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안테나
안테나(antenna)는 특정 영역대의 전자기파를 송신 혹은 수신하기 위한 변환 장치이다. 흔히 볼 수 있는 라디오, TV, 무선 공유기, 휴대폰 등이 모두 안테나를 사용하여 신호를 받는다.[1]
목차
개요
안테나는 전자기파를 공간으로 전달하거나 받기 위한 변환 장치이다. 무선통신에서 통신의 목적을 달성하기 위해 송신할 때는 송신기에 의해 변조된 교류전압을 전자기파로서 대기 중에 방사하고, 반대로 수신할 때는 전자기파를 수신기에 의해 평가된 교류전압으로 변환시키는 기능을 수행한다.[2] 안테나는 라디오, 텔레비전 등 방송, 무선교신 등을 위해 실용적 목적으로 널리 쓰이고 있다. 주로 지상 혹은 공중의 대기중이나 우주 공간에서 작동하며 물속이나 땅속에서는 작동에 제한을 받는다. 대부분의 안테나들은 사용하는 전파의 파장에 따라 그 길이가 정해진다. 가장 많이 쓰이는 형태 중 간단한 것은 전파 파장의 4분의 1크기의 전도체 막대이다. 이런 안테나는 무지향성이며 수신과 송신에 따른 제약이 없지만, 안테나 양끝 방향으로의 수신이 되지 않는 음영지역이 있는 단점이 있다. 다른 안테나의 경우, 전도체를 급전되는 방사체 주위에 적절히 배열하여 지향성을 가지는 안테나가 있다. 이는 추가적인 전도체 막대나 코일을 추가함으로써 전파의 지향성을 만들어 낸다. 또한 이러한 하나의 안테나를 여러 개 그룹으로 묶어 네트워크를 형성하여 쓰는 것도 가능하다. 지향성 안테나는 특정 방향으로만 송수신이 잘 되기 때문에 모터를 사용하여 회전시켜 사용하기도 한다.[3]
역사
안테나는 1885년 토머스 앨바 에디슨(Thomas Alva Edison)에 의해 처음 안테나가 쓰였으며 특허를 받았다. 이후 1888년 하인리히 루돌프 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)에 의해 사용되어 전자기장을 증명하는 데 이용되었다. 안테나 용어가 쓰인 것은 1895년 굴리엘모 마르코니(Guglielmo Giovanni Maria Marconi)가 만든 무선 장치부터였다. 마르코니는 초기 무선 장치 실험을 하였는데 그는 2.5미터길이의 다이폴 안테나를 지지대 사이에 설치하여 사용하였다. 사용했던 지지대를 이탈리아어로 l'antenna centrale 라고 하였고, 간단히 l'antenna 라고 부르다가, 안테나라는 용어가 널리 알려지게 되었다. 영국에서는 안테나라는 뜻 대신으로 에어리얼(aerial)으로 쓰이기도 하며, 주로 고체의 정형화 되지 않은 형태나 그냥 선으로 된 안테나를 말한다. 안테나는 곤충의 촉각이라는 뜻으로서, 전파를 잡는 촉각과 같은 작용을 한다는 데서 이름이 생겼으며, 에어리얼이라는 것은 공중의 라는 뜻으로, 안테나를 공중선이라고 하는 것은 여기에 기인한다.[3]
구조
안테나의 구조는 5가지 기능으로 이루어져있다. 안테나의 여러 부분 중에서 실제로 전파를 송신하거나 수신하는 부분인 엘리먼트는 안테나의 실질적인 부분이며 전기가 잘 통하는 도체로 이루어져 있다. 공진(Resonance)은 안테나가 어떤 특정한 파장의 전파를 가장 효과적으로 보내고 받는 현상을 의미한다. 안테나의 길이가 파장의 1/2의 정수배일 때 안테나는 공진하게 되는데, 이 전파의 주파수 중에서 가장 낮은 주파수를 안테나의 공진 주파수라고 한다. 안테나에 코일을 삽입하면 안테나의 공진 주파수가 높아지게 되고, 안테나의 길이가 파장의 1/2보다 짧아도 동일한 주파수의 전파에 공진하게 된다. 이렇게 안테나의 길이를 단축시켜 주는 코일을 로딩 코일 이라고 한다. 로딩 코일은 설치 장소보다 안테나의 길이가 너무 길 때 이용된다. 트랩은 한 안테나로 여러 주파수의 전파를 이용하려고 할 때에 사용한다. 동축 케이블은 외부 도체와 내부 도체로 이루어져 있는 전선이다. 외부 도체와 내부 도체의 축이 일치하고, 고유한 임피던스와 크기, 재료, 성능에 따라 여러가지 규격을 갖고있다. 또한, 막대 안테나의 경우, 안테나 베이스 및 안테나 팁을 포함한 로드로 구성되어 있다.[4]
