본문
| 전파 독본 | |
| 보이지않는 전파가 보이게 된다 | |
| 전파개발이용연구회편 | |
| 목 차 | |
| 제1장 전파란 무엇인가? | |
| 1. 전자파를 알자 | |
| 2. 전파의 성질을 알자 | |
| 3. 전파의 종류를 알자 | |
| 제2장 송신 수신의 실체 | |
| 1. 송수신기의 기본 | |
| 2. 안테나의 기본 | |
| 제3장 여러가지 전파 이용 시스템 | |
| 1. 방송 | |
| 2. 고정통신 | |
| 3. 위성통신 | |
| 4. 육상통신 | |
| 5. 해상통신 | |
| 6. 항공이동 | |
| 7. 레이더 | |
| 8. 무선항행 | |
| 9. 원격제어 | |
| 10. 에너지 이용 | |
| 제4장 전파와 과학 | |
| 1. 자연과 전파 | |
| 2. 우주와 전파 | |
| 3. 첨단기술과 전파 | |
제 1 장 전파란 무엇인가
공간을 달리는 전기 에너지, 그것이 전파다.
보통 전기는 공간(진공)을 흐르지 않는다고 생각하지만 어느 조건에서는 전기도 공간에서 흐를 수 있다 예를들면 벼락은 일종의 전기이다. 벼락이 가까이 떨어지게 되면 텔레비전 화면이나 라디오의 음성이 흩어지는 것은 번개의 전기적인 에너지가 작용하기 때문이다.
텔레비전 근처에서 청소기를 사용할 때에도 똑같은 일이 일어난다. 역시 청소기에서도 전기적인 에너지가 발생하고 있다 이와 같이 여러 형태로 전기적인 에너지가 공간을 흐르는 경우가 있으며 이러한 전기적 에너지를 일종의 전파라고 생각할 수 있다.
공간을 흐르는 전파는 무전기나 안테나에 따라 효율적으로 발생하거나 수신 가능하게 되며 우리의 생활 속에 여러가지 형태로 이용하게 된다. 전파는 전기적 성질을 많이 가지고 있다. 전선과 같이 도체를 흐르는 전기를 전류, 한편 공간(진공) 과 같이 도체가 없는 곳을 흐르는 전기를 전파라고 부른다.
역시 전파란 공간을 달리는 전기 에너지이다 전파의 정체에 대해서 이제부터 자세히 설명한다 먼저 제 장에서는 전파는 공간(진공)을 달리는 전기에너지라는 이미지를 가지고 시작해보자.
1. 전자파를 알자
♠ 전파는 전계와 자계를 가진 파이다
전파의 정체는 무엇인가? 라는 질문에 한마디로 답하는 것은 어렵다. 전파에 대해서는 전파법 이라는 다소 낯설은 법률에 정의되어 있다. 거기에 전파는 3,000GHz 이하의 주파수를 가진 전자파를 말한다. (일본 전파법 제2조 1항) 라고 되어있다. 역시 전파는 전자파의 일종이라는 것이다.
그러면 전자파란 무엇인가? 고등학교 교과서에서 전자파란 전계와 자계를 가진 파 전계와 자계가 동시에 존재하고 일정한 관계를 가지고 증감(진폭)을 반복하며 진행하는 파동이라고 적혀져 있다.
어려운 단어가 나열되어 특별한 파로 생각되나 전자파도 공기와 같이 우리들 주위에 존재하는 극히 자연스러운 에너지 상태이다. 그러나 우주공간에서는 공기가 없지만 전자파는 당연히 존재하고 있다.
빛이나 X선, 감마선 등도 사실은 전자파의 일종이다. 전자파에 대해서는 이제부터 그 구조를 살펴보기로 하자.
♠ 파는 에너지를 전달한다
파란 도대체 무엇인가? 해면파 지진파 음파 등 자연계에는 여러가지 파가 존재한다.
파에는 크게 2가지 종류가 있는데 하나는 횡파로서 진동방향과 수직방향으로 진행하는 파이며 수면 위에서 생기는 파가 그것이다. 또 하나는 진동방향이 파의 진행방향과 평행한 파로서 종파라고 부르며 음을 전달하는 방법으로 대표된다.
