2. 전파의 기본성질 전파와 주파수 - 전파의 방사 - 편파 - 전파의 표기 - 주파수의 할당 전파의 전달방법 - 전파경로

1. 2. 전파의 기본성질 • 전파와 주파수 • - 전파의 방사 • - 편파 • - 전파의 표기 • - 주파수의 할당 • 전파의 전달방법 • - 전파경로 • - 페이딩 • 안테나의 기본원리 • - 역할, 종류, 성능 • - 선상 안테나 • - 개구면 안테나

2. 2.1 전파와 주파수 • (1) 전파의 방사 • 전파(전자파라고도 부르지만, 이 책에서는「전파」로 통일한다): • 시간과 함께 변화하는 전계가 자계를 만들고, 동시에 시간과 함께 변화하는 자계가 전계를 만들어 각각이 서로 상호 작용하면서 전달되는 파 • 맥스웰 방정식: • 쿨롱의 법칙을 일반화한 가우스법칙: “전기장 화살표가 바깥방향으로 향하는 정도는 전하밀도에 비례” • 가우스자기법칙:“N극이나 S극 하나만 있는 자석(자기홀극)은 존재하지 않음” • 패러데이법칙: “자기장을 시간에 따라변화시키면 전기장이 만들어진다.” • (4) 앙페르-맥스웰 법칙: “전기장의 시간변화는 자기장을 생성한다.”

3. 2.1 전파와 주파수 <그림 2.1> 전파의 방사 (a) 각각의 도체판에서 발생한 전계와 자계는 서로 상쇄되어 거의 외부로 누설되지 않음 (b) 도체판의 앞쪽 끝 부분을 열면, 전계와 자계가 바깥으로 나가지 않음 (c) 가장 방사되는 형태가 됨 (d) 이 때, 시간과 함께 변화하는 전계가 자계를 만들고, 자계도 시간과 함께 변화하여, 양자가 서로 직교 관계를 유지하면서 공간을 전파해나감

4. 2.1 전파와 주파수 • (2) 직선편파 기준면에 대해 전계의 방향이 수직 (따라서 자계의 방향은 대지에 대해 수평) 으로 전파  수직편파  반대의 전파를 수평편파 이들은 편파면이 시간적으로 변하지 않으므로  직선편파라고 부름

5. 2.1 전파와 주파수 • (2) 편파 안테나마다 고유의 편파형태를 갖고 있으며, 송수신 안테나끼리 서로  편파방향을 맞추는 문제는 중요한 문제 서로 편파방향이 틀어지면 송수신 성능이 떨어짐 최악으로 서로 완전히 직교하는 편파를 가지게 되면 신호교류가 불가능

6. 2.1 전파와 주파수 • (2) 원편파 • 전계와 자계에 위상차가 존재하면 • 전계의 방향과 자계의 방향이 회전하면서 전파됨 • 원편파(전계의 앞 끝이 오른쪽으로 도느냐 또는 왼쪽으로 도느냐에 따라 • 우선원편파, 좌선원편파

7. 2.1 전파와 주파수 발진기(Oscillator)와 같은 주파수원 발진기에 의해 생성되는 파형  깨끗한 sine 파형 • (3) 전파의 표기 s(t) = A sin(2πft + θ) A: 진폭 [v/m] f: 주파수 [Hz] t: 시간 [s] θ: 위상 [rad] 또는 [deg] f = 1 / T T: 주기 [s] c = fλ c: 광속(= 3☓108 m/s) λ: 파장 [m]

8. 2.1 전파와 주파수 • (4) 주파수의 할당 전파: 3,000 GHz (3 THz) 보다 낮은 주파수의 전자파 [전파법] 전파특성: 주파수에 따라 달라짐

9. 2.2 전파의전달방법 • (1) 전파경로 무선통신 시스템: 여러 경로를 통해 전달된 전파를 수신한다.  전파경로(path: 패스) 다수의 전파경로가 있는 환경이라는 의미멀티패스 환경 수신측: 송신측에서 발신된 전파의 직접파, 반사파, 그리고 회절파가 혼합된 합성파의 형태로 수신됨 휴대전화 등:직접파를 수신하는 일은 매우 드뭄 위성통신: 기본적으로 직접파가 수신되어야 함

10. 2.2 전파의전달방법 • 건물 내에 있는 휴대전화: 벽이나 유리창을 통과한 전파를 수신할 수 있음 • 반사파는 TV를 수신할 때 발생하는 고스트(ghost) 현상의 원인 • 고스트 현상: 반사파가 수신파에 비해 시간적으로 늦게 도착 • TV 화면상의 원래 위치에서 조금 벗어난 곳에 반사파에 의한 동일한 상이 • 나타나는 현상 • (2) 반사파 • (3) 회절파 • 언덕의 꼭대기와 빌딩과 같은 건물 등의 장애물을 가로로 통과할 때, • 그 뒷면으로 돌아 들어가면서 진행하는 파 • 주파수가 낮은 전파일수록 회절 효과가 더 커지는 성질이 있다.