작동 원리
안테나의 작동 원리는 전압은 안테나에 전기장을 형성하고, 전류는 자기장을 형성한다. 안테나 팁은 안테나 베이스와 함께 커패시터로서 기능하는데, 이때 커패시터의 두 판은 서로 멀리 떨어져 있는 상태가 된다. 안테나의 팁과 베이스 사이에 전압이 작용하면, 전기장이 형성되고, 전기력선은 안테나 로드에 나란하게 방출된다. 교류전압 주기 중에 전압이 상승하거나 하강하면, 안테나 로드를 통해 전류가 흐르며, 코일처럼 기능하여 자기장을 생성한다. 자기력선은 안테나 로드 주위에 링처럼 배열된다. 전기장 및 자기장은 교대로 바뀌고, 송신 안테나에 의해 서로 간에 직각을 이루며 방사된다. 이들을 합쳐서 전자기파라고 한다. 송신용 안테나나 수신용 안테나도 기본원리는 같으나, 사용하는 주파수에 따라 모양이 여러 가지로 달라진다. 안테나를 효율적으로 작동시키기 위해서는 안테나를 사용하는 주파수에 공진시킬 필요가 있다. 수직형 안테나는 동축 안테나 또는 슬리브 안테나라고도 하는데 그 길이를 사용하는 파장의 1/4 또는 1/2로 공진하지만, 실제로는 안테나가 너무 길어지므로 코일이나 콘덴서를 사용해서 공진시키고 있다. 단파나 초단파에서는 파장이 짧으므로 1/2파장의 안테나를 쓰고 있다. 동축 안테나는 택시 무선이나 기타 초단파를 사용하는 통신장치의 송수신 안테나로서 많이 사용된다.[5]
종류
안테나의 종류는 기본적인 안테나 형태부터 시작해서 특정 목표에 맞게 별도 설계된 안테나까지 다양한 안테나가 존재한다. 크게 막대기처럼 생긴 안테나와 고리처럼 생긴 안테나로, 모든 방향으로 에너지를 방사하는 것과 특정 방향으로 에너지를 방사하는 것이 있다. 수직 안테나 또는 휩 안테나는 갸름한 막대기 모양을 가지는데, 이는 수평 방향으로는 에너지 방사를 일으키지만 위아래 수직방향으로는 에너지 방사를 일으키지 않는다. 통신 시스템에서 상황에 따라 요구되는 안테나의 특성은 각기 다르며 시스템에서 요구하는 특성을 만족하는 안테나를 올바르게 선정 혹은 제작하여야 목표하는 시스템을 원활히 동작 시킬 수 있다.[6]
다이폴 안테나
다이폴 안테나(dipole antenna)는 줄여서 DP라고도 하며, 케이블 끝에 2 개의 직선 도선을 좌우 대칭으로 붙인 안테나이다. 선상 안테나의 기본이 되는 안테나이며, 가장 구조가 간단한 안테나이다. 무선용 자작 안테나로 널리 보급되어 있고, 이론적인 안테나 이득은 2.14dBi이다. 도선은 수평 상태로 이용하는 경우가 많으나, 설치 공간을 절약하기 위해, 상향 각도를 조정하여 원거리 통신에 유리하기 때문에 경사 또는 수직 상태로 사용하는 경우도 있다.[7] LC 공진회로에서 전하를 축적하는 축전기가 펼쳐지면서 다이폴 안테나가 만들어진다. 안테나에서 빨간색의 자기장과 수직으로 파란색의 전기장이 나타나는데, 이것이 서로 전기적인 진동을 함으로써 전자기파를 형성한다. 안테나의 길이는 수신하려는 파장의 길이와 연관성이 있으며, 이때 안테나가 전파에 맞춰 공진할 수 있다. 일반적으로 안테나의 길이는 파장의 길이(λ)에 전파장, 1/2, 1/4 안테나가 사용된다.[8]
모노폴 안테나
모노폴 안테나(Monopole antenna)는 다이폴 안테나처럼 직선 형태로 되어있고, 한쪽 도체 대신 접지로 설치된 안테나이다. 구조가 간단하고, 소형화가 가능한 무지향성 안테나로, 수납형 안테나로서 가장 적합한 형태이다. 수직 접지 안테나라고도 하며, 지상에 수직으로 도체를 세우고, 하단에는 고주파 전력을 급전한다. 주로 중파, 단파대에서 많이 사용하여 이동통신용 개인휴대 단말기나, FM라디오수신기 장비등에 많이 사용된다. 모노폴 안테나의 모양은 보통의 반파장 다이폴 안테나와 달리, λ/4 길이의 소자를 접지한 형태의 안테나이고, 모노폴 안테나 방사패턴은 E 면은 낮은 지향성으로 도넛 또는 8자 모양을 띄우고, H 면은 원형 모양으로 모든 Φ 방향으로 균일하여 지향성이 없다.
