안테나의 개념 ● 안테나의 역할 안테나는 단말기와 자유공간을 연결하는 RF 수동부품이다. 단말기가 송신단이면 송신 안테나, 수신단이면 수신안테나라 부른다 송신단과 안테나의 연결, 수신단과 안테나의 연결에서 중요한것은 최대 전력 전달을 하기 위한 임피던스 정합이다. 신호단 RF단 안테나의 임피던스 측정지점 임피던스란 관심지점에서의 전류와 전압의 비(Ratio)이다. 임피던스 Z=V/I이다. A IN out A-B지점에서의 전류와 전압의 비: 임피던스 B www.telscom.co.kr

주파수 스펙트럼 정합이란 안테나의 송신단, 수신단과의 임피던스를 맞추어주는 것이다. 예를 들어 라디오단의 정합을 위해 안테나의 입력 임피던스가 75 옴이 되도록 한다. 이유는 라디오단의 입력 임피던스가 75옴 근처이므로 이와 같이 서로 임피던스를 맞춰줘야 최대 전력이 전달된다. ● 주파수 스펙트럼 : 대역 안테나는 주파수에 따라 동작하는게 다르다. 즉 어느 주파수에서는 성능이 좋고 다른 주파수에서는 성능이 떨어진다. 모든 도체는 전류를 흐르게 한다. 이는 도체의 모양에 따라 다르다. 이를 공진 또는 모드라 부른다. 즉, 각 도체의 모양과 길이에 따라 주파수 반응이 제각각 다 르다. 일반적으로 하나의 대역에 하나의 안테나가 필요하다. 대역을 다른 말로 스펙트럼이라 표시한다. 스펙트럼은 “순서에 의한 나열” 의 개념이다. 주파수에 의한 순서를 주파수 스펙트럼이라한다. AM FM UHF TV 위성방송 12GHz : 주파수에 의한 통신 서비스 주파수 88~108MHz 통신 서비스는 대역을 기준으로 설정한다. 통신 서비스라함은 아마추어 무선, AM,FM,TV, 이동전화 ,위성방송, 통신등이다. 각 서비스에 할당된 주파수 대역이 있고 각 대역에 맞는 안테나가 필요하다. www.telscom.co.kr

안테나의 정수 ●안테나 정수(Parameter) 입력 임피던스, 방사패턴, 대역폭, SWR(Standing wave ratio) 편파, 효율등 안테나를 평가하는 몇가지 정수(parameter)가 있다. 대표적인 안테나 Parameter로는 다음 6가지를 얘기한다. ●입력 임피던스 안테나의 입력단에서 바라본 전류와 전압의 비다. 이는 정합을 목적으로 안테나의 입력 임피던스를 측정한다. 반드시 필요한 값이다. 예를 들어 공중에 떠 다니는 전파가 안테나에 수신되었다. 이후 수신단(라디오단)에 전파를 보내고자한다. 안테나와 수신단의 입력 임피던스가 다르다면 최대의 신호를 전달할수 없다. 물론 증폭을 중간에 할수 있다. 그러나 증폭을 하지 않고도 신호를 전 달 할수 있다면 그 방법을 사용 해야 한다. 증폭은 자체의 잡음을 발생시키고 가격도 만만치 않기 때문이다. ●방사패턴 안테나의 3차원적인 평가 기준이다. 안테나는 모든 3차원 방향에서 전파를 수신한다. 어느방향에서 얼마만큼의 신호를 수신할수있는가의 정도를 방사패턴을 보고 알수 있다. 과거에는 2차원적인 방사패턴만 요구하였으나 현재에는 컴퓨터의 발전으로 3차원적인 성능을 요구한다. Y 축 Z축 Z X축 X축 Y 수평면 X 수직면 www.telscom.co.kr

안테나의 정수 ●SWR(Standing Wave Ratio) SWR은 반사계수와도 관계가 있다. 결론적으로 입력 임피던스, 반사계수,SWR은 다음 관계로 맺어진다. 1+R ZL-ZO SWR= ------- R= ----------- : 반사계수 ZL=Load Impedance, 부하 임피던스 Zo= 특성 임피던스( 예: 동축케이블 75 옴) 1+R ZL+ZO zo ZL www.telscom.co.kr

안테나의 정수 ● 대역폭(Bandwidth) 안테나가 동작 할수 있는 주파수 범위로서 대역폭이 넓다고 하면 동작 할수 있는 주파수 대역이 넓다는 것이다. FM라디오의 경우 88~108Mhz의 대역을 가지고 있다. 라디오 안테나를 설계하려면 88과 108의 중심주파수인 98MHz를 중심으로 위 아래로 각각 10MHz의 대역폭을 가진다. 보통 안테나의 대역폭은 안테나의 모양과 길이에 따라 다르다. 1차원 모양인 선(Line) 안테나의 경우 대역폭이 작다. 2차원적인 면 (Plate)안테나의 경우에는 안테나의 모양에 따라 대역폭을 조정할수 있다. 무조건 대역폭이 넓은것이 좋은 것은 아니다. 그 서비스에 맞는 대역만 커버하는 안테나가 좋은 안테나이다. 다른 대역까지 수신한다면, 그 대역 밖의 신호는 잡음이 된다. ● 편파(Polarization) 안테나는 4가지의 편파를 가진다. 수직편파, 수평편파, 원형편파,타원형 편파, 라디오용 안테나는 수직편파 또는 원형 편파를 사용한다. TV안테나는 수평편파이다. 원형 편파는 좌원형편파와 우원형편파로 구성된다. 우리나라 위성방송의 경우 좌원형 편파이다. 일본 위성은 우원형 편파이다. 편파가 다르면 수신이 되지 않는다. 송신과 수신의 편파가 일치 되어야한다. 예를 들어 라디오방송국에서 수직안테나를 사용하여 수직 편파를 유지 시킨다면, 차량용 안테나에서는 마찬가지로 수직 편파용 안테나를 사용하여야 한다. www.telscom.co.kr