횡파와 종파는 그 생성이 다소 차이가 있으나 파로서 공통적인 것은 파의 상태 (= 진동하는 에너지) 그 자체가 차례차례로 전달되는 점이다.
예를들면 수면에서 생기는 파는 수면에 떠있는 물체를 상하로 움직이지만 파의 진행방향으로 움직이지는 않는다. 음을 전달하는 음파의 경우는 성대의 진동이 공기를 진동하여 전달되는 것이다. 이때 공기 분자는 전후로 진동하지만 분자 그 자체가 파와 함께 진행하지는 않는다. 역시 파는 진동 에너지를 차례차례로 전달하는 것이라는 것을 알 수 있다.
전자파도 일종의 파이다. 전자파의 경우는 전자파를 구성하는 전계와 자계의 두 가지가 각각 진동하면서 하나가 되어 전달되는 것이다. 전자파의 진행방향은 전계와 자계 각각의 진행방향에 대해서 수직이다. 역시 약간 복잡한 형태가 되지만 전자파를 1개 추출하면 그곳에는 어떤 전계와 자계가 각각 횡파의 형태를 하고 있다.
♠ 전기의 힘을 가진 장을 전계라고 부른다
전자파는 전계와 자계의 파이다. 그러한 전계는 도대체 어떤 것일까? 전계를 물리학에서는 전장, 영어로는 electronic field 라고 부른다. 역시 전기력을 가진 공간이 전계인 것이다.
물질은 보통 전기적으로 중성이다. 그것은 물질을 구성하는 원자 중의 전자(-) 와 양자(+) 의 수가 동일하기 때문이다. 예를들면 구리의 원자는 양자와 전자의 갯수가 29개로 동일하다. 그러나 어떤 물질을 문지르면 전자가 이동하여 이러한 밸런스가 붕괴된다. 전자가 이동하여 증가한 물질은 (-)를 전자가 떨어져나가 작아진 물질은 (+)의 전기적 성질을 나타내게 된다. 즉 대전하게 되는 것이다.
예를들면 플라스틱 자로 머리털을 문지르면 머리털의 전자가 플라스틱으로 이동한다. 전자가 증가하는 플라스틱 자는 음전기(-) 로 대전하고 전자가 줄어든 머리카락은 양전기(+) 로 대전한다. 여기서는 전기력만 가지고 있다. 양과 음전기는 인장력이 있으므로 머리카락과 플라스틱 자는 서로 당기게 된다. 그러나 어느 정도 거리가 떨어지게 되면 머리카락과 플라스틱 자도 서로 당기지 않게 된다. 이러한 전기력 또는 범위가 전계인 것이다.
머리털과 플라스틱 자는 강하게 몇번 문지르면 그것만으로도 많은 전자가 이동하여 플라스틱 자는 더욱 강한 음전기(-) 를 머리털은 더욱 강한 양전기(+)를 띄게 된다. 이들 (-)와 (+)의 크기 차이를 전위차라고 부른다. 전위차가 클수록 큰 쪽이 전기력도 크게 되며 전계도 넓어지게 된다. 전자파에서는 이 전계가 진동하면서 진행한다. 역시 전기력 = 전하를 가지고 있다.
♠ 자기가 있는 장을 자계라고 부른다
전자파에는 전계와 함께 자계도 존재하며 역시 진동하면서 진행한다 자계는 자장이라고도 부르며 자기(자력) 의 범위라고 부른다.
자기에 대해서는 자석이 철판을 끌어당기는 모습에서 용이하게 그 현상을 떠올릴 수가 있다. 역시 그 원리에 대해서는 전기와 같이 구체적인 설명을 할 수 없다. 그러나 자기에는 전기와 같은 자자(磁子) 라고 부르는 것이 존재하지 않는다.
우리들은 자기에 대해 먼저 그러한 힘이 있다라는 사실에서 출발하여야 한다.
자석의 주위에 철분을 뿌려서 자석을 가까이 하면 철분은 자석의 주위에 원반형태의 곡선을 그린다. 이 원반이 자력선이라고 부르는 것으로 자석의 자력이 미치는 범위를 나타내고 있다. 이 범위를 자계라고 부른다.