11. 2.2 전파의전달방법 • (4) 페이딩(fading) • 실제의 통신 환경: • 전송해야 할 정보를 실은 전파가 복수 개의 전파경로를 거쳐 여러 개가 중첩된 합성파로 수신  진폭과 위상이 어긋난 전파가 합성 • 원래 발신원에서 송신된 전파의 파형이 왜곡되어 수신 전력의 세기가 저하되는현상  유선통신과 무선통신의 결정적인 차이 • 이동 통신: 수신 위치가 계속해서 변화하기 때문에 페이딩의 영향을 크게 받음 진폭이 같고 위상이 반대 (π 라디언위상차)인 두 개의 파가 합성 합성파의 진폭이 0이 되므로  수신 불가능 <그림 2.5> 페이딩의 극단적인 예

12. 2.2 전파의전달방법 • (5) 감쇄 3차원으로 퍼져나가는 전파의 에너지는 거리의 제곱에 비례하여 약해진다(감쇄) 전파손실 PL:

13. 2.2 전파의전달방법 • (5) 감쇄 휴대전화의 안테나: 통화중인 사람의 방향에 의존하지 않고 품질을 확보해야 하므로 등방성(지향성을 가지지 않고 어느 방향이든 일정하게 전파를 송수신하는 성질)의 안테나가 요구 위성통신 안테나: 전파거리가 매우 길어서 감쇄량이 커지므로 지향성 안테나 사용 안테나의 방향을 매우 정밀하게 맞출 필요가 있다.

14. 2.2 전파의전달방법 • (6) 간섭 신호를 발신하는 전파와 동일한 주파수 대역을 갖는 다른 전파가 존재하는 경우 페이딩과 똑같이 수신 전력이 떨어지는 현상 전자레인지 (microwave oven): 동일한 마이크로파 대역의 전파를 사용하는 무선 LAN의 간섭원 [표 2.1] 무선통신 시스템과 유선통신 시스템의 비교

15. 2.3 안테나의 기본원리 • (0) 안테나의 역사 • 안테나: 곤충의 더듬이에서 유래 • 1884: 에디슨, 안테나 사용 및 특허 • 1888: 하인리히 헤르츠, 안테나를 사용하여 맥스웰 전자기장 (1864) 이론 증명 • (다이폴 방사체) • 1895: 마르코니, 무선통신에 의한 모르스 신호 전송, • 처음으로 안테나(Antenna) 용어 사용 • 2.5 m 길이의 다이폴 안테나 이용

16. 2.3 안테나의 기본원리 • (1) 안테나의 역할 • 안테나 (공중선): 고주파수 전력을 효율적으로 전파의 에너지로 변환 •  공기 중으로 방사 • 수신기: 안테나의 기능은 공기 중으로부터 전파의 에너지를 효율적으로 수신하여 수신기로 보내는 것 • 안테나의 임피던스와 배급선의 임피던스가 일치하지 않는 경우 • 송신기가 출력한 에너지가 안테나로부터 방사되지 않음 • 효율 저하 안테나의 임피던스와 배급선의 임피던스를 맞춘 정합회로사용

17. 2.3 안테나의 기본원리 • (1) 안테나의 역할 • 임피던스: 교류회로에서 전압과 전류의 비 • 직류에서 저항의 개념 • 저항은 직류회로에서 일정한 값이 되지만 임피던스는 교류회로의 주파수에 의해 값이 변함 • 안테나는 대개 송수신 안테나로 송신기능과 수신기능을 동시에 가지는 구성 • 이 일반적 • 고주파 전류를 도선에 흘리면 표면의 매우 얇은 부분에만 전류가 흐르는 • 표피효과의 영향이 증가 • 마이크로파 이상의 주파수 대역: • 동축케이블과 같은 급전선 대신 도파관(waveguide)을 사용 도파관: 매우 높은 마이크로파·적외선·가시광선과 같은 전자기파가 진행할 때 가로막거나 방향을 정해주는 장치. UHF대 이하의 주파수에서의 전송선로로는, 일반적으로 동축선로

18. 2.3 안테나의 기본원리 • (1) 안테나의 역할 안테나의 크기는 주파수에 의존한다"= 파장이 짧아질수록 더 작게 공진기를 구현할 수 있다 원하는 주파수를 송수신하려면 막대기 길이를 λ/2 길이로 만들면 된다[예]1GHz의 신호를 송수신하고 싶다면.. 1GHz의 공기중 파장은 30cm입니다. dipole antenna의 길이를 15cm로 만들면 1GHz용 안테나가 만들어짐. monopole의 경우는 Ground가 image 효과를 가지기 때문에, dipole보다 반인 λ/4 로 만들면 됨.

