망으로 구성되며, 감쇠, 주파수 대역, 허용 손실, SWR, 정확성 및 반복성을 특징으로 한다. RF 감쇠기는 동축 구조 또는 도파관 구조를 가지며, 오디오 감쇠기는 프리앰프 또는 파워 앰프의 출력 신호 감쇠에 사용된다. 감쇠기는 신호 감쇠, 측정, 임피던스 정합, 반사파 저감, 평형/불평형 변환 등 다양한 용도로 활용되며, 파이 패드, T 패드, L 패드 등의 회로 구조를 통해 원하는 감쇠량과 임피던스를 구현한다.

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감쇠기
개요
종류	수동 부품
작동 원리	해당 없음
발명	해당 없음
최초 생산	해당 없음
핀 수	해당 없음
감쇠기 기호
한국어 명칭	감쇠기
영어 명칭	attenuator
정의
설명	신호의 크기를 줄이는 전자 회로.
용도	신호 레벨 조정 임피던스 정합 과도한 신호 방지
사용 예시	무선 통신 오디오 시스템 계측 장비
종류
고정 감쇠기	고정된 감쇠량을 제공.
가변 감쇠기	감쇠량을 조절 가능.
디지털 감쇠기	디지털 신호로 감쇠량 제어.
주요 특징
감쇠량	데시벨(dB) 단위로 표시.
임피던스	일반적으로 50옴 또는 75옴.
주파수 범위	사용 가능한 주파수 범위.
전력 정격	허용 가능한 최대 전력.
기타
관련 용어	스퀠치

2. 특징

감쇠기의 주요 특징 및 사양은 다음과 같다.^[8]^[2]

'''감쇠''': 상대적 전력의 데시벨(dB)로 표현된다. 3dB 감쇠기는 전력을 절반(1/2)으로 줄이고, 6dB는 1/4, 10dB는 1/10, 20dB는 1/100, 30dB는 1/1000으로 줄인다. 입력 임피던스와 출력 임피던스가 동일할 때, 전압 감쇠는 전력 감쇠의 제곱근이 된다. 예를 들어, 전력을 1/4로 줄이는 6dB 감쇠기는 전압(및 전류)을 절반으로 줄인다.^[8]^[2]
'''공칭 전기 임피던스''': 예를 들어 50 옴.^[2]
'''주파수 대역폭''': 예를 들어 DC-18 GHz.^[8]^[2]
'''허용 손실''' (전력 소모): 저항 재료의 질량과 표면적, 그리고 추가적인 냉각핀 유무에 따라 달라진다.^[8]^[2]
'''SWR''': 입출력 포트의 정재파비(Standing Wave Ratio)를 의미한다.^[8]^[2]
'''정확도'''^[8]^[2]
'''반복성'''^[8]^[2]

3. RF 감쇠기

라디오 주파수(RF) 감쇠기는 일반적으로 동축 구조를 가지며, 초고주파(SHF) 이상에서는 특수한 도파관 구조가 필요하다. RF 감쇠기는 일반적으로 정밀 커넥터 포트를 가지며, 내부 구조는 동축, 마이크로스트립 또는 박막 형태로 되어 있다. 플랩 감쇠기는 도파관 내에서 신호를 감쇠시키기 위해 설계된 종류이다.

중요한 특성으로는 정확도, 낮은 정재파비(SWR), 평탄한 주파수 응답, 반복성 등이 있다. 감쇠기의 크기와 모양은 전력을 소산하는 능력에 따라 달라진다.^[9]

RF 감쇠기는 RF 신호를 측정할 때 부하로 사용되거나, 알려진 양만큼 신호를 감쇠시키는 용도로, 또는 회로 보호를 위해 전력을 소산시키는 데 사용된다.^[3] 수신기에 감쇠기를 사용하면 수신된 신호의 레벨을 적절하게 조절할 수 있다. 수신기는 신호가 너무 약하거나 너무 강하면 정상적으로 작동하기 어려운데, 특히 강한 신호를 수신했을 때 감쇠기를 사용하여 신호 레벨을 낮추어 정상적인 수신이 가능하도록 돕는다.

