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 2 장 송신, 수신의 실체

1. 송수신의 기본

♠ 무선기의 기본 구성

우선 무선기의 기본적인 구성을 간단히 하겠다. 송신측의 무선기로는 우선 마이크로폰과 TV 카메라 등 정보를 받아 그 정보를 전기신호로 변환하는 입력장치가 접속되어 있다. 무선기 안에는 발진기가 있으며 여기서 전파의 기본인 반송파로 불리는 고주파 전류가 만들어진다. 입력장치로부터 전송되어온 전기신호와 발진기에서 만들어진 반송파는 변조기로 불리는 장치로 동시에 보내진다. 변조기에서는 전기신호와 반송파가 합성된다. 결국 정보를 실은 고주파 전류를 만들어낸다. 여기서 만들어져 나온 고주파 전류는 주파수 변환기에서 희망하는 주파수로 진동수가 올라가며 게다가 증폭기에서 power-up 되어 결국 안테나로부터 전파로 공간에 방사되는 것이다. 한편 수신측의 무선기는 기본적으로 이와 반대의 동작을 수행한다. 정보가 실려진 전파를 안테나가 취하고 변조기와 반대로 동작하는 복조기에서 정보를 끄집어내어 원래의 전기신호로 되돌린 다음 스피커와 TV 등의 출력장치에 흘려 음성과 영상으로 재생한다. 이상이 가장 기본적인 무선기의 구성이며 앞으로는 무선기 각각의 성능과 구조에 관해 설명하겠다.

♠ 정보를 전기신호로 변환 - 입력장치

입력장치는 전송하고 싶은 정보를 전기신호(전류)로 변환하는 장치이다. 변화된 전기신호는 신호파로서 아나로그-디지털(또는 디지털-아나로그) 변환기와 변조기로 보내진다. 정보로는 음성, 영상(정지화상-동화상), 문자, 도형, 데이터 등의 종류가 있으며 이들은 자연 그대로의 음성과 풍경과 같이 실시간으로 변화하는 것이든지 플로피 디스크, 레이저 디스크, 비디오 테이프 등에 축적되어 있든지 한다. 그러므로 입력장치는 전송하고 싶은 정보의 형태로 맞추며 마이크로폰, TV 카메라, 스캐너, FAX, 컴퓨터 등 여러 가지 기기가 있다. 그러면 대표적인 것을 몇 가지 살펴보자.

① 마이크로폰

마이크로폰은 음성에 의한 공기의 진동을 받아 내부에 있는 진동판이 진동한다. 이 진동과 영구자석이 만드는 자계를 이용하여 전기 신호로 변환하는 구조 형태와 진동판과 고정된 전극의 틈 사이를 콘덴서로 이용하여 그 용량 변화를 전기신호로 변환하는 구조 형태 등이 있다.

② TV 카메라

TV 카메라는 촬상관의 감광면이 포착한 영상을 좌우 상하로 미세하게 주사하며 명료도의 정도를 전류와 전압의 변화로 변환하고 1초 동안에, 30장의 그림의 영상신호로 불리는 전기신호로서 보내진다. 칼라TV 카메라의 경우는 빛을 원색으로 분석하기 위해 촬상관을 3개 사용한다.

③ 컴퓨터

정보는 키보드로부터 입력되고 컴퓨터의 두뇌인 CPU 로 전송되든지 이미 플로피 디스크에 들었던 정보를 CPU 로 읽어 넣든지 하는데 컴퓨터 안에서는 모든 정보를 0과 1의 조합으로 표시한다. 그리고 이 0과 1을 전압으로 대응시켜 전기신호로 하고 있다.