19. 2.3 안테나의기본원리 • (2) 안테나의 종류 사용하는 주파수대역에 따라 안테나의 형태와 구성이 달라진다. 선상 안테나 주로 휴대전화와 TV 신호와 같이 UHF 이하의 주파수에서 사용 주파수가 높고 파장이 짧은 마이크로파 이상에서 사용: 개구면 안테나 위성통신 등에서 널리 시용되는 파라볼라 안테나 배열 안테나 복수의 안테나 소자를 특정한 간격을 확보하여 배치하고, 그것을 결합하여 소기의 성능을 확보

20. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 등방성(isotropic) 안테나: 점전원(point source)에서위 아래 360도 전 방향으로 동그란 구처럼 전자기파가 사방으로 고루 퍼져 나가는, 무지향성 안테나 • 이론상으로만 존재하는 안테나로 실제로는 단일한 하나의 안테나로는 저렇게 사방으로 완벽하게 균등하게 전자파가 복사되도록 만들 수가 없다

21. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 • 실존하는 안테나는 구조적으로 어떤 '방향성'을 가지는 빔패턴 • Omni-directional : 위아래가 아닌 옆으로만 고루 퍼지는 안테나 특성 (도나츠 패턴)

22. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 • 지상과 인공위성 간의 위성통신 • Omni-directional 도 필요없고 특정 방향으로 정확하고 날카롭게 빔에너지를 • 모아서 전송해야함parabolic antenna (접시 안테나) • 여러 안테나들 중에서도 가장 빔 패턴이 샤프한 안테나

23. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 지향성과 이득으로 표현 ① 지향성: 안테나로부터 전파가 방사되는 방향과 각도의 특성을 표시 휴대전화: 안테나의 방향이 360°로 변하는 것은 통신의 안정성을 확보하기 위해 360° 방향으로 전파를 방사  모든 방향으로부터 전파를 수신할 필요  무지향성 안테나(등방성 안테나 혹은 옴니 안테나)가 요구 위성통신: 전파거리가 길고, 신호의 전력이 크게 감쇄  목적지 방향으로 전력을 집중하여 방사할 필요 높은 지향성을 갖는 안테나가 요구

24. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 ② 안테나 이득:방향성(directivity)으로 인해 파생되는 상대적 이득을 의미하는 안테나만의 용어 송신이득: 안테나가 어느 정도 전력을 집중하여 방사할 수 있는 가? 수신이득: 전력을 모아서 수신할 수 있는 가? G : 안테나 이득 (dB) P : 안테나부터 임의의 방향으로 방사된 전력밀도 𝑃0 : 동일한 전력이 급전된 기준 안테나로부터 방사된 전파의 전력밀도 절대이득 : 등방성 (isotropic) 안테나를 기준으로 사용하는 경우 상대이득 : ½ 파장 다이폴 안테나를 기준으로 사용하는 경우

25. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 절대이득 Ga (dbi): 등방성 (isotropic) 안테나를 기준으로 개구면 안테나의 특성 표시 상대이득 Gh (dBd): ½ 파장 다이폴 안테나를 기준으로 선상 안테나의 특성 표시 Gh = Ga – 2.15[dB]

26. 2.3 안테나의기본원리 • (3) 안테나의 성능 안테나의 이득이 크다특정방향(즉 신호를 보내기 위한 방향)으로 더욱 샤프하게 전자파가 쏠린다 즉, 안테나의 이득이 높다 원하는 특정방향으로 더욱 강한 전자파를 보낼 수 있다는 의미 (BUT) 안테나가 가진 제한된 에너지량 때문에 이득과 빔 폭은 기본적으로 trade off 관계

