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)와 전압(voltage)을 전자파(electromagnetic wave)로 바꾸어 주는 무선 통신에서 매우 중요한 수동 소자(passive device)이다.

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

현재까지 인간이 발견한 파동중 신뢰성과 효율성 측면에서 전자파보다 효과적인 매개체는 없다. 그래서, 전자파는 장거리 레이다(radar), 위성 통신, 우주 통신 등에 사용될 수 있는 거의 유일한 파동이다. 이런 전자파에도 약점이 있다. 비가시 전자파(invisible electromagnetic wave)는 눈에 보이지 않기 때문에, 통신 시스템을 설계할 때 매우 불편하다. 이런 문제를 재미있게 해결하는 논문이 [1]에 발표되었다. [1]에서 3.3 GHz 전자파 가시화 장치를 만드는 방법과 구체적인 부품을 볼 수 있다.

[그림 2] 렉테나를 이용한 전자파 가시화 장치(출처: [1])

[그림 2]처럼 전자파를 눈에 보이도록 만들기 위해  LED(발광 다이오드, Light Emitting Diode)와 렉테나(rectenna: 정류 안테나, rectifying antenna)를 활용하고 있다. 이를 위한 발상 방식은 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 중요 소자이다. 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 마이크로스트립[간략하게 μ스트립] 패치 안테나(microstrip patch antenna), μ스트립 선로(microstrip line), 임피던스 정합망(impedance matching network), 전압 체배기(voltage multiplier)로 구성된다.

[그림 4] 렉테나의 회로도(출처: [1])

50 Ω의 입력 임피던스(input impedance)를 가진 패치 안테나를 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 1913년그라이나허 33세, 일제 식민지 시절에 그라이나허Heinrich Greinacher(1880–1974)가 발명했다. [그림 4]의 전압 체배기는 다음처럼 동작 원리를 이해할 수 있다. 안테나에 유기되는 전압은 $v_a$라 하고 최대값을 $V_p$라 가정한다.

1. $v_a$가 (+): D1-d2 다이오드가 켜져 C1을 최대 $V_p$까지 충전한다.
2. $v_a$가 (-): D1-d2는 꺼지고 D1-d1이 켜져 C2를 최대 $2V_p$까지 충전한다. $2V_p$가 되는 이유는 C1에 $V_p$ 만큼 충전되어 있고 $v_a$가 음(-)의 방향으로 $V_p$까지 움직이기 때문이다.
3. 다시 $v_a$가 (+): D2-d2가 켜져 C4를 충전한다. KVL(Kirchhoff Voltage Law)에 의해 최대 $2V_p$까지 충전된다.
4. 다시 $v_a$가 (-): D2-d2는 꺼지고 D2-d1이 켜져 C3를 충전한다. C3는 최대 $4V_p$까지 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.