패치 안테나
패치 안테나(Microstrip Antenna)는 마이크로스트립 안테나의 일종으로 스트립 모양의 도체의 폭을 넓게 하여, 패치 모양으로 한 도체를 안테나로 한다. 패치 형태는 직사각형, 정사각형, 원형, 원형링 등이 있고, 인쇄형 안테나의 가장 일반적인 형태이다. 얇고 낮은 손실과 낮은 유전율을 가진 유전체 위에 약 λ/2 길이의 얇은 직사각형 금속 패치판으로 이루어진 안테나로, 접지판 상에 붙어있는 저손실 유전체 기판 위에 금속 패치가 부착된다. 패치 안테나의 특징은 공진형 안테나의 일종으로 공진 주파수는 기판의 유전율과 층의 성질에 크게 의존한다. 장점은 제작이 용이하고, 회로와 함께 집적이 가능하다. 단점으로는 상대적으로 안테나 대역폭이 좁고, 저전력 방사만 가능하다.[3]
파라볼라 안테나
파라볼라 안테나(parabolic antenna)는 포물선 반사를 이용한 안테나이다. 포물선 회전체의 단면을 반사판으로 삼아 수집한 전파를 초점에 모을 수 있도록 설계되어 있다. 보통 접시와 닮은 모양새를 하고 있어서 접시 안테나라고도 하고, 지향성이 커서 위성 통신과 같은 초고주파 대역의 전파를 사용하는데 주로 쓰인다. 타 신호에 의한 잡음 유입이 적으며 장애물이 없는 한 반드시 높은 곳에 설치할 필요는 없으나 풍압을 많이 받고, 비와 눈이 쌓이는 등에 단점이 있다.[9] 파라볼라 안테나는 지향성 안테나로서 점대점(point-to-point) 통신에 사용된다. 파라볼라 안테나를 사용하는 서비스로는 도시 사이 방송 통신 신호의 마이크로웨이브 전송, 무선 네트워크를 위한 데이터 통신 전송, 위성 통신을 위한 위성과의 전송 등이 있다. 전파망원경 역시 파라볼라 안테나의 일종이다. 또 다른 예로는 레이다가 있다.[10]
야기-우다 안테나
야기-우다 안테나(Yagi-Uda antenna)는 야기 안테나라고도 부르며, 하나의 여진 소자와 부가적인 비여진 소자로 구성된 지향성 안테나이다. 1920년대에 공학자 야기 히데쓰구(八木秀次)와 우다 신타로(宇田 新太郎)에 의해 개발되었다. 도파기(Director), 반사기(Reflector) 등으로 이루어져 있으며, 흔히 TV 수신 안테나로 알려졌다. 야기-우다 안테나의 특징은 구조가 간단하고, 가격이 싸며, 비교적 높은 이득이 가능하다. 단점은 협대역(narrowband)으로 좁은 대역폭이다. 초단파, 극초단파 대역에서 많이 사용하고, 안테나 이득은 7 ~ 15 dBi 정도이다.[11]
스마트 안테나
스마트 안테나(smart antenna)는 배열 안테나(array antenna)의 위상을 제어하여 원하는 방향으로 특정 신호를 송수신하는 안테나이다. 빔포밍 기술에 국한된 기술 용어였으나, 점차 의미가 확대되었다. 스마트 안테나 기술은 음향 신호 처리, 레이다 추적과 검사, 전파 전문학 및 전파 망원경과 대부분의 셀룰러 시스템에서 사용된다. 스마트 안테나는 빔 형성 방법의 적응도 정도에 따라 스위치 빔 어레이 안테나와 적응 어레이 안테나로 나눌 수 있다. 스위치 빔 어레이 안테나는 미리 정해진 유한개의 안테나 빔 패턴 중에 수신전력에 따라 최고의 성능을 줄 수 있는 빔 패턴을 선택 수신하는 방식이고, 적응 어레이 안테나는 실시간으로 조정되는 무한개의 빔 패턴을 적응적으로 이용한다. 이와 같은 빔 형성 기술은 기지국에 배열 안테나를 설치하고 각 가입자에게 맞는 최적의 가중치를 독립적으로 계산하여 최적의 빔을 제공하는 데 사용된다.[12]
적용 사례