자계는 지구 주위에도 있다. 지구도 하나의 거대한 자석이기 때문이다. 어느 곳을 가든지 자석으로 방향을 알 수 있는 것은 지구에 자계가 있기 때문이다. 그러나 보다 더 강력한 자계를 가진 것이 근처에 있으면 자석은 강력한 쪽으로 흔들리어 올바른 방향을 표시 할 수가 없게 된다. 자기가 강하면 강할수록 자계는 넓어지며 약할수록 좁아지게 된다.
자석에는 극과 극이 있으며 전기력(전하) 와 똑같이 N극에는 양(+), S극에는 음(-) 의 부호를 표시하며 역시 (+)와 (-)는 당기며, (+)와 (+), (-)와 (-)는 반발한다. 또 자력선의 방향은 (+)에서 (-)로, N극에서 S극 방향이며 이 자력선이 움직이는 범위를 자계라고 한다. 전자파에는 전계와 함께 이 자계가 있으며 역시 전기력과 자력을 가지고 있다.
♠ 전자유도로 알 수 있는 전계와 자계의 깊은 관계
지금까지 전계와 자계를 별도로 보았다. 그러나 원래 전계와 자계는 매우 깊은 관계를 가지고 있어 떨어질 수가 없다.
어렸을 적에 에나멜선을 원통에 감아 전지에 연결하여 전류를 흘리면 전자석이나 모터를 만드는 것을 생각해보자. 코일에 전류가 흐르면 자석이 되고 스위치를 끊으면 보통의 코일이 된다. 또 코일 속에 막대 자석을 넣었다 빼면 코일에는 전류가 흐른다. 역시 전류가 흐르면 자기가 생기고 자기가 움직이면 전류가 발생한다. 전류가 많이 흐르면 자기도 강해지고 자기의 변화가 커질수록 전류도 많이 흐르게 된다. 이것은 전자유도라고 부르며 발전기나 모터 변압기 등 여러가지 장치에 그 원리가 이용되고 있다.
또 전류가 전선에 흐르게 되면 전선 주위에는 자계가 발생하며 이것을 어느 점에서 보면 자계는 전류가 흐르는 것에 대해 수직으로 발생하는 것을 알 수가 있다.
전계(전류) 와 자계의 관계는 어떤 경우에도 항상 수직으로 교차하여 구성되며 이것이 전자파의 경우 전계와 자계의 관계에도 똑같이 적용된다.
♠ 전자파의 실상
이제 전자파의 실상을 얘기해 보자.
먼저 안테나 소자에 고주파 전압을 인가한 경우를 생각해보자. 전압은 (+)와 (-)가 상호 교대로 송신기에서 부가하고 있다. 전압이 가해지면 전류가 흐르고 그곳에 자계가 형성된다. 전류는 전압에 따라 (+)(-)가 교대로 흐르므로 이러한 변화에 따라 자계도 강해지거나 약해지기도 한다. 여기서 자계의 변화에 따라 전계가 형성된다. 물론 전계도 자계도 동일하게 반복한다.
전압의 (+)에서 (-)까지 한주기를 마치면 자계와 전계도 동일한 주기로 강약을 형성한다. 그리고 다음 주기의 전압을 곧바로 인가하므로서, 최초 주기에 형성된 자계와 전계는 다음 주기에 형성된 자계와 전계에 밀려나와 멀어지게 된다.
이러한 현상이 매우 빠른 속도로 반복되므로서 전자파가 구성된다. 전자파는 특정한 방향성을 가지지 않는 한 전방향으로 퍼져나가게 된다.
