Common Antenna Designs
무선 통신 시스템에서 안테나는 굉장히 중요한 역할을 합니다. 인간의 눈과 귀와 마찬가지로 안테나는 통신 시스템에서 필수적인 부품입니다. 안테나는 핸드폰 통화부터 우주 관측까지 다양한 분야에서 사용되며, 단순한 와이어 다이폴 안테나부터 MIMO(multiple-input multiple-output) 배열 안테나까지 모든 종류의 안테나는 기본적으로 전류 분포를 제어하여 원하는 전자기 신호를 생성하고 수신합니다.
다이폴 안테나와 같이 간단한 형태의 안테나는 상대적으로 쉽게 설계할 수 있지만, 실제 안테나 설계는 안테나 유형이 결정된 후에도 다양한 변수를 고려해야 하므로, 최적의 안테나를 결정하기 위해서는 컴퓨터 소프트웨어의 도움이 필수적입니다.
현재 많은 전자기장 해석 소프트웨어가 안테나 설계에 사용되고 있습니다. 그 중에서도 산업계에서 표준으로 사용되는 설계 및 해석용 소프트웨어인 “Ansys HFSS”와 내부 툴킷인 “HFSS Antenna Toolkit”을 사용하면 다양한 안테나를 쉽게 설계하고 해석 결과를 확인할 수 있습니다.
지금까지 수천, 수만 개의 안테나가 개발되었으며, 이들은 대역폭, 편파의 종류, 공진 형상 유무, 소자의 수 등에 따라 다양하게 분류됩니다.
안테나는 대역폭의 크기에 따라 광대역 안테나와 협대역 안테나로 나뉘며, 이들은 각각 장단점을 가지고 있습니다. 또한 안테나의 편파 종류에 따라 선형 편파 안테나, 원형 편파 안테나 등이 있으며, 이들은 안테나가 방출하는 전파의 방향성에 따라 구분됩니다.
안테나의 공진 형상 유무에 따라 공진 안테나와 비공진 안테나로 나눌 수 있는데, 공진 안테나는 특정 주파수에서 공진하는 형태를 가지며 이를 통해 안테나의 효율을 높일 수 있습니다.
마지막으로 안테나의 소자 수에 따라 단일 안테나와 다중 안테나로 나뉘며, 다중 안테나는 안테나의 각 부분에 여러 개의 소자를 사용하여 안테나의 효율과 방향성을 개선할 수 있습니다. 이 중에서 대표적인 안테나들의 주요 특징과 장단점을 소개합니다.
1. Half-Wavelength Dipole Antenna : 반파장 다이폴 안테나
반파장 다이폴 안테나(Half-Wavelength Dipole Antenna)는 안테나의 가장 기본적인 형태 중 하나로, 직선적인 구조를 가지며, 전기적으로 중심 축을 기준으로 대칭 구조를 가집니다.
이 안테나의 길이는 전파의 파장과 관련이 있으며, 도선의 반지름이 이상적으로 0일 때 반파장 길이에서 공진 구조를 가집니다. 실제로 반파장 다이폴 안테나는 반지름이 0이 아닌 도선을 가지고 있기 때문에 반파장보다 약간 짧은 길이에서 공진이 일어나며 도선의 반지름이 증가할수록 대역폭이 넓어집니다. 반파장 다이폴 안테나의 입력 임피던스는 약 70 Ω으로 표준 전송선로의 임피던스(75 Ω 또는 50 Ω)와 준수한 정합을 이루고 방사패턴은 H-평면에서 무지향성을 가지기 때문에 모든 방향으로 골고루 전파를 방사할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 다이폴 안테나는 많은 무선 통신 시스템에서 사용되고 있습니다.
2. Quarter-Wavelength Monopole Antenna : 1/4 파장 모노폴 안테나
1/4 파장 모노폴 안테나(Quarter-Wavelength Monopole Antenna)는 반파장 다이폴 안테나에서 하나의 도선을 금속 접지판으로 대체한 안테나입니다. 이 안테나는 공진형 안테나이며, 모노폴의 길이가 1/4 파장보다 약간 짧을 때 입력 임피던스의 저항 성분은 약 35 Ω입니다. 이는 표준 전송선로의 임피던스(35 Ω 또는 50 Ω)와 잘 정합됩니다. 이상적으로 접지판이 무한히 커야하지만, 실제 사용을 위해서는 최소 한파장 이상이어야합니다. 1/4 파장 모노폴 안테나는 다이폴 안테나보다 짧은 길이와 2배 높은 지향성 등의 특성으로 인해 반파장 다이폴 안테나와 같이 많이 사용됩니다.
