안테나

안테나(antenna, 공중선)는 급전선으로 받은 고주파 전류를 전자기파로 바꾸어 공간에 내보내거나, 공간의 전자기파를 받아 고주파 전류로 바꾸는 장치이다.

개요

송신기에서 나온 고주파 에너지는 급전선을 따라 안테나로 가고, 안테나 도체에 흐르는 전류가 바뀌면서 주위에 전기장과 자기장을 만들어 전파를 복사한다. 수신은 그 반대 과정이다. 같은 안테나를 송신과 수신에 똑같은 특성으로 쓸 수 있는데, 이를 가역성이라 한다. 예전 법령과 자료에서는 공중선(空中線)이라 불렀고, 지금 「전파법」은 안테나라 쓴다 → 안테나공급전력

안테나의 크기는 파장에 비례한다. 주파수가 높을수록 파장이 짧아 안테나가 작아지고, 같은 크기로 더 날카로운 빔을 만들 수 있다. 그래서 마이크로파 대역에서는 작은 안테나로 높은 지향성을 얻는다.

주요 특성

특성	뜻
이득(gain)	기준 안테나보다 어느 방향으로 몇 배 세게 복사하는지. 등방성 안테나 기준은 dBi, 반파장 다이폴 기준은 dBd 로 쓰며 dBi = dBd + 2.15 다
지향성	복사가 어느 방향에 몰리는지. 수평면·수직면 복사 패턴(지향 특성도)으로 그린다
빔폭	주 빔에서 전력이 절반(-3dB)으로 줄어드는 두 방향 사이의 각
전후방비	앞쪽 최대 복사와 뒤쪽 복사의 비. 단방향 안테나의 성능 지표
입력 임피던스·복사 저항	급전점에서 본 임피던스. 급전선의 특성 임피던스와 맞아야 반사가 적다 → 전송선로
편파	전기장의 방향. 수평·수직 편파(선형 편파)와 원형 편파가 있다. 송수신 편파가 다르면 수신 세기가 떨어진다
대역폭	특성이 허용 범위 안에 드는 주파수 범위
실효고(실효 길이, 실효 높이 h_e)	안테나의 전류 분포를 같은 넓이의 균일 전류로 바꿨을 때의 길이. 받는 전계 E 에 대해 유기되는 전압이 V = E·h_e 다

실효고

안테나 위의 전류는 급전점에서 가장 크고 끝에서 0 이 되는 정현파 분포다. 이 분포의 넓이를 급전점 전류 I₀ 로 나눈 길이가 실효고다.

반파장 다이폴 : 길이 λ/2, h_e = λ/π (실제 길이의 약 2/π = 0.64 배)
λ/4 수직 접지 안테나(모노폴) : 길이 λ/4, h_e = λ/(2π). 대지의 영상과 합치면 반파장 다이폴이 되므로 다이폴 실효 길이의 절반이다
실효고가 클수록 같은 전계에서 더 큰 전압을 얻는다. 수직 접지 안테나의 끝에 정관(top loading)을 달면 전류 분포가 고르게 되어 실효고가 커진다

등가 회로

급전점에서 본 안테나는 저항 R_e, 인덕턴스 L_e, 커패시턴스 C_e 가 하나의 폐회로에 모두 직렬로 이어진 RLC 직렬 회로로 나타낸다.

R_e 는 전파로 내보내는 전력을 나타내는 복사 저항과 도체·대지에서 열로 잃는 손실 저항의 합이다. 복사 저항이 없으면 전파를 내보낼 수 없으므로 등가 회로에서 저항을 뺄 수 없다
L_e·C_e 는 도선의 인덕턴스와 도체·대지 사이의 정전 용량이다. 두 리액턴스가 상쇄되는 주파수에서 안테나가 직렬 공진해 입력 임피던스가 순저항 R_e 가 된다. 이 주파수가 안테나의 고유 주파수다 → 공진 회로
사용 주파수가 고유 주파수보다 높으면 유도성이라 직렬 커패시터(단축 콘덴서)를, 낮으면 용량성이라 직렬 코일(연장 코일)을 넣어 공진시킨다
L 과 C 를 병렬로 그리거나 R 이나 L 을 뺀 회로는 안테나 등가 회로가 아니다

길이 계산

안테나 길이는 사용 주파수의 파장 λ = c/f 로 정한다(c = 3×10⁸ m/s).

반파장 다이폴은 λ/2, 수직 접지 안테나는 λ/4 다
예: 1.9GHz~2.1GHz 대역이면 가운데 2GHz 에서 λ = 3×10⁸ / (2×10⁹) = 0.15m = 15cm 이므로 반파장 안테나 길이는 7.5cm 다
실제로는 도체 굵기와 끝단 효과로 전기적 길이가 조금 길게 작용해, 물리적 길이를 계산값보다 몇 % 짧게 만든다(단축률)

표준 안테나

안테나 이득은 기준이 되는 안테나와 비교해 잰다.

이론의 기준은 모든 방향으로 똑같이 복사하는 등방성 안테나다. 실제로 만들 수 없다
실제 측정의 기준은 반파장 다이폴 안테나다. 가장 기본적인 구조이고 특성을 이론으로 정확히 계산할 수 있어 이득을 측정할 때 표준 안테나로 쓴다. 「전파법 시행령」 제2조의 실효복사전력도 반파장 다이폴에 대한 상대이득으로 정한다
야기·루프·카세그레인 안테나는 특정 목적에 맞춘 안테나라 기준으로 쓰지 않는다

종류

안테나	구조	특성	쓰임
다이폴 안테나	길이 λ/2 의 도체 두 개를 일직선으로 놓고 가운데서 급전	가장 기본. 도체에 수직인 방향으로 8자형 복사, 복사 저항 약 73Ω	이득 측정의 표준 안테나, 다른 안테나의 복사기
모노폴(수직 접지) 안테나	길이 λ/4 의 수직 도체를 대지 위에 세움	대지에 비친 영상과 합쳐 다이폴처럼 동작. 수평면 무지향	중파 방송, 차량용
야기 안테나(야기-우다)	복사기(다이폴) 앞에 도파기, 뒤에 반사기를 나란히 둠	한쪽 방향으로 이득이 큰 단방향성	VHF·UHF 텔레비전 수신
루프 안테나	도선을 원·사각 고리 모양으로 감음	고리 면 방향으로 8자형, 고리 축 방향은 수신이 안 됨	방향 탐지, 중파 수신
파라볼라 안테나	포물면 반사기의 초점에 1차 복사기를 둠	마이크로파에서 이득이 매우 크고 빔이 좁다	마이크로파 중계, 위성 수신
카세그레인 안테나	포물면 주반사기 앞에 쌍곡면 부반사기를 두어 1차 복사기를 주반사기 뒤쪽에 둠	급전선이 짧아 손실이 적고 잡음이 낮다	위성 지구국, 전파 망원경
혼 안테나	도파관 끝을 나팔 모양으로 벌림	넓은 대역, 반사가 적음	마이크로파 측정, 파라볼라의 1차 복사기
헬리컬 안테나	도선을 나선형으로 감음	원형 편파	위성 통신
배열 안테나	여러 소자를 늘어놓고 위상을 조절	빔 방향을 전자적으로 바꾼다(위상 배열)	레이더, 기지국, 위성 인터넷 단말

같이 보기