무선용 감쇠기에는 저항기가 사용되지만, 일반적인 저항기는 인덕턴스 성분을 가지고 있고 주파수 특성이 평탄하지 않아 고주파 회로에 적합하지 않다. 따라서 주파수 특성이 우수한 무유도 저항이 주로 사용된다. 시중에는 1dB에서 20dB까지 다양한 감쇠량의 제품이 판매되고 있다.

4. 오디오 감쇠기

프리앰프의 라인 레벨 감쇠기 또는 파워 앰프 후의 파워 감쇠기는 전기 저항을 사용하여 스피커에 도달하는 신호의 진폭을 줄여 출력 볼륨을 줄인다. 라인 레벨 감쇠기는 1/2 와트 가변 저항 또는 전압 분배기와 같이 낮은 전력 처리 능력을 가지며 프리앰프 레벨 신호를 제어하는 반면, 파워 감쇠기는 10 와트 이상과 같이 더 높은 전력 처리 능력을 가지며 파워 앰프와 스피커 사이에 사용된다.

파워 감쇠기 (기타)
기타 앰프

오디오용 감쇠기는 전단 장치의 출력 신호가 다음 단 장치의 허용 최대 입력값보다 클 경우, 신호를 허용 값까지 감쇠시키기 위해 사용된다. 일반적으로 다음과 같은 감쇠량을 얻을 수 있는 감쇠기가 시판되고 있으며, 이 중에서 감쇠시키고 싶은 양을 선택하여 사용할 수 있다. 또한 여러 개의 감쇠기를 연결해도 동등한 결과를 얻을 수 있다(예: 50 dB = 40 dB + 10 dB).

감쇠량(dB)	주요 용도
4
6
12
14	평형·불평형 변환
20
24
30
40
50	라인 레벨의 음성 신호를 마이크 레벨까지 감쇠
60

또한, 멀티 채널 구성의 스피커에서 각 대역의 스피커의 능률 차이의 균형을 맞추기 위해서도 사용된다.

5. 구조 및 회로

감쇠기는 일반적으로 저항기를 여러 개 조합하여 전압 분배나 전류 분배 원리를 이용해 신호 레벨을 낮추는 수동 소자이다. 가장 기본적인 형태는 간단한 전압 분배기 회로망으로 구성된다.

감쇠량을 조절할 필요가 있을 때는 여러 저항 사이를 스위치로 전환하여 단계적으로 감쇠량을 바꾸거나, 가변 저항을 사용하여 연속적으로 감쇠량을 조절할 수 있다. 고주파 신호에 사용하는 감쇠기는 정밀하게 정합된 낮은 전압 정재파비(VSWR)를 갖는 전기 저항 회로망으로 만들어진다.

회로 내에서 고정된 감쇠량을 가진 감쇠기는 전압을 낮추거나, 불필요한 전력을 소산시키거나, 임피던스 정합을 개선하는 데 사용된다. 또한, 겉보기 SWR을 낮춤으로써 임피던스를 '정합'하는 효과도 있다. 신호 측정 시에는 감쇠기 패드나 어댑터를 사용하여 신호의 진폭을 미리 정해진 양만큼 줄여 측정을 용이하게 하거나, 측정 장치가 손상될 수 있는 높은 신호 레벨로부터 보호하는 역할을 한다.

감쇠기의 기본적인 회로 형태로는 파이 (Π) 패드(π형)와 T 패드(T형)가 있다. 이 두 형태는 2단자쌍 회로로서 서로 등가 관계에 있어 상호 변환이 가능하다.

감쇠 회로는 사용하는 전송 선로의 종류에 따라 평형(balanced) 또는 불평형(unbalanced) 구조로 설계된다. 예를 들어, 동축 케이블과 같이 불평형 선로에는 불평형 감쇠기를 사용하고, 꼬임쌍선과 같은 평형 선로에는 평형 감쇠기를 사용한다. 오른쪽 그림은 집중 정수 순수 저항을 사용한 4가지 유형의 감쇠기 기본 회로를 보여준다. 여기서 ''Z''₁, ''Z''₂는 선로 임피던스이다.

