2012년 3월 9일 금요일

가장 쉬운 안테나 이론(The Most Easiest Theory of Antenna)

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


[쉽게 이해하는 안테나의 동작 원리]

전파 관련 이론 중에 가장 어려운 이론은 안테나 이론이다. RF(Radio Frequency) 소자는 단순한 전송선 이론(transmission line theory)으로 충분히 설계가 가능하지만 안테나는 맥스웰 방정식(Maxwell's equations)을 풀어야 특성 예측이 가능하다. 내가 어려우면 남도 어려운 법이므로 안테나를 설계하기 위해 맥스웰 방정식을 직접 풀지는 않고 주로 안테나 설계 SW를 이용한다. 안테나 이론 자체는 매우 어렵지만 안테나의 동작 원리를 이해하기는 정말 쉽다. 똑똑한 초등학생만 되더라도 아래 글을 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, 통신 장비의 더듬이가 안테나가 된다. 더 전문적 관점에서 안테나는 입력 전류 혹은 전압 신호를 전자기파로 바꾸는 변환기(transducer)이다. 아주 옛날분들은 안테나 대신 한자인 공중선(空中線)을 사용하기도 한다.
안테나를 이해하기 위해 [그림 2]에 있는 RC 회로를 생각하자.

[그림 2] RC 교류 회로(출처: wikipedia.org)

[필터(filter)로 쓰는 RC 회로]

RC 회로는 저항(resistor, R)커패시터(capacitor, C)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. 이 현상은 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 사고 실험을 해보자.

[그림 4] RC 회로로 설명하는 안테나

전하를 충전 혹은 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 입력 전압으로 인해 커패시터의 한쪽에 ($+$) 전하를 모으면 ($+$)는 ($-$)를 끌어당기기 때문에 커패시터의 다른 쪽에 반드시 ($-$) 전하가 생겨야 한다. 즉, ($-$) 전하를 만들기 위해 커패시터의 반대편에 전류가 흐른다. 다음으로 커패시터의 간격을 극단적으로 늘리면 어떻게 될까? 전류의 크기는 줄어들겠지만 반드시 전류가 흐름을 알 수 있다. 이렇게 멀리 떨어진 곳에 전류를 흐르게 하는 기술이 무선 통신(wireless communication)이다. 또한, 전류 혹은 전압을 전자기파(electromagnetic wave)로 바꾸어주는 장치가 안테나가 된다. 이러한 이유로 맥스웰이 방정식을 만들 때부터 변위 전류(displacement current)를 강조했다. 맥스웰은 변위 전류의 존재성을 증명하기 위해 [그림 2]의 RC 회로를 예로 들어 설명했다. 하지만, 당대 물리학자들은 맥스웰의 사고 실험을 받아들이지 않았다. 맥스웰이 죽고난 1886년헤르츠 29세, 조선 고종 시절에 헤르츠Heinrich Hertz(1857–1894)가 이 문제에 관심을 가져 1887년에 전자기파가 존재함을 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 외부 힘의 움직임[혹은 주파수]가 일치하는 경우가 공진이다. 안테나도 그네의 움직임과 비슷하게 동작한다. 안테나가 실제로 전자파를 복사하려면 안테나의 입력 전류와 안테나의 공진 특성과 같아야 한다.[혹은 전문적으로는 공진 주파수(resonant frequency)가 같아야 한다.] 안테나에 전류를 밀어넣는 행위[혹은 입력 전압이 ($+$)]는 그네 밀기와 매우 유사하다. 처음에는 전류가 잘 들어가지만 안테나에서 튕겨 반사되는 파동(reflected wave)이 반드시 있다. 그래서 이때는 전류를 밀어넣지 않고 잡아당겨야 한다.[혹은 입력 전압이 ($-$)가 되어야 한다.] 반사파가 줄어들면 다시 전류를 밀어넣고[($+$)를 가함], 파동이 튕기는 경우에는 전류를 당긴다[($-$)를 가함]. 이때 안테나는 교번적으로 전류를 받기도 하고 튕기기도 하므로 이 주파수와 동일하게 입력 전압은 ($+$), ($-$)로 바뀌어야 한다. 이 과정을 안테나 공학자들은 입력과 안테나의 공진 주파수를 맞춘다고 한다.

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

댓글 35개 :

  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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  12. 진짜 고수는 쉽게 설명한다. 진리죠 ^ ^
    안녕하세요 ~
    질문하나 드려도 될지요..
    요즘 나오는 블루투스 전파가 너무 쎄서 손이 아플정도 입니다. 그래서 전파세기를 약하게 하고 싶은데요, 칩안테나에 저항을 삽입하면 전파 세기가 좀 약해질지요..?

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    1. 그렇게 해도 전자파 출력은 줄 거에요.
      블루투쓰 안테나를 유전체와 같은 재질로 감싸도 출력은 줄어요.

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  13. 너무 재미있는 글이네요^^ 지인들과 공유해도 괜찮을까요?

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    1. 아래 꼬리말처럼 출처만 밝히시면 널리 공유하셔도 됩니다. ^^

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  14. 안녕하세요 안테나를 공부하고있는 대학생입니다.
    패치안테나에서 급전위치의 변화는 어떤 의미가 있을까요?

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    1. 안테나의 급전 위치를 바꾸면 입력으로 들어가는 전류파와 전압파가 바뀝니다. 이걸 전송선에서는 입력 임피던스가 바꾼다고 하고, 전자파적으로는 편파와 복사 패턴까지 바뀌게 됩니다.

