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전파와 안테나

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(1) 전파와 그 성질  (2) 전파의 퍼짐과 특성  (3) 안테나의 기초  (4) 안테나의 종류  (5) 급전선과 정합

(1) 전파와 그 성질              

[1] 전파 : 무선 통신에 사용할 수 있는 주파수 범위의 전자파. 전자파는 전기장파와 자기장파로 이루어진 합성파.

[2] 전파의 발생

① 전자파는 전기장과 자기장의 전기적 진동에 의하여 발생.
② 도선에 전류를 흘리면 그 주위에 자기장이 발생. 반대로 도선에 자기장을 변화시키면 전기를 발생
③ 전기진동에 의하여 전기장과 자기장간에 공진 현상이 일어나면, 전자파로서 독립할 수 있는 에너지 변환이 발생.
④ 헤르츠(Hertz)의 전자파 발생장치 실험으로 전자파에 의한 통신이 가능해짐.

[3] 전파의 발사와 안테나

① 전파의 방사 : 전기 신호를 전파 신호로 변환시켜 빛과 같이 퍼지게 하는 것.
② 안테나 : 전파의 발사체. 전파가 드나드는 창문 역할.
③ 안테나에서 발생된 전자파의 세기는 안테나에 공급되는 고주파 신호의 세기에 비례→주파수가 높아질수록 전자파의 발사 효율이 좋아지고, 안테나의 길이를 짧게 하여 공진 시킬 수 있음.

[4] 전파의 성질

① 안테나에 주파수가 높은 사인파를 가하면 전기장과 자기장도 사인파로 되고 서로 직각을 이루면서 퍼져 나감. 안테나로부터 거리가 멀어짐에 따라 그 세기는 감쇠됨.

(가) 전파의 퍼짐 속도와 파장

a. 전파의 퍼짐 속도 : (여기서, v:전파의 퍼짐속도[m/s], ε:매질의 유전율(=ε₀ε_s[F/m]), ε₀:진공의 유전율, ε_s:매질의 비유전율, μ:매질의 투자율(=μ₀μ_s[H/m]), μ₀:진공의 투자율, μ_s: 매질의 비투자율)
-안테나에서 발사된 전파는 1초 동안에 약 3억[m](3×10⁸[m])의 속도로 퍼져나감.
b. 파장 : (여기서, λ:파장[m], f:주파수[㎐], v:전파의 퍼짐속도)

(나) 전파의 분류

전파의 종별과 용도 

주파수대		주파수 범위	미터에 의한 구분	용도
번호	호칭
4	VLF(초장파)	3∼30[㎑]	밀리미터파	선박, 장거리 통신
5	LF(장파)	30∼300[㎑]	킬로미터파	선박, 장거리 통신
6	MF(중파)	300∼3,000[㎑]	헥토미터파	선박, 항공, 표준 방송
7	HF(단파)	3∼30[㎒]	데카미터파	원거리 통신, 중거리 통신, 선박 통신
8	VHF(초단파)	30∼300[㎒]	미터파	FM 방송, TV 방송, 이동 무선
9	UHF(극초단파)	300∼3,000[㎒]	데시미터파	다중 통신, 이동 통신
10	SHF	3∼30[㎓]	센티미터파	레이더, 위성 통신
11	EHF	30∼300[㎓]	밀리미터파	미사일용 전파
12		300∼3,000[㎓]	데시밀리미터파

 

(다) 전파의 세기

a. 일반적으로 측정이 쉬운 전기장의 세기로 나타냄.
b. 전기장의 세기 단위 : [V/m]
- 실효길이 1[m]의 안테나에 유기되는 전압의 크기로 나타냄.
- 1[㎶/m]을 기준 세기로 하여 [㏈]로 나타내는 경우도 있음.

(2) 전파의 퍼짐과 특성            

[1] 전파의 경로

① 지상파 : 직접파, 대지 반사파
② 공간파 : 대류권파, 전리층파 및 우주파

(가) 지상파 : 송수신점의 거리가 비교적 가까운 경우에 이용되는 전파.

a. 지표파 : 지표면을 따라 퍼지는 전파, 직접파가 직진할 수 없는 지점까지 도달.
b. 파장이 짧은 초단파나 극초단파인 경우에는 수신점의 위치 선정에 주의해야 함.