♠ 정보의 변신 - 아나로그와 디지털

컴퓨터 안에서 정보는 0과 1과의 조합으로 나타난 신호를 디지털 신호라고 한다. 미리 정보를 주고받는 사람들끼리 조합 등의 약속을 정해 놓으면 효율적인 정보 교환을 할 수 있다. 한편 마이크로폰으로 뽑아낸 음성의 강약을 그대로 전압의 변화로 바꾸어 나타낸 신호를 아나로그 신호라고 한다. 아나로그 신호에서는 전송되는 정보량이 연속적으로 변화하므로 충실히 상황이 전달된다. 디지털 신호와 아나로그 신호에는 여러가지 장단점이 있기 때문에 통신을 행하는 장치와 방법, 정보의 사용방법 모두 아나로그를 디지털 신호로 변환하던지 아나로그를 그대로 사용하던지 한다. 아나로그 신호를 디지털 신호로 변환하는데에는 A/D 변환기라고 하는 장치(디지털 신호를 아나로그 신호로 변환하는 장치 D/A 변환기)를 사용한다. 이 장치에서는 우선 아나로그 신호를, 정한 시간 간격으로 나누어 각각의 시점의 신호 값을 취해 약속에 따라 0과 1의 값으로 바꾼다. 이 작업을 “부호화”, 반대로 부호를 원래로 되돌리는 것을 “복호화” 라고 한다. 최근의 무선통신에서는 음성과 영상을 디지털 신호로 변환한 디지털 무선전송이 주류를 이루고 있다.

♠ 전파의 기본인 반송파 생성 - 발진기

전송하고 싶은 정보는 신호파로 변환된다. 그러나 신호파는 진동수가 적은 저주파이므로 이대로는 공간에 전파로써 전송할 수 없다. 신호파를 더욱 진동수가 많은 고주파에 실어 전송할 필요가 있다. 이 신호파를 싣기 위한 파를 “반송파” 라고 한다. “반송파”를 항상 동일한 조건으로 전송하지 않으면 정보(신호파)도 정확히 전송할 수 없다. 바꿔 말하면 지속적인 일정한 진폭과 주파수(진동수) 를 갖는 전류이어야만 된다는 것이다. 이 전류를 만들어내는 장치를 발진기(회로) 라고 한다. 발진기는 기본적으로 트랜지스터(또는 진공관 등) 코일 콘덴서로 구성되고 트랜지스터는 교류전류를 만드는 역할을 하며 코일과 콘덴서 크기의 조합이 진동수(발진주파수) 를 결정한다. 더욱 안정적인 발진주파수를 얻기 위해 진동자를 삽입한 회로도 있다. 주파수의 안정도가 좋고 소형이며 소비전류도 적은 수정진동자가 자주 사용되며 이 회로를 수정발진기라고 부른다.

이것은 진동자에 교류 전압이 가해지면 진동자가 고유의 진동수로 진동을 시작하는 성질을 이용한 것이다. 이 회로에서 생성된 반송파는 전류값의 변화가 smooth 한 곡선이 되는 정현파로 불린다. 마침내 송신기의 기본적인 주파수가 결정되었다. 이렇게 만들어진 반송파는 추후 변조기로 전송된다.


 

