안테나의 원리

소개

안테나의 원리와 빔패턴, 무선통신원리 간략하게 정의하여 표현했습니다. 기본이라서 대학생이나 관련직장이 자주 잊고 살아가는 부문이지만 쉽게 이해가 될 것입니다.

목차

ㅁ 안테나란
- 안테나의 S파라미터
ㅁ 안테나 무선통신의 원리
- STEP1 신호란?
- STEP2 쌍대성
- STEP3 안테나의 빔
- STEP4 무선통신의 원리
ㅁ 빔 패턴: 복사패턴

본문내용

안테나의 S파라미터
아래 그림에서 왼쪽은 Microstrip으로 구현된 Stepped impedance filter (LPF 형태)의 예입니다. 입력포트에 들어간 신호들은 이 구조를 지나면서 출력포트에서 특정 주파수만 걸러진 형태로 나오게 됩니다.

반면 오른쪽 그림은 왼쪽과 똑같은데, 출력포트가 없는 Microstrip pattern입니다. 많이들 아시겠지만, 이것은 소위 patch antenna라 불리우는 유명한 안테나 형상입니다. 이 두 그림은 매우 비슷하지만, 전혀 다른 특성을 가져버린다는게 신기하죠??
이 그림은 안테나의 원리를 규명하는 그림이기도 합니다. 안테나는 한마디로 끊어진 선로입니다. 더 이상 전기신호가 진행할 수가 없는 상태이므로, 일반적인 선로가 그렇게 된다면 open(개방)된 회로처럼 신호가 더 이상 갈 곳이 없어서 전반사해서 돌아오겠지요. 하지만 안테나는 그 끝단을 특정 주파수에서 공진하게 함으로써, 신호가 되돌아가지 않고 어떤 전자기장 형태의 에너지가 형성되어 외부로 뻗쳐나가도록 해줍니다.
그렇기 때문에 안테나는 기본적으로 포트가 입력포트하나뿐인 1 port device입니다. 그래서 안테나에서는 입력 반사계수를 의미하는 S11값만 보이며, 아래와 같은 공진 그래프 형태를 가지게 됩니다.

즉 원하는 주파수에서 S11이 더 밑으로 깊게 파일수록 안테나의 복사효율이 높고 매칭도 잘 되었다는 의미이며, 이 푹 파인 계곡이 넓을수록 안테나가 다룰 수 있는 주파수의 대역폭이 넓다는 의미가 됩니다.




안테나에서 적당히 떨어진 거리의 far-field 영역에서는 이런 빔패턴이 일정한 형상을 유지하게 됩니다. 그런데 우리는 안테나를 쓸 때 어떤 빔패턴이 유리할까요? 굳이 사방으로 고루 나가는 isotropic antenna가 필요하지 않습니다. 위(하늘), 아래(땅)로는 별로 중요하지 않고, 지면을 따라 옆으로만 좍~ 퍼져서 잘 나가면 좋겠죠? 이렇게 수평방향으로만 고루 사방으로 퍼지는 빔 패턴을 소위 omni-directional 하다고 합니다. 아래에는 대표적인 omni-directional 빔 패턴을 가지는 dipole antenna의 빔패턴을 예시한 그림입니다.
omni란 접두어는 `동일한`이라는 의미로써, 모든 방향으로 동일하게 나간다는 의미입니다. 언뜻 보면 isotropic과 헷갈릴 수 있지만, isotropic은 위,아래,옆, 온 사방으로 균일하게 구(sphere)의 형태로 전자파가 퍼져나가는 안테나를 말하며, omni-directional은 그 중 위아래가 아닌 옆로만 고루 퍼지는 안테나 특성을 말합니다. 소위 말하는 도나쓰 패턴입니다. 이러한 패턴은 평면에 가까운 지면상에서 사용할 때, 가장 효율적이고 빔패턴이라 할 수 있습니다.
반면 지상과 인공위성간의

참고자료

· 없음