CHAPTER 01 안테나 개요 Introduction

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1 CHAPTER 01 안테나 개요 Introduction

2 안테나의 간추린 역사 1.1 요약 1.5 무선 시스템과 안테나 1.2 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 1.3
1.3.1 복소수 1.3.2 벡터와 벡터 연산 1.3.3 좌표계 전자기학 기본 이론 1.4 1.4.1 전기장 1.4.2 자기장 1.4.3 맥스웰 방정식 1.4.4 경계조건

3 학습목표 안테나의 발전 역사를 이해한다. 안테나를 공부하는 데 사용하는 기본 수학을 이해한다.
안테나를 해석하는 데 사용하는 기본 전자기학 이론을 이해한다.

4 1.1 안테나의 간추린 역사

5 Heinrich Rudolf Hertz (1857~1894): 전파의 아버지
1.1 안테나의 간추린 역사 Heinrich Rudolf Hertz (1857~1894): 전파의 아버지 [그림 1-2]의 실험을 통해 전자파 입증: 1877년, 전파의 탄생, 독일의 과학자 최초의 디지털 무선 시스템: 고전압전원/스파크갭 송안테나 루프/코일 수신안테나, 스파크갭 수신기 Hz(주파수) 단위: 하인륔 루돌 헐츠의 공로를 기리기 위해

6 Guglielmo Marconi (1874~1937): 무선통신의 아버지
1.1 안테나의 간추린 역사 Guglielmo Marconi (1874~1937): 무선통신의 아버지 구글리엘모 말코’오니: 이탈리아 과학자 전파를 사용한 무선전신장치 개발 및 상업화 대서양 횡단 신호 전송 실험: 1901, 영국-캐나다 Morse code 전송 - 고출력 스파크 송신기(35kW 발전기 사용) - 주파수 820kHz, 모노폴 안테나 높이 48m 송신안테나 <1901년형 안테나: 역삼각형 모노폴> <1902년형 안테나: 역피라미드 모노폴>

7 말코니의 대서양 횡단 무전 수신기 A: 안테나, B: 배터리, C: 직류차단/라디오(RF) 신호 도통용 커패시터
1.1 안테나의 간추린 역사 말코니의 대서양 횡단 무전 수신기 A: 안테나, B: 배터리, C: 직류차단/라디오(RF) 신호 도통용 커패시터 D: 검파기(coherer detector, 금속분말형) R: 릴레이 RFC1, RFC2: RF 차단용 초크코일 L1: 안테나 임피던스 정합 C1, P: 1차 병렬 공진회로 S1, S2, L2, L3, C2: 2차 병렬 공진회로 1차 공진회로: 원하는 주파수만 선택적으로 1차 코일에 수신 2차 공진회로: 원하는 주파수 성분 전압이 검파기 양단에 가장 크게 걸리게 함. 검파기 양단에 유도된 RF 전압에 의해 검파기 저항 감소 검파기 저항감소에 따라 릴레이 동작 릴레이는 더 큰 전류(I2)를 제어하여 paper tape recorder를 구동 I2는 검파기의 저항을 원상태로 복원함.

8 Christian Hülsmeyer: 독일과학자, 레이더의 아버지
1.1 안테나의 간추린 역사 Christian Hülsmeyer: 독일과학자, 레이더의 아버지 1904, 원통포물면+다이폴 급전 안테나, 스파크갭 송신기, coherer 검파기 해상에서 3km 거리 배 탐지 Robert Watson: 영국과학자, 전파기상학의 아버지, 1915, 번개에 의한 전파 탐지 Roberto Landel del Moura: 1900, 최초로 전파로 음성송신 Reginald Fessenden: 1906, 최초로 라디오 방송, 진공관 검파기, synchronous rotary-spark 송신기 사용 WW II: 레이더 기술 발전/레이더 보급의 전기 1912: Guglielmo Marconi, 최초의 AM 라디오 방송 1928: 최초의 TV 방송. 미국 뉴욕 W2XB 1947: AT&T, 최초로 이동전화 서비스 시작 1962: Telstar 1, 최초 통신위성 1992: IBM, 최초의 스마트폰 1994: GPS 서비스 개시 1998: 영국 BBC 최초로 디지털방송 서비스 개시 2002: 스마트폰 혁신 시작, 2007: 애플 iPhone 출시, 2010: 삼성전자 스마트폰 출시

9 2차대전 레이더: 독일 Wurzburg-Riese Radar 566MHz, 7.5m 안테나, 8kW 출력 1936년 사용개시
1.1 안테나의 간추린 역사 2차대전 레이더: 독일 Wurzburg-Riese Radar 566MHz, 7.5m 안테나, 8kW 출력 1936년 사용개시 탐지거리 40/80km 분해능 0.2°, 125m