(컬럼) 낡았지만 대단한 이야기 (1) 약한 전류를 강한 전류로 복원 - 삼극진공관과 트랜지스터 지속적인 전파를 발진하기 위해 예전에는 진공관이 사용되었다. 특히 삼극진공관(삼극관) 은 트랜지스터가 발명되기까지 광범위하게 일반적으로 사용되었다. 삼극관은 진공의 유리통 안에 필라멘트와 금속판이 있고 그 사이에 그리드로 불리는 금속격자가 들어있다. 이 그리드는 전자가 지나가는 통로를 가로막는 성질을 갖고 있다. 우선 필라멘트보다 금속판 쪽이 전압이 높은 경우 금속판은 (+), 필라멘트는 (-)가 된다. 그 다음 필라멘트에 전류를 흘리면 온도가 상승하여 적색빛이 되면 거기에서 (-)의 전기력을 갖는 전자가 튀어나와 금속판의 (+)의 전기력에 끌리게 되고 계속해서 전자가 튀어나오는데 그리드가 필라멘트보다 전압이 낮은 (-)의 상태라고 하면 (-)의 성질을 갖고 있는 전자는 그리드의 (-)전기력에 반발하고 대부분 금속판까지 도달하지 못한다. 반대로 그리드(-) 의 전기력을 악하게 하면 전자의 일부분은 격자를 뚫고 나올 수 있다. 그리드의 전기력을 여러 가지로 변환함으로써 진공관을 흐르는 전류의 강도를 변환할 수 있는 것이다. 결국 그리드의 전압을 약간 바꾸는 것만으로 전류는 크게 변화한다. 약한 전류를 강한 전류로 부활시키는 것도 가능하다. 현재는 삼극관 대신에 트랜지스터가 사용되고 있다. 트랜지스터는 세 개의 반도체를 샌드위치처럼 겹쳐 만든다. 그리고 각각의 반도체에 도선이 있기 때문에 3개의 다리가 있는 것처럼 보인다. 이제부터는 삼극관의 금속판, 그리드, 필라멘트에 해당하는 역할을 나누어 각각 컬렉터, 베이스, 이미터로 부른다. 트랜지스터는 진공관에 비해 소형이며, 필라멘트에 열을 가할 필요도 없고 낮은 전압에서 동작하므로 전력도 적게 소비한다. 이러한 차이 때문에 널리 사용되게 되었다.

 

(컬럼) 낡았지만 대단한 이야기 (2) 진동을 만드는 콘덴서와 코일의 접전 콘덴서는 전기를 축적하는 역할을 하며 두 개가 서로 마주보고 있는 형태를 하고 있다. 전기를 축적한 콘덴서에 코일을 연결하면 전류는 +에서 -방향으로 코일을 경유하여 흐른다. 얼마간 경과하면 콘덴서의 -측이 반대의 +측이 되어 반대 방향으로 전류가 흐르게 되며 이러한 과정이 반복된다. 이것은 U자간의 물을 넣어 오른쪽 관의 수위를 높게 하면 높은 쪽의 물이 반대방향으로 움직이고 얼마간 경과하면 이제는 왼쪽이 높게 되어 오른쪽 방향으로 물이 이동하는 원리와 비슷하다. 이것을 코일 관점에서 보면 +에서 -, -에서 +로 전기의 진동이 생성되고 있다고 간주할 수 있다. 그러나 이 진동은 시간과 함께 점차적으로 약해진다. 그래서 다음과 같이 삼극관과 트랜지스터의 힘을 빌려 약한 진동을 크게 하는 것이다. 그림과 같이 코일 1에 전기가 흐르면, 전자 유도에 의해 코일에도 전기가 흐른다. 일시적으로 코일 1의 전기가 약해지면 코일 2의 전기가 삼극관의 그리드로 들어가기 때문에 금속판의 약한 전기가 강하고 큰 전기로 변환되어 코일과 콘덴서의 회로로 흐르게 된다. 그래서. 콘덴서에 다시 전기가 축적되게 된다. 이러한 반복을 통해 지속적인 일정한 진폭과 진동수를 갖춘 전류가 만들어지는 것이다.

♠ 신호파와 반송파의 조화 - 변조

신호파의 반송파를 얻는 것. 즉, 기본이 되는 반송파를 정보가 실어진 전기신호로 변환시키는 것을 변조라고 한다. 변화시키는 방법을 변조, 변화시키는 장치(회로) 는 변조기, 변화된 반송파를 변조파라고 부른다. 반대로 상대방에게 수신된 변조파로부터 신호파를 끄집어내는 것을 복조, 또는 검파라고 한다. 변조에는 신호파의 전기신호를 반송파의 진폭 주파수, 위상 등을 변화시키는 방식이 있다.

