주파수와 전파의 성질

주파수

 주파수는 전파의 특성을 통신, 의학 등에 이용하기 위해서 파장 또는 진동수를 기준으로 정한 사용자들의 약속입니다. 단위는 헤르츠(Hz)를 사용하며, 1Hz는 1초 동안 1회 진동하는 것을 말합니다. 기호는 f를 사용합니다. 만약 무선호출을 사용할 때 320MHz를 사용한다면, 1초에 3.2억번 진동하는 전파를 이용하는 것입니다. 어떤 장치를 통해서 50~60MHz를 이용한다고 가정하는 경우, 주파수 대역은 50~60MHz이며, 주파수 대역폭 즉, 두 주파수 간의 간격은 10MHz입니다. 어떤 전파의 주파수는 전파의 이동하는 속도에 파장의 길이를 나눈 값입니다.

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파장

 파장은 파동의 특징 중에 하나로 파동이 한 번 진동할 때 진행하는 거리를 말합니다. 기호로는 λ를 씁니다. 파장은 원자보다 짧은 길이부터 몇십 km까지 긴 길이까지 있으며, 전자기파는 이 파장의 길이를 통해 가시광선, 감마선 등으로 나누기도 합니다.

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안테나

 안테나는 전파를 방사 또는 흡수하여 정보를 송수신하는 장치를 말합니다. 수신 안테나, 송신 안테나로 나누어져 있습니다. 수신 안테나는 공간을 진행하고 있는 전파를 감지하여 효율적으로 감지된 전파를 흡수하여 정보를 수신하는 역할을 합니다. 송신안테나는 기지국에서 발생시킨 전력을 전파로 변환하여 무선 공간에 효율적으로 방사하여 정보를 송신하는 역할을 합니다. 주파수가 높을수록 안테나의 길이가 짧아집니다.

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전파의 진행 속도

 자유공간 내에서 전자파의 전파 속도는 빛의 속도와 같습니다. 앞서 설명한 주파수는 이동속도에 파장의 길이를 나눈 것이라고 한 문장에 이동 속도는 파장과 주파수를 곱한 값이 됩니다. 여기서 이동 속도는 광속 c는 약 30만 km/s이므로 절대적인 값입니다. 즉, 전파의 파장은 주파수에 반비례하기 때문에 주파수가 높은 전파는 파장이 짧고, 주파수가 낮은 전파는 파장이 길게 됩니다.

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전파의 분류

 전파는 그 파장에 따라서 장파, 중파, 단파 등으로 나눌 수 있으며, 이렇게 분리된 전파는 각각 여러 가지 특성을 지니게 됩니다. 각 주파수 성질을 크기순으로 배열한 것을 주파수 스펙트럼이라고 하며, 이 주파수 스펙트럼은 몇 가지 대역으로 나눌 수 있고, 주파수 대역에 따라서 그 활용 방법과 사용 용도는 매우 다릅니다. 우리는 음성은 주로 전파의 종류 중에 초장파(VLF)에 속하며, 장파(LF)는 선박, 항공기의 통신 등으로 활용됩니다. 중파(MF)와 단파(HF)는 주로 AM/FM 등의 라디오 방송으로 활용되며, 초단파(VHF)와 마이크로파는 TV 방송, 이동전화, 마이크로파로 위성통신, 우주 통신 등에 사용됩니다. 특히, 마이크로파 중에서도 30GHz가 넘는 밀리미터파와 대시 밀리미터파는 차세대 통신 분야에 활용될 수 있는 무한한 개발 가능성을 가지고 있는 주파수 자원을 포함하고 있습니다.

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전파의 성질 - 직진성

 사전적인 의미는 전파가 일직선으로 이동하여 최단 거리를 이동하는 것입니다. 전파는 빛과 같은 성질을 가지고 있으며, 이러한 직진성은 전파에 국한되지 않고 파동 전반에 공통으로 나타나는 성질입니다. 예를 들면 많은 경로의 전파가 휴대폰의 안테나를 통해 도착하게 됩니다. 이때 휴대폰은 통화하기에 유리한 가장 강한 전파를 잡을 수 있는 메커니즘을 가동하여 통화 경로를 설정하게 됩니다. 

