1. 안테나 소개
그림 1에서 보는 바와 같이 안테나는 자유 공간과 전송선로 사이의 중간 구조입니다. 전송선로는 동축선이나 속이 빈 관(도파관)의 형태를 취할 수 있으며, 전자기 에너지를 음원에서 안테나로, 또는 안테나에서 수신기로 전송하는 데 사용됩니다. 전자를 송신 안테나, 후자를 수신 안테나라고 합니다.
그림 1. 전자기 에너지 전송 경로(송신원-송전선-안테나-자유 공간)
그림 1의 송신 모드에서 안테나 시스템의 전송은 그림 2와 같이 테브닌 등가 회로로 나타낼 수 있습니다. 여기서 소스는 이상적인 신호 발생기로, 전송선은 특성 임피던스 Zc를 갖는 선로로, 안테나는 부하 ZA로 표현됩니다[ZA = (RL + Rr) + jXA]. 부하 저항 RL은 안테나 구조와 관련된 전도 손실 및 유전 손실을 나타내고, Rr은 안테나의 방사 저항을, 리액턴스 XA는 안테나 방사와 관련된 임피던스의 허수 부분을 나타냅니다. 이상적인 조건에서는 신호 소스에서 생성된 모든 에너지가 안테나의 방사 능력을 나타내는 방사 저항 Rr로 전달되어야 합니다. 그러나 실제 응용 분야에서는 전송선과 안테나의 특성으로 인한 도체-유전체 손실뿐만 아니라 전송선과 안테나 사이의 반사(불일치)로 인한 손실이 발생합니다. 음원의 내부 임피던스를 고려하고 전송선로 손실 및 반사 손실(불일치 손실)을 무시하면, 공액 정합 조건에서 안테나에 최대 전력이 공급됩니다.
그림 2
전송선로와 안테나 사이의 임피던스 불일치로 인해, 인터페이스에서 반사된 파동은 음원에서 안테나로 입사하는 파동과 중첩되어 정재파를 형성합니다. 이는 에너지 집중 및 저장을 나타내는 전형적인 공진 소자입니다. 그림 2에서 점선은 전형적인 정재파 패턴을 보여줍니다. 안테나 시스템이 제대로 설계되지 않으면, 전송선로는 도파관 및 에너지 전송 장치로서의 역할을 하기보다는 에너지 저장 소자로 크게 작용할 수 있습니다.
전송선로, 안테나 및 정재파로 인한 손실은 바람직하지 않습니다. 선로 손실은 저손실 전송선로를 선택함으로써 최소화할 수 있으며, 안테나 손실은 그림 2에서 RL로 표시된 손실 저항을 줄임으로써 감소시킬 수 있습니다. 정재파를 줄이고 선로에 에너지가 축적되는 것을 최소화하려면 안테나(부하)의 임피던스를 선로의 특성 임피던스와 정합시켜야 합니다.
무선 시스템에서 안테나는 에너지를 수신하거나 송신하는 기능 외에도 특정 방향으로 방사되는 에너지를 증폭하고 다른 방향으로의 방사 에너지를 억제하는 기능을 수행해야 합니다. 따라서 안테나는 검출 장치로서의 역할뿐만 아니라 지향성 장치로서의 역할도 해야 합니다. 안테나는 특정 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 형태로 제작될 수 있습니다. 예를 들어, 전선형, 개구형, 패치형, 소자 집합체(어레이), 반사판, 렌즈 등이 있습니다.
무선 통신 시스템에서 안테나는 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 우수한 안테나 설계는 시스템 요구 사항을 줄이고 전반적인 시스템 성능을 향상시킬 수 있습니다. 대표적인 예로 텔레비전 방송 수신을 들 수 있는데, 고성능 안테나를 사용하면 수신 품질을 개선할 수 있습니다. 안테나는 통신 시스템에서 인간의 눈과 같은 역할을 합니다.
