1. 안테나 소개
안테나는 그림 1과 같이 자유 공간과 전송선로 사이의 전이 구조입니다. 전송선은 동축선이나 중공관(도파관) 형태일 수 있으며, 이는 전자기 에너지를 소스에서 안테나로, 또는 안테나에서 수신기로 전송하는 데 사용됩니다. 전자는 송신 안테나이고, 후자는 수신 안테나입니다.
그림 1 전자기 에너지 전송 경로(소스-전송선-안테나-자유 공간)
그림 1의 전송 모드에서 안테나 시스템의 전송은 그림 2에 표시된 것과 같이 테브난 등가로 표현됩니다. 여기서 소스는 이상적인 신호 발생기로 표현되고, 전송 선로는 특성 임피던스 Zc를 갖는 선로로 표현되며, 안테나는 부하 ZA [ZA = (RL + Rr) + jXA]로 표현됩니다. 부하 저항 RL은 안테나 구조와 관련된 전도 및 유전 손실을 나타내는 반면 Rr은 안테나의 방사 저항을 나타내며 리액턴스 XA는 안테나 방사와 관련된 임피던스의 허수부를 나타내는 데 사용됩니다. 이상적인 조건에서 신호 소스에서 생성된 모든 에너지는 안테나의 방사 성능을 나타내는 데 사용되는 방사 저항 Rr로 전달되어야 합니다. 그러나 실제 응용에서는 전송 선로와 안테나의 특성으로 인한 도체-유전체 손실과 전송 선로와 안테나 사이의 반사(부정합)로 인한 손실이 있습니다. 소스의 내부 임피던스를 고려하고 전송선과 반사(부정합) 손실을 무시할 때, 공액 정합에서 최대 전력이 안테나에 제공됩니다.
그림 2
전송선과 안테나의 부정합으로 인해, 인터페이스에서 반사된 파동은 소스에서 안테나로 입사된 파동과 중첩되어 에너지 집중 및 저장을 나타내는 정재파를 형성하며, 이는 전형적인 공진 소자입니다. 그림 2의 점선은 일반적인 정재파 패턴을 보여줍니다. 안테나 시스템이 적절하게 설계되지 않으면, 전송선은 도파관 및 에너지 전송 장치보다는 에너지 저장 장치로 크게 작용할 수 있습니다.
전송선, 안테나, 그리고 정재파로 인한 손실은 바람직하지 않습니다. 저손실 전송선을 선택하면 선로 손실을 최소화할 수 있으며, 그림 2에서 RL로 표현되는 손실 저항을 줄임으로써 안테나 손실을 줄일 수 있습니다. 안테나(부하)의 임피던스를 선로의 특성 임피던스와 일치시키면 정재파를 줄이고 선로의 에너지 저장량을 최소화할 수 있습니다.
무선 시스템에서 안테나는 에너지를 수신하거나 송신하는 것 외에도 특정 방향의 방사 에너지를 증폭하고 다른 방향의 방사 에너지를 억제하는 데 일반적으로 필요합니다. 따라서 안테나는 감지 장치 외에도 지향성 장치로도 사용되어야 합니다. 안테나는 특정 요구 사항에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있습니다. 와이어, 개구부, 패치, 소자 조립체(어레이), 반사경, 렌즈 등이 있습니다.
무선 통신 시스템에서 안테나는 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 좋은 안테나 설계는 시스템 요구 사항을 줄이고 전반적인 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 대표적인 예로 텔레비전을 들 수 있는데, 고성능 안테나를 사용하면 방송 수신 성능을 향상시킬 수 있습니다. 통신 시스템에서 안테나는 사람의 눈과 같은 역할을 합니다.
2. 안테나 분류
1. 와이어 안테나
와이어 안테나는 자동차, 건물, 선박, 비행기, 우주선 등 거의 모든 곳에서 발견되기 때문에 가장 일반적인 안테나 유형 중 하나입니다. 와이어 안테나는 그림 3과 같이 직선(다이폴), 루프, 나선형 등 다양한 모양이 있습니다. 루프 안테나는 반드시 원형일 필요는 없습니다. 직사각형, 정사각형, 타원형 등 어떤 모양이든 가능합니다. 원형 안테나는 구조가 간단하기 때문에 가장 널리 사용됩니다.
그림 3
2. 조리개 안테나
개구 안테나는 더욱 복잡한 형태의 안테나에 대한 수요 증가와 더 높은 주파수 활용으로 인해 그 역할이 더욱 커지고 있습니다. 그림 4에는 피라미드형, 원뿔형, 직사각형 혼 안테나 등 다양한 형태의 개구 안테나가 나와 있습니다. 이러한 유형의 안테나는 항공기나 우주선의 외피에 매우 편리하게 장착할 수 있기 때문에 항공기 및 우주선 응용 분야에 매우 유용합니다. 또한, 유전체 층으로 덮어 혹독한 환경으로부터 보호할 수 있습니다.
그림 4
3. 마이크로스트립 안테나
마이크로스트립 안테나는 1970년대에 주로 위성 응용 분야에 사용되면서 큰 인기를 얻었습니다. 이 안테나는 유전체 기판과 금속 패치로 구성됩니다. 금속 패치는 다양한 모양을 가질 수 있으며, 그림 5에 표시된 직사각형 패치 안테나가 가장 일반적입니다. 마이크로스트립 안테나는 두께가 얇고 평면 및 비평면 표면에 모두 적합하며, 제조가 간단하고 저렴하며, 단단한 표면에 장착 시 높은 견고성을 보이고, MMIC 설계와 호환됩니다. 항공기, 우주선, 위성, 미사일, 자동차, 심지어 모바일 기기 표면에도 장착할 수 있으며, 컨포멀 설계가 가능합니다.
그림 5
4. 어레이 안테나
여러 응용 분야에서 요구되는 방사 특성은 단일 안테나 소자로는 달성하기 어려울 수 있습니다. 안테나 어레이는 합성된 소자들로부터 방사를 생성하여 하나 이상의 특정 방향으로 최대 방사를 생성할 수 있으며, 그 전형적인 예가 그림 6에 나와 있습니다.
그림 6
5. 반사 안테나
우주 탐사의 성공은 안테나 이론의 급속한 발전으로 이어졌습니다. 초장거리 통신의 필요성으로 인해 수백만 마일 떨어진 곳에서 신호를 송수신하기 위해서는 매우 높은 이득의 안테나를 사용해야 합니다. 이러한 응용 분야에서 일반적인 안테나 형태는 그림 7에 표시된 포물선형 안테나입니다. 이 유형의 안테나는 직경이 305미터 이상이며, 수백만 마일 떨어진 곳에서 신호를 송수신하는 데 필요한 높은 이득을 얻으려면 이처럼 큰 크기가 필수적입니다. 또 다른 형태의 반사기는 그림 7(c)에 표시된 코너형 반사기입니다.
그림 7
6. 렌즈 안테나
렌즈는 주로 입사된 산란 에너지를 집속하여 원치 않는 방사 방향으로 확산되는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 렌즈의 기하학적 구조를 적절히 변경하고 적절한 재료를 선택하면 다양한 형태의 발산 에너지를 평면파로 변환할 수 있습니다. 특히 고주파수에서는 포물선 반사 안테나와 같은 대부분의 응용 분야에 사용할 수 있지만, 저주파수에서는 크기와 무게가 매우 커집니다. 렌즈 안테나는 구성 재료 또는 기하학적 형태에 따라 분류되며, 그중 일부는 그림 8에 나와 있습니다.
그림 8
안테나에 대해 자세히 알아보려면 다음을 방문하세요.
게시 시간: 2024년 7월 19일