(나) 전리층파 : 지표면 상공 100∼400[㎞]의 대기권에서 태양으로부터 오는 자외선 등에 의하여 대기 중의 기체가 전리되어 있는 층.

a. 구분 : D층, E층 및 F층. 전리층에 의한 전파의 반사는 주로 E층과 F층에서 일어남.
b. 전파는 전리층을 통과할 때 전자 밀도에 비례하고, 주파수에 반비례하는 감쇠가 일어남.
c. D층 : 지상 약 80[km]에서 주로 여름의 주간에 나타나고, 야간에 소멸. 불안정, 대부분의 공간파가 통과하므로 전파 감쇠의 원인이 됨.
d. E층 : 지상 약 100[km], 이 층의 전자밀도는 태양 광선에 의하여 크게 영향을 받으므로, 주야간의 차이가 심함.
e. F층 : 지상 약 200∼300[km]
f. 단파대 및 그 보다 낮은 전파는 전리층을 통과할 수 없어서, 전리층에서 반사되어 지상으로 되돌아 옴→지상에서 재반사→국제통신등 장거리 통신에 이용

(다) 전리층 반사파의 도달거리

a. 도약거리 : 반사가 시작되어 최초로 되돌아 온 지점까지의 거리. 주파수, 반사층 및 밤과 낮 등에 딸라 다르고, 9[㎒]에서 500∼600[km]정도. [㎞](여기서, d:도약거리[km], h:전리층의 높이[km],θ₁:입사각[°])

[2] 전파의 퍼짐 장애

(가) 페이딩 : 수신점의 전파의 세기가 시시각각으로 변하여 통신 장애를 일으키는 현상.

(나) 자기 폭풍과 델린저 현상
 

자기 폭풍	델린저 현상
태양 활동의 변화에 의한 지구 자기장의 변동과 미립자의 증가는 태양에서 가장 가까이 있는 F층에 영향을 주고, 이에 따라 F층이 불안한 상태로 되어 1,2일 정도 계속해서 단파대의 장거리 통신에 장애를 줌.	자외선의 증가로 D층이 불안하게 되어 10분∼1시간 정도 통신 장애를 일으킴.
전리층을 이용한 통신에서만 발생하는 장애
단파대 통신에 일어나는 현상, 태양 활동과 밀접한 관계

(다) 전파 잡음

a. 전파 잡음의 발생원에 의한 분류
- 자연 잡음 : 우주잡음(태양 잡음, 은하 잡음), 공전 잡음
- 인공 잡음
b. 잡음 성질에 의한 분류
- 충격성 잡음 : 돌연적으로 발생하는 잡음(예 : 뇌방전)
- 연속성 잡음 : 연속적으로 발생하는 잡음(예 : 우주 잡음)
- 주기성 잡음 : 주기성을 가진 잡음(예 : 인공 잡음의 대부분은 주파수를 기본으로 하는 주기 잡음이다.)

[3] 전파 잡음 방해의 개선 방법

① 수신 전력을 크게, 내부 잡음을 적게, 대역폭을 좁게, 필터 삽입

(3) 안테나의 기초              

[1] 반파장 다이폴 안테나

(가) 원리와 구조 : 전기장과 자기장을 동시에 발생시킬 수 있는 헤르츠 다이폴 안테나

(나) 안테나의 고유 주파수와 실효 길이

a. 고유 주파수 : [㎐]
b. 실효 길이 : 안테나의 길이가 반파장의 안테나에 분포하고 있는 전류를 최대 전류의 평균값으로 환산한 길이.

(다) 안테나의 방사 저항 및 효율

a. 방사 저항 : 약 73[Ω]
b. 효율 : 안테나에 공급하는 전력과 방사 전력과의 비. [%]

(라) 방사 전기장의 세기 및 이득

a. 전기장의 세기 : [V/m]
b. 이득 :

(마) 지향성 : 전파가 어느 방향으로 더 강하게 방사되는가를 나타내는 것.

[2] 1/4 파장 접지 안테나

① 특성 : 지표면 수평 방향으로 전파의 방사가 최대로 됨. 수평 방향 360°로 균일하게 전파가 방사됨. 반파장 다이폴 안테나에 비하여 안테나의 길이가 반으로 짧아짐.