3. Yagi-Uda Antenna : 야기-우다 안테나
야기-우다 안테나(Yagi-Uda Antenna)는 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴하지만 높은 이득을 갖기 때문에 VHF 대역(30 MHz~300MHz)과 UHF 대역(300 MHz~3 GHz)에서 많이 사용됩니다. 옥상에 설치된 TV 수신 안테나로 흔히 볼 수 있습니다.
이 안테나는 방사소자, 도파기, 반사기 3가지 소자로 구성되어 있으며, 엔드-파이어 방사 특성을 갖습니다. 방사소자는 야기-우다 안테나의 핵심 소자로, 대개 반파장 다이폴 안테나나 접힌 다이폴 안테나를 사용합니다. 도파기는 방사소자 앞에 설치되어 전자파를 도파기 쪽으로 방사시키는 역할을 합니다. 여러 개의 도파기를 사용하며, 도파기 사이의 간격은 보통 0.25~0.35파장의 길이를 갖습니다. 반사기는 방사소자 뒤에 설치되어 전자파를 반사시켜 앞쪽으로 진행하게 합니다. 하나의 반사기만 사용하며, 반사기와 방사소자와의 간격은 보통 0.15~0.25파장입니다. 도파기와 반사기는 안테나 이득을 높이기 위해 사용되며, 야기-우다 안테나는 이러한 구성으로 인해 높은 이득을 얻을 수 있습니다.
4. Horn Antenna : 혼 안테나
혼 안테나(Horn Antenna)는 개구형 안테나로, 다이폴 안테나와 같은 도선형 안테나보다 높은 주파수에서 사용됩니다. 이 안테나는 매우 광대역이며, 차단 주파수 이상에서 작동합니다. 혼 안테나는 혼의 모양에 따라 구분할 수 있으며, 그 중에서도 널리 사용되는 것은 선형편파에 적합한 피라미드형 혼(pyramidal horn) 안테나와 원형편파에 적합한 원뿔형 혼(conical horn) 안테나입니다. 혼 안테나의 사이드 로브(side lobe)의 크기를 최소화하여 원하는 방사패턴을 얻기 위해서는 혼 안테나의 플래어(flare) 길이를 길게 해야 하지만, 실제 사용에 용이하게끔 길이를 조절해야 합니다. 또한, 혼 안테나의 개구부의 끝 부분을 E-평면과 H-평면으로 펼쳐 빔폭을 좁게 만들어 지향성을 높일 수 있습니다.
5. Patch Antenna : 패치 안테나
패치 안테나(Patch Antenna)는 PCB(Printed Circuit Board) 위에 설계되어 마이크로스트립 안테나로도 불리며, 접지판, 유전체 기판, 금속 패치로 구성됩니다.
안테나 패치의 형태로는 직사각형, 정사각형, 원형, 원형링 등이 사용되며, 급전 방식에 따라 마이크로스트립 선로 급전, 동축 선로 급전 등으로 구분됩니다. 패치 안테나는 두께가 얇고 가벼움에도 불구하고 광대역성과 높은 지향성을 가지는 장점이 있습니다. 또한 안테나 패치의 크기, 패치와 반사판 간의 간격, 안테나의 두께, 패치의 모양 등의 다양한 요소를 조절함으로써 공진 주파수, 입력 임피던스, 방사패턴, 편파를 결정할 수 있어 쉽게 구조를 최적화할 수 있습니다. 이러한 이유로 패치 안테나는 다양한 분야에서 사용되며, 특히 모바일 기기와 무선 인터넷, 블루투스 등에서 널리 사용됩니다.
지금까지 무선 통신 시스템에서 굉장히 중요한 역할을 하는 대표적인 안테나의 주요 특징과 장단점에 대해 알아보았습니다.