2. 안테나 분류
1. 와이어 안테나
와이어 안테나는 자동차, 건물, 선박, 비행기, 우주선 등 거의 모든 곳에서 찾아볼 수 있기 때문에 가장 흔한 안테나 유형 중 하나입니다. 와이어 안테나는 그림 3에서처럼 직선형(다이폴), 루프형, 나선형 등 다양한 형태를 가질 수 있습니다. 루프 안테나는 원형일 필요는 없으며 직사각형, 정사각형, 타원형 등 다양한 모양으로 제작될 수 있습니다. 원형 안테나가 가장 일반적인 이유는 구조가 단순하기 때문입니다.
그림 3
2. 개구형 안테나
개구 안테나는 더욱 복잡한 형태의 안테나에 대한 수요 증가와 고주파수 활용 확대로 인해 그 역할이 점점 더 중요해지고 있습니다. 그림 4는 피라미드형, 원뿔형, 직사각형 혼 안테나와 같은 다양한 형태의 개구 안테나를 보여줍니다. 이러한 유형의 안테나는 항공기나 우주선의 외피에 편리하게 장착할 수 있기 때문에 항공기 및 우주선 분야에 매우 유용합니다. 또한, 가혹한 환경으로부터 보호하기 위해 유전체 재질로 덮을 수도 있습니다.
그림 4
3. 마이크로스트립 안테나
마이크로스트립 안테나는 1970년대에 주로 위성 분야에서 큰 인기를 얻었습니다. 이 안테나는 유전체 기판과 금속 패치로 구성됩니다. 금속 패치는 다양한 모양을 가질 수 있으며, 그림 5에 나타낸 직사각형 패치 안테나가 가장 일반적입니다. 마이크로스트립 안테나는 두께가 얇고, 평면 및 비평면 표면에 모두 적합하며, 제조 공정이 간단하고 저렴하고, 단단한 표면에 장착했을 때 높은 내구성을 가지며, MMIC 설계와 호환됩니다. 항공기, 우주선, 위성, 미사일, 자동차, 심지어 모바일 기기 표면에도 장착할 수 있으며, 형상에 맞춘 설계가 가능합니다.
그림 5
4. 어레이 안테나
많은 응용 분야에서 요구되는 방사 특성은 단일 안테나 소자로는 구현할 수 없는 경우가 많습니다. 안테나 어레이는 각 소자의 방사를 합성하여 하나 이상의 특정 방향으로 최대 방사를 생성할 수 있으며, 그림 6이 그 대표적인 예입니다.
그림 6
5. 반사판 안테나
우주 탐사의 성공은 안테나 이론의 급속한 발전을 가져왔습니다. 초장거리 통신의 필요성 때문에 수백만 마일 떨어진 곳에서도 신호를 송수신하기 위해서는 극도로 높은 이득을 가진 안테나가 필요합니다. 이러한 용도에서 흔히 사용되는 안테나 형태는 그림 7에 나타낸 포물선형 안테나입니다. 이 안테나는 직경이 305미터 이상이며, 수백만 마일 떨어진 곳에서 신호를 송수신하는 데 필요한 높은 이득을 얻기 위해서는 이처럼 큰 크기가 필수적입니다. 또 다른 형태의 반사판으로는 그림 7(c)에 나타낸 코너 반사판이 있습니다.
그림 7
6. 렌즈 안테나
렌즈는 주로 입사 산란 에너지를 집속하여 원치 않는 방사 방향으로 확산되는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 렌즈의 기하학적 구조를 적절히 변경하고 올바른 재료를 선택함으로써 다양한 형태의 발산 에너지를 평면파로 변환할 수 있습니다. 렌즈는 포물선 반사판 안테나와 같은 대부분의 응용 분야, 특히 고주파수 대역에서 사용 가능하며, 저주파수 대역에서는 크기와 무게가 매우 커집니다. 렌즈 안테나는 제작 재료 또는 기하학적 모양에 따라 분류되며, 그림 8에 그 일부가 나와 있습니다.
그림 8
안테나에 대한 자세한 내용을 알아보려면 다음 웹사이트를 방문하세요.
게시 시간: 2024년 7월 19일
