1. 전자기학 이론을 기반으로 해서 안테나가 어떻게 동작하는지 계산할 수 있도록 진행하도록 할게요.
2. 두 번째로는 안테나의 fundamental 전원이 있을 때 하나의 안테나에 송신기를 연결해서 안테나가 하나의
전류 소스가 된다. 전류 소스가 안테나 형태에 따라서 분포하게 되는데 전류 소스의 분포가 어떻게 일어나는지
복사가 일어났다고 보고 반사 투과 굴절이 어떻게 일어나는지 보았는데
안테나 공학에서는 안테나 형태에 따라서 전류 형태가 결정되고 전류 형태에서 복사가 어떻게 일어나는지 주로 다룬다.
그린함수를 이용해서 복사 문제를 다루게 된다. 복사 함수라는 것이 general 한 형태를 다루게 되는데
안테나의 전자파 복사라는것은 일단은 원거리 패턴을 갖고 다루게 됩니다.
파장과 안테나 사이즈에 따라서 근거리와 원거리를 구분하는 기준을 알게 되고
3.far-field가 되었을 경우 전원의 분포와 원거리 장의 분포가 어떤 관계가 있겠느냐에 대해서 알게 된다.
far-field가 되면 근사가 용이하다.
4. 안테나의 파라미터, 패턴, 지향성, 이득, 임피던스 등등을 다루며
5. 안테나의 여러 가지 형태들에 대해서 어떻게 해석하는지 특성은 어떻게 나타나는지
다이폴 안테나에서는 일반적인 길이가 있을 경우 반파장 안테나가 어떻게 나타나는지
uniform 한 소스가 있을 경우에 전류 소스의 크기와 안테나의 빔폭이라던지 안테나의 패턴이 어떤 관계가 있는지
많은 시사점이 있어서 uniform 소스에 대해서 얘기하고 안테나의 스캐닝 원리에 대해서
어떻게 변하는지 알아보도록 한다.
7.Array 안테나 같은 경우 어레이 안테나는 어떤 연관 관계가 있겠느냐
능동위상 배열 안테나의 기본적인 원리가 된다. 빔 스캐닝이라든지 빔포밍이 어떻게 이뤄지는지 알아보자
8.folded dipole, Yagi-Uda, traveling antennas
9. 대역폭이 굉장히 중요한데 하나의 안테나를 이용해 여러 가지 주파수를 이용하기도 하고 통신 대역폭을 늘려서
그래서 이제 전통적으로 광택 안테나로 어떤 안테나들이 사용되고 있는지 보도록 하자
10. 개구면 안테나 Aperture 안테나가 된다. 다른 안테나 같은 경우 와이어 자체에 전류가 흐르는데
에퍼쳐 자체에 전류가 흐르지 않고 에퍼쳐에 나타나는 필드에 의해서 등가 전류에 의해서
복사가 어떻게 이뤄지는지 복사 패턴을 계산한다.
11. 최근에 많이 사용되는 마이크로스트립 안테나에 대해서 해석을 하고 반사판 안테나도 다루도록 합시다.
전반적으로 안테나 공학은 기본적인 이론에서 출발해서 어떻게 다룰지 해석하게 됩니다.
통신의 관점에서 생각해보면 어떤 소식을 전할 때 파발을 전달하는 방법이 있었는데
신호를 이용해서 멀리있음에도 통신을 할 수 있었다. 대표적으로 Sound가 있었고
또는 시각적인것을 이용해서 깃발을 사용한다던지~ 이러한 수단이 있었죠.
전자파가 없었다면 불편했겠죠? 그래서 현대 문명은 전자파가 잘 연구됨으로써 현대문명이 시작된 거죠.
radio를 이용해서 통신했었다. 안테나는 일반적으로 guided wave 송신기로부터 나오는 신호를
선로를 따라오는 신호를 자유공간으로 보내기 위한 소자다.
우리는 특별한 안테나에 대한 디자인이 필요하다. 원하는 방향으로 보낸다던지 좁은 빔폭을 이용해서
한지점으로 송신하기도 하고 넓은 지역에 골고루 퍼져야 하기도 하고
목적에 따라서 가이디드 웨이브로부터 안테나로 전송되는 디자인을 해야 할 필요가 있다.
전자기 스펙트럼을 이용한다.
유선통신을 이용해서 한지점에서 다른 지점으로 신호를 보낼 수 있었고
이러한 수단들에 비해서 전파를 이용하게 되면 훨씬 자유롭게 통신이 가능하다.
