안테나의 전파 방사 원리&임피던스 매칭의 50 사용이유과 목 : 무선 통신담당교수 : 오창헌 교수님학 과 : 정보통신 공학과학 번 : 2001160112이 름 : 안 소 현1.안테나(1)안테나의 정의안테나는 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 주거나 그 반대의 기능을 수행하는 장치를 의 미한다. 송신의 경우에는 송신기에서 보내고 싶은 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 멀리 까지 보내게 된다. 또한 멀리서 송신된 전파를 수신하면 그 전파를 전기적인 신호로 바 꾸어 수신기에 전달하여 주기도 한다.(2)전파의 성질전파는 공간을 전해가는 파동이다. 따라서 파장과 주파수를 갖게 된다. 파장을 , 주파 수를 f , 전파가 공간을 전해가는 속도를 c 라고 하면 다음 관계가 성립한다.(m) = c (m/sec) / f (Hz)(3)안테나의 특성-임피던스 : 임피던스는전류가 흐르기 어려움을 나타내는 양이다. RIG와 동축 케이블, 그리고 안테나 모두 각각의 임피던스 값을 가지고 있다. 이 세 임피던스 값이 일치할 때에 가장 효과적으로 전파가 전해지게 된다. 보통 RIG와 동축 케이블의 임피던스는 50 으로 고정되어서 생산된다. 그러나 안테나의 임피던스는 50 이 아닌 경우가 많다. 그러므로 안테나의 임피던스가 50 에 가깝도록 조정을 해 주어야 하며 이러한 조정을 MATCHING이라고 한다. SWR은 바로 이 임피던스가 일치한 정도를 나타내는 값이다. SWR은 1 이상의 값을 가지며 SWR이 1에 가까우면 더욱 효과적으로 전파를 보낼 수 있고 RIG의 손상이 적어진다.-이득 : 이득은 안테나의 성능을 의미하는 것이다. 안테나에 일정한 출력이 보내져도 안테나의 성능에 따라 더 높은 출력의 전파를 보낸 것과 같은 효과가 발생하게 된다. 이러한 효과를 나타내는 것을 이득이라고 한다. 단위는 dB이다. 이득이 높은 안테나를 사용하면 작은 출력으로도 멀리 있는 무선국과 효과적인 교신을 할 수 있다.-지향성 : 안테나가 특정한 방향으로 전파를 더 많이 보내는 성질을 지향성이라고 한 다. 지향성이 있는 안테나를 지향성 안테나라고 하며, 지향성이 없이 모든 방향으로 동 일하게 전파를 보내는 안테나를 무지향성 안테나라고 한다.안테나는 전파를 입체적으로 보내지만 입체적인 지향성은 생각하기 어려우므로 우리는 편의상 수평면에서의 지향성과 수직면에서의 지향성을 생각한다. 안테나의 용도에 따라 지향성이 있는 안테나를 사용하거나 지향성이 없는 안테나를 사용한다.지향성 안테나를 사용하는 가장 대표적인 예는 전파의 발신지를 탐지하는 일이다. 목 적하는 방향으로 전파를 더 많이 보내도록 하기 위해 지향성 안테나는 방향을 바꾸어줄 필요가 있다.수평 방향을 바꾸어주는 장치를 로테이터(ROTATOR), 수직 방향을 바꾸어주는 장치를 엘리베이터(ELEVATOR)라고 한다.2. 전파와 전류-공간으로 전류가 흐르는 것이 안테나에서부터 전파가 복사되는 요점이다.전하를 갖는 전자가 움직이는 것이 전류의 원인이 된다는 사실은 잘 알려져 있는데, 송 전선이나 안테나에 흐르는 전류를 미세 하게 분해하여 가면 플러스 마이너스의 전하 쌍 인『다이폴(dipole)』이라 불리는 것이 된다. 이 다이폴이 전파의 파원에 해당 한다.3. 안테나의 전파 방사 원리기본적으로 교류전류가 흐르는 도선 주위에는 많건 적건 전자기파의 방사가 발생한다. 이러한 현상은 주파수가 올라갈수록 심해지며, 도선이 중간에 꺾이거나 단절된 부위에서 는 전자기파의 방출이 더욱 심해진다. 이것은 단순히 생각하면 물리적 관성으로 이해할 수도 있는데, 전자기파 성분은 어떤 식으로든 불연속한 지점에서 방출량이 늘어난다. 만 약 도선의 끝이 아예 끊어져 있다면? 아마도 단면에서의 전자기파의 에너지는 반사와 방 사를 거듭하며 불안정해 질 것이다. 이러한 도선의 단면부를 전자기파 방사가 잘되도록 효율적으로 만든다면 그것이 바로 안테나가 된다. 방출된 전자기파 신호는 원래의 교류신 호가 가진 파형과 위상을 그대로 가져감으로서 공기중을 통해 정보를 주고 받을 수 있게 되는 것이다.(1)멀리 떨어진 두 개의 시스템에서 동시에 똑같은 주파수의 전자기파를 방출하고 있다 고 가정하였다. 현재 두 시스템은 둘다 깨끗한 sine파의 파동, 즉 정보가 없는 그냥 주파수신호를 전자기파 형태로 내보내고 있는 중이다. 