27. 2.3 안테나의기본원리 • (4) 선상 안테나 평행한 2개의 도선으로 구성 도선에 고주파전압을 가한다. 도선의 끝부분에서 앞쪽으로 전류가 가는 곳이 없기 때문에 끝부분의 전류는 0이 됨 끝부분에서 전류는 반사되어 돌아옴 • 끝부분에서 1/4 파장되는 지점: 직각으로 끝부분을 여는 구조 • 끝부분의 전위는 0이 되고 • 가운데에서 고주파 전류를 공급하는 1/2 • 파장의 도선이 됨 • 이 지점을 급전점으로하여 전류의 진폭이 • 최대가 되는 안정파가 발생 • 여기서부터 공간으로 전자파가 방사됨 1/2 파장 다이폴 안테나의 원리

28. 2.3 안테나의기본원리 • (4) 선상 안테나 1 파장 다이폴 안테나의 원리

29. 2.3 안테나의기본원리 • (4) 선상 안테나 모노폴(monopole) 안테나: 완전 도체면 위에 다이폴 안테나의 1/2 길이를 갖는 안테나를 세우면 도체 내부의 면에 대해 대칭이 되면서 다이폴 안테나의 1/2 길이를 갖는 안테나의 거울상이 만들어지는 것(거울상의 원리)을 이용 • 완전 도체의 면을 대칭으로 하여 • 면의 위와 아래에서 다이폴 안테나와 똑같이 • 동작 • 실제로는 안테나와 접속하고 있는 송신기의 • 출력 일부를 접지(어-스)하여, 1/4 파장 또는 • 1/2 파장의 모노폴 안테나를 구성 • 안테나의 길이를 짧게 할 수 있는 장점

30. 2.3 안테나의기본원리 • (4) 선상 안테나 미소 다이폴안테나: 전계 강도가 도너츠 모습을 가지면서 안테나 소자의 수평면 둘레에 원형으로 퍼진 형태 이상적인 등방성 안테나  모든 방향으로(구형으로) 전파가 방사 다이폴 안테나  방사방향과 직교하는 방향으로는 전파가 방사되지 않음  1/2 파장 다이폴의 방사 강도는 등방성 안테나에 비해 1.64배 강하다.

31. 2.3 안테나의기본원리 • (5) 개구면 안테나 • 면에서 받는 전파를 집약하여 에너지로 추출 • 대표적인 안테나:파라볼라 안테나 • 전파에 직교하는 S면으로부터 반사하여 초점에 이르기까지 빛이 움직이는 거리 • (광로의 거리)는 일정  광로의 거리가 일정해야 한다는 조건을 만족하는 면 • 파라볼라면 • 파라볼라 안테나의 전류는 시간차가 없이 초점에 모아짐

32. 2.3 안테나의기본원리 • (5) 개구면 안테나 이득 𝐺a A: 안테나의 개구면적 λ: 파장 η: 안테나 효율 안테나의 이득을 향상  지향성을 높임 빔의 초점을 좁히는 동시에 불필요한 방사를 억제 안테나의 이득이 크다고 마냥 좋을까요? 안테나가 가진 제한된 에너지량 때문에 이득과 빔폭은 기본적으로 trade off 관계를 가짐  시스템에서 원하는 만큼 적절한 대역폭과 이득을 가져야 함.

33. 2.3 안테나의기본원리 • (5) 개구면 안테나 안테나 빔 폭(beam width) : HPBW (Half Power Beam Width : 반전력빔폭) HPBW: 최대 빔 방향의 전력을 기준으로 전력이 반 (10*log(0.5) = -3 dB)으로 줄어드는 지점까지의 각도 즉, 방사 에너지가 최대치의 1/2이 될 때까지의 각도 안테나 지향성을 표시하는 척도 θ: 빔 폭 (래디안) λ: 파장 D: 안테나의 개구직경

34. 2.3 안테나의기본원리 • (5) 배열 안테나 배열 안테나 형태로 만들면 빔을 더욱 샤프하게 합쳐지게 할 수 있고, 각각의 안테나의 복사전력이 합쳐져서 더욱 멀리 퍼져나가는 강한 빔패턴을 만들 수 있다. (BUT) 배열 안테나를 만들고 나면, 안테나 빔패턴이 다소 복잡 각각의 패턴을 합치다 보면 지저분한 형태의 합성 빔 패턴이 형성