전자파라는 것은 인간의 활동범위를 획기적으로 확대시켰습니다.
전파들의 이론에 기여한 여러 가지 사람들을 보도록 합시다.
Electrostatics Magnetic ~~ 나눠놨지만 전자파가 곧 빛이기 때문에
한쪽에서 발전하면 다른 한쪽도 발전하는 것이죠
광학과 전자기를 바탕으로 해서 Time-Varying에 대해서 연구가 시작이 되었고
패러데이(시변 자기장으로부터 시변 전기장이 유도되는 것을 실험적으로 알아냄)
로렌츠(로렌츠 힘의 법칙-전하가 이동할 경우 갖는 힘에 대해서 이론을 만듦)
이러한 이론들이 합쳐져서 결국 Maxwell에 의해서 집대성이 되어서 통합되었다.
맥스웰 방정식으로부터 전자파가 일어날 수 있다. 전자파가 전파될 수 있다.
파동 방정식을 만족해서 전자파가 발생할 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
맥스웰 방정식을 실험적으로 헤르츠나 마르코니 등이 증명을 해냈다.
그 이후에 ATOMIC PHYSICS와 RELATIVITY으로 뻗어나가면서 발전해왔다.
전자파가 파동이 있다는 것에 대한 히스토리를 보도록 하자.
헨리가 전자파가 파동이 있다는 것을 실험적으로 발견했다.
위층에서 회로에 스파크가 있을 때 아래층에서 바늘이 자화가 되는 것을 확인했고
이것을 전자파의 최초의 발견이다.
맥스웰이 이론적으로 전자파가 있을 수 있다고 주장을 했다.
전기장과 자기장을 단일화를 시키고 전자파가 발생할 수 있으며 빛도 전자파의 일종이다.
빛의 속도를 전자파의 파동 방정식으로부터 유도할 수 있다.
헤르츠는 실험적으로 맥스웰의 주장을 증명한 사람이다.
그래서 그림에 보면 안테나가 있으면 리플렉터가 있고 실린더형의 안테나를 만들어서
전기적인 disturbance가 안테나에 의해서 디텍션 될 수 있다는 것을 실험적으로 전파를 확인했다.
마르코니는 리플렉터를 만들어서 1.2 GHz의 통신을 하기도 했지만
가장 큰 기여는 transatlantic radio communication을 했다. 70-kHz 송신기를 이용해서
50개 와이어를 연결하고 일종의 모노폴 안테나를 만들게 된다.
모노폴 안테나를 펼쳐놓게 되면 '광대역'모노폴 안테나가 된다.
대서양을 건너서 미국에서 수신을 하는 것을 성공했다.
마르코니를 '전파의 아버지'라고 부르기도 합니다.
배에서 해안까지 3마일 통신을 했었는데 마르코니의 효과가 훨씬 컸다.
마르코니는 상업적인 여러 가지 기기를 개발을 했다.
산업화를 시키며 큰 공을 세웠다.
출석 퀴즈
마르코니는 무선의 아버지라고 불리는데
마르코니가 한 일을 정리해서 제출합시다.
안테나는 어디에 사용되는지 알아보도록 합시다.
1. 이동통신에 사용이 됩니다. 터미널보다는 중계기, 베이스 스테이션 등 안테나 등이 활용되고
5G가 되면 베이스 스테이션이나 이런 것들이 촘촘하게 깔려야 한다.
5G는 3.4-3.7 GHz 정도 사용이 되어야 한다.
앞으로는 26.5-29.5 GHz 주파수 대역도 개발될 것이다.
mm파가 되면 전파 특성이 달라져서 많은 해석과 기술 개발이 필요하다.
5G의 특징이 Beam Forming을 이용해서
전 cell을 만들어서 셀 내에 전파가 골고루 퍼질 수 있도록
5G에서는 수요자가 만을 수록 빔의 패턴을 맞춰서 빔 패턴을 바꾸겠다.
능동 위상배열 안테나를 만들어서 빔 패턴을 수시로 조절하겠다는 것입니다.
안테나의 기술이 포함이 많이 되어있다.
셀 사이즈를 줄이게 되면 가 입자 수를 늘릴 수 있다.
스몰 셀의 장점은 셀이 작아지게 되면 편파를 응용할 수 있다.
현재는 편파에 대한 구분이 없지만 앞으로 편파를 활용한다.
2. 방송과 모바일 TV
3. 레이더와 안테나=> 반사형 혹은 능동 위상배열 레이저~
다목적 혹은 다기능 안테나를 이용할 수 있다.