그리고 이 두시스템의 전자기파 에너지는 동일한 물리적 공간에서 동일한 주파수의 전자기장을 함께 형성하고 있다.(2)그중 A 시스템에서 '안녕'이라는 의미를 담도록 변조된 파형의 신호를 내보내기 시작 했다. 즉 어딘가에 이 신호정보를 보내기 위해 '송신'을 시작하려는 중인 것이다.(3)이렇게 변조된 신호에 의해 왜곡된 형태로 복사된 시스템 A의 전자기파 신호는, 자신 의 안테나 빔 영역내의 전자기파를 변조된 파형대로 왜곡시키기 된다.그리고 결국 시스템 A 와 시스템 B의 안테나 패턴이 겹치는 영역에서 일어난 전자기파의 변화는, 시스템 B의 순수한 sine 파형을 함께 왜곡시킨다.결국 시스템 B에서는 자신의 안테나 빔 영역에서 일어난 변화를 감지하는 셈이 된다.=>결국 위와 같은 식으로 결국 시스템 A에 담고 있던 의미있는 전기적 신호는 시스템 B 의 전기적 신호로 전달될 수 있게 된다.*편파안테나를 이용하여 송수신할 때 또 하나 기억해야 할 것이 바로 이 편파(polarization) 이다. polarization이란, 전자기파의 진행방향에 대한 E field의 극성 방향을 의미한다. 안테나마다 고유의 편파형태를 갖고 있으며, 송수신 안테나끼리 서로 편파방향을 맞추는 문제는 중요한 문제이다.편파에는 크게 직선편파(Linear polarization)와 원형편파(Circular polarization)의 두 가지가 있다.*빔패턴 (beam pattern) = 복사패턴(Radiation pattern)안테나에는 유효 전자기파 영역인 빔패턴(beam pattern, 또는 radiation pattern)이 존재한 다. 결국 특정 방향과 위치로 전자기파를 사용한다는 것이므로, 이것은 안테나의 방향성( directivity)이란 개념을 탄생시킨다.우선 isotropic antenna라는 것이 있는데, 어떤 점전원(point source)처럼 되어, 위 아래 360도 전 방향으로 동그란 구처럼 전자기파가 사방으로 고루 퍼져 나가는, 무지향성 안테나 를 의미한다.그렇지만 이렇게 완벽하게 사방으로 고루 전자기파를 방사하는 안테나는 존재하지 않는다. 이론상으로만 존재하는 안테나라서 실제로는 단일한 하나의 안테나로는 저렇게 사방으로 완 벽하게 균등하게 전자파가 복사되도록 만들 수가 없다는 것이다.결국 실존하는 안테나는 구조적으로 어떤 '방향성'을 가지는 빔패턴을 가지게 되고, 또한 실제로도 대부분의 안테나는 특정 방향으로 신호를 보내야 하는 경우가 많다. 그래서 안테나 마다 고유의 빔패턴 특성을 가지게 되며, 우리는 이러한 여러 빔패턴 특성을 가진 안테나 중 원하는 빔패턴을 가진 안테나를 선택하게 되는 것이다.이러한 빔패턴이 의미하는 물리적 의미는, 안테나에서 360도 전방향으로 복사(radiation)되 는 전자기파의 전계강도(electric field strength)를 그린 곡선이다. 안테나의 빔패턴을 측 정하는 방법은 간단하다. 표준안테나를 이용하여 측정하고자 하는 안테나의 360도 전방향에 서 신호를 수신해서 각 각도별로 수신된 전계강도를 표시하면 polar chart상에 파형이 그려 지게 된다. 이때 동그란 polar chart에서 중심에서 떨어진 거리 자체가 전계강도의 크기를 말한다.안테나에서 적당히 떨어진 거리의 far-field 영역에서는 이런 빔패턴이 일정한 형상을 유지 하게 된다.하지만 우리에게는 사방으로 고루 나가는 isotropic antenna가 필요하지 않다.위(하늘), 아래(땅) 로는 별로 중요하지 않고, 지면을 따라 옆으로만 퍼져서 잘 나기만 하면 되는것이다. 이렇게 수평방향으로만 고루 사방으로 퍼지는 빔패턴을 소위 omni-directional 하다고 한다.이러한 패턴은 평면에 가까운 지면상에서 사용할 때, 가장 효율적이고 빔패턴이라 할 수 있다.4.안테나의 종류(1) 반파장 다이폴(DIPOLE) 안테나모든 안테나의 기본이 되는 안테나이다. 파장의 1/2의 길이를 가진 도선의 가운데에 동 축 케이블을 연결한 형태이다. 안테나의 엘리먼트와 평행한 면 에서의 지향성은 8자 모양 이며 수직한 면에서는 무지향성이다. 안테나의 임피던스는 75 입니 다. 이 안테나는 단 독으로도 사용되며 다른 안테나의 구성 요소가 되기도 한다.
![[무선통신] 안테나의 전파원리](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2003/04/24/data1204054-0001.jpg)