35. 2.3 안테나의기본원리 • (5) 배열 안테나 사이드로브(side lobe) 특성 수평방향 패턴 중에서 주방향 이외의 방향으로 방사되는 것 송신(수신) 주파수 대역이 넓을수록 적용영역이 넓어지고, 다양한 시스템에 이용 (그러나) 동시에 불필요한 주파수 성분도 수신함  불필요한 전파를 수신하거나 불필요한 방향으로 전파를 송신함으로써 시스템에 간섭하는 문제가 발생하기 때문에 사이드로브 특성이 매우 작아지도록 설계할 필요 Broadside: 늘어놓은 안테나 옆으로 side-lobe 없이 main-lobe만 생성이 가능 빔 패턴을 아주 샤프하게는 만들지 못함. End-fire: 빔 패턴이 매우 샤프하지만, 기생적인 side lobe가 많이 발생 Chevyshev: 안테나 배열 방법 중 가장 선호되는 방식인 배열 형태에 따라 broadside와 end-fire의 장점을 조합한 여러 가지 형태의 빔패턴을 합성

36. 2.3 안테나의기본원리 • (6) 안테나 정리 Dipole Antenna  안테나의 두 개의 서로 극이 다른 도선을 구부려서 전체 길이를 λ/2 이되게 만들어서, omni-directional 한 빔패턴 형성 단일 다이폴 안테나보다는 여러 가지 배열안테나 형태로 구성되어 기지국 안테나 등으로 많이 사용 배열안테나가 바로 야기-우다 안테나로서, 과거 TV수신용 안테나 Monopole Antenna다이폴과 비슷한데, 한쪽 도체 대신 Ground로 대치된 형태 Ground로 대치된 부위:image effect로 인해 마치 다이폴과 같은 효과  안테나의 길이도 λ/2 이 아니라 λ/4 만 있으면 됨 지면에 높은 탑 형태로 되어 있는 안테나들은, 지면을 Ground로 이용할 수 있기 때문에 이와 같은 λ/4 monopole 형태로 만듦 단말기같은 경우 단말기의 Ground를 이용하여 monopole 형태로 만듦으로써, 안테나의 길이를 줄임 이동통신용 개인휴대단말기, FM 라디오 수신기 등

37. 2.3 안테나의기본원리 • (6) 안테나 정리 • Patch AntennaRF에서 가장 흥미를 끄는 안테나 • Microstrip기판위에 네모 혹은 원형 형태로 금속패턴을 만든 후, 여러 가지 형태로 급전을 하여 만들 수 있어서 Microstrip antenna라고도 함. • 소형,경량의 특성 및 여러 가지 패턴조합과 손쉬운 배열을 통해 다양한 특성을 이끌어 냄  구조상 높은 전력신호를 다루지 못함 • 다양하게 응용이 가능 • 아직까지도 무궁무진한 아이디어가 존재하는 안테나 • Horn Antenna도파관(waveguide)형태의 안테나 • 도파관 마지막 부분이 사각형 또는 원형의 깔때기처럼 벌어진 형상 • 대표적인 개구면(aperture) 안테나의 하나 • 안테나의 열린 면의 크기가 파장에 비례 • 낮은 주파수에서는 크기가 너무 커서 사용이 어렵고 무게도 무거워지기 때문에 통상 GHz 단위 이상에서 주로 사용 • 특성이 균일하고 이득이 높아서 빔패턴 측정의 표준안테나 (Standard Antenna)로 사용됨 • 비교적 큰 전력의 신호까지 다룰 수 있기 때문에  대전력용으로 애용

38. 2.3 안테나의기본원리 • (6) 안테나 정리 Parabolic Antenna  이득이 매우 높은 형태의 안테나 빔패턴이 가장 샤프해서 위성통신용으로 애용 parabolic 면에 수직으로 입사된 전자파는 반사되어 쌍곡선의 초점 부위에 모아지고, 그러한 초점위치에 위치한  LNB (Low Noise Block)로 그 신호들을 저잡음 증폭시키는 구조 위성용 안테나로서 일반인에게도 접시 안테나로 친숙 Helical Antenna  선을 꼬아서 소형화시킨 형태의 안테나 같은 주파수에서 다이폴이나모노폴등에 비해 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다는 것이 장점 꼬는 간격과 방법 등에 따라 빔패턴의 방향도 축방향 또는 정상방향(다이폴과 같은)으로 만들 수 있다.   만드는 방법에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있기 때문에, 휴대단말기, 라디오, 위성용 등 광범위하게 응용

39. 2.3 안테나의기본원리 • (6) 안테나 정리 Slot Antenna도파관의 옆면에 여러 가지 형태의 구멍(slot)을 뚫어서 만드는 안테나 큰 전력을 다룰 수 있어서 선박용/군사용으로 많이 사용 Slot의 크기나 갯수, 모양, 거리 등 다양한 변수를 조절하여 배열안테나처럼 여러 가지 특성을 만들어 낼 수 있다.