2012년 3월 9일 금요일

가장 쉬운 안테나 이론(the easiest antenna theory)


[경고] 아래 글을 읽지 않고 "안테나 이론"을 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
1. 전기장
2. 저항
3. 커패시터


전파관련 이론 중에 가장 어려운 이론은 안테나 이론이다. RF소자는 단순한 전송선 이론(transmission line theory)으로 충분히 설계가 가능하지만 안테나는 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)을 풀어야 특성예측이 가능하다. 내가 어려우면 남도 어려운 법이므로 안테나를 설계하기 위해 맥스웰 방정식을 직접 풀지는 않고 주로 안테나설계 SW를 이용한다.
안테나 이론 자체는 매우 어렵지만 안테나의 동작원리를 이해하는 것은 정말 쉽다. 똑똑한 초등학생만 되더라도 아래글을 이해할 수 있다. 우리 힘내서 한 번 앞으로 가보자.

[그림 1] 메뚜기(출처: wikipedia.org)

안테나(antenna)의 어원은 우리가 가을이면 항상 볼 수 있는 메뚜기와 관련되어 있다. 메뚜기와 같은 곤충에게 있는 더듬이를 안테나라고 부른다. 즉, 통신장비의 더듬이가 안테나가 된다.
안테나를 이해하기 위해 [그림 2]에 있는 RC 회로를 생각하자.

[그림 2] RC 교류회로(출처: wikipedia.org)

[필터(filter)로 쓰는 RC 회로]

RC 회로는 저항(R: resistor)과 커패시터(C: capacitor)를 연결한  회로이다. 저항은 전류(electric current)의 흐름을 방해하는 부분이고 커패시터는 전하(electric charge)를 모으는 부분이다. [그림 2]의 좌측에 입력을 연결하면 전류가 흐르지 않을 것 같지만 흐른다. 이것은 실험으로 확인한 분명한 사실이다. 즉, 커패시터는 (+)와 (-)가 물리적으로 끊어져 있기 때문에 전류가 흐르지 않을 것 같지만 전하를 충전하거나 방전하는 동안은 전류가 흐른다.

[그림 3] 배터리 충전기(출처: wikipedia.org)

이게 이해가 안되면 [그림 3]의 배터리 충전기를 보자. 배터리(battery)는 사실 거대한 용량을 가진 커패시터이다. 전하를 다 사용해서 방전이 된 배터리는 [그림 2]의 커패시터와 회로적으로 동일하다. 자, 이 배터리에 전기를 연결하면 어떻게 될까? 당연히 전류가 흐른다. 전류가 흐르기 때문에 배터리가 충전되며 충전을 표시하는 LED(Light Emitting Diode)에도 불이 들어온다.
이 부분만 이해하면 안테나 이해는 거의 끝이 났다. 믿어지지 않는가? 아래와 같은 사고실험을 해보자.

[그림 4] RC 회로로 설명하는 안테나

전하를 충전/방전할 때는 반드시 전류가 흐르기 때문에 커패시터의 간격을 [그림 4]처럼 약간 벌리더라도 전류는 흐를 것이다. 물론 간격이 좁을 때보다는 전류가 더 적게 흐를 것이다. 전류가 흐르는 이유는 근본적으로 쿨롱 법칙(Coulomb's law) 때문이다. [그림 4]에서 입력전압으로 인해 커패시터의 한쪽에 (+) 전하를 모으면 (+)는 (-)를 끌어당기기 때문에 커패시터의 다른쪽에 반드시 (-) 전하가 생겨야 한다. 즉, (-) 전하를 만들기 위해 커패시터의 반대편에 전류가 흐른다.
다음으로 커패시터의 간격을 극단적으로 늘리면 어떻게 될까? 전류의 크기는 줄어들겠지만 반드시 전류가 흐른다는 것을 알 수 있다. 이렇게 멀리 떨어진 곳에 전류를 흐르게 하는 기술이 무선통신(wireless communication)이다. 또한, 전류 혹은 전압을 전자기파(electromagnetic wave)로 바꾸어주는 장치가 안테나가 된다.
이러한 이유로 맥스웰이 방정식을 만들 때부터 변위전류(displacement current)를 강조했고 변위전류의 존재성을 증명하기 위해 [그림 2]의 RC 회로를 예를 들어 설명했다. 하지만, 당대 물리학자들은 맥스웰의 사고실험을 받아들이지 않았다. 맥스웰이 죽고난 1886년에 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)가 이 문제에 관심을 가져 1887년에 전자기파가 존재한다는 것을 실험적으로 증명했다.

[그림 5] 그네(출처: wikipedia.org)

안테나를 조금 더 고차원적으로 생각하려면 "전류의 공진" 개념을 도입하면 된다. 공진(共振, resonance)은 [그림 5]의 그네가 대표적인 예이다. 그네를 잘 흔들리게 하려면 밀 때 그네의 움직임에 따라 밀어야 된다. 그네와 외부힘의 움직임(or 주파수)가 일치하는 경우가 공진이다.
안테나도 그네의 움직임과 비슷하게 동작한다. 안테나가 실제로 전자파를 복사하려면 안테나의 입력 전류와 안테나의 공진 특성과 같아야 한다. (or 전문적으로는 공진주파수(resonant frequency)가 같아야 한다.)
안테나에 전류를 밀어넣는 행위(or 입력 전압이 (+))는 그네를 미는 것과 매우 유사하다. 처음에는 전류가 잘 들어가지만 안테나에서 튕겨 반사되는 파동(reflected wave)이 반드시 있다. 그래서 이때는 전류를 밀어넣는 것이 아니고 잡아당겨야 한다(or 입력 전압이 (-)가 되어야 한다). 반사파가 줄어들면 다시 전류를 밀어넣고(+) 튕기면 전류를 당긴다(-). 이때 안테나는 교번적으로 전류를 받기도 하고 튕기기도 하므로 이 주파수와 동일하게 입력 전압은 (+), (-)로 바뀌어야 한다. 이걸 안테나 공학자들은 입력과 안테나의 공진주파수를 맞춘다고 한다.

