지향성 안테나
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1. 개요
지향성 안테나는 특정 방향으로 전파를 집중시켜 송수신 신호 강도를 높이는 안테나이다. 작동 원리는 송신 시 신호를 특정 방향으로 집중시켜 수신 신호 강도를 높이고, 수신 시에는 특정 방향에서 오는 신호를 더 잘 포착하는 것이다. 안테나 이득은 등방성 방사기를 기준으로 측정하며, dBi 또는 dBd 단위로 나타낸다. 지향성 안테나는 파라볼라 안테나, 헬리컬 안테나, 야기-우다 안테나, 위상 배열 등이 있으며, 아레시보 천문대와 같은 거대한 구조물에 사용되기도 한다. 응용 분야는 심우주 통신, WPAN 등 다양하며, 고이득 안테나 기술은 네트워크 처리량 증가에 기여한다.
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- 안테나 - 다이폴 안테나
다이폴 안테나는 두 도체 팔로 구성되어 전류 흐름으로 전자기파를 방출하는 가장 기본적인 안테나로, 반파장 다이폴 형태가 일반적이며 임피던스 정합이 중요하고 다양한 안테나의 기본 요소 및 변형 형태로 활용되고 안테나 어레이를 통해 지향성을 향상시킬 수 있다. - 안테나 - 파라볼라 안테나
파라볼라 안테나는 포물면 반사체를 사용하여 전파를 초점에 모아 신호 강도를 높이는 안테나로, 금속 반사경과 급전 안테나로 구성되어 송수신에 사용되며, 형태와 급전 방식에 따라 종류가 다양하고 위성 통신, 방송, 레이더 등 여러 분야에 활용되며, 크기와 주파수에 따라 이득과 빔폭이 결정되고, 1888년 하인리히 헤르츠에 의해 최초로 제작된 후 발전해왔다.
| 지향성 안테나 | |
|---|---|
| 개요 | |
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| 설명 | 특정 정렬에서 더 나은 성능을 보이는 전파 안테나 |
2. 작동 원리
고출력 안테나는 송신 시 송신 전력의 더 많은 부분을 수신기 방향으로 보내 수신 신호 강도를 높인다. 수신 시에는 더 많은 신호를 포착하여 신호 강도를 다시 높인다. 상반성으로 인해 송신과 수신, 두 가지 효과는 동일하다. 즉, 전송된 신호를 (등방성 방사기에 비해) 100배 더 강하게 만드는 안테나는 수신 안테나로 사용될 때 등방성 안테나보다 100배 더 많은 에너지를 포착한다. 지향성으로 인해 지향성 안테나는 메인 빔이 아닌 방향에서 더 적은 신호를 보내고 수신한다. 이 속성은 빔 외부의 다른 송신기에서 발생하는 간섭을 방지할 수 있으며, 안테나 노이즈를 줄여준다. 노이즈는 모든 방향에서 발생하지만 원하는 신호는 하나의 근사 방향에서만 발생하므로 안테나 빔이 좁을수록 중요한 신호 대 잡음비가 향상된다.
안테나 이득은 종종 모든 방향으로 동일하게 방사하는 가상의 안테나인 등방성 방사기를 기준으로 인용된다. 이 이득은 데시벨로 측정될 때 dBi라고 한다.[4] 에너지 보존 법칙에 따르면 고이득 안테나는 좁은 빔을 가져야 한다.[4] 예를 들어, 고이득 안테나가 1 와트 송신기를 100 와트 송신기처럼 보이게 한다면, 빔은 하늘의 1/100 이하를 커버할 수 있다. 이는 다시 고이득 안테나가 물리적으로 커야 함을 의미한다. 회절 한계에 따르면 원하는 빔이 좁을수록 안테나가 더 커야 하기 때문이다(파장으로 측정).
고출력 안테나를 만드는 일반적인 방법으로는 파라볼라 안테나, 헬리컬 안테나, 야기-우다 안테나 및 모든 종류의 더 작은 안테나의 위상 배열이 있다. 혼 안테나도 고출력으로 구성할 수 있지만 덜 일반적으로 사용된다. 아레시보 천문대는 특정한 주파수에서 극도로 높은 출력을 달성하기 위해 거대한 구형 반사판과 "선형 피드"를 조합하여 사용했다.
