아는게 힘이다! / 안테나의 과학

오늘 포스팅했던 무선공유 증폭 안테나에 대해서 조금 더 공부해보련다.

출처: http://myung.inje.ac.kr/Lecture/%EC%95%88%ED%85%8C%EB%82%98%EA%B3%B5%ED%95%99/Antena_p.html

1. 전파와 전류의 관계는?  전파의 sources는 전류다. 전류의 파동이 복사해 나간다. 전하파동이 전류다. 2. 파동을 나타내는 기본 물리량은? 파동은 모든 에너지 또는 정보가 전달되는 형태를 말한다. 모든 파동은 아래의 wave equation을 만족한다.    3. 음파에 관한 송신용 및 수신용 안테나는 무엇인가?  송신용 안테나는 스피커, 수신용 안테나는 마이크로폰이다. 4. 구면파와 평면파를 비교설명하라.    spherical wave 음파는 파원인 구를 중심으로 하여 균일하게 퍼져 나가는 파동이며, 공기의 조밀층은 구면 모양으로 되어 있기에 구면파라고 불린다. 구면파는 하나하나의 파원으로부터 온 방향으로 균일하게 퍼지는 파동이고 가장 단순한 파동이다. 파동의 형상이 구면이며 대칭형이기 때문에, 구의 중심에서 발생한 음파의 에너지는 사방으로 균일하게 퍼져 나간다. 그리고 진폭이 반지름 r에 반비례하여 작아지면서 균일하게 퍼져 나가는 파동이다.  plane wave  파원이 무한히 먼 곳에 있을 때에 생기는 파동인데, 조밀층이 평행인 평면으로 되는 경우의 파동을 평면파라고 한다. 파원으로부터 어느 정도 떨어진 곳에서 그 근처의 좁은 범위의 파동을 생각할 때는 대체로 평면파로 볼 수 있다. 평면파의 특징은 파동의 각 부분이 같은 방 향으로 진행하는 데 있다. 이것은 파동이 직진한다는 것을 의미하고 있다. 5. 호이겐스 원리는 무엇인가?  평면파가 그림의 왼쪽에서부터 A점까지 진행하였을 때, A점으로부터 오른쪽의 파동은 AA 위의 각 점을 파원으로 하는 구면파의 합으로서 나타내어진다고 하는 것이 호이겐스의 원리이다. 이들의 점을 중심으로 하여 구면파가 퍼져 나가 파동이 세어지는 곳을 동심원의 원호 로서 나타내고 있다. ∴ 파동이 자연으로 전파하는 현상을 다시금 AA위에 있는 파원으로서 설명할 수 있다고 하는 것이 호이겐스의 원리이다. 6. 지향성이란 무엇인가? 점파원과 다이폴의 지향성은?  지향성이란 원하는 방향으로 전자기파를 보낼 수 있는 정도를 말한다. 어떤 파원이 공간으로 파동을 복사할 때, 각도에 대한 복사의 세기를 나타낸 아래의 그림을 지향성이라 하는데, 안테나의 특성을 나타내는 중요한 그래프이다. ① 점파원의 지향성  각도 θ가 0°인 평면파가 진행하는 오른쪽 방향이 가장 세고, θ가 180°의 역방향으로의 복사는 제로가 되는 것을 나타내고 있다. ② 다이폴의 지향성  안테나를 옆에서 보았을 때에 안테나로부터 나가는 전파의 세기를 나타내고 있다. 이 안테나를 위에서부터 보면 안테나 자체는 점으로 되지만, 이때의 전파는 수평면 내의 모든 방향으로 균일하게 복사되기 때문에, 수평면내의 지향성은 각 다이폴이 모두 같은 원이 된다. 7. "공간을 통해 전류가 흐른다" 말은 무슨 뜻인가? 공간으로 전류가 흐르는 것이 안테나에서부터 전파가 복사한다는 말이다. 전파가 복사되는 것은, 첫째로 두 개의 도체 사이의 공간에 전류가 흐른다는 것이며, 둘째로는 그 전류가 외부로 새어 버리기 때문이라고 할 수 있다. 따라서 안테나로부터 전파가 복사되는 근본은 공간에 전류가 흐른다는 것이다. 8. 도선속의 전자는 광속으로 움직이나? 아니면 어떻게? 무엇이 광속으로 움직이나?  전파(전하, 전류 파동이)는 공간을 광속으로 진행하는데 아래의 그림 파형도 광속으로 오른쪽 방향으로 진행한다. 광속으로 진행하는 것은 송전선의 파장을 측정하여, 미리 알고 있는 주파수와 파장을 곱한 값이 광속으로 되어 있는 것으로부터 확인된다.   < 이론적 근거 >  질량을 갖는 것이 광속으로 접근하면, 질량은 무한히 증가한다는 것이 상대성 원리이다. 따라서 질량을 갖는 전자가 광속으로 움직인다는 것은 불가능하다. 전자가 움직인다는 것이 아니라 진동할 뿐이고 전자파동이 광속으로 진행한다. 9. 송전선으로부터 전자기파는 복사될 수 있나?  두 가닥의 도체선의 간격이 제로가 되면 전파는 완전히 복사되지 않게 된다. 이 경우는 서로 반대 방향으로 흐르는 전류 자체가 상쇄하기 때문에, 결과적으로는 전류가 흐르지 않는 한 가닥의 도체막대가 있을 뿐이고 전파가 복사되지 않는 것은 당연하다. 10. 안테나의 이득이란 무엇인가?  목적하는 방향으로 얼마만큼 전파를 집중하여 복사하였는가를 나타내는 것이 "이득"이다. 이 구의 반지름을 P라 하고, P의 의미를 먼 곳의 통신점까지의 거리R을 반지름으로 하는 구면 위의 단위면적을 통과하는 전력이라고 하자. 안테나가 복사하는 전체전력은 이 P와 반지름 R인 구의 표면적을 곱한 값이며,                   가상적인 안테나이지만, 절반인 방향, 즉 그림의 오른쪽에만 균일하게 전파를 복사하는 안테나를 생각하여 보자. 전파는 절반인 방향밖에 복사되지 않으므로 지향성이 반구가 되는 것은 이해할 수 있다. 반지름이 그림 60배의 2배인 2P가 되는 것은, 전파가 왼쪽의 절반 방향으로 복사되지 않는 몫만큼, 오른쪽에 겹쳐서 복사되기 때문이다.  그림61의 경우, 반지름R인 먼 곳의 구면위에서 전파가 통과하는 면도 반구이며, 전체 표면적의 1/2이 되고, 이 면적과 단위면적을 통과하는 전력 2P를 곱한 값인 전체 복사전력은, 앞의 무지향성 안테나와 같아지는 것을 알 수 있다.그림61의 안테나는 Z축 위의 거리 R만큼 떨어진 수신점에는 그림61의 경우는 2배의 전력이 보내어져온다. 즉, 모든 방향으로 균일하게 전력을 복사했을 때에 보내어져 오는 전력의 배수를 나타내는 것이 이득이다. 지향성이 그림62와 같은 안테나를 생각하여 보자. 60도의 방향까지는 균일한 전파를 복사하고, 60도를 넘어서면 복사하지 않게 되는 안테나이다. 이 지향성을 연장시키면 수신점을 포함하는 반지름 R인 구의 전체 표면적 중 3분의 1의 면적만을 전파가 통과하는 것을 알 수 있다. 무지향성 안테나와 같은 전력을 복사할 경우에 는, 이 안테나의 전력 지향성의 반지름 3P로 하면 된다. 3배의 전력이 보내어져 오므로, 이 안테나의 이득은 3이 된다. 복사하는 방향이 제한되면 그 만큼 복사하는 방향으로의 전력이 커진다고 하는 당연한 일을 나타내고 있다.이득을 간단하게 나타내는 것이 dB이다.                        안테나의 이득과 빔폭의 관계가 아래의 그림에 나와 있다. 빔폭이 좁을수록 이득이 커지고 서로 반비례의 관계가 있다. 11. 파라볼라 안테나는 어디서 왔나? 또 어떤 파장의 전파를 사용해야하나? 파라볼라 안테나의 원리는 반사망원경이다. 반사망원경    거울면에 수직으로 입사하는 평행광선은 거울면에서 반사의 법칙을 만족하고, 또 같은 거리를 진행하여 초점에 집합한다는 것이 원리이다.파라볼라 안테나에서 전파를 잘 잡으려면 지름이 10배 파장 정도의 길이어야 한다. 따라서 d = 10λ이다.   [ex] λ= 3m 이면 직경은 30m 정도의 것으로 제작해야 하기에 짧은 파장(micro)에     써야한다.   파라볼라 안테나에는 혼(horn) 안테나가 사용되는데 이 안테나는 반사경의 초점에 전파를 복사하는데 메가폰과 비슷한 성질을 지니며 구조도 비슷하다.위 그림의 왼쪽 파라볼라 안테나에서부터 나가는 전파의 일부는 초점에 있는 혼 안테난에 차단되는데, 이것을 무시하면 그림의 오른쪽과 같아지는 것은 쉽게 상상할 수 있다. 파라볼라 안테나가 '개구면 안테나'라고 불리는 이유가 여기에 있다. 12. 개구면 안테나의 지향성은? 그리고 빔폭과 이득과의 관계는?  안테나의 이득은 지향성의 빔폭에 의해 결정되고, 빔폭은 안테나의 크기에 따라 결정된다.