♠ 기본은 AM, FM, PM

여기서는 기본적인 것을 간단히 설명하겠다. 우선 신호파의 진폭 변화를 반송파의 진폭 변화(전압의 강약) 로 한 것이 진폭변조(AM) 이며 중파방송 등에서 사용되고 있다. 다음으로 신호파의 진폭변화를 반송파의 진동수 변화로(주파수) 한 것이 주파수 변조(FM) 이며 FM 방송 등에서 사용되고 있다. 또 하나는 진폭과 주파수를 변화시키지 않고 반송파의 주기를 비켜놓은 위상변조도 주파수 변조의 일종이다. 그리고 신호파의 진폭 변화를 부호화 하는 방식인 펄스 변조(PM) 이 있다. 어떤 변조방식을 사용할지는 무엇(음성, 영상, 데이터 등) 을 전송할 것인지 어느 정도 충실하고 효율적으로 전송할 것인지 등의 목적에 따라 선택한다.

♠ 공중을 날아가는 전력을 충전 - 증폭기

변조파가 증폭기에 의해 증폭된다. 증폭기란 작은 전기신호를 큰 전기신호로 바꾸는 것이며 이 역할을 하는 회로를 증폭기라 한다. 증폭기보다도, 앰프라는 호칭이 이해하기 쉬울지도 모르겠다. 여기서는 트랜지스터와 콘덴서의 역할로 변조파의 파형을 충실히 남긴 진폭이 큰 교류전류가 생성되어 나온다.

트랜지스터에서는 어떤 동작에 의해 증폭되는 것일까? 트랜지스터는 + - + - ...로 변화하는 교류전류를 그대로 증폭할수 없다. 교류전류를 증폭하기 위해 변조파 (교류전류)에 일정한 직류를 가한 다음 변조파를 직류전류의 변화로서 취급하고 트랜지스터에서 증폭한다. 증폭된 전류가 변화하는 직류전류에서 콘덴서로서 직류성분을 제거하고 교류 성분만을 꺼내면 증폭된 교류전류가 얻어진다. 이렇게 함으로써 공중을 날아가기 위해 필요한 전력이 충전된 변조파는 송신기로부터 동축케이블 등이 급전선을 경유하고 안테나로 향하게 된다.

♠ 감소하지 않고 누설되지 않는 케이블 - 도파관

변조파(정보를 실은 고주파) 를 송신기로부터 안테나에 도착하기까지의 부분(동축 케이블, 도파관 등) 을 급전선(피더) 이라 하며, 급전선이 안테나에 접속된 부분을 급전점 또는 급전부라고 한다. 급전선은 송신기로부터 나와 전송되는 고주파 전류를 감쇠시키지 않고 외부에 누설되지 않게 안테나까지 도착시키는 역할을 한다. 급전선의 종류는 평행 2선식 케이블과 동축케이블, 도파관 등이 있다.

평행 2선식 케이블은 두 개의 전선을 평행하게 늘어놓고 폴리에틸렌 등으로 절연한 리본 형태의 케이블이며 TV송신용 케이블로 자주 사용한다. VHF(초단파)대 이하의 비교적 낮은 주파수 대에서 사용되고 있다.

동축케이블은 중심도체와 그것을 둘러싼 원통형태의 도체로 이루어져 있다. 그 사이는 폴리에틸렌 등의 절연물로 고정, 절연되고, 바깥쪽은 비닐피막으로 덮여져 있다. 바깥쪽의 도체는 망사선의 형태도 있고 비교적 취급하기 쉬우며 전기적인 잡음에도 강하기 때문에 낮은 주파수에서 마이크로파까지 넓은 범위의 주파수 대에서의 급전선으로 사용되고 있다. 도파관은 내부가 비어있는 금속관이며, 내부에 은도금을 함으로써 감쇠를 적게한 것이다. 공동의 형태는 방형과 원형이 있다. 동축케이블에 비해 감쇠도 적고 전송전력도 크므로 마이크로파대, 밀리파대 등이 급전용으로 사용되고 있다.