[참고문헌]
[1] P. J. Bevelacqua, Antenna-Theory.com, 2009.

[다음 읽을거리]
1. 가장 작은 안테나: 헤르츠 다이폴
2. 안테나의 복사저항
3. 안테나를 입다
4. 로고 안테나
5. 신기한 투명 안테나
6. 전자파를 눈으로 보자
7. 종이와 잉크젯으로 만드는 안테나
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댓글 18개 :

  1. 좋은 자료 너무 잘 봤습니다.^^
    질문 한 가지만 할게요~
    그럼 AC전압을 인가해주면 RC회로에서 결과적으로 커패시터쪽으로도 전류가 흐르는 것이죠?

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  2. 예, KCL에 의해 당연히 전류가 흘러야 하고 그 전류는 같아야 합니다. 감사합니다.

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  3. 자세히 설명 되어 너무 좋네요 ㅎㅎ

    질문 한가지만 해도 될까요 ??

    된다면 질문이 길어서 그런데 메일을 가르쳐주실수 있을런지요~

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  4. 방문 감사합니다.
    제 이메일은 iGhebook@gmail.com입니다.

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  5. 좋은 글 잘 보고 갑니다~ 학부가 전자과 출신인데, 그때는 안테나 공학에 흥미가 전혀 없어서 지금은 소프트웨어쪽으로 전향했는데, 이 글을 보니 다시 흥미가 생기네요 ㅎㅎ 너무 쉽게 쓰여져 있어서 재미있게 잘 봤습니다^^

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    1. 쉽게 이해하셨다니 다행이네요. ^^ 안테나가 어렵기는 하지요.

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  6. 좋은 글 잘봤습니다. 이해하기 쉽게 설명해 놓으셔서 너무 좋아요! 감사합니다~

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    1. 방문 감사합니다, 익명님. ^^ 안테나 이해는 쉽지 않아요. :)

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  7. 학부때 공부했던 안테나와 전자기학을 졸업후 다시 공부하고 있는데, 이 블로그는 저에게 사막위에 오아시스와도 같네요. 감사합니다.

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    1. 반갑습니다, 이문식님. ^^
      전자기학을 다시 공부하기는 어려운데 좋은 결심하셨네요. 좋은 결실 맺으시기를 빕니다.

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  8. 좋은 글 잘보고 갑니다. 번창하십시오.

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    1. 방문 감사합니다. 익명님도 번창하세요. ^^

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  9. 라디오 수신원리를 검색하다 이곳을 발견했습니다.읽는 도중 궁금한게 생겨서 그런데요.안테나에 커패시터가 있으면 전류가 생겨서 수신을 받을수있는건가요?

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    1. 안테나 이론이 단순하지는 않아요. ^^
      커패시터에 전하를 충전할 수 있어야 하는데, 안테나 입력이 교류라서 공진을 맞추어 주어야 정상 동작합니다. 커패시터만으로는 안테나가 되지 않습니다.

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    2. 케퍼시스터는 단순히 전류를 증폭 시키는데 있습니다. 본문에 RC회로도를 제기하는데
      주파수랑 반대로 전개 되는 이유로 계시된것 같습니다.

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  10. RC회로는 이해가 되는데 주파수 공진 일으키는 요소가 무엇 인지 궁금 하네요.
    저는 로봇공학과 학생입니다. 위성용 안테나를 제작해볼려고 하는데
    원리는 이해되는데 공진되는 법칙이 잘이해가 안되네요.
    , -를 번걸어 걸어주면 교류가 발생되는데 이걸 짧은시간 많이 반복해주면 주파수가 되고
    즉 공진은 주파수를 높게 잡아줄때마다 교류파형에 반발하는 전류를 많이 흘려 줘야 해서 ,유튜브 동영상에서 저항과 케퍼시터에 해당되는 발상으로 생각 되는데
    저 전압으로 전류를 많이 흘려줄려면 저항과 케퍼시터의 크기가 커야하며,
    주파수가 이 RC회로와 반비례 한다는 정의에 반하는 내용이 주파수
    라는것이 안테나의 요점이군요.그래서 안테나 원반의 크기가 클수록 먼곳에서 오는 주파수륻전파를 자루잡아 내는 것이 구요. 공진에 대한 부분만 좀 원활히 알 수 있으면 좋은 글 이군요.

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  11. ,마이너스 앞에 +가 빠졌습니다.

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    1. 여기에 있는 내용은 정성적인 너무 단순화된 설명이라서, 더 구체적으로 들어가려면 아래 링크를 이해해야 합니다, Mr. Stark님. ^^
      또한 안테나 공진을 일으키는 가장 단순한 원리는 "안테나 길이를 반 파장"으로 만드는 것입니다.

      http://ghebook.blogspot.kr/2012/05/radiation-resistance-of-antenna.html

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