3. 안테나 이득
안테나 이득은 dBd로도 측정할 수 있으며, 이는 반파 다이폴의 최대 강도 방향에 대한 데시벨 단위의 이득이다. 야기-우다 안테나의 경우, 이는 테스트 중인 안테나에서 모든 지향기와 반사기를 뺀 이득과 거의 같다. dBi와 dBd를 혼동하지 않는 것이 중요하다. 두 값은 2.15 dB 차이가 나며, 다이폴은 등방성 안테나에 대해 2.15 dB의 이득을 가지므로 dBi 값이 더 높다.
이득은 또한 요소의 수와 해당 요소의 튜닝에 따라 달라진다. 안테나는 더 넓은 주파수 범위에서 공진하도록 튜닝할 수 있지만, 다른 모든 조건이 동일하다면 이는 안테나의 이득이 단일 주파수 또는 주파수 그룹에 대해 튜닝된 것보다 낮다는 것을 의미한다. 예를 들어, 광대역 TV 안테나의 경우 이득 감소는 TV 전송 대역의 하단에서 특히 크다. 영국에서는 이 TV 대역의 하위 3분의 1을 그룹 A라고 한다.[5]
개구면 및 효율과 같은 다른 요인도 이득에 영향을 미칠 수 있다. 개구면은 안테나가 신호를 수집하는 영역이며, 거의 전적으로 안테나 크기와 관련되지만, 소형 안테나의 경우 페라이트 막대를 추가하여 늘릴 수 있다. 효율은 크기의 영향을 받지만, 사용된 재료의 저항 및 임피던스 매칭에도 영향을 받는다. 이러한 요인은 안테나의 다른 기능을 조정하지 않고도 쉽게 개선하거나 지향성을 증가시키는 동일한 요인에 의해 우연히 개선되므로 일반적으로 강조되지 않는다.
3. 1. 이득 측정 단위
안테나 이득은 모든 방향으로 동일하게 방사하는 가상의 안테나인 등방성 방사기를 기준으로 하는 경우가 많다. 이 이득은 데시벨로 측정할 때 dBi라고 한다.[4] 에너지 보존 법칙에 따르면 고이득 안테나는 좁은 빔을 가져야 한다.[4] 예를 들어 고이득 안테나가 1 와트 송신기를 100 와트 송신기처럼 보이게 한다면, 빔은 하늘의 1/100 이하를 커버해야 한다. 회절 한계에 따르면 원하는 빔이 좁을수록 안테나가 더 커야 하기 때문에(파장으로 측정) 고이득 안테나는 물리적으로 커야 한다.[4]
안테나 이득은 dBd로도 측정할 수 있으며, 이는 반파 다이폴의 최대 강도 방향에 대한 데시벨 단위의 이득이다. 야기-우다 안테나의 경우, 이는 테스트 중인 안테나에서 모든 지향기와 반사기를 뺀 이득과 거의 같다. dBi와 dBd를 혼동하지 않는 것이 중요하다. 두 값은 2.15 dB 차이가 나며, 다이폴은 등방성 안테나에 대해 2.15 dB의 이득을 가지므로 dBi 값이 더 높다.
이득은 또한 요소의 수와 해당 요소의 튜닝에 따라 달라진다. 안테나는 더 넓은 주파수 범위에서 공진하도록 튜닝할 수 있지만, 다른 모든 조건이 동일하다면 이는 안테나의 이득이 단일 주파수 또는 주파수 그룹에 대해 튜닝된 것보다 낮다는 것을 의미한다. 예를 들어, 광대역 TV 안테나의 경우 이득 감소는 TV 전송 대역의 하단에서 특히 크다. 영국에서는 이 TV 대역의 하위 3분의 1을 그룹 A라고 한다.[5]
개구면 및 효율과 같은 다른 요인도 이득에 영향을 미칠 수 있다.
3. 2. 이득에 영향을 미치는 요인
안테나 이득은 종종 모든 방향으로 동일하게 방사하는 가상의 안테나인 등방성 방사기를 기준으로 인용된다. 이 이득은 데시벨로 측정될 때 dBi라고 한다. 에너지 보존 법칙에 따르면 고이득 안테나는 좁은 빔을 가져야 한다.[4] 예를 들어, 고이득 안테나가 1 와트 송신기를 100 와트 송신기처럼 보이게 한다면, 빔은 하늘의 1/100 이하를 커버할 수 있다. 이는 다시 고이득 안테나가 물리적으로 커야 함을 의미한다. 회절 한계에 따르면 원하는 빔이 좁을수록 안테나가 더 커야 하기 때문이다.
