안테나, 그 성질과 구조, 종류

안테나

 안테나는 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 방사하거나, 전파를 받아서 전기적인 신호로 바꾸어주는 역할을 수행하는 장치입니다. 송신의 경우 송신기에서 보내고 싶은 전기신호를 전파로 바꾸어 멀리까지 보내게 되고, 멀리서 송신된 전파를 수신하면 그 전파를 전기적인 신호로 바꾸어 수신기에 전달하기도 합니다. 안테나는 임피던스, 이득, 지향성 등의 성질을 가지고 있으며, 엘리먼트, 코일 등의 구조를 지니며, 수직 접지형, 혼, 야기 등의 다양한 종류가 있습니다.

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 주로 알루미늄이 많이 사용됩니다. 전기 전도도가 높을수록 손실되는 전력이 줄어들고, 녹이 덜 슬수록 안정적으로 신호를 받을 수 있습니다. 하지만 금이나 은으로 만들기엔 재료비가 많이 들고, 구리는 온도변화에 민감하고 무겁기까지 합니다. 그렇기 때문에 주로 알루미늄을 사용합니다. 하지만 가정용에서는 철을 사용하거나 크롬으로 도금된 구리를 사용하기도 합니다. 또한 사용되는 파장에 따라서 안테나의 길이도 정해집니다. 파장이 짧아질수록 안테나를 작게 만들고 파장이 길수록 길이를 길게 만듭니다.

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임피던스

 임피던스는 전체 회로에서의 저항값을 나타냅니다. 송수신기, 동축 케이블, 그리고 안테나 등 송수신을 담당하는 모든 회로, 장치들은 각각의 임피던스를 가지고 있습니다. 송수신기, 동축케이블, 안테나 이 세 가지의 임피던스값이 일치할 때 가장 효과적으로 전파가 전해지게 됩니다. 보통 송수신기와 동축케이블의 임피던스는 50Ω으로 고정되어서 생산됩니다. 하지만 안테나의 임피던스는 50Ω이 아닌 경우가 많습니다. 그렇기 때문에 안테나의 임피던스가 50Ω에 가깝도록 조정을 해주어야 합니다. 이러한 조정을 매칭(Matching)이라고 합니다. 임피던스가 일치하는 정도를 정재파비(SWR)로 표현합니다. 이 값이 1에 가까울수록 매칭이 잘되어 전파를 더욱 효과적으로 송수신할 수 있고, 송수신기의 손상도 적어집니다.

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이득

 이득의 사전적 정의는 최대 복사 방향에서의 기준 안테나와의 단위 입체각 당 방사 전력으로 안테나의 성능을 의미하는 것으로 볼 수 있습니다. 안테나에 일정한 출력이 보내져도 안테나의 성능에 따라 더 높은 출력의 전파를 보낸 것과 같은 효과가 발생하게 됩니다. 이러한 효과를 이득이라고 표현합니다. 단위는 dB이며, 이득이 높은 안테나를 사용하게 되면 작은 출력으로도 멀리 있는 무선국과 효과적으로 교신이 가능합니다. 기준이 되는 안테나에 따라서 절대 이득과 상대 이득으로 구분됩니다.

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지향성

안테나가 특정 방향으로 전파를 집중시킬 수 있는 능력입니다. 이러한 지향성을 갖춘 안테나를 지향성 안테나라고 하며, 반대로 지향성이 없이 모든 방향으로 균일한 전파를 보내는 안테나를 무 지향성 안테나라고 합니다. 무 지향에서는 단일 수평면에서만 무 지향인 경우와 모든 방향에서 무 지향인 안테나로 나뉩니다. 안테나의 용도에 따라서 지향성 안테나를 사용하거나 무 지향성 안테나를 사용합니다. 지향성 안테나는 전파의 발신지를 찾는 일에 대표적으로 사용됩니다. 목적으로 하는 방향에 전파를 더 많이 보내어 전파의 발신지를 찾는 것입니다. 이렇게 방향을 바꾸어줄 필요가 있으며 수평으로 방향을 바꾸는 장치를 ‘로테이터’, 수직으로 방향을 바꾸는 장치를 ‘엘리베이터’라고 합니다.

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안테나 엘리먼트

 안테나의 여러 부분 중에서 실제로 전파를 송수신하는 부분을 엘리먼트라고 합니다. 안테나의 실질적인 부분이며, 전기 전도도가 좋은 도체로 되어 있습니다.

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공진

 안테나가 어떠한 특정 파장의 전파를 가장 효과적으로 송수신하는 현상을 의미합니다. 안테나의 길이가 파장 절반의 정수배와 같으면 안테나는 공진합니다. 이때 이 전파의 주파수 중에서 가장 낮은 주파수를 안테나의 공진 주파수라고 합니다. 사실상 안테나의 사용할 수 있는 주파수입니다.

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로딩코일(연장코일)

 안테나에 코일을 삽입하게 되면 안테나의 공진 주파수가 높아집니다. 안테나의 길이가 파장 절반의 배수보다 짧아도 동일한 주파수의 전파에 공진할 수가 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 실질적 길이를 연장해주는 코일을 로딩코일, 또는 연장코일이라고 합니다. 이와 반대로 안테나에 콘덴서를 삽입하면 안테나의 공진주파수가 낮아지게 됩니다. 안테나의 길이가 파장 절반의 배수보다 길어도 공진할 수 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 실질적인 길이를 줄여주는 콘덴서를 단축 콘덴서라고 합니다. 로딩코일 이나 콘덴서를 사용하면 상황에 맞추어 전파를 수신할 수 있지만 이득이 감소하게 됩니다.

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트랩

 하나의 안테나로 여러 주파수의 전파를 이용하려고 할 때 사용되는 코일을 트랩이라고 합니다. 코일도 안테나처럼 공진 주파수를 가지고 있으므로 코일이 삽입될 경우 그 주파수에 해당하는 전파에도 공진할 수 있습니다. 그렇게 하나의 안테나를 여러 주파수에 공진시켜서 사용할 수 있습니다.

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동축케이블

 안테나에 전기를 공급해주는 전선을 급전선이라고, 이 급전선 중에서도 외부도체와 내부 도체로 이루어져 있는 전선이 동축케이블이라고 합니다. 외부 도체와 내부 도체의 중심이 즉, 축이 일치하기 때문에 동축케이블이라고 부릅니다. 동축케이블은 고유의 임피던스와 재료, 크기, 성능에 따라 여러 가지의 규격을 가지고 있습니다. 주로 RG8이라는 굵은 동축케이블과 RG58이라는 가는 동축케이블을 사용합니다.

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안테나의 종류

 대지에 수직으로 설치하는 수직 접지 안테나는 끝단을 직접 접지하거나 송신기를 통해 접지하는 방식이 있습니다. 또한, 2개의 수직 안테나를 조합 배열한 안테나로 전체 8방향의 지향성을 갖는 애드콕 안테나도 있습니다. 2개의 도선을 수직면 내에 역 V자로 배열하여 한쪽에서는 급전, 한쪽에서는 부하를 통하여 접지하는 역 V형 안테나도 사용됩니다. 이외에도 물고기 뼈 형상을 한 어골형 안테나, 안테나 전방의 전계 강도와 이득을 키운 야기 안테나, 기지국에 사용되는 Whip 안테나, 메가폰과 같이 출구를 서서히 넓히는 혼 안테나, 구 포물면이나 원통 포물면을 부착하여 위성 통신용에 사용되는 파라볼라 안테나가 있습니다.

 

 

주파수와 전파의 성질

 

전파가 발생하는 과정