2012년 9월 24일 월요일

전자파를 눈으로 보자!(Let's see EM waves!)


[경고] 아래 글을 읽지 않고 "전자파를 눈으로 보자"를 보면 바보로 느껴질 수 있습니다.
1. 가장 쉬운 안테나 이론


안테나(antenna)는 전류(electric current)/전압(voltage)을 전자파(electromagnetic wave)로 바꾸어 주는 무선통신에서 매우 중요한 수동소자이다.

[그림 1] 깃대 안테나(mast antenna)의 모습(출처: wikipedia.org)

현재까지 인간이 발견한 파동중 신뢰성과 효율성 측면에서 전자파만한 것이 없다. 그래서, 전자파는 장거리 레이다(radar), 위성통신, 우주통신 등에 사용될 수 있는 거의 유일한 파동이다. 이런 전자파도 약점이 있다. 비가시 전자파(invisible electromagnetic wave)는 눈에 보이지 않기 때문에 시스템 설계할 때 매우 불편하다. 이런 문제를 재미있게 해결하는 논문이 [1]에 발표되었다. [1]에서 3.3 [GHz] 전자파 가시화 장치를 만드는 방법과 구체적인 부품들을 볼 수 있다.

[그림 2] 렉테나를 이용한 전자파 가시화 장치(출처: [1])

[그림 2]처럼 전자파를 눈에 보이도록 만들기 위해  LED(Light Emitting Diode)와 렉테나(rectanna: rectifying antenna, 정류 안테나)를 활용하고 있다. 기본적인 아이디어는 매우 간단하다. 전자파를 수신하여 전기를 생성하기 위해 정류 안테나인 렉테나를 사용한다. 렉테나에서 만들어진 전기는 LED를 이용하여 빛을 만든다. 즉, 전자파가 있으면 전기가 만들어져 LED가 켜지고 전자파가 없으면 전기가 없어 LED를 켤 수 없다.
전자파를 이용해 전기를 만드는 렉테나는 최근에 등장하는 에너지 수확(energy harvesting) 기술의 핵심을 이루는 중요소자이다. 하지만 렉터나의 기본원리는 정류기(rectifier)와 별반 다르지 않다. [그림 2]에서 사용한 렉테나는 실제 다음 모양을 하고 있다.

[그림 3] 렉테나의 실제 모습(출처: [1])

렉테나의 회로도는 다음과 같다. [그림 4]의 렉테나는 MS 패치안테나(microstrip patch antenna), MS 라인(microstrip line), 임피던스 정합망(impedance matching network), 전압 체배기(voltage multiplier)로 구성된다.

[그림 4] 렉테나의 회로도(출처: [1])

50 [Ohm]의 입력임피던스(input impedance)를 가진 패치안테나를 전압 체배기와 임피던스 정합을 시키기 위해 인덕터(inductor) L1, L2로 구성된 임피던스 정합망을 사용하였다. 전압 체배기는 두 개의 전압 이배기(voltage doubler)를 직렬로 연결하여 안테나에 유기되는 전압을 4배로 키운다.

[그림 5] 그라이나허 전압 이배기(출처: wikipedia.org)

전압을 두 배로 키우기 위해 주로 사용하는 회로는 [그림 5]와 같다. [그림 5]의 회로는 약 100년 전인 1913년에 그라이나허(Heinrich Greinacher)가 발명한 것이다. [그림 4]의 전압 체배기는 다음처럼 이해할 수 있다. 안테나에 유기되는 전압은 va라 하고 최대값을 Vp라 가정한다.
  1. va가 (+): D1-d2 다이오드가 켜져 C1을 최대 Vp까지 충전한다.
  2. va가 (-): D1-d2는 꺼지고 D1-d1이 켜져 C2를 최대 2Vp까지 충전한다.  2Vp가 되는 이유는 C1에 Vp 만큼 충전되어 있고 va가 음(-)의 방향으로 Vp까지 움직이기 때문이다.
  3. 다시 va가 (+): D2-d2가 켜져 C4를 충전한다. KVL(Kirchhoff Voltage Law)에 의해 최대  2Vp까지 충전된다.
  4. 다시 va가 (-): D2-d2는 꺼지고 D2-d1이 켜져 C3를 충전한다. C3는 최대 4Vp까지 충전된다.
  5. 이 과정이 주기적으로 계속 반복된다.
[참고문헌]
[1] B. Bauman, A. Christianson, A. Wegener, W. J. Chappell, "Dynamic visualization of antenna patterns and phased-array beam steering," IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 54, no. 3, pp. 184-193, June 2012.
Enhanced by Zemanta

댓글 2개 :

  1. 조금 무식한 질문이지만,
    GPS는 인공위성을 이용하나요? 인공위성이란것이 실제로 존재하나요?

    답글삭제
    답글
    1. 1. GPS는 세슘 원자 시계를 장착한 인공 위성 체계를 말합니다.

      2. 인공 위성은 실제로 있어요. 밤하늘에서 반짝이는 인공 위성을 가끔씩 볼 수 있습니다.
      인공 위성의 일종인 국제 우주 정거장(ISS: International Space Station)도 육안 관찰이 됩니다. 아래 링크 참고하세요.

      http://iss.astroviewer.net/

      삭제

욕설이나 스팸글은 삭제될 수 있습니다. [전파거북이]는 선플운동의 아름다운 인터넷을 지지합니다.