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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]
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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 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. 안테나가 전자기파를 방사하는 방법은 안테나의 기하학적 구조나 물질에 따라 다르고, 모양에 따라서도 나뉘게 된다.[6]
다이폴 안테나
모노폴 안테나
패치 안테나
파라볼라 안테나
야기 안테나
스마트 안테나
적용 사례
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 전파망원경등에 널리 쓰이고 있다. 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.
각주
참고자료
- 〈안테나〉, 《나무위키》
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- 〈안테나〉, 《위키백과》
- 맥가이심, 〈안테나 구조〉, 《네이버 블로그》, 2005-06-07
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
- 〈안테나〉, 《네이버 지식백과》
같이 보기
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