하지만 박열 문제가 있으며 무게가 늘어나게 되는 문제가 있다.
능동위상배열 안테나는 제약 조건이 붙는다.
5. 항공관제에서도 안테나가 많이 사용됩니다.
안테나는 응용범위가 굉장히 넓습니다.
우주개발이 시작된 이래로 다양한 위성이 개발되었다.
지구 궤도 위성은 저고도 위성과 고고도 위성이 있다.
초기에는 행성을 지나가는 위성이 있었고
Mars Mission, planet orbiter, SAR
Planet Orbiter==> 행성 궤도를 회전하면서 관측
모든 안테나에 탑재되는
TT&C는 S밴드를 사용한다.
데이터 전송용==> 지상국과 데이터를 연결하기 위해 사용-> X밴드를 주로 사용
지상 방송용 안테나
Navigation
SAR
MLS 등등 다양한 형태로
우리나라에서 초기에 발사했던 위성
SAR 안테나는 능동 위상배열 안테나로 구성
데이터 통신용 안테나는 동그란 형태로 되어서 ISO flux 패턴으로 되어있다.
빔폭이 평평하게 설계되어있다. 위성이 지구국 상공을 지나갈 때
지상으로 송수신해야 하는데 위성이 빠르게 지나가서 지구와
통신할 수 있도록 하기 위해서 안테나를 설계하게 된다.
안테나의 게인은 평평하지만 스쿠터는 빠르게 떨어질 수 있도록
서레인을 장착하는 등의 기술이 존재한다.
독일에서 개발한 위성인데 sky rador와 기능은 같지만 형태가 많이 다르다.
위성을 개발하는데 능동위상배열 안테나를 사용하면 많은 비용이 들어가게 된다.
위상을 특정한 지역을 빠른 주기로 관측할 수 있게 할 때 유리한 경우가 있다.
그렇기 때문에 능동 배열 안테나 대신 반사형 안테나를 사용하기도 한다.
이것은 Deployable Antenna라고 부른다.
독일에서 개발한 SAR-Lupe 5개의 궤도를 돌아다니며
이스라엘에서 개발한 Mesh를 이용해 만든 TECSAR는 안테나를 접었다가 펼칠 수 있다.
Sweep SAR 기술을 장착한 NISAR가 개발이 된다면 2주 만에 지구를 전부 관측할 수 있을 것이다.(기존은 1년에 한 번)
복합 소재를 이용해서 Deployable 안테나를 만들 수 있다.
Inflatable은 열을 가해서 펼치는 방식
ISO flux 패턴을 구현해서 넓은 지역에 같은 세기의 신호를 보낼 수 있는 기능을 한다.
카시니 위성은 지구에서 발사돼서 토성에 도달하는데 7년이 걸린다.
첫 번째로 금성에서 힘을 받는다. 카시니 위성이 금성의 중력을 이용해서 힘을 받고
금성의 공전 궤도를 따라가다가 한 번 더 swing by 해서 지구에서 중력의 힘을 받고
목성에서 힘을 한번 더 받아서 토성에 도달하는 설계를 하고 있다.
궤도에 관한 연구가 필요할 것이다.
멀리서 사용하기 때문에 High gain과 Low gain 안테나가 있어서
여러 가지 기능을 동시에 하고 있고 주로 Circular polization
ASR SSR 회전을 하면서 감시기능을 할 수 있는 레이더이다.
평면형으로도 안테나를 만들 수 있고 리플렉터 대신에 어레이를 사용해서
상하 빔으로 감시를 하는 그런 레이더를 만들 수 있다.
지금부터 안테나에 대한 기본적인 개념에 대해서 봅시다.
안테나가 어떻게 신호를 보낼 수 있는지? 보도록 합시다.
Radiationd은 소스가 진동을 해서 디스터번스가 발생하면 디스터번스가 전파되는 것이다.
소스의 디스터 번스가 electomagnetic field의 디스터번스가 돼서 전파되는 것이 Radiation이다.
그래서 이 디스터번스는 시간에 따라서 변화하는 소스에 의해 발생
잔잔한 호수에 돌을 떨구면 파도가 발생해서 퍼져나가는 것과 같은 원리라는 것을 알려준다.
전하가 상하로 진동하면 디스터번스가 발생해서 파동이 발생해서 퍼져 나간다.
안테나가 그런 역할을 한다. 차지가 +-+-바뀌는 것이다. 전류가 위아래 흐르게 된다.
그래서 차지가 +-바뀌는 거나 전류가 상하로 흐르는 것이나 치환해서 얘기할 수 있다.
