동축케이블(coaxial cable)

정의상 가정	잡음 (noise) 자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙
내용상 가정	전류는 도체에 균일하게 분포한다.
공식	BNC, F타입
단위
응용	삼축 케이블 triaxial cable

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동축케이블은 각종 측정기기와 각종 안테나 등 전기적으로 신호를 주고받는데 주로 쓰이는 케이블입니다.

전선 외부 노이즈의 간섭을 적게 받고, 신호 손실도 적기 때문에 이를 사용하게 되는데, 엄청나게 특이하거나 새로운 물리를 도입해서 제작되는 것은 아닌 단순한 전선이라고 봐도 무방합니다.

일상생활에서 많이 보셨을것 같은 위 그림과 같이 생긴 동축케이블은 (왼쪽이 BNC, 오른쪽이 F타입) 사실 아래와 같이 긴 내부 도선에 절연체가 둘러쌓여있고 꼬여있는 도선으로 또 감싸져있습니다.

그렇다면 이러한 구조가 어떻게 신호의 손실을 최소화하고, 외부 노이즈의 영향을 적게 받는지 알아보겠습니다.

먼저 짚고 넘어가야 할 사항으로 이 도선의 중간부분은 어떤 신호가 전달되는 도선이고, 외부에 둘러쌓여있는 부분은 Ground입니다.

이 외부에 둘러쌓인 Ground는 말 그래도 ground이므로 케이블을 연결했을때 외부에 접하는 도체와 모두 연결됩니다. 다시말해 어떤 시스템에 어떤 부분으로는 5V를 가하고 어떤부분은 Ground로 잡고싶다면, 일딴 5V를 가하는 부분에 케이블 중간 가장 작은 노란색을 연결하고 Ground로 연결하고 싶은 부분은 아래 그림처럼 케이블이 연결된 곳 도체 어딘가에 만 연결하면 됩니다. 

이제 전류를 흘려보겠습니다. 신호가 들어가고 그라운드로 흘러나올 것이므로 아래 그림처럼 전류가 흐를 것입니다.

도선에서 어떤 경우 신호 손실이 있고 외부 노이즈에 영향을 받게 될까요?

가장 쉽게 생각할 수 있는 것은 누설전류가 있거나 외부에서 전류가 유입이 된다면 이런 노이즈가 발생할 것입니다.

그러나 이러한 문제는 피복이 벗겨지지 않는 이상 없다고 봐도 무방합니다.

그렇다면 바로 무엇 때문에 전류가 새나가지 않는데, 신호에 왜곡이 발생할까요?

바로 자기장입니다.

전류가 있다면 자기장이 항상 따라오므로(자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙) 이들이 외부에서 자기장이 유입되어 새로운 전류가 생기거나, 이들로 인해 발생한 자기장이 외부와 상호작용하여 신호가 왜곡될 수 있습니다.

이것은 절연과는 또 다른 문제 입니다. 절연과 관계없이 자기장은 나가기 때문이죠. 따라서 어떻게든 신호를 발생시키는 곳에서 외부로 유출되는 자기장을 없애야합니다.

없앨수 있는 아이디어가 있나요?

바로 신호가 흐르는 line이 직접 자기장을 상쇄시키는 것입니다.

동축케이블의 도선의 경우 선전류에서 나오는 자기장으로 생각 할 수 있으므로 자기장이 존재하는 위치의 반지름을 ρ라 한다면

입니다. 중앙의 작은 도체의 반지름을 a라 하고, 절연체의 반지름을 b, 외각 도체의 반지름까지를 c라 한다면,

a보다 작은 영역에서 자기장은 ( ρ<a )

로 linear하게 증가합니다.

a보다 크고 b보다 작은영역에서는 ( a<ρ<b )

가 되며, b<ρ<c에서는 외부도체의 영향도 있으므로

입니다. 마지막 c보다 큰 영역에서는

으로 c외부로 유출되는 자기장은 없습니다. 즉 다음 그래프와 같은 분포를 띄게 되는데 이로인해 자기장으로 인한 신호손실이 없다는 것입니다.

따라서 단선에 비해 신호손실이 없다는 것은 알수 있겠으나 항상 이 선으로 쓰는 또 다른 이유가 있습니다.

바로 DC가 아닌 AC에서 그 위력을 발휘하기 때문입니다.

이 이유를 알기 위해서는 전류가 고르게 흐르고 있는 내부 도선 자체의 인덕턱스를 먼저 알아야 합니다.

만약 고주파의 신호를 보내는 경우 전송선로의 임피던스가 정말 중요합니다.

이때 특성 임피던스는 50 Ohm으로 약속했는데, 이는 Power transfer가 30 Ohm일떄 가장 좋고 신호의 손실이 77 Ohm일떄 가장 좋은것을 감안하여 이 둘의 산술평균 53.5 Ohm과 기하평균 48 Ohm의 중간의 가장 간단한 50 Ohm을 차용한 것입니다.

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!