전자파는 도화지에 그려진 파형처럼 선 뿐 만 아니라 입체적인 도나츠 모양으로 퍼져 나가게 된다. 단지 이 전자파의 두지점을 연결하는 선을 추출하여 보면은 그 선상에 자기가 강한 부분과 약한 부분이 동일한 간격으로 계속 반복되는 것을 알 수 있다. 이것은 전계에 대해서도 마찬가지이다. 역시 전자파는 공간적으로 퍼지는 특징을 가지고 있으나 이것을 선으로 나타낼 때에는 자계와 전계의 파로 구성되어 있는 것을 확실히 알 수 있다.
| (컬럼) 음파 인류의 의사소통의 첫걸음은 귀로 음파를 느끼는 데서부터 시작되었다. 원시시대에는 소리 높여 부르고 그것을 듣는 것이 최초의 통신 수단이었다. 소리는 성대의 진동이 그대로 공기 중의 진동이 되어 전달된다. 이때 공기는 압축되거나 팽창하면서 공기의 밀한 부분과 소한 부분을 구성하여 그것이 반복하면서 공기 중을 진행한다. 수중에서 음을 보낼 때에도 마찬가지로 물의 밀과 소가 반복하면서 수중을 진행한다. 거기서 음파는 밀소파라고 부르며 그 파는 진동방향과 진행방향이 동일하므로 전파와는 다른 횡파이다. 또 음파는 공기나 물 같은 매체가 없으면 파가 전달되지 않는다. 역시 전파처럼 진공 중을 진행할 수 가 없다. 그리고 음의 속도는 공기 중에서 초속 약 331.5m 이며 매체의 밀도가 높으면 높을수록 속도도 빨라져서 물속에서는 초속 약 1,500m 이고 철에서는 초속 약 5,950m 가 된다. 또 음의 높이는 1초간 몇 번 진동하느냐는 주파수에 따르며 주파수가 높으면 높을수록 음도 높아지게 된다. 우리들 귀로 들을 수 있는 주파수는 저음이 약 20 Hz, 고음이 약 20 KHz까지 들을 수 있다. 그리고 음정의 기준이 되는 A음(바장조의 라음)은 440 Hz 이며 라디오 시보의 최초 3개가 이 음이다. |
2. 전파의 성질을 알자
♠ 기본은 빛과 동일
전파가 전자파라는 것은 이미 설명하였다. 따라서 빛도 또한 전자파의 일종이다. 전파와 빛은 형제 관계이며 그 성질도 기본적으로는 동일하다. 단지 빛은 볼 수가 있으나 전파는 볼 수 없다는 것이 큰 차이점이다. 먼저 빛도 발광체 그 자체나 반사에 의해 색깔이나 밝기를 알 수 가 있으나 공중을 달리는 광선을 직접 볼 수 는 없다. 역시 공간에서는 전파도 빛도 동일하다고 말할 수 있다.
여기서는 전파의 기본적인 성질을 설명하고 빛과 대비하여 생각하면서 구체적인 모습을 그려보기 바란다.
♠ 전파는 광속으로 난다
모든 전자파는 진공 중 또는 물질 속에서 광속으로 전달된다. 전자파인 전파도 역시 광속이며 진공 중에서 광속은 초속 약 30만 Km 이다.
물질 속의 전파 속도는 그 물질의 굴절률에 반비례하여 감속한다. 물속이나 유리 속에서는 진공 속 광속의 0.7배, 게르마늄에서는 0.3배까지 느려진다. “광속보다 느리게 되므로 물질 속을 광속으로 달린다고 말할 수 없다” 고 조급하지 말자. 동일한 물질 속에서 빛도 똑같이 감속한다. 결국 감속한 속도가 그 물질 속의 광속이 된다. 수중에서는 진공 중의 0.7배가 광속이며, 전파는 역시 광속으로 전파된다.
지구 대기 즉 공중에서는 그 굴절률이 진공 중과 거의 같으므로, 전파의 속도도 진공 중의 광속 그대로 사용된다. 결국 전파도 빛도 똑같이 1초에 지구를 7바퀴 반을 돌게 된다.
3. 전파의 종류를 알자
♠ 전파는 3000 GHz 이하 주파수를 가진 전자파를 말한다
전파 종류를 설명하기 전에 먼저 전파의 정의를 확인해보자.
일본 전파법에 “전파란 300만 MHz 이하 주파수의 전자파를 말한다” 라고 되어있다.
1MHz는 100만Hz의 주파수 단위이다. 다시 말하면 1초에 30억번 이하로 진동하는 전자파가 “전파” 라는 것이다.
