전파의 전파

3. 전파 경로에 따른 분류

전파는 전파되는 경로에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 간접파: 직접파를 제외하고 지면반사파, 회절파, 지표파, 상공파, 대류권파 등을 통틀어 간접파라고 부른다.
• 지표파: 30kHz에서 3,000kHz 사이의 저주파 수직 편파된 전파가 지구 표면을 따라 표면파 형태로 전파되는 것을 말한다. MF, LF 및 VLF 대역에서 주로 사용되며, 라디오 방송 및 무선 항법 시스템에 활용된다.
• 전리층파: 단파 대역의 전파가 지구 상공 50~500km 부근의 전리층에 반사되어 시정거리보다 먼 곳까지 전파되는 현상이다. 스포라딕 E층과 같이 초단파가 멀리 전파되는 경우도 있다.
• 대류권파: 지구 대기의 굴절률 변화에 의해 전파가 굴절되거나 반사되어 전파되는 현상이다. 라디오덕트 발생 시 극초단파가 통상적인 가시거리를 넘어 전파되거나 경로가 휘어지는 이상 전파 현상이 나타날 수 있다.
• 회절파: 초단파 및 극초단파가 지표면, 산악, 건축물 등에서 회절하여 시정거리보다 멀리 전파되는 현상이다.

3. 1. 직접파 (Direct wave)

접지면 반사 효과는 초고주파 시정거리 전파에서 중요한 요소이다. 직접파와 지면 반사파 간의 간섭은 종종 접지면에 제한된 방사에 대해 효과적인 역 4제곱 법칙을 초래한다.

전파가 지구 표면을 따라 전파될 경우, 두 지점을 직선으로 연결한 경로를 따라 전파되는 '''직접파'''와 전파가 지면에 반사되어 전파되는 '''지면반사파'''가 있다. 지상과 인공위성 간의 통신을 직접파에 포함하는 경우가 있다. 특히 마이크로파는 빛과 유사한 성질을 가지므로, 기본적으로 이 경로에서 시정거리 내에서 전파된다.^[1]

근거리에서는 직접파와 지면반사파가 간섭하기 때문에, 전파의 방사점으로부터 어떤 거리에서 전계강도가 급격히 감소하는 경우가 있다.^[1]

3. 2. 지표파 (Ground wave)

30kHz에서 3,000kHz 사이의 저주파 수직 편파된 전파는 지구의 곡면을 따라 표면파로 전파될 수 있는데, 이를 '''지표파''' 전파라고 한다.

이 방식에서 전파는 지구의 전도성 표면과 상호 작용하여 전파된다. 전파는 지표면에 "달라붙어" 지구의 곡률을 따라가므로 지표파는 산과 수평선 너머로 전파될 수 있다. 지표파는 수직 편파로 전파되므로 수직 안테나(모노폴)가 필요하다. 지표면이 완벽한 전기 도체가 아니기 때문에 지표파는 지구 표면을 따라 전파되는 동안 감쇠된다. 감쇠는 주파수에 비례하므로 지표파는 MF, LF 및 VLF 대역의 저주파에서 주요 전파 방식이다. 지표파는 MF 및 LF 대역의 라디오 방송국과 시각 신호 및 무선 항법 시스템에 사용된다.

중파 이하에서는 회절의 작용이 강하고, 지표면을 따라 전파가 전파되는 성질이 강하다. 이것을 '''지표파'''라고 한다.

3. 3. 전리층파 (Sky wave)

지표면으로부터 상공 50~500km 부근에는 전자 밀도가 높은 전리층이라 불리는 층이 존재한다. 주로 단파 대역의 전파가 전리층에 의해 반사되어, 시정거리보다 더 먼 곳까지 전파된다. 전리층에는 여러 가지 정기적·불규칙적인 변동이나 교란, 이상이 있기 때문에, 그것에 의한 영향이 여러모로 나타나는 것이 알려져 있으며, 특이한 것으로는 스포라딕 E층처럼 일반적으로는 전리층 반사가 없는 초단파가 멀리 떨어진 지점까지 전파되는 경우도 있다.

3. 4. 대류권파 (Tropospheric wave)

지구 대기는 상층으로 갈수록 희박해지므로, 지표면에서 수평으로 방사된 전파는 대기 중에서 약간 아래쪽으로 굴절되어 전파되는 성질이 있다. 또한, 기온과 습도의 영향으로 대기 중에 굴절률의 불연속면이 생기면, 전파가 불연속면에서 굴절·반사하면서 전파하는 경우가 있으며, 이는 이상전파의 원인이 된다. 이때 생긴 전파 경로를 '''라디오덕트'''라고 부른다. 라디오덕트 발생으로 인해 극초단파가 통상적인 가시거리를 훨씬 넘어서거나 진행 경로가 휘어져 이상전파하는 경우가 있다.

3. 5. 회절파 (Diffracted wave)

초단파와 극초단파에서는 지표면이나 산악, 건축물 등에서 전파가 회절함으로써 시정거리보다 더 멀리 전파되는 경우가 있다. 이것을 '''회절파'''라고 한다. 전계강도는 매우 짧은 거리를 제외한 시정거리에서는 거리의 제곱에 반비례하고, 직접파가 도달하지 않고 지표면을 따라 회절하는 거리에서는 거리의 네제곱에 반비례한다.

4. 이상 전파 (Abnormal propagation)

일반적인 전파 경로를 벗어나 예상치 못한 지역에서 수신되는 전파를 이상 전파라고 한다. 이상 전파의 원인과 그로 인한 현상은 다음과 같다.