안테나 이득은 dBd로도 측정할 수 있으며, 이는 반파 다이폴의 최대 강도 방향에 대한 데시벨 단위의 이득이다. 야기-우다 안테나의 경우, 이는 테스트 중인 안테나에서 모든 지향기와 반사기를 뺀 이득과 거의 같다. dBi와 dBd를 혼동하지 않는 것이 중요하다. 두 값은 2.15 dB 차이가 나며, 다이폴은 등방성 안테나에 대해 2.15 dB의 이득을 가지므로 dBi 값이 더 높다.
이득은 또한 요소의 수와 해당 요소의 튜닝에 따라 달라진다. 안테나는 더 넓은 주파수 범위에서 공진하도록 튜닝할 수 있지만, 다른 모든 조건이 동일하다면 이는 안테나의 이득이 단일 주파수 또는 주파수 그룹에 대해 튜닝된 것보다 낮다는 것을 의미한다. 예를 들어, 광대역 TV 안테나의 경우 이득 감소는 TV 전송 대역의 하단에서 특히 크다. 영국에서는 이 TV 대역의 하위 3분의 1을 그룹 A라고 한다.[5]
개구면 및 효율과 같은 다른 요인도 이득에 영향을 미칠 수 있다. 개구면은 안테나가 신호를 수집하는 영역이며, 거의 전적으로 안테나 크기와 관련되지만, 소형 안테나의 경우 페라이트 막대를 추가하여 늘릴 수 있다. 효율은 크기의 영향을 받지만, 사용된 재료의 저항 및 임피던스 매칭에도 영향을 받는다. 이러한 요인은 안테나의 다른 기능을 조정하지 않고도 쉽게 개선하거나 지향성을 증가시키는 동일한 요인에 의해 우연히 개선되므로 일반적으로 강조되지 않는다.
4. 종류
4. 1. 주요 안테나 종류
5. 응용 분야
아레시보 천문대와 같이 물리적으로 거대한 구조의 무선 안테나는 가장 높은 이득을 가지는 안테나이다. 심우주 네트워크는 약 1cm 파장에서 35m 안테나를 사용하는데, 이러한 조합은 약 1억(80dB)의 안테나 이득을 제공한다. 이는 송신기를 약 1억 배 더 강력하게, 수신기를 약 1억 배 더 민감하게 만든다. 단, 대상 물체가 빔 내에 있어야 한다. 이 빔은 하늘의 1억분의 1(10^−8)을 커버할 수 있어 매우 정확한 지향이 필요하다.
고이득 및 밀리미터파 통신을 WPAN에 사용하면 국소화된 영역에서 비간섭 전송의 동시 스케줄링 가능성을 높여 네트워크 처리량을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나 동시 전송의 최적 스케줄링은 NP-Hard 문제이다.
5. 1. 주요 응용 분야
아레시보 천문대와 같이 물리적으로 거대한 구조의 무선 안테나는 가장 높은 이득을 가지는 안테나이다. 심우주 네트워크는 약 1cm 파장에서 35m 안테나를 사용하는데, 이러한 조합은 약 1억(80dB)의 안테나 이득을 제공한다. 이는 송신기를 약 1억 배 더 강력하게, 수신기를 약 1억 배 더 민감하게 만든다. 단, 대상 물체가 빔 내에 있어야 한다. 이 빔은 하늘의 1억분의 1(10^−8)을 커버할 수 있어 매우 정확한 지향이 필요하다.고이득 및 밀리미터파 통신을 WPAN에 사용하면 국소화된 영역에서 비간섭 전송의 동시 스케줄링 가능성을 높여 네트워크 처리량을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나 동시 전송의 최적 스케줄링은 NP-Hard 문제이다.
6. 한국의 고이득 안테나 기술
6. 1. 주요 연구 개발 분야
7. 역사
7. 1. 주요 역사적 발전
8. 갤러리
참조
[1]
서적
Proceedings of the 11th National Technical Seminar on Unmanned System Technology 2019: NUSYS'19
https://books.google[...]
Springer Nature
[2]
서적
Encyclopedia of Space and Astronomy
https://books.google[...]
Infobase Publishing
[3]
간행물
Low-gain antenna
http://www.oxfordref[...]
[4]
웹사이트
Low gain aerial acceptance angle
http://www.aerialsan[...]
[5]
웹사이트
Gain graph
http://www.aerialsan[...]
[6]
논문
Time-slotted scheduling schemes for multi-hop concurrent transmission in WPANs with directional antennas
[7]
논문
Project ''Echo'': A horn-reflector antenna for space communication
1961-07
[8]
웹사이트
Horn antenna
http://www.nps.gov/h[...]
U.S. National Park Service
2008-05-23
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