안테나의 효율 및 정합 ● 효율 안테나는 도체 덩어리다. 도체에는 전자의흐름을 방해하는 전자성분이 작게나마 존재한다. 즉, 안테나에 100이라는 에너지를 보내면, 안테나는 자신의 저항성분에 의해 에너지를 상당 부분 잃고, 나머지를 공중으로 방사한다. 이를 안테나의 효율이라 한다. 효율운 안테나의 모양과 길이에 따라 천차 만별이다. 효율이 높은 안테나를 설계하는것은 대단히 중요한 문제이다. 대부분의 안테나는 효율이 50%를 넘지 못한다. ● 정합(Matching): 최대 전력전달(Maximum power transfer) 안테나는 송신단과 수신단의 마지막 단에서 자유공간과 매게 역할을 한다. 정합이란 각 단의 최대 신호를 전달하기 위해 상대가 원하는 조건으로 맞추어 주는 작업니다. 수신단과 안테나의 정합이 맞지 않는다면, 수신단과 안테나 사이에 정합회로를 구성하면 된다.정합회로를 구성하는것은 쉽지 않다. 물론 안테나의 입력 입피던스를 수신단의 입력 입피던스와 같이 설계하는것이 최선이긴 하다. ● 설계 기법 Moment Method, GTD/UTD, FDTD 등 안테나 설계에는 고전적으로 저주파 기법인 모멘트법을 사용 한다. 모멘트 법은 도체에 유기되는 전류분포를 예측하여 방사패턴과 입력 임피던스 를 계산하는 수치기법이다. 이와 별도로 GTD/UTD는 고주파 기법으로 상대적으로 안테나의 크기에 비해 주파수가 높을 때 (파장이 작을때) 사용한다. 만일 폴 안테나가 다른 도체와 같이 있지 않고 자유공간에 홀로 있다면 수학적으로 안테나의 방사패턴과 입력 임피던스를 계산 할수 있 그러나 워낙 복잡한 안테나 환경이나 안테나 자체의 모양이 복잡하다면 수치적인 계산을 한다. 실제는 대부분의 안테나 환경이 복잡하여 수학적 인 계산보다는 수치 근사적인 계산을 한다. www.telscom.co.kr

안테나의 측정법 자동차를 예로들면 80cm의 폴안테나가 존재한다. Image 방법에 의해 안테나 길이가 두배 가까이 된다. 다. 이의 해석은 차량을 안테나로 생각하여 수치근사 해석으로 가능하다. ● 측정법(Measurement) : scale model test, open site test 안테나의 성능을 컴퓨터로만 판단한다면 실제적용에 있어 문제점을 파악 할수 없다. 즉, 실제로 측정 하여야 한다. 실제 측정하는 안테나 정수로서는 입력 임피던스, 방사 패턴, SWR등이다. 특히 입력 임피던스와 SWR측정은 네트웍분석기(Network Analyzer)가 필요하다. 스케일 모델 테스트라 함은 축소모형 측정법이다. 안테나가 장착된 실제차량의 측정이 거의 불가능하다. 이유는 외부전파를 차단할수 있는 측정 환경이 어렵기 때문이다.외부전파가 있는 곳에서 측정을 하면 측정 오차가 발생한다. 이는 측 정결과의 왜곡을 가져와 신뢰 할수 없는 결과로서 안테나를 평가하게 된다. 이를 방지 하기 위해 무반향실에서 측정한다. 보통 무반향실은 크기가 작아 차량이 들어가기 어렵고 측정 조건인 far field 조건을 만족 시키지 못한다. (far field 조건에 의하면 FM라디오 안테나의 경우 20M 이상 떨어진 곳이 필요) 따라서 차량을 축소시킨 모형으로 측정하게 된다. www.telscom.co.kr

안테나의 측정법 Far field조건을 만족 해야함 20M이상 L=2D^2/Ramda Ramda(파장)=빛의 속도 / 주파수 오픈 사이트 테스트라 함은 외부 전파가 없는 넓은 평지에서 전파를 측정하는 것이다. 우리 나라의 경우 전파수신이 약한 시골 학교 운동장에 서 측정 가능하다. 이때 측정한 결과는 자체 판단 기준이 될뿐 공식적인 평가 자료로 활용 되기 어렵다. 그러나 현실적으로 자주 사용되는 방법이다. www.telscom.co.kr