10 1.1 안테나의 간추린 역사 송신기

11 1.1 안테나의 간추린 역사 수신기

12 1.1 안테나의 간추린 역사 레이더 디스플레이

13 도전과제 공학적 측면에서의 안테나 무선 이동통신 시스템에 대한 적합성 광대역 작은 크기 실용을 목적으로 하는 장치
1.1 안테나의 간추린 역사 도전과제 무선 이동통신 시스템에 대한 적합성 광대역 작은 크기 공학적 측면에서의 안테나 실용을 목적으로 하는 장치 홀로 동작할 수 없는 장치 무선 시스템에 필수적인 장치

14 1.2 무선 시스템과 안테나

15 안테나 무선장치의 장점 무선 시스템의 필수적인 부분 전자파를 효율적이며 의도적으로 방사하고 수신하는 장치
1.2 무선 시스템과 안테나 안테나 무선 시스템의 필수적인 부분 전자파를 효율적이며 의도적으로 방사하고 수신하는 장치 금속, 세라믹 물질 등을 사용하여 제작 무선장치의 장점 이동성 넓은 통신 범위 낮은 경로손실

16 무선 시스템에서의 안테나 전기신호를 전자파로 변환하는 일종의 변환기 안테나 장치 = 안테나 + 급전선 안테나 설계 시 고려사항
1.2 무선 시스템과 안테나 무선 시스템에서의 안테나 전기신호를 전자파로 변환하는 일종의 변환기 안테나 장치 = 안테나 + 급전선 안테나 설계 시 고려사항 급전선과의 정합도 효율적이며 의도적인 전파 방사

17 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학

18 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 복소수 복소수: 실수와 허수로 이루어진 수 단위 허수 ( j ) 진폭과 위상의 형식

19 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 벡터와 벡터 연산 벡터 크기와 방향으로 표현되는 3차원의 양

20 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 벡터와 벡터 연산 벡터의 덧셈과 뺄셈 벡터 덧셈에서는 교환법칙이 성립

21 벡터와 벡터 연산 백터의 곱셈 점곱 (dot product) 교환법칙 성립
1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 벡터와 벡터 연산 백터의 곱셈 점곱 (dot product) 교환법칙 성립 스칼라 곱 (scalar product) – 점곱의 다른 말

22 벡터와 벡터 연산 백터의 곱셈 가위곱 (cross product) 오른손 규칙 교환법칙이 성립하지 않음 행렬식으로 표현
1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 벡터와 벡터 연산 백터의 곱셈 가위곱 (cross product) 오른손 규칙 교환법칙이 성립하지 않음 행렬식으로 표현

23 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 벡터와 벡터 연산

24 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 좌표계 직각좌표계와 구좌표계 좌표계 사이의 관계

25 1.3 안테나를 공부하는 데 필요한 수학 좌표계 직각좌표계와 구좌표계 단위벡터의 점곱 좌표계 변환

26 1.4 전자기학 기본 이론

27 전자파 주파수 스펙트럼의 전체 영역 전파(radio wave), 광파(optical wave), etc.
1.4 전자기학 기본 이론 전자파 주파수 스펙트럼의 전체 영역 전파(radio wave), 광파(optical wave), etc.

28 1.4 전자기학 기본 이론 전자파 전자파의 속도: 주파수와 파장 – 반비례 관계 로그 눈금

29 로그 눈금 RF 공학과 안테나 분야에서 널리 사용 아주 넓은 범위에 대한 함수의 변화 표현 용이
1.4 전자기학 기본 이론 로그 눈금 RF 공학과 안테나 분야에서 널리 사용 아주 넓은 범위에 대한 함수의 변화 표현 용이 신호 전력 – [dB] 단위로 표시 전압 – 전력과 전압의 관계식을 이용하여 변환 ( )

30 전기장 쿨롱 법칙 전기장 (electric field) – 단위전하당 힘 유전율 (ε, permittivity)
1.4 전자기학 기본 이론 전기장 쿨롱 법칙 전기장 (electric field) – 단위전하당 힘 유전율 (ε, permittivity) 자유공간에서, 전기선다발 밀도 (electric flux density) or 전기 변위 (electric displacement)

31 전기장 유전율 상대 유전율 (relative permittivity) or 유전상수 (dielectric constant)
1.4 전자기학 기본 이론 전기장 유전율 상대 유전율 (relative permittivity) or 유전상수 (dielectric constant) 물질의 유전율 – 주파수와 온도의 함수 RF 대역 – 주파수가 높아질수록, 유전율은 작아짐 대부분의 도체의 상대 유전율: 1 전기장과 전기 변위 등방성 물질 – ε는 상수 비등방성 물질 – ε는 텐서 (tensor)