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    2. 감사합니다. 혹시 식이나 공식을 통한 자세한 설명해 주실수 있으신가요?

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    3. 패치 안테나에 대한 이론은 관련 전공 서적을 찾아보셔야 할 거예요.

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  15. 아! 제가 방금 전에 실험을 해봤는데, 제 생각이 맞았네요! 어떤 분은 누설전류라고 했는데 엄현이 무선 으로 전류가 흘렀기에 통신이라고 생각합니다. 감사합니다. 아두이노에 두 선을 연결해서 실험했습니다.

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  16. 안녕하세요. 저는 HW를 설계하는 초보 엔지니어입니다.
    올리신 게시물들을 고마워하여 힘들게? 힘들지만 하나씩 읽어가고 있습니다. 다시한번 감사합니다.

    창피하지만 아주 초보적인 질문을 하려고 합니다.

    RC필터에서 LPF, HPF등을 만드려면 R이 필요한데 HW를 설계하거나 임피던스 Matching을 할 때는 일반적으로 직렬로 저항(R)을 사용하지 않는데요.
    50ohm으로 특성임피던스를 맞추고 network Analyer로 스미스차트를 이용해 임피던스 matching을 합니다.
    이런 조건이면 2πRC에서 R을 50ohm으로 놓으면 되나요?

    아니면 전원 노이즈를 차단하려고 line filter를 사용할 때도 저항은 고려하지 않고, 인덕터만 사용하는데 이경우도 직력저항은 거의 0에 가깝습니다.
    계산시에 R을 어떻게 넣어야 할지요?

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    1. 발진을 잡기 위해 강제적으로 신호를 감쇠시키지 않는 한, 저항 자체를 정합 회로에 사용하지는 않습니다.
      대신 전송선이 가진 특성 임피던스와 임피던스 변환을 이용해서 50 옴 정합을 맞춥니다.
      시간을 가지고 천천히 전송선 이론을 공부해보세요.

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  17. 안녕하세요. RF를 이제 막 공부하는 석사생인데 거의 이 블로그로 공부하고 있습니다..ㅎㅎㅎ 좋은 정보, 좋은 자료 공유해주셔서 감사합니다. 그런데 microstirp patch antenna 로 operating frequency를 설정하고 안테나 디자인을 할 때, 피드 라인을 단순하게 직사각형으로 그려 넣는거랑, E 자, ㄷ자 다양한게 많던데 이 피드라인은 어떤 규칙에 따라 바뀌는건가요?ㅠㅠ

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    1. "피드 라인"이 급전선(feed line)을 의미하나요? 급전선은 증폭기와 안테나를 연결하는 선로라서, 특성 임피던스만 맞추면 됩니다.

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  18. 전파거북이 선생님, 안녕하세요.

    선생님 블로그를 학부 시절부터 자주 참고해왔던 전기전자컴퓨터과 대학원생입니다.

    최근 안테나에 대해 연구할 기회가 생겨, 독학을 하고 있습니다.

    그러나 공부하던 중 이해하기 어려운 부분이 있어, 선생님께 답을 구할까 합니다.

    다이폴 안테나를 수신용으로 사용할 때, 그 길이와 관련된 내용인데, 유튜브나 많은 게시글에서는

    "전자기파가 다이폴 안테나의 내부 전하를 '잘' 진동시키도록 하기 위해서는 전자기파 파장의 반 파장 길이로 맞추어 안테나를 설계해야 한다" 고 하더군요.

    이 사실은 마치 단진자가 좌우 양끝 지점에서 가속도가 최대가 되고, 이 지점에서 힘의 방향을 전환시키면 '공진에 의해 잘 흔들린다'는 점과 결부시켜서, 충분히 이해가 갑니다.

    반 파장 길이보다 안테나를 짧게 설계할 경우에는, 전하가 안테나 끝 부분에 멈춰서게 되어서 운동을 지속하지 못하고, 결과적으로 전하가 가속 운동을 지속할 수 없게 되므로 정보를 제대로 수신할 수 없다는 것도 역시 충분히 이해가 갑니다만,

    만일 반 파장 길이보다 더 길게 설계하면, 전하는 안테나 내에서 운동할 길이가 충분하므로 전자기파의 전기장 흐름에 따라 가속운동을 지속할 수 있어서 정보의 수신 자체는 가능할 것 같다는 생각이 들었습니다. 이는 맞지 않는 생각일까요?

    선생님께서 시간이 가능하실 때, 답변을 주시면 감사하겠습니다.

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    1. 반갑습니다, 익명님 ^^

      안테나의 공진은 전류파의 위상 관점에서 봐야 합니다. 다이폴 안테나의 길이가 반파장이면, 안테나 중심에 넣어준 전류가 안테나의 끝에서 반사하여 다시 안테나 입력부로 돌아올 때의 위상은 360도의 배수가 됩니다. 왜냐하면 전류가 안테나 끝에서 반사할 때의 위상이 180도, 전류가 1/4파장을 왕복할 때 위상 지연이 180도이기 때문입니다.

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  19. 저 질문이 있는데 안테나를 송신할때 교류전원의 주파수를 rc회로가 공진하는 주파수를 넣어주어야된다는거죠?

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    1. 맞습니다. 그 주파수에서 공진이 일어나서 복사가 됩니다.

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