(4) 안테나의 종류             

[1] 중파 방송용 안테나

(가) 주상 안테나 : 도시 주변의 논이나 들판에 높이 설치되어 있는 안테나.
(나) 바 안테나 : 휴대용 라디오 수신기에 내장됨.
(다) 루프 안테나 : 선박, 비행기 및 이동체에서 전파의 직진성을 이용하여, 전파의 방사 지점을 찾아 그 위치를 알아내거나, 반대로 자기의 위치를 측정하는데 이용.

[2] 단파 통신용 안테나

(가) 반파장 다이폴 안테나 : 수직, 수평 다이폴 안테나
(나) 진행파 안테나 : 롬빅 안테나 -고정국 송수신용.
(다) 빔 안테나 : 예민한 지향성을 가짐.

[3] 초단파용 안테나

(가) 휩 안테나 : 자동차, 항공기 및 모터보트 등에서 많이 사용
(나) 브라운 안테나 : 안테나의 이득은 좋지 않으나, 잡음 방해가 적고 설치하기가 용이, VHF의 기지국용.
(다) 야기 안테나 : 급전 소자와 무급전 소자로 구성, 텔레비전 수신 안테나로 흔히 사용.
(라) 턴스타일 안테나 : 이득을 높이기 위하여 수직으로 적립하여 사용. 파라볼라형, 슈퍼형 턴스타일 안테나. 텔레비전 방송국 등에 사용.

[4] 극초단파용 안테나

(가) 전자 혼 안테나 : 나팔 안테나. 도파관에는 고밀도의 전파 에너지가 흐르고 있으므로, 출구를 개방만 하면 전파는 공간으로 방사됨.
(나) 파라볼라 안테나 : 광학에서 포물면 거울의 초첨에서 나온 빛은 반사 후 평행 광선이 된다는 원리를 이용.
(다) 전파 렌즈 안테나 : 도파관의 개방구에서 발사되는 전파를 이득이 크고 원하는 방향으로 보내거나 받기 위해서 반사기를 사용하는 대신 전파 렌즈를 응용한 안테나.
(라) 유전체 안테나 : 폴리로드 안테나. 특수 레이더에 사용.

(5) 급전선과 정합             

[1] 급전선 : 송수신기와 전파가 출입하는 안테나 사이를 연결하는 전송선.

[2] 급전선의 종류와 특성

(가) 평행 2선식 급전선 : 두선을 일정 간격으로 설치고, 변형되지 않도록 PVC 등으로 고정시키든지 적당한 길이마다 보조대를 끼워서 사용.

a. 동축 케이블에 비하여 특성 임피던스가 높다.
b. 대전력에서도 사용
c. 건설 비용 절감, 고장 수리 용이

(나) 동축 급전선 : 내원통 도체와 외원통 도체 사이에 유전체를 넣어서 절연시키고, 외원통 도체 위에 PVC와 같은 절연체로 씌워서 주로 마이크로파대에서 사용.

a. 평행 2선식 급전선에 비하여 특성 임피던스가 낮다.
b. 다른 통신에 방해를 주거나 받지 않음
c. 고전압 대전력용으로 사용하려면 체적이 커지고 가격이 비싸짐.
d. 자유롭게 구부릴 수 있고, 설치가 편리

(다) 도파관 : 동축 급전선의 내부 도체를 제거한 것.

a. 저항 및 유전체 손실이 적다.
b. 고주파 급전 과정에서 방사 손실이 없다.
c. 고역 필터로서 작용.
d. 전력이 크고, 외부 전자기장과 완전히 격리 가능

(라) 마이크로스트립 선로 : 접지된 유전체 기판 위에 매우 얇은 판으로 된 선로

a. 분포 정수 회로로 RLC를 구성.
b. 집적 회로 기술에서 중요한 선로.

[3] 안테나와의 임피던스 정합

① 송신기로부터 안테나에 고주파 전력을 최대로 전송하려면, 송신기의 임피던스와 안테나의 임피던스가 서로 같아야 하며, 수신기의 경우도 같다.
② 두 회로의 임피던스가 서로 다를 때에는 임피던스 변환 회로를 사용하여 정합시키는 것이 필요

출처 : 추억속으로떠나는 여행

글쓴이 : 주황 원글보기

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