이러한 감쇠 회로는 보통 집중 정수 소자인 저항기(''R'')만으로 구성되거나, 때로는 인덕터(''L'')나 축전기(''C'')를 포함한 수동 소자만으로 만들어진다. 따라서 이 회로들은 선형적이며 상호성을 만족한다. 즉, 상반 정리가 성립하므로 원칙적으로 입력 단자와 출력 단자의 구별이 없다. 회로가 대칭적으로 설계된 경우(일반적으로 입력 임피던스 ''Z''₁과 출력 임피던스 ''Z''₂를 같게 만든다)에는 더욱 그렇지만, 관례상 회로도의 왼쪽을 입력(1측), 오른쪽을 출력(2측)으로 간주한다.

특정 감쇠량(손실 값)을 얻기 위해 필요한 저항 값을 계산하는 공식이나, 미리 계산된 값을 정리한 표 등이 존재한다.^[1]

6. 용도

감쇠기는 신호 감쇠 외에도 다음과 같은 다양한 용도로 사용된다.

; 신호 감쇠

: 수신기나 증폭기 등의 입력 다이내믹 레인지를 고려하여, 감쇠기를 사용해 신호 레벨을 적절하게 낮춘다. 또한 회로 내에서 전압을 낮추거나 전력을 소산시키는 데 사용되기도 한다.

; 측정

: 신호 레벨을 측정할 때, 알려진 양만큼 신호의 진폭을 낮추어 측정을 가능하게 하거나 측정 장치를 과도한 신호 레벨로부터 보호한다. 고정밀 감쇠 상수(dB)를 가진 감쇠기와 적절한 종단 저항, 검파기를 조합하면 능동 소자를 이용한 측정기보다 더 정밀한 측정이 가능하다.

; 임피던스 정합

: 서로 다른 임피던스를 가진 회로를 연결할 때, 감쇠기를 사용하여 임피던스를 정합시킨다. 특히 비대칭 감쇠기 회로를 통해 임피던스 변환이 가능하며, 이는 변압기에 비해 넓은 대역폭에서 주파수 특성의 평탄성이 우수하다는 장점이 있다. 또한 겉보기 정재파 비(SWR)를 낮추어 임피던스를 '정합'하는 데에도 사용된다.

; 반사파 저감 (회로 보호)

: 일정 수준 이상의 감쇠율을 가진 감쇠기는 출력 단자가 개방되거나 단락되는 사고가 발생했을 때 반사파의 진폭을 줄여 회로를 보호하는 역할을 한다.

; 평형・불평형 변환

: 불평형 회로 형태의 감쇠기를 사용하여 넓은 주파수 대역폭에 걸쳐 평형 회로와 불평형 회로 간의 신호 변환을 수행할 수 있다.

7. 구성 요소 값 계산

이 섹션에서는 저항만으로 구성되고 각 포트가 순수한 저항으로 종단되는 파이(π)형 패드, T형 패드, L형 패드 감쇠기에 대해 설명한다. 계산의 편의를 위해 다음과 같은 가정을 사용한다.

모든 임피던스, 전류, 전압, 2-포트 매개변수는 순수한 실수 값으로 간주한다. 실제 응용에서는 이 가정이 대부분 충분히 정확하다.
감쇠기 패드는 특정 부하 임피던스 Z_Load와 특정 소스 임피던스 Z_s에 맞게 설계된다.
출력 포트가 Z_Load로 종단되었을 때, 입력 포트에서 바라본 임피던스는 Z_S가 된다.
입력 포트가 Z_S로 종단되었을 때, 출력 포트에서 바라본 임피던스는 Z_Load가 된다.

일반적인 2-포트 회로. 모든 T-패드, 모든 파이-패드, 그리고 소스 임피던스가 부하 임피던스보다 크거나 같은 경우의 L-패드에 사용된다.

L-패드 계산 시, 포트 1의 임피던스가 가장 높다고 가정한다. 만약 가장 높은 임피던스가 출력 포트(오른쪽)에 있다면 이 그림을 사용한다.

T-패드, 파이-패드, L-패드의 저항기 지정 예시. 혼동을 줄이기 위해 각 저항기에 고유한 명칭을 부여한다.

