지향성은 안테나의 기본 매개변수입니다. 이는 지향성 안테나의 방사 패턴을 나타내는 척도입니다. 모든 방향으로 동일하게 방사하는 안테나는 지향성이 1입니다. (이는 0데시벨, 즉 0dB에 해당합니다.)
구면 좌표계의 함수는 정규화된 방사 패턴으로 나타낼 수 있습니다.
[방정식 1]
정규화된 방사 패턴은 원래 방사 패턴과 동일한 모양을 갖습니다. 정규화된 방사 패턴은 방사 패턴의 최댓값이 1이 되도록 크기가 감소됩니다. (가장 큰 값은 "F"의 식 [1]입니다.) 수학적으로 방향성("D" 유형)에 대한 공식은 다음과 같이 작성됩니다.
이 방정식은 복잡해 보일 수 있지만, 분자의 방사 패턴이 가장 중요합니다. 분모는 모든 방향으로 방사되는 평균 전력을 나타냅니다. 따라서 이 방정식은 최대 방사 전력을 평균 방사 전력으로 나눈 값이며, 이를 통해 안테나의 지향성을 구할 수 있습니다.
방향성 패러다임
예를 들어, 두 안테나의 방사 패턴에 대한 다음 두 방정식을 살펴보겠습니다.
안테나 1
안테나 2
이러한 방사 패턴은 그림 1에 나타나 있습니다. 방사 모드는 극좌표 각도 θ(세타)에만 의존하며, 방위각에는 의존하지 않는다는 점에 유의하십시오. (방위각 방사 패턴은 변하지 않습니다.) 첫 번째 안테나의 방사 패턴은 두 번째 안테나의 방사 패턴보다 방향성이 약합니다. 따라서 첫 번째 안테나의 지향성이 더 낮을 것으로 예상됩니다.
그림 1. 안테나의 방사 패턴도. 지향성이 높은가?
공식 [1]을 사용하면 안테나의 지향성이 더 높다는 것을 계산할 수 있습니다. 이해도를 확인하기 위해 그림 1과 지향성이 무엇인지 생각해 보세요. 그런 다음 수학을 사용하지 않고 어떤 안테나의 지향성이 더 높은지 판단해 보세요.
방향 계산 결과는 공식 [1]을 사용합니다.
지향성 안테나 1 계산 결과, 1.273 (1.05 dB).
지향성 안테나 2 계산 결과, 2.707 (4.32 dB).
지향성이 높아진다는 것은 안테나가 특정 방향으로 더 집중되거나 지향성을 갖게 된다는 것을 의미합니다. 즉, 수신 안테나 2는 무지향성 안테나에 비해 최대 지향 전력이 2.707배 더 높습니다. 안테나 1은 무지향성 안테나보다 1.273배 더 높은 전력을 수신하게 됩니다. 등방성 안테나는 존재하지 않지만, 무지향성 안테나는 일반적인 기준으로 사용됩니다.
휴대전화 안테나는 신호가 어느 방향에서든 들어올 수 있으므로 지향성이 낮아야 합니다. 반면 위성 안테나는 지향성이 높습니다. 위성 안테나는 고정된 방향에서 오는 신호를 수신합니다. 예를 들어 위성 TV 안테나를 구입하면 회사에서 안테나 방향을 알려주고, 안테나는 그 방향으로 신호를 수신하게 됩니다.
마지막으로 안테나 종류와 지향성 목록을 살펴보겠습니다. 이를 통해 일반적인 지향성이 무엇인지 파악할 수 있을 것입니다.
안테나 유형 일반적인 지향성 일반적인 지향성 [데시벨] (dB)
짧은 다이폴 안테나 1.5 1.76
반파 다이폴 안테나 1.64 2.15
패치(마이크로스트립 안테나) 3.2-6.3 5-8
혼 안테나 10-100 10-20
접시형 안테나 10-10,000 10-40
위 자료에서 볼 수 있듯이 안테나 지향성은 매우 다양합니다. 따라서 특정 용도에 맞는 최적의 안테나를 선택할 때는 지향성을 이해하는 것이 중요합니다. 여러 방향에서 오는 신호를 한 방향으로 송수신해야 하는 경우에는 지향성이 낮은 안테나를 설계해야 합니다. 자동차 라디오, 휴대폰, 컴퓨터 무선 인터넷 접속 등이 이러한 저지향성 안테나의 예입니다. 반대로 원격 감지나 특정 방향으로의 전력 전송과 같은 경우에는 지향성이 높은 안테나가 필요합니다. 지향성이 높은 안테나는 원하는 방향으로의 전력 전송을 극대화하고 원치 않는 방향에서 오는 신호는 최소화합니다.
낮은 지향성 안테나를 만들고 싶다고 가정해 봅시다. 어떻게 하면 될까요?
안테나 이론의 일반적인 법칙은 낮은 지향성을 얻으려면 전기적으로 작은 안테나가 필요하다는 것입니다. 즉, 전체 크기가 0.25~0.5 파장인 안테나를 사용하면 지향성을 최소화할 수 있습니다. 반파장 다이폴 안테나나 반파장 슬롯 안테나는 일반적으로 3dB 미만의 지향성을 가집니다. 이는 실제로 구현할 수 있는 가장 낮은 지향성입니다.
궁극적으로 안테나 효율과 대역폭을 저하시키지 않고는 4분의 1 파장보다 작은 안테나를 만들 수 없습니다. 안테나 효율과 대역폭에 대해서는 향후 장에서 자세히 다루겠습니다.
높은 지향성을 가진 안테나를 만들려면 여러 파장 길이의 안테나가 필요합니다. 위성 접시 안테나나 혼 안테나는 지향성이 높은데, 이는 부분적으로 안테나 길이가 여러 파장에 달하기 때문입니다.
그 이유는 무엇일까요? 궁극적으로 그 이유는 푸리에 변환의 특성과 관련이 있습니다. 짧은 펄스의 푸리에 변환을 수행하면 넓은 스펙트럼이 나타납니다. 하지만 안테나의 방사 패턴을 결정하는 데에는 이러한 비유가 적용되지 않습니다. 안테나의 방사 패턴은 안테나를 따라 흐르는 전류 또는 전압 분포의 푸리에 변환으로 생각할 수 있습니다. 따라서 작은 안테나는 넓은 방사 패턴(낮은 지향성)을 가지며, 전압이나 전류가 고르게 분포된 안테나는 매우 지향성 있는 방사 패턴(높은 지향성)을 가집니다.
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게시 시간: 2023년 11월 7일