무선 전송 기능이 크게 향상되면서, 안테나를 적용한 사례가 늘어나고 있다. 안테나는 라디오 주파수대의 전기 신호를 전자기파로 바꾸어 발신하거나 그 반대로 전자기파를 전기 신호로 바꾸는 역할을 한다. 라디오나 텔레비전 등 방송과 전파를 이용한 무전기, 무선랜 양방향 커뮤니케이션 장치 그리고 레이다와 우주 탐사용 전파망원경 등에 널리 사용된다. 현재는 음의 유전상수와 투자율을 갖는 메타물질을 이용한 안테나를 제작하여 전자기파 방사를 조절하려는 노력도 활발히 진행되고 있다. 또한 무선 통신에 이용되기 위하여 더 작고 효율적인 안테나를 만드는 연구가 진행되고 있다. 디지털 시대로 접어들면서 안테나는 다른 형태로 변화해갔다. 1930년 자동차에 안테나가 처음 부착되기 시작하여, 라디오의 수신을 목적으로 안테나를 탑재했다. 하지만, 과거 자동차에 장착된 배터리의 전압은 6V 내외에 불과했고, 진공관을 통한 무선주파수 송수신기가 작동하려면 최소 50~250V의 직류 전류가 필요했기 때문에 전류가 부족했다. 1980년 중반대까지 대부분의 자동차에 막대 안테나가 적용되었지만, 차량용 안테나가 점점 짧아지면서 샤크핀 안테나, 필름형 안테나가 등장했다. 필름형 안테나는 안테나를 차량의 실내 유리창에 부착하기 때문에 외관에서 기존 안테나의 형태를 찾아볼 수 없고, 안테나가 차량의 실내에 위치하기 때문에 도난과 세차로 인한 고장이 나지 않는다. 또한 차체가 아닌 유리창에 부착되어 전파 방해의 가능성이 낮다. 스마트폰과 자동차의 연결 시스템 등이 발전하면서, 자동차의 안테나는 새로운 영역으로 진화하고 있다. 특히, 다양한 무선 통신이 하나의 모듈을 통해 구현될 수 있는 스마트 안테나 기능은 차량 간 무선 통신, 자율주행 등에 있어 핵심적인 기술로, 교통상황과의 연계 등을 통해 자율주행 자동차의 교통 안전 등도 함께 구현할 수 있다. 전파는 현재 가장 확실하고 빠르게 인간과 인간을 연결시켜주는 수단으로, 형태는 바뀌었지만 자동차의 안테나는 다양한 IT 기술에 기반한 자동차 시대의 기본 개념이 되었다.[13]
전망
신개념 안테나를 적용한 와이파이 6기반 스마트시티 기술을 개발하고 있다. 2021년 1월 4일 ㈜아이프리원(ifree1)은 국내 실외 무료 와이파이 통신망을 선점하고 빠르게 영역을 넓혀나가고 있으며, WiFi-6 기반의 초광대역 신개념 안테나를 개발하고 양산 준비에 돌입한다. 아이프리원은 초광대역 세계 최장거리 신개념 안테나 기술을 기반으로 고품질 광대역 와이파이용 AP 및 로라(LoRa) 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 장비 등을 생산하여 국내는 물론 2024년까지 400조원에 달하는 세계 5세대 이동 통신(5G) 스마트시티 시장 공략에 나설 예정이며, 이에 더 나아가 통합관제 플랫폼 개발을 완료하고 국내외 시장 선점을 위해 국내 통신사와 공동사업단을 구성하여 보급망 확대를 추진할 예정이다. 아이프리원에서 기존에 서비스 중인 공공팡 무료 와이파이 플랫폼은 보다 효율적인 와이파이 통신망으로 높은 수익구조의 스마트시티 구축을 목표한다. 또한 현재 국내 각 지자체가 추진 중인 공공 와이파이, 스마트시티 구축 시 각 부문의 IoT 시스템 구축에도 신개념 안테나 기술을 활용할 수 있어 매우 효율적이고 경제적이다. 도시 종단 간 적용 범위에 로라를 사용하면 스마트 주차 슬롯, 공공 조명 및 폐기물 관리 도구, 커넥티드 카 지원, 홈 오토메이션, 수질 및 오염 계량기, 예측 유지 보수 센서, 스마트팜, 스마트 양식장 및 심지어 도시 드론에 이르기까지 광범위한 IoT 서비스 통신망 플랫폼을 만들 수 있다. 이번에 개발된 아이프리원의 장비는 WiFi-6 기반 통합 기술 및 기존 제품 대비 2배의 영역을 포함하는 신개념 안테나 기술로 지하 지중구와 맨홀에서의 무선통신과 무선 관제가 무료 와이파이 통신망에서 가능하게 되었다. 