Antenna의원리

안테나의 원리

회로와 안테나의 차이

Microstrip을 처음 접하는 사람들이 많이 하는 질문 중의 하나가 회로와 안테나의 차이에 대한 것이다. Microstrip 패치 안테나의 경우 언뜻보면 그냥 네모난 금속판만 있을 뿐인데, 그것을 줄줄이 연결한 모양은 Steped impedance 구조가 되어 필터로서 동작하기 때문에 구조만 가지고는 판단이 안되었기 때문이다. 그렇다면 이 두 개의 구조의 차이는 무엇일까?

초보자라 하더라도 일단 금방 그 차이를 인식할 수 있을텐데, 바로 포트의 차이이다. 안테나는 하나의 포트만 있고, 필터는 입력과 출력의 두 개의 포트가 있다. 바로 여기서 우선적으로 안테나의 기능과 원리를 깨달을 수 있다. 일반적인 회로는 입력단의 신호를 자신의 고유한 특징에 맞게 변형하여 출력단으로 내보재지만 입력이 하나뿐인 안테나는 출력단이 따로 없고, 그 입력 신호를 공기중으로 방출해주는 것이 그 역할이다.

전자기파 방사(radiation)의 원리

기본적으로 교류전류가 흐르는 도선 주위에는 많건 적건 전자기파의 방사가 발생한다. 이러한 현상은 주파수가 올라갈수록 심해지며, 도선이 중간에 꺾이거나 단절된 부위에서는 전자기파의 방출이 더욱 심해진다. 이것은 단순히 생각하면 물리적 관성으로 이해할 수도 있는데, 전자기파 성분은 어떤 식으로든 불연속한 지점에서 방출량이 늘어난다. 만약 도선의 끝이 아예 끊어져 있다면? 아마도 단면에서의 전자기파의 에너지는 반사와 방사를 거듭하며 불안정해 질 것이다. 이러한 도선의 단면부를 전자기파 방사가 잘되도록 효율적으로 만든다면 그것이 바로 안테나가 된다. 방출된 전자기파 신호는 원래의 교류신호가 가진 파형과 위상을 그대로 가져감으로서 공기중을 통해 정보를 주고 받을 수 있게 되는 것이다.

안테나 통신의 원리

안테나에서의 중요한 원리중의 하나는 가역성인데, 송신 안테나와 수신 안테나는 원래 따로 구분되는 것이 아니다, 즉 같은 안테나라 해도 신호를 받는 용도로 사용하면 수신 안테나이고, 신호를 보내는 용도로 사용하면 송신용이 되는 것이다.

위 그림에서 보면 두 개의 안테나가 각자 빔패턴을 가지고, 그 두 개의 빔패턴이 겹치는 영역을 통해 전자기파 신호의 교류가 이루어진다. 양쪽 다 송수신역할을 할 수 있고, 기본 상태에서는 양쪽다 특정 주파수의 sine 파형을 대기중에 내보내게 될 것이다. 그러다가 어느한쪽에서 sine 파형에 왜곡을 가할 때, 즉 특정한 의미를 가지도록 변조된 신호를 송신하기 시작하면 다른 한쪽의 안테나에서 해당 주파수의 sine파가 왜곡된 파형에 동조하여 움직이기 시작한다. 그럼으로써 아무 신호를 보내지 않던 안테나단에 왜곡된 sine파가 들어옴으로써 양 안테나단에서의 신호가 동기된다. 즉 무선 통신이 이루어지게 된다.

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