전송선로가 있으면 끝이 오픈되어있으면 전류 분포가 스탠딩 웨이브가 되겠고
아래쪽은 반대로 전류가 흐르게 되는데 이것을 그대로 두면 위아래 전류가 서로 반대 방향이라서
멀리서 보면 전류가 흐르지 않는 것처럼 보이겠죠.
람다/4 마다 꺾어버리면 전류가 합쳐지게 돼서 전류 분포가 코사인 형태가 되겠죠
이것이 다이폴 반파장 안테나의 원리가 됩니다.
전하가 +- 충전되면서 전기장이 형성되고
전류가 흐르게 되면 전하가 거의 0으로 되면
전기장이 옆을 퍼져나가서 중앙에는 전기장이 나타나지 않고
퍼져나가는 전파가 일어난다.
안테나의 정의:전자기파를 복사하거나 수신하는 시스템의 소자다'라고 정의할 수 있다.
안테나의 파라미터들을 정리했는데
복사 패턴에는 여러 가지 패턴이 존재한다. 디렉티비티가 있는데 이것은 지향성이다.
편파는 수평 편파 수직 편파가 존재하며 선형 편파와 달리 원형편파도 존재한다.
안테나의 임피던스에 관해서는 나중에 설명을 하겠습니다.
선로 임피던스와 매칭이 이뤄질 수 있도록 설계를 했고
대역폭들이 있고 안테나의 스캐닝, 빔 방향을 조절할 수 있다.
시스템 consideration으로서 안테나의 사이즈도 중요하다.
무게 또한 중요합니다. (위성 같은 경우)
안테나의 파워 핸들링 안테나의 구조에 따라서 여러 가지 부작용이 발생할 수 있다.
레이다 크로스 섹션은 멀리서 봤을 때 안테나가 가급적 있다는 것이
드러나지 않게 하기 위해 고려해야 할 수 있다.
이외에 여러 환경적인 요소를 고려해야 할 수도 있다.
안테나의 패턴과 지향성에 대해서 생각해보자.
안테가 있을 때 최대 복사 전력 밀도와 평균 전력 밀도가 있는데 ISOTORPIC 하게 퍼져 나가면 둥글게
지향성이 있다면 최대 전력 밀도가 있다. 안테나의 지향성이 있다. 1보다 크다.
안테나의 지향성에 해당되는 것을 안테나의 '이득'
외부에서 전력을 가해주는 것이 아닌데 왜 이득이라고 부르느냐
지향성을 높여주면 ISO에 비해서 더 큰 신호를 수신할 수 있기 때문이죠.
안테나에서는 안테나 설계에 따라서 이득을 얻을 수 있어서
송신이나 수신 시스템의 부담을 줄여줄 수 있다.
첫 번째로 스몰 안테나 ==> 쇼트 다이폴 혹은 스몰 다이폴이 있다.
실제로 많은 활용은 안되지만 알아보자.
낮은 지향성 낮은 인풋 저항 높은 리액턴스, 낮은 전파 효율
일렉트릭 다이폴과 마그네틱 다이폴이다.
같은 역할을 한다.
공진형 안테나. 공진을 일으키면 리얼 넘버를 갖게 된다. (리액턴스 성분이 거의 0이 된다)
리액턴스 매칭이 용이하게 되고 안테나 인풋 임피던스가 리얼이면 가해준 신호가 복사로 되돌아오지 않는다는 것이다.
대부분의 신호가 복사되는 것. 리액턴스 성분이 있다면 되돌아오는 부분이 있어서 복사에 기여하는 부분이 적다.
공진형 안테나는 밴드 위스가 낮아서 주파수에서 벗어나면 성능이 나빠지게 된다.
이러한 안테나를 여러 개 구성해서 넓은 주파수를 만들 수도 있다.
야기 안테나는 공진형임에도 디렉터와 리플렉터를 이용해서 높은 이득을 얻을 수 있다.
광대역 안테나는 게인은 공진형과 비슷하게 나타나지만
주파수가 바뀌더라도 이득이 일정하고 인풋 임피던스도 리얼 넘버로 유지되는 것을
광대역 안테나라고 부른다. 대표적으로 Spiral 안테나
Log periodic 다이폴을 여러 개 사용해서 넓은 범위에서 공진을 일으키도록 한다.
Horn안테나와 리플렉터 안테나가 있다. 혼이나 리플렉터 안테나.
리플렉터 안테나는 High gain을 구현할 수 있으며
Horn은 약 15db
high gain, frequency를 사용할 수 있다.
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