32 1.4 전자기학 기본 이론 전기장 대표적인 물질의 상대 유전율

33 전기장 복소 유전율 (complex permittivity) 손실 탄젠트 (loss tangent)
1.4 전자기학 기본 이론 전기장 복소 유전율 (complex permittivity) 손실이 있는 물질 – 복소수의 유전율을 가짐, 유전체손실+전도손실 손실 탄젠트 (loss tangent) 복소 유전율의 실수부와 허수부의 비 주파수와 온도의 함수

34 1.4 전자기학 기본 이론 유전율

35 1.4 전자기학 기본 이론 유전율

36 1.4 전자기학 기본 이론 유전율

37 전기장 옴의 법칙 전도율 (σ, conductivity) 전기장 E와 전류밀도 J 사이의 관계 저항률의 역수
1.4 전자기학 기본 이론 전기장 옴의 법칙 전기장 E와 전류밀도 J 사이의 관계 전도율 (σ, conductivity) 저항률의 역수 물질이 전류를 얼마나 잘 흐르게 하는 가를 나타내는 기준 온도와 주파수의 함수

38 전기장 대표적인 물질의 전도율: 증류수 = 0.5-3uS/츠, Fresh water = 150-500uS/cm
1.4 전자기학 기본 이론 전기장 대표적인 물질의 전도율: 증류수 = 0.5-3uS/츠, Fresh water = uS/cm

39 자기장 자기장 (magnetic field) 비오-사바르 법칙 (Biot-Savart Law) 자기장이 전하에 가하는 힘
1.4 전자기학 기본 이론 자기장 자기장 (magnetic field) 전류 주위를 감싸는 닫힌 루프 형태의 벡터 비오-사바르 법칙 (Biot-Savart Law) 오른손 규칙 자기장이 전하에 가하는 힘 자기선다발 밀도 (magnetic flux density)

40 자기장 투자율 투자율 (μ, permeability) 자기장과 자기선다발 밀도
1.4 전자기학 기본 이론 자기장 투자율 투자율 (μ, permeability) 자기장과 자기선다발 밀도 등방성 물질 – μ는 상수 비등방성 물질 – μ는 텐서 (tensor) 상대 투자율 (relative permeability) 대부분의 물질의 상대 투자율: 1

41 1.4 전자기학 기본 이론 자기장 대표적인 물질의 상대 투자율 로렌츠 힘 (Lorentz force)

42 맥스웰 방정식 James Clerk Maxwell (1831~1879) 전기장, 자기장, 전하, 전류 사이의 관계 설명
1.4 전자기학 기본 이론 맥스웰 방정식 James Clerk Maxwell (1831~1879) 전기장, 자기장, 전하, 전류 사이의 관계 설명 4개의 방정식 맥스웰의 변위 전류

43 맥스웰 방정식 패러데이의 유도 법칙 암페어의 법칙 시변 자기장에 의해 전기장 발생 전류와 시변 전기장에 의해 자기장 발생
1.4 전자기학 기본 이론 맥스웰 방정식 패러데이의 유도 법칙 시변 자기장에 의해 전기장 발생 암페어의 법칙 전류와 시변 전기장에 의해 자기장 발생

44 맥스웰 방정식 전기장에 대한 가우스 법칙 자기장에 대한 가우스 법칙 구성 방정식 전하에 의해 전기장 발생
1.4 전자기학 기본 이론 맥스웰 방정식 전기장에 대한 가우스 법칙 전하에 의해 전기장 발생 자기장에 대한 가우스 법칙 자기장선이 닫힌 루프를 형성 구성 방정식

45 맥스웰 방정식 시간조화 전자기장 (time-harmonic electromagnetic field) 시간항 형태 –
1.4 전자기학 기본 이론 맥스웰 방정식 시간조화 전자기장 (time-harmonic electromagnetic field) 시간항 형태 –

46 1.4 전자기학 기본 이론 경계조건 경계조건의 유도 맥스웰 방정식의 적분형을 경계면에 적용하여 경계조건 유도

47 1.4 전자기학 기본 이론 경계조건 완전도체의 경계조건

48 1.5 요약

49 안테나를 위한 수학 전자기학 기본 이론 맥스웰 방정식 복소수, 좌표계 벡터와 벡터 연산 전기장, 자기장 맥스웰 방정식 경계조건
1.5 요약 안테나를 위한 수학 복소수, 좌표계 벡터와 벡터 연산 전자기학 기본 이론 전기장, 자기장 맥스웰 방정식 경계조건 맥스웰 방정식 전자기학과 안테나의 근본 수식

50 Q & A