현재 지하 맨홀 관리는 지중화된 통신선이나 전력선에서 장애가 발생한 이후 맨홀을 열고 인력을 지하공간에 투입하여 수리나 점검을 하는 방식이지만, 아이프리원의 통신 시스템을 이용할 경우 지하공간과의 실시간 무인 교신으로 이상 징후를 사전에 감지하는 예방 정비시스템을 활용하고, 선로 유지비용을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 전국적으로 맨홀은 약 400여 만개가 있으며 이번 솔루션을 통해 아이프리원의 국내외 시장에서 향후 상당한 매출 증대와 기업가치 상승 효과가 기대된다.[14]
각주
- ↑ 〈안테나〉, 《나무위키》
- ↑ 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 3.0 3.1 3.2 〈안테나〉, 《위키백과》
- ↑ 맥가이심, 〈안테나 구조〉, 《네이버 블로그》, 2005-06-07
- ↑ 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈다이폴 안테나〉, 《위키백과》
- ↑ applepop, 〈모노폴과 다이폴안테나〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-07
- ↑ 마틴신, 〈파라볼라 위성 안테나〉, 《다음 블로그》, 2011-05-20
- ↑ 〈파라볼라 안테나〉, 《위키백과》
- ↑ 〈야기 안테나〉, 《위키백과》
- ↑ TTA정보통신용어사전 공식 홈페이지 - https://terms.tta.or.kr/dictionary/dictionaryView.do?subject=%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8+%EC%95%88%ED%85%8C%EB%82%98
- ↑ VIEW H, 〈있나 없나?자동차 안테나는 어디로 갔을까?〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-30
- ↑ 최은화 기자, 〈아이프리원, 세계 최초 신개념 와이파이-6 기반 스마트시티(IoT) 기술 개발〉, 《매일경제》, 2021-01-04
참고자료
- 〈안테나〉, 《나무위키》
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- 〈안테나〉, 《위키백과》
- 맥가이심, 〈안테나 구조〉, 《네이버 블로그》, 2005-06-07
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- 〈다이폴 안테나〉, 《위키백과》
- applepop, 〈모노폴과 다이폴안테나〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-07
- 마틴신, 〈파라볼라 위성 안테나〉, 《다음 블로그》, 2011-05-20
- 〈파라볼라 안테나〉, 《위키백과》
- 〈야기 안테나〉, 《위키백과》
- TTA정보통신용어사전 공식 홈페이지 - https://terms.tta.or.kr/dictionary/dictionaryView.do?subject=%EC%8A%A4%EB%A7%88%ED%8A%B8+%EC%95%88%ED%85%8C%EB%82%98
- VIEW H, 〈있나 없나?자동차 안테나는 어디로 갔을까?〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-30
- 최은화 기자, 〈아이프리원, 세계 최초 신개념 와이파이-6 기반 스마트시티(IoT) 기술 개발〉, 《매일경제》, 2021-01-04
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