안테나가 복사하는 전파의 전력은 개구를 통과하는 전파의 진폭의 제곱과 개구의 면적을곱한 값에 비례한다. 개구 위의 전파의 진폭차가 적을수록 이득이 커지고, 같은 진폭인 때에  이득이 최대가 되는 성질을 가지고 있다. 13. 카세그레인 안테나에서 이득을 크게하는 방법은?     카세그레인 안테나는 혼 안테나와 카세그레인식 망원경을 조합한 것이다. 카세그레인 안테나에서는 반사경이 두 장이 있기 때문에 주반사경을 회전포물선에서부터 변형을 하더라도 이들의 조건을 만족시키는 가능성이 있다. 부반사경을 부풀였을 때는 그 몫만큼 주반사경을 안으로 들어가게 하여 초점에서부터 점선까지의 광선의 길이를 일정하게 할 수 있기 때문이다.   주반사경의 표면 형상을 변형한 예가 윗그림(3)이다. 주반사경에서 반사된 평행 광선의 밀도를 균일하게 함으로써, 부반사경을 근소하게 부풀여서 혼 안테나로부터 나간 광선을 되도록 주반사경의 끝쪽으로 진행하게 하고 있다. 이 결과 혼 안테나로부터 나간 광선의 조도분포에는 테이퍼가 달려 있어도, 주반사경에서 반사된 평행광선은 균일한 조도분포로 되어 이득을 크게 할 수가 있다.   14. 야기우다 안테나의 원리는?  그림의 오른쪽은 반사기  뒤쪽에 또 한 가닥의 도체선을 두어도, 반사기의 뒤쪽은 전파가 약하기 때문에 그 효과가 적을 것이다. 그림의 왼쪽은 도파기 앞에 또 한 가닥의 도파기를 두면, 그 위치는 전파가 강하기 때문에 그 효과가 크고, 나아가 전파를 앞방향으로 유도하는 작용이 있다고 생각할 수 있다. 따라서 반파장 다이폴 안테나 앞에 배열하는 도파기으 수를 많게 하면 그만큼 이득이 커질것이라고 예상된다. 야기우다 안테나의 특징은 반사기나 도파기로서 보통의 도체봉을 두는 것만으로써, 이들에 급전을 하지 않아도 된다는 점이다. 이것은 반파장 다이폴과 반사기나 도파기의 간격이 작아서 도체봉에 전류가 흐르는 것이다. 15. TV화면의 ghost 원인은? 레이다는 어떻게 ghost를 이용하나?  텔레비젼 화면에 나타나는 ghost의 원인은 아래의 그림에서 보듯이 송신안테나로부터 수신안테나까지 직접 오는 파동과, 빌딩에서 반사되어 도달하는 파동이 있는데, 빌딩으로부터의 반사파쪽이 전파거리가 크기 때문에, 수신안테나까지의 도달시간에 차이가 생긴다. 이를테면 반사파의 경로가 직접 파의 경로보다 300m 길다고 하면 전파의 속도는 초속 30만 km이기에 직접파와 반사파의 도달시간에는 1㎲의 차가 생긴다. 수신안테나에 1㎲만큼 늦게 들어오는 전파의 상은, 5㎜를 떨어진 고스트로서 나타나게 되는 것이다. 레이다(Radio Detecting And Ranging)는 안테나에서부터 가느다란 빔의 전파를 아주 짧은 시간의 펄스로 복사하여, 비행기등으로부터의 반사파의 시간의 지연으로부터 반사물의 방향과 위치를 알아낸다.      그림에서와 같이 안테나를 회전했을 때에, 비행기로 부터의 반사파를 브라운관 위에 안테나의 회전각도를 가로축으로 하여 보인 것이 원 안의 그림이다. 안테나의 주빔이 비행기의 방향을 향했을  때에 반사파가 가장 세기 때문에, 브라운관 위에는 커다란 점이 나타나고 사이드 로우브가 있으면 그림과 같이 브라운관 위에 ghost가 나타난다. 그래서 레이다 안테나에서는 사이드 로우브를 작게 하는 것이 설계상 의 중요한 과제이다 16. 하이테크시대의 안테나 종류는? ① 전자주사 안테나 (혹은 Phased array)  종래의 개구면 안테나에 비하면 안테나가 고정되어 있기 때문에, 원리적으로는 얼마든지 크게 할 수 가 있다. 또 각 소자안테나가 담당하는 전력은 작아도 되고 송신전력은 얼마든지 크게 할 가능성을 지니고 있다.그림에서 이상기 (Phased shift):거기를 통과하는 전류나 전압의 위상을 전자적으로 고속으로 바꾸는 기능을 갖고 있다. ② 멀티 빔 안테나 어느 범위 안에 있는 복수개의 위성을 통합하여 한 개의 안테나로써 담당하는 것이 멀티 빔 안테나이다. 