우리들은 아무렇지 않게 전파라는 말을 쓰고 있지만 엄밀히 말하면 전파는 이렇게 정의되어 있다. 한편 전자파는 우리 눈으로 느낄 수 있는 가시광선이나 X선, 감마선을 포함하고 있다. 이러한 전자파는 주파수가 전파의 상한 경계보다 높기 때문에 전파라고 부르지 않는다.
♠ 파장과 주파수의 관계
파장과 주파수 간에는 다음과 같은 관계가 있다. 파장은 주파수에 반비례 하므로 주파수가 높을수록 파장은 짧아진다. 예를 들면 300만MHz (3THz) 전파의 파장을 계산하면 0.1mm가 된다. 빛이나 선의 파장은 더욱 짧아져 0.1mm 이하가 된다.
< 그림 전자파의 주파수 구분 >
♠ 전파의 성질은 파장으로 결정된다
전파는 여러가지 주파수 전파가 있다. 다시 말하면 전파에는 여러가지 파장의 전파가 있다고 말할수 있다. 따라서 전파의 성질은 이 주파수(파장)으로 결정 된다. 전파는 높으면 높을수록 빛과 같이 직진한다 따라서 전송할수 있는 정보량이 많아진다. 또 직진성이 강하므로, 특정방향으로 송신이 유리하게 된다. 그러나 비나 안개는 시야가 나쁘므로 빗방울이나 수증기에 흡수되기 쉽고 비오는 날에는 멀리까지 전할 수 없는 약점도 있다.
한편 주파수가 낮게 되면 직진성이 약해져서 다소간의 장애물은 초과하여 전달된다. 다소간의 계곡에서도 라디오는 잘 들리지만 텔레비전은 보기 어려운 때가 있다. 이것은 라디오의 주파수가 낮기 때문이다. 또 주파수가 낮아질수록 전송 가능한 정보량은 적어지지만 넓은 방향으로 송신하는 데에 유리하게 된다.
♠ 전파의 주파수 구분
전파에는 주파수를 10배 단위로 구분하고 그 주파수 대역을 부르는 이름이 지어져 있다. 다음은 주파수 대역과 그 전파의 성질과 이용 분야에 대해서 간단히 설명한다.
♠ 전파의 종류와 그 이용
* 초장파(3~30KHz)
파장이 10~100km 로 가장 긴 전파로서 VLF 라고 부른다. 주로 지표면을 따라 전파되며 낮은 산을 넘어서 전파되는 성질이 있다. 또 전파가 전달되기 어려운 수중에서도 30미터 전후까지 도달된다. 현재 무선 항해용 전파를 발사하고 있는 오메가(10.2KHz) 를 사용하고 있으며, 그 외에 국내에서는 쓰지 않는다. 또 초장파 이하의 주파수의 전파는 거대한 설비가 필요하여 실용성이 떨어지므로 사용하지 않는다.
* 장파(30~300KHz)
파장이 1~10km 전파로서 LF 라고 부른다. 매우 먼 곳까지 전파되는 성질이 있으며 1930년대까지는 전신용으로써 사용되어 왔다. 그러나 대규모의 안테나와 송신설비가 필요하기 때문에 그 후 단파통신의 발전에 따라 전신용으로서 수요는 줄어들고 현재에는 주로 비콘 이나 데카라고 부르는 항공기나 선박의 항로 안내용 전파로서 사용되고 있다. 또 주파수 기준을 표시하는 표준전파로서 40KHz 가 사용되고 있다.
* 중파(300KHz~3MHz)
파장이 100~1000m 전파로서 MF 라고 부른다. 지상에서 약 100Km 에 형성되는 전리층 E층에 반사되어 전파된다. 단파와 같이 지구의 뒤편까지 도달하지는 않지만 전파가 안정되어 있으므로 원거리까지 송신하는 것이 가능하므로 라디오 방송(중파방송) 의 전파로서 옛부터 사용되고 있다. 송신기나 송신안테나가 대규모인 것이 필요하나 수신기는 간단한 것으로도 가능하다. 라디오 이외에도 선박이나 항공기, 통신용 등에 사용되고 있다.