(컬럼) 광석 라디오 JOAK 이것은 동경방송국이다. 라디오의 첫 음성이 800KHz 의 전파를 타고 하늘로 넓게 퍼진 것은 1924년 3월 22일 이었다. 당시 수신자 대부분은 광석 라디오와 수신기를 사용하여 이 음성을 들었다. 이 무렵 전파로부터 음성 등의 정보를 끄집어 내는데 검파기라는 장비를 사용하였다. 검파기로 광석을 사용한 것을 광석 검파기라고 부르며, 이것으로 만든 라디오를 광석 라디오라 부른다. 광석 검파기는 방연관에 철, 동, 니켈 등의 침을 접촉시켜 침에서 광석쪽으로 전류를 흘리는데 역방향으로는 흐르지 않는 작용을 이용하여 교류를 직류로 바꾸고, 수신한 전파로부터 음성신호를 끄집어 내는(검파) 구조이다. 단지 광석라디오는 증폭회로를 갖고 있지 않기 때문에 충분한 음향을 얻을 수 없어 별도의 수신기가 필요하였다. 당시 미국 등에서는 이미 삼극진공관을 이용한 진공관 라디오도 등장하고 있었는데 국내에서는 수입품으로 매우 가격이 비쌌다. 그러나 방송이 시작된 3, 4년 후에는 국산 진공관 라디오 생산이 궤도를 타고 전국 방송망의 정비와 더불어 라디오는 급속히 퍼져나갔다. 광석라디오는 그 후 일시적으로 자취를 감추었는데 제 2 차 세계대전 중 레이더용으로 광석검파기가 재 인식되어 게르마늄 실리콘이 사용되었다. 이것들은 반도체로 불리는 물질이며, 트랜지스터의 발명으로 연결되어 나아간다.

(컬럼) 전리층 지구를 둘러싼 대기는 태양으로부터 방사되는 자외선을 받아 대기를 구성하는 원자와 분자 안의 전자를 튀어나오게 하고 이온과 전자로 분리된다. 이것을 전리라 한다. 지상 약 100에서 수백 Km 상공에는 전리된 이온과 전자의 밀도가 매우 높은 곳에 있으며 이 층을 전리층 또는 전리권으로 부르고 있다. 전리층은 파장이 긴(주파수가 낮은) 전파를 반사하는 성질을 갖고 있으며 마르코니의 무선 통신이 대서양을 넘어 성공한 것이 이것 때문이었다. 전리층의 존재는 그 후에 확인되었는데, 단파를 사용한 국제 방송과 원양어업 무선선박 통신 이외에 아마추어 등 전파를 이용함에 있어 한 역할을 부여하고 있다. 또한 태양으로부터 자외선에 의해 만들어지므로 이른 아침에는 얇고 저녁 무렵에 두터워지는 상황에 따라 시시각각 변화한다. 더구나 전리층 안에서도 밀도가 높은 곳과 낮은 곳이 있으며 상공 약 100Km 를 정점으로 하는 E층 약 250Km 를 정점으로 하는 F층 등이 있으며 주파수에 따라 반사의 상황도 다르다. 태양 표면의 폭발에 의해 발생하는 태양풍으로 전리층이 파괴되는 경우도 있으며 델린저 현상이 발생하여 통신에 미치는 영향도 크기 때문에 국제적인 협력체제에서 전리층 관측이 시행되고 있다. 또한. 극지방을 중심으로 관측된 오로라는 전리층과 지구의 자력선이 작용하여 발생하는 것으로 알려지고 있다.