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전파의 성질 - 간섭성

 만약 연못에 돌멩이 두 개를 동시에 던져 넣으면, 돌멩이가 물속에 떨어진 곳으로부터 두 개의 동심원이 퍼져나갑니다. 이때, 파동이 겹치는 곳을 살펴보면, 다음과 같은 현상이 발생합니다. 역 위상의 경우는 한쪽 물결의 마루와 다른 물결의 골이 겹치는 곳에서는 양쪽 물결이 서로 상쇄하여 합쳐진 물결은 그 마루와 골이 작아집니다. 동 위상의 경우는 마루와 마루가 겹치는 곳은 마루가 더욱 높아지고, 골과 골이 겹치는 곳에서는 골이 더욱 깊어집니다. 즉, 전파도 동일 주파수에 대한 2개 이상의 파동이 동 위상인 경우에는 합성 현상이 발생하고, 역 위상인 경우에는 간섭현상을 일으키게 됩니다.

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전파의 성질 - 회절

 전파는 빛과 같이 직진하지만, 전파가 도달할 수 없는 산이나 건물 뒷면에서도 라디오나 TV가 수신되고 휴대폰 통화도 되는 것은 전파의 회절 때문입니다. 즉, 전파의 흐름이 진행되다가 장애물을 만나면 장애물을 돌아 휘어져서 장애물 뒤쪽까지 도달하는 현상을 말합니다. 이런 장애물을 돌아가기도 하지만 미세한 틈이 있다면 미세한 틈을 통과하여 다시 퍼져나가기도 합니다. 흔히 휴대폰을 사용할 때 건물이나 산 등에 가려 기지국의 안테나가 보이지 않는 곳에서 통화하는 경우가 훨씬 많습니다. 만약 전파가 회절 없이 직진성만 가지고 있다면, 통화는 물론 이동전화의 대중화는 상당한 어려움에 봉착하여 많은 시간이 걸렸을 것입니다. 그러므로 전파의 회절은 이동통신에 있어서, 없어서는 안 되는 아주 중요한 특성이라고 할 수 있습니다.

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전파의 성질 - 반사성

 만약 철창 안에 있을 때 빛은 철창 사이로 비추어 들어오지만, 라디오는 수신이 잘 안되는 현상이 발생합니다. 그 이유는 고스트(Ghost) 현상 때문입니다. 고스트 현상은 텔레비전 화상이 이중, 삼중으로 겹쳐 보이는 현상으로, 방송국에서 날아온 전파가 빌딩 등과 같은 전파 반사체에 의해 반사된 전파와 합쳐져 나타나는 현상입니다. 이러한 현상과 유사한 현상으로 무선 이동통신에서 발생하는 다중경로 페이딩은 전파의 반사 현상으로 통화에 지장을 줍니다.

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전파의 성질 - 전반사

 전파에는 2종류의 전파경로가 있습니다. 하나는 지구의 구면을 따라가는 전파경로이고, 하나는 하늘에서 반사되는 전파경로로 구분할 수 있습니다. 하늘에서 반사되는 전파경로는 전자로 이루어진 전리층이라는 부분이 있어 형성되는 전파경로입니다.

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전파의 성질 - 굴절성 

 빛이 한 물질에서 이동하다가 다른 물질로 이동할 때 본래 방향과는 약간 다른 각도의 방향으로 진행하며, 진행 속도도 달라집니다. 전파도 마찬가지입니다. 전파가 공기 중에서 이동하다가 물속으로 이동하면 약간 굴절되게 되며, 속도도 느려집니다.

 

 

전파가 발생하는 과정

 

전기의 정체