안테나란 무엇인가?
공진, 임피던스 매칭, 안테나 종류 기초 정리!
안테나란 전자기파 형태의 무선 신호를 송신 혹은 수신하기 위한 도구로, 무선통신 시스템에서 핵심적인 역할을 하고 있다고 할 수 있습니다.
안테나의 동작 원리
안테나의 동작 원리는 ‘공진’ 현상에 근거하고 있습니다.
공진이란 물체가 가지고 있는 고유 진동수에 해당하는 파동에너지에 반응하는 현상입니다.
모든 물체는 고유진동수를 가지고 있기 때문에 공진 현상을 일으킬 수 있으며, 안테나 역시 마찬가지입니다.
전자기파와 파장, 주파수의 관계
전자기파는 시간, 거리에 따라 크기와 방향이 바뀌며, 이는 일정 주기로 반복됩니다.
여기서 한 주기가 반복되는 물리적인 거리를 파장이라고 하며, 1초당 주기가 반복되고 있는 고유 진동수를 주파수라고 합니다.
공진현상에서 언급된 고유 진동수는 전자기파 관점에서 보면 주파수에 해당됩니다.
특정한 주파수를 가지고 있는 전자기파가 공간중에 퍼져나가면, 그 주파수를 고유진동수로 가지고 있는, 즉 공진주파수를 가진 안테나가 공진하여 전자기파 에너지를 받음으로서 신호를 수신할 수 있습니다.
안테나의 송신과 수신
반대로 특정 공진주파수를 갖는 안테나에 맞는 주파수를 갖는 교류 신호를 흘려보내면, 마찬가지로 공진 현상으로 인해 안테나가 반응하며 공간상으로 전자기파를 방사하게 됩니다.
이는 즉 송신용 안테나와 수신용 안테나가 따로 구분되어 만들어지는 것이 아니며, 어떤 안테나이던지 송신용이 될 수도 있고 수신용이 될 수도 있어 사용하기 나름이라는 것을 의미합니다.
이를 ‘안테나의 쌍대성’이라고 합니다.
임피던스 매칭이 필요한 이유
이처럼 교류 신호를 공간상으로 전자기파 형태로 방사시키고, 다시 그 전자기파를 교류 신호 형태로 받아들이는 과정에서 최대한 손실 없이 신호를 전달하기 위해서는 안테나를 연결하는 선로단과 안테나간의 임피던스를 일치시켜야 합니다.
서로 임피던스가 어긋나면 어긋나는 비율만큼 신호가 접촉단에서 반사됩니다.
이는 즉 그만큼의 에너지 손실을 가진다는 의미가 됩니다.
결과적으로 최대한 많은 신호를 방사해야 하는 안테나의 목적에 부합하기 위해서는 임피던스를 가능한 일치시켜야 하며, 이를 ‘임피던스 매칭’이라고 합니다.
50ohm 임피던스와 안테나 길이
임피던스 매칭을 수월하게 하기 위해서 대부분의 RF 시스템은 특정 임피던스에 맞춰 제작됩니다.
그러한 특정 임피던스 중 가장 보편적으로 사용되는 임피던스가 50ohm입니다.
가장 기본적인 안테나 형태인 dipole 안테나의 경우 전자기파 파장의 약 절반의 길이에서 50ohm의 임피던스를 가집니다.
또한 monopole 안테나의 경우 파장의 약 1/4 길이에서 50ohm의 임피던스를 갖습니다.
따라서 보편적으로 사용되는 dipole 안테나는 신호를 주고받는 데 사용할 주파수 파장의 절반이 되도록, monopole 안테나의 경우 1/4가 되도록 제작하는 것이 일반적입니다.
안테나의 종류
안테나의 종류는 기본적인 안테나 형태라고 할 수 있는 Dipole, Monopole, Horn, Patch 등등부터 시작해서, 특정 목표에 맞게 별도 설계된 안테나까지 다양한 안테나가 존재합니다.
무선 통신 시스템에서 상황에 따라 요구되는 안테나의 특성은 각기 다릅니다.
시스템에서 요구하는 특성을 만족하는 안테나를 올바르게 선정 혹은 제작하여야 목표하는 시스템을 원활히 동작시킬 수 있습니다.
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