2. 안테나의 기본

♠ 전파의 탄생

변조파가 드디어 전파로서 전송될 때가 되었다. 변조파는 급전선인 동축케이블 등을 경유하고 변조파가 송신기에서 안테나까지 인도된다. 그 후 급전되어 있는 두 점을 경유하여 전류가 흐른다. + - + - ...로 반복하여 급전부의 급선이 변화함에 따라서 차례차례로 전기력선, 결국 전파가 생성되어 나오는 것이다. 지금까지 도체안을 통과하여 온 교류전류가 처음으로 도체에서 벗어나 공간을 전자파로써 전달되어 나아간다. 드디어 전파의 탄생이다. 그리고, 이 역할을 부여하는 것이 안테나이다. 안테나로부터 탄생된 전파의 강도는 전류의 크기(송신기의 출력전력) 가 클수록 강해지므로 급전선이 어떠한 방법으로 좋고 효과적으로 송신기에서 전력을 안테나로 전송하여 안테나가 효율 높은 전파를 공간으로 내보내는 것이 중요한 포인트가 된다.

♠ 안테나의 길이는 파장으로 결정된다

안테나는 송신주파수와 전기적으로 공진할 때 제일 효율적으로 동작한다. 악기의 현을 예로 생각해보자. 양단을 고정한 현의 중앙을 가볍게 튕기면 중앙부분이 크게 흔들려 진동한다. 이것이 기본이 되는 진동이다. 다음으로 중앙을 가볍게 누른 단과의 사이를 튕기면 양단과 중앙은 움직이지 않고 그들의 한가운데가 흔들리며 진동한다. 이것이 기본의 두배인 진동수를 갖게 된다. 더구나 기본의 3배, 4배, 5배… 가 되는 진동수의 경우 현은 크게 진동한다. 이와 같이 특정한 진동수에 현이 크게 진동을 하고 현의 길이에 따른 고유의 진동수에 대하여 크게 진동(공진) 하는 것이다. 안테나도 이것과 마찬가지로 선상의 안테나 길이가 전파 파장의 1/2배, 1배, 1.5배… 이 되는 주파수의 공진을 하며, 이 공진주파수에 대하여 안테나가 효율적으로 동작한다.

♠ 전파에도 목표로 하는 것이 있다 - 이득과 지향성

그런데 안테나로부터 나온 전파(전자파) 는 어떻게 공간을 전파해 나가는 것일까?

전파는 눈에 보이지 않지만 안테나에서 나오는 전자파의 강도를 측정하고 그 강도를 등고선처럼 그림으로 나타내면 안테나에서 전파가 날아가는 방향(희망하는 방향, 희망하지 않는 방향) 의 강도를 알 수 있다. 이 안테나로부터 특정한 방향으로 전파가 강하게 날아가는 특성을 지향성이라 하며 지향성을 나타내는 단위로서는 이득[dB] 가 사용된다. 안테나의 이득을 기준이 되는 1/2파장 다이폴 안테나와 비교했을 때의 값은 상대이득, 전체 방향으로 동일한 강도를 출력하는 안테나와 비교했을 때의 값을 절대이득 이라 하며 단위는 상대이득은 [dBr], 절대이득은 [dBi]를 사용한다.

♠ 충분히 전기적인 길이를 조정

안테나는 파장으로 결정된 길이가 아니면 유용하지 않은 것인가?

사실 안테나의 도체 길이를 파장보다 짧게하거나 한 개의 안테나를 복수의 주파수로 사용하는 것도 가능하다. 우선 1/4 파장이 도선의 금속판(지면 또는 대체용의 도체) 위에 세운 안테나(모노폴 안테나) 는 전기적으로 도선과 반사측에도 파장의 안테나가 있는 것처럼 동작하고 1/2 파장의 다이폴 안테나와 같은 역할을 수행할 수 있다. 또한 지면에 수직으로 세운 모노폴 안테나의 앞부분에 도체로 만들어진 전관(링) 등을 부착하면 파장보다 짧은 안테나일지라도 1/4 파장의 모노폴 안테나와 똑같은 역할을 하며 그 안테나 높이를 낮게 할 수 있다. 한편 어느 주파수 안테나의 도선의 앞부분에 그 주파수의 공진시킨 공진회로를 넣고 더구나 도선을 연장하여 이 안테나를 복수의 주파수 대에서도 사용할 수 있다.

