2019. 7. 18. 03:42ㆍ기술의 이모저모
안테나 송수신원리
전기전신호는 부도체(절연체)를 통과하지못하지만
전자기파는 부도체(유전체)를 통과하면서 송수신이 가능합니다.
이런 전자기파를 전기적신호를 이용해 생성하는 장치가 안테나입니다.
안테나는 공진을 이용해 송수신하고자하는 주파수를 선택하게됩니다.
안테나마다 고유의 공진주파수를 가지고있습니다.
안테나는 파장에 비례하게되며 주파수가 클수록 안테나크기는 작아진다는 것을 알 수 있습니다.
또한 안테나는 송수신안테나를 따로 만들어내지는 않습니다.
공진을 이용한 1port장비이기 때문에 사용자가 어떻게 쓰는지에 달렸습니다.
이는 안테나의 쌍대성이라합니다.
안테나는 전자기파를 사방팔방 균일하게 뿌리는게 아니라 이렇게
빔패턴(beam pattern) 혹은 복사패턴(radiation pattern)으로 신호를 뿌리게 됩니다.
저 타원형이 바로 전자기파를 송수신가능한 영역이 됩니다.
지금까지의 내용을 바탕으로 간단하게 무선통신의 원리를 알아보면
왼쪽은 아무런신호를 보내지않는 단순히 sin파형을 서로 송출하고 있습니다.
이때 오른쪽그림을 보면 한쪽에서 modulation된 변형된 sin파를 보내게 되면 수신안테나는 변조된 신호를 그대로 받게 됩니다.
빔패턴 추가내용
이론상으로는 이렇게 사방으로 균일한 electronic field strength를 가지는 isotropic antenna가 존재하지만
실제로는 모든 안테나는 특정한 빔패턴을 가지며 위와같은 안테나는 존재하지 않습니다.
예로 dipole antenna는 측면으로만 고르게 전자기파를 뿌리며 위와 같은 패턴을 그립니다. 해당 패턴은 지면상에서 사용시 유용합니다.
반면 위성통신은 parabolic antenna로 상당히 직선적인 빔패턴을 그리는데 위성신호 송수신하는 접시안테나가 각도와 위치를 정확하게 맞춰야합니다.
안테나에도 이득의 개념이 존재합니다.
그러나 이는 신호가 커진다는 의미가 아니라
안테나 이득이란 안테나의 신호가 일정방향으로 쏠리는 비율을 의미합니다.
파란 패턴은 dipole antenna의 beam pattern 하단의 빨간 색은 기타 다른 antenna의 가상의 beam pattern입니다.
dB단위를 사용하며
dBd는 dipole antenna를 기준으로 이득을 계산할때 사용하고
dBi는 isotropic antenna를 기준으로 이득을 계산할때 사용하는 단위입니다.
이득이 클수록 빔패턴이 샤프하게 쏠립니다.
이때 beam pattern의 폭을 Half Power Beam Width라하며 최대 빔방향전력의 반이 되는 지점입니다.
하지만 빔패턴을 샤프하게 만드는데도 한계가 발생하는데
이때 array antenna를 이용합니다.
여러 안테나의 빔패턴이 겹치면서 위와같은 패턴이 만들어 지는데
중간의 큰 패턴이 의도한 main lobe(lobe는 모양때문에 붙여진 말이라고합니다.)
lobe사이의 빈공간인 null
그외 지저분하게 side lobe가 생깁니다. 물론 side lobe를 이용할 수도 있습니다.
안테나 배열방법에 따라 빔패턴도 다양해지는데
대표적으로 Broad side, End fire, Chevyshev 모양이 있는데
chevyshev방식이 가장선호되며 여러 빔패턴을 합성해낼수 있는 방식입니다.
물론 방향조절도 배열에 따라 가능하며
2차원행렬로 배열한 phased array를 이용해 빔의 방향을 조정할수도 있습니다.
기타.....
이제 다 끝난건가 싶겠지만 그렇지 않습니다.
바로 편파(Polarization)문제가 존재합니다.
E field의 진행방향에 따라
크게 직선편파(Linear Polarization), 원형편파(Circular Polarization)가 존재합니다.
직선편파는 vector적으로 아다리가 맞지 않는 모습을 볼수 있습니다.
원형편파는 patch antenna를 이용해 다양하게 구현할 수 있으며
원형편파는 다음과 같은 장점을 가집니다.
- 타이밍 조절로 한주파수에서 두 개 이상의 채널을 송수신할 수 있다.
- 장애물 잡음에 강해서 건물투과성이 높고 다중반사간섭에 강하다.
- 편파손실이 적다
안테나에서는 실무적으로
Effective Radiated Power, Effective Isotropically Radiated Power 가 존재합니다.
EIRP = Pt * Ga
즉 Isotropic antenna의 Pt(송신부 출력), Ga(안테나이득) 을 합한 출력을 의미합니다.
ERP = EIRP - 2.15 dB
이유는 위의 빔패턴부분을 참고
안테나의 종류
dipole antenna
-모든 안테나의 기본
-하나보다는 여러개로 같이 쓰여 기지국안테나로도 쓰인다
-야기-우다안테나인 TV수신안테나가 바로 이 안테나
monopole antenna
-단말기에 쓰일경우 단말기의 ground를 이용해 안테나 크기를 줄이는 식으로 설계할 수 있다.
Patch Antenna
-여러 패턴으로 다양한 특성을 만들어 낼수 있다.
-높은 전력을 다루지 못하는 한계점이 존재한다..
Horn Antenna
-파장과 앞 면적이 비례하기 때문에 보통 Ghz단위의 신호에 많이 사용한다.
-특성이 균일하고 이득이 높아 빔패턴 측정의 표준안테나로 사용한다.
-대전력용
Parabolic Antenna
-이득이 매우높아 위성용으로 사용된다.
-수신신호를 쌍곡선 초점인 LNB에 모아 저잡음증폭을 시킨다.
Helical Antenna
-dipole 이나 mono 보다 훨씬 작게 제작이 가능하다.
-빔패턴도 권선수와 제작방식에 따라 dipole처럼 정상파형이 나오게 제작할 수 도 있다.
-RF전반에 걸쳐 많이 사용
Slot Antenna
-큰전력을 다룰 수 있다.
-군용, 선박용으로 사용
-slot의 갯수, 모양, 거리를 조절해 배열안테나처럼 다양한 빔패턴을 만들어 낼수 있다.
자료 출처
문제시 삭제하겠습니다.
http://www.rfdh.com/bas_rf/begin/antenna.php3
https://www.youtube.com/watch?v=ZaXm6wau-jc
'기술의 이모저모' 카테고리의 다른 글
| 우리는 어떻게 인터넷을 사용할까? (0) | 2019.08.01 |
|---|---|
| RFID는 어떻게 동작할까? (0) | 2019.07.25 |