* 단파(3~30MHz)
파장이 10~100m 의 전파로서 HF 라고 부른다. 상공 약 200~400km 에 형성되는 전리층 F층에 반사되어, 지표와의 반사를 반복하면서 지구의 뒤편까지 전달되어가는 성질이 있다. 장거리 통신이 간단히 가능하므로 원양어선 통신이나 국제선 항공기 통신 등 세계각국의 국제방송에 사용되고 있다. 아마추어 무선에도 매력있는 밴드로서 잘 사용되고 있다. 한편 태양풍 등의 영향으로 전리층이 파괴되므로서 일시적으로 통신이 되지않는 델린저 현상이 알려져 있다.
* 초단파(30~300MHz)
파장이 1~10m 의 전파로서 VHF 라고 부른다. 전리층에서 반사가 약하고 직진하는 성질을 가지고 있다. 산이나 건물이 있어도 어느 정도는 회절하여 전파되는 특성이 높은 전파이다. 단파에 비하여 많은 정보를 전파에 실을 수가 있어서 텔레비전 방송(VHF)이나 FM 방송에 사용된다. 또 근거리 이동통신에도 적합하여 택시무선이나 무선 호출기, 항공관제 등의 전파에 사용되고 있다.
* 극초단파(300MHz~3GHz)
파장이 10cm~1m 전파로서 UHF 라고 부른다. 초단파에 비해 직진성이 매우 강하지만 약간의 상이나 건물 등을 회절하여 전달되는 성질이 있다. 전송 가능한 정보량이 많고 소형안테나와 송수신 설계로 통신이 가능하기 때문에 이동통신에 많이 사용되고 있는 전파이다. 휴대전화, PCS, TRS, 개인무선 통신 등 수많은 육상 이동통신에 사용되고 있다. 또 UHF TV에도 이 전파를 사용하고 있다. 전자레인지 전파도 극초단파이다. 또 극초단파 중에도 마이크로 파와 가까운 1GHz 이상을 준 마이크로파 라고 부르기도 한다.
* 마이크로파(3~30GHz)
파장이 1~10cm 전파이다. 마이크로파라는 말은 파장이 짧다는 의미이며 SHF 라고도 부른다. 전송 가능한 정보량이 매우 높고 또 직진성이 강하다는 성질이 있다. 이 때문에 특정 방향을 향하여 발사하는데 적합하며 주로 고정 지점 간에 (수km~ 수십km) 통신에 사용되고 있다.
전화국의 철탑에서 자주 볼 수 있는 파라보라 안테나는 마이크로파 용으로서 전화국과 전화국을 연결하는 중계용으로 사용되고 있다. 또 위성통신, 위성방송에서도 사용되는 외에 비행장이나 항구 등에서 사용되고 있는 각종 레이더도 이 주파수 대역에 전파의 직진성을 이용하고 있다. 마이크로파 중에서도 10~30GHz 를 특히 준 밀리파라고 부르기도 한다.
* 밀리파(30~300GHz)
파장이 1mm~1cm 로 매우 짧은 파장으로 EHF 라고도 부른다. 빛과 같이 강한 직진성이 있으며 비나 안개에 의한 영향을 강하게 받으므로 강우 시에는 먼 곳까지 전달되지 않으므로 근거리용 통신에만 이용되고 있다. 지금까지 영상 전송용의 간이 무선이나 우주 관측용 전파망원경 등 제한된 분야에서 이용되어 왔으나 최근에는 자동차 충돌 방지 레이더 등이 실용화 되므로서, 앞으로 차차 이용이 진행되는 주파수 대역이다. 사무실 내의 무선 LAN이나 위성간 통신용 등 밀리파를 이용하여 실험단계에 있는 것이 많다.
* 서브밀리파(300GHz~3THz)
파장이 0.1~1mm 의 전파로서 빛의 영역 주파수 대역에 해당하는 전파이다. 현재 기술로서는 거대한 설비가 필요하며, 안개 등의 수증기에도 흡수되기 때문에 통신 등에 사용하기는 불가능하며 현재까지도 아직 미개척 주파수 대역이다.
※ 출처 - http://www.rapa.or.kr/ (전파개발이용연구회)