• 원인
• * 스포라딕 E층
• * 델린저 현상
• * 자기폭풍
• * 유성 산란
• * 라디오 덕트: 기온과 습도의 영향으로 대기 중에 굴절률의 불연속면이 생기면, 전파가 불연속면에서 굴절·반사하면서 전파하는 경우가 있으며, 이때 생긴 전파 경로를 라디오 덕트라고 부른다.
• 현상
• * 장거리 전파(long path): 전리층의 영향으로 인해 지구상의 최단 경로 이외의 경로를 통한 전파가 강해지는 경우이다.
• * 에코(echo): 전파가 지구를 한 바퀴 도는 데 약 1/15초가 걸리기 때문에 장거리 전파 또는 지구를 한 바퀴, 두 바퀴 돈 전파가 모두 도착하면 에코로 들리는 경우가 있다.
• * 적도횡단전파(Trans Equatorial Propagation, TEP): 춘분, 추분 무렵, 초단파에서 일본과 오스트레일리아 등 적도를 사이에 둔 원거리에 대해 이상 전파가 발생하는 경우가 있다. 스포라딕 E층과는 다른 현상이다.
• * 반대편 지점 효과(antipodal operator, antipodal effect): 지구상의 정반대 지점(반대편 지점)에는 무수한 전파 경로가 존재하기 때문에, 전파 전파가 발생하기 쉬워지는 현상이다. 조건에 따라서는 거의 하루 종일 무선 통신이 가능하다. 일본의 반대편 지점은 아르헨티나 및 우루과이 부근이다.
• * 장시간 지연 에코(LDEs): 자국 또는 타국에서 발사한 전파가 수 초에서 수십 시간 후에 수신되는 경우가 드물게 있다. 원인은 불명이다.

• 거시적 이상 현상
• * 전자기적 현상: 지진 전후의 이상한 전자기적 현상 보고가 있지만, 인과 관계 또는 상관 관계가 있는지, 또 그 기전은 어떠한지에 대한 점은 현재로서는 불명이며, 이상 전파인지 여부까지 포함하여 다른 거시적 이상 현상과 마찬가지 수준을 벗어나지 않는다. 예로는, 1993년에 발생한 홋카이도 남서쪽 해역 지진에서 지진 발생 1주일 전부터 LF와 VLF의 현저한 증가가 있었다는 기록^[15]이나, 1995년에 발생한 고베 지진에서 지진 발생 6시간 반 전에 녹화된 텔레비전 방송에 노이즈가 들어 있었다는 보고^[16]가 있다.

5. 전파 모델

전파 모델은 전파 특성을 예측하기 위한 수학적 모델이다.

• 경험적 모델: 실제 측정 데이터를 기반으로 만들어진 모델이다.
• 오쿠무라 모델
• 하타 모델
• 이론적 모델: 전파 이론에 기반하여 만들어진 모델이다.
• 자유 공간 경로 손실

• 자유 공간 경로 손실
• 자유 공간에서의 다이폴 전계 강도
• 프리스 전송 방정식

• 지형 모델
• * ITU 지형 모델
• * 에글리 모델
• * 롱리-라이스 불규칙 지형 모델 (ITM)
• * 이중 경로 지면 반사 모델
• 도시 모델
• * 오쿠무라 모델
• * 하타 모델
• * COST 하타 모델

• 옥내 감쇠에 대한 ITU 모델
• 로그 거리 경로 손실 모델

참조

_[1] 서적 Reference Data for Radio Engineers Howard W. Sams and Co.
_[2] 서적 Basic Electromagnetic Theory McGraw Hill
_[3] 서적 Introduction to RF Propagation https://books.google[...] John Wiley and Sons 2005
_[4] 서적 Principles of Terahertz Time-Domain Spectroscopy: An introductory textbook https://books.google[...] CRC Press
_[5] 웹사이트 Studying the Energy of the Universe https://www.nasa.gov[...] 2021-05-19
_[6] 서적 Unexploded Ordnance Detection and Mitigation https://archive.org/[...] Springer
_[7] 학술지 Short electromagnetic waves of wave-length up to 82 Microns
_[8] 웹사이트 Near, mid and far-infrared http://www.ipac.calt[...] California Institute of Technology 2013-01-28
_[9] 서적 200 meters & Down - The Story of Amateur Radio The American Radio Relay League
_[10] map WSPR propagation conditions http://wsprnet.org/d[...] 2020-12-04
_[11] 웹사이트 Network of CW signal decoders for realtime analysis http://www.reversebe[...] 2020-12-04
_[12] 보고서 Why AM stations must reduce power, change operations, or cease broadcasting at night https://www.fcc.gov/[...] U.S. Federal Communications Commission 2017-02-11
_[13] 웹사이트 VHF/UHF Propagation http://rsgb.org/main[...] Radio Society of Great Britain 2017-02-11
_[14] 문서 「伝搬」はほぼ英語のto carryに近い意味を持つ（例：「ループ伝搬」）。「伝播」はほぼto propagateの意味を持つ。「伝達」はほぼto transfer, to passの意味を持つ。
_[15] 학술지 地震に伴う電磁放射の波形記録システムと1993年北海道南西沖地震前後の記録 https://dil-opac.bos[...] 独立行政法人防災科学技術研究所
_[16] 학술지 Analysis of barber-pole color and speckle noises recorded 6 and a half hours before the Kobe earthquake https://doi.org/10.1[...] 1998