복사되는 복수 개의 빔은 각각 독립되어 있는 전파이며, 각각의 빔으로 각각의 빔으로 각각 별개의 정보를 통신할 수 있는 것이 멀티 빔 안테나의 특징이고 또 하나는 주 파수를 효과적으로 이용할 수 있다는 점이다.   ③ 소형 안테나 휴대전화기 등의 소형 안테나에서 역F안테나를 변형한 것이 사용되고 있다. 무선 통신에서는 안테나는 넓은 주파수범위에서 양호하게 동작할 수 있는 주파수 대역폭이 넓은 안테나를 광대역 안테나라고 한다. ④ 오프셋 파라볼라 안테나 일본에서 시판되고 있는 위성방송의 수신안테나로 파라볼라 안테나의 일부를 사용하고 있지만, 초점이 안테나 정면의 중심에서 벗어나 있다. ⑤ 레디얼라인 슬로트 안테나 그림은 안테나를 전반으로 절단한 약도로서 중심에서 동축선로로 급전하고 있다.위의 도체판에 구멍을 뚫어서, 그 구멍을 통하여 외부로 전파를 복사하게 하는 안테나로 ㅅ자형의 슬로트에서 복사된다. 각 슬로트로부터 나가는 전파가 안테나의 정면방향에서 같은 위상으로  가여지도록 슬로트를 나선모양으로 열어두고 있는 것이 특징이다. 유전체의 기판을 사용하지 않기 때문에 손실이 적고 효율이 좋은 평면안테나가 된다. 17. 개구면 안테나 종류에는? ① 파라볼라 안테나 반사망원경의 원리로 텔레비젼이나 전화를 중계하는 마이크로파 무선회로나 위성통신등의 대용량 무선통신의 중추적인 역할을 한다.   ② 카세그레인 안테나 카세그레인식 망원경의 원리로 위성통신의 지상국의 대형 안테나등에 널리 이용되고 있다. ③ 혼 안테나 소리를 어느 방향으로만 전달할 때에 사용하는 메가폰과 비슷한 성질을 가지며 구조도 비슷하다. ④ 혼 리플렉터 안테나 혼 안테나와 파라볼라 반사경의 일부를 조합한 안테나. NTT의 마이크로파 무선회선 등에 사용되고 있다. ⑤ 코너 리플렉터 안테나 반파장 다이폴 안테나와 모서리가 달린 반사판을 조합한 안테나. UHF대 등 파장이 길기 때문에 파라볼라반사경을 이용할 수 없는 주파수대에서 사용된다.                     18. 선형 안테나 종류에는? ① 반파장 다이폴 안테나 길이가 반파장인 도체선의 중앙을 송전선에 접속한 것이 반파장 다이폴 안테나이다. ② 1/4파장 모노폴 안테나 다이폴의 절반으로 파장이 1/4이 되는 것을 1/4파장 모노폴 안테나이다. ③ 루프 안테나 반파장 다이폴 안테나 다음으로 기본이 되는 안테나이다. ④ 룸빅 안테나 도체선을 지면과 평행하거나 마름모꼴로 친 안테나로, 단파통신용으로서 대표적인 안테나이다. ⑤ 카드 안테나 루프 안테나와 거의 같은 성질을 갖지만, 절연체막대로 도체선을 지탱하는등 만들기 쉬운 구조이다. ⑥ 헤리컬 안테나 나선모양의 안테나로 원편파를 복사하는 대표적인 안테나이다.     19. 어레이 안테나 종류에는? ① 야기우다 안테나 짧은 도체선은 반파장 다이폴 안테나가 발생시킨 전파를 유도하는 작용이 있기 때문에, 야기 교수에 의해「도파기」라고 명명되었고, 긴 도체선은 「반사기」라고 불린다. ② 페이즈드 어레이 안테나 어레이 안테나 소자의 위상을 바꾸어 주사하기에 phased array라 한다. 개구면 안테나에 비해 송신전력을 크게 할 수 있다. ③ 쌍루프 안테나 루프 안테나를 소자로 하여 2단으로 겹친 쌍루프 안테나이다. 그림은 쌍루프를 2단으로 겹쳐 있다. UHF텔레비젼의 송신안테나로서 널리 사용되고 있다. ④ 방향탐지 안테나 다이폴 안테나를 소자로 하여 원형으로 배열한 원형 어레이 안테나. 각 다이폴이 수신하는 전파의 위상으로부터 전파의 도래방향을 탐지하는 방향탐지용 안테나이다. ⑤ 수퍼 턴 스타일 안테나 부채꼴의 안테나를 십자형으로 하여 소자 안테나로 하고 이것을 세로 방향으로 배열한 어레이 안테나. 텔레비젼 방송용의 대표적인  안테나로서 텔레비젼탑에서 흔히 볼 수 있다. 상품명인 수퍼 턴 스타일이 일반적으로 사용 되게 되었다.