감쇠기 2-포트 네트워크는 일반적으로 양방향으로 작동하지만, 여기서는 설명을 위해 단방향으로 취급한다. 대부분의 경우 왼쪽 그림(소스가 왼쪽에 있는 경우)이 적용되지만, L-패드에서 부하 임피던스가 소스 임피던스보다 큰 경우에는 오른쪽 그림을 사용한다.

혼동을 줄이기 위해, 논의된 각 패드 유형의 저항기에는 고유한 명칭을 부여한다.

각 감쇠기 유형의 저항 값은 다음과 같이 계산할 수 있다. (손실(Loss)은 데시벨(dB) 단위)
T-패드 저항 값 계산^[4]

A = 10^{-\mathrm{Loss}/20}

R_a = R_b = Z_S \frac {1 - A} {1 + A}

R_c = \frac {Z_s^2 - R_b^2 } {2 R_b }

파이(π)-패드 저항 값 계산^[4]

A = 10^{-\mathrm{Loss}/20}

R_x = R_y = Z_S \frac {1 + A} {1 - A}

R_z = \frac {2R_x}{\left ( \frac {R_x}{Z_S} \right ) ^2 -1}

L-패드 저항 값 계산소스와 부하 임피던스가 모두 저항성일 때(즉, Z₁과 Z₂의 허수부가 0이거나 매우 작을 때), 저항성 L-패드를 사용하여 임피던스 정합을 할 수 있다. L-패드의 어느 쪽이든 소스 또는 부하가 될 수 있지만, Z₁ 쪽은 임피던스가 더 높은 쪽이어야 한다.

R_q = \frac {Z_m} {\sqrt{\rho - 1}}

R_p = Z_m \sqrt {\rho - 1}

\text{Loss} = 20 \log_{10} \left(\sqrt{\rho - 1} + \sqrt{\rho }\right) \quad \text{여기서} \quad\rho = \frac {Z_1}{Z_2} \quad \text{이고} \quadZ_m = \sqrt{ Z_1 Z_2}

손실(Loss) 값이 클수록 감쇠량이 크다는 것을 의미한다. 손실은 임피던스 비율(ρ)의 단조 함수이며, 비율이 높을수록 필요한 손실도 커진다.
Y-Δ 변환 (T형 → 파이형)^[5]

T형 저항(R_a, R_b, R_c)을 등가 파이형 저항(R_x, R_y, R_z)으로 변환하는 공식은 다음과 같다.

\begin{align}R_z &= \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c} {R_c} \\R_x &= \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c} {R_b} \\R_y &= \frac {R_a R_b + R_a R_c + R_b R_c} {R_a}\end{align}

Δ-Y 변환 (파이형 → T형)^[5]

파이형 저항(R_x, R_y, R_z)을 등가 T형 저항(R_a, R_b, R_c)으로 변환하는 공식은 다음과 같다.

\begin{align}R_c &= \frac {R_x R_y} {R_x + R_y + R_z} \\R_a &= \frac {R_z R_x} {R_x + R_y + R_z} \\R_b &= \frac {R_z R_y} {R_x + R_y + R_z}\end{align}

참조

_[1] 서적 NAB Engineering Handbook, Table 9-3 Resistive Pads https://www.american[...] National Association of Broadcasters
_[2] 웹사이트 Attenuators, Fixed {{!}} Keysight (formerly Agilent's Electronic Measurement) https://www.keysight[...] 2018-08-31
_[3] 웹사이트 About RF attenuators http://www.herley.co[...]
_[4] 간행물
_[5] 간행물
_[6] 웹사이트 "オリックス・レンテック {{!}} アッテネータとその使い方 - 計測器・測定器玉手箱 {{!}} ORIX Rentec Corporation" https://www.orixrent[...] 2021-08-12
_[7] 웹사이트 アッテネータ (減衰器) 取扱商品｜丸文 https://www.marubun.[...] 2021-08-12
_[8] 웹사이트 Attenuator Overview - a brief review of key specifications for fixed and step attenuators. Agilent. http://www.home.agil[...]
_[9] 웹사이트 About RF attenuators http://www.herley.co[...]

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