♠ 종이든지 횡이든지 회전하든지 - 편파

여기서는 안테나에서 나온 전파(전자파)의 진동방향(편파) 에 관해 설명한다.

다이폴 형태의 안테나는 도체에 수직인 방향으로 전파를 강하게 전송할 수 있고 또한 그 방향으로 전송되어온 전파를 감도 좋은 수신을 할 수 있다. 이때의 전파의 전계가 지면과 수평으로 파동을 반복할 때 수평편파라고 한다. TV 방송의 대부분은 이러한 수평편파를 사용하고 있다. 또한 도선을 지면과 수직으로 세운 모노폴 안테나의 전파의 전계는 지면과 수직으로 파동을 반복하므로 수직편파로 불린다. 이러한 형태의 안테나 중 작은 것은 트랜시버 안테나(휩 안테나) 큰 것은 중파 방송용 안테나 등이 있다. 다음으로 위성에서의 전파를 생각해 보자. 위성에서의 전파의 대부분은 목적한 방향으로 빙글 빙들 회전하면서 전파되어 오는 원편파가 사용되고 있다. 그리고 두 개의 다이폴을 직교시킨 턴 스타일 안테나와 다이폴의 도체를 나선형으로 한 헬리컬 안테나와 접시형태의 파라볼라 안테나가 수신용과 송신용으로 사용된다.

♠ 안테나의 종류

안테나는 형태 용도 등으로 나누어 분류할 수 있다. 여기서는 형태에 의해 ①도체선에서 전파가 나오는 선상 안테나, ②접지처럼 열려있는 면에서 전파가 나오는 개구면 안테나, ③안테나를 여러개 조합시킨 어레이 안테나로 크게 나누어 설명한다.

① 선상안테나

* 다이폴안테나

안테나 전체가 반송파 파장의 1/2 길이인 안테나이며 중앙에서 급전한다. 모든 안테나의 기본이 되는 안테나이며, 안테나의 원조로 불린다. 단파대용의 안테나 등에서 사용되는데 최근에는 단파 자체의 사용이 줄고 있기 때문에 볼 수 있는 기회가 적어지고 있다. 현재는 원양어업을 하는 어선 등에서 비교적 이용되고 있고 그밖에 한정된 아마추어 무선에서 이용되고 있다.

* 1/4 파장 폴 안테나

지면에 수직으로 세운 1/4 파장의 폴 안테나로 대지를 반사면(전기적 기기적으로 만든 반사면 일지라도 가능)으로 하고 결과적으로 1/2 파장이 다이폴 안테나를 수직으로 세운 것과 동일한 효과를 가진다. 전파는 이 안테나를 중심으로 하여 전파가 고리처럼 수평방향으로 동일하게 넓게 퍼져가는 성질(무지향성)이 있다. 휴대-자동차 전화를 비롯하여 이동통신에 널리 사용되고 있고 차량 탑재용과 트랜시버에 장착되어 있는 것은 휩 안테나로 불리고 있다. 또한, 중파 방송용 안테나도 기본으로는 이 안테나와 같은 종류로 간주할 수 있다. 실제로는 중파방송에 적합한 지향성을 얻기 위해 정관(링) 을 사용하여 등가적으로 1/4 파장보다 더 긴 안테나를 구성하고 있다. 대전력의 중파 방송용으로는 백 수십 미터의 높이가 되기 때문에 정관을 부착한 철탑 자체가 안테나로 사용된다.

* 루프안테나

최근 보급이 많이 된 포켓 벨에는 미소 방형 루프안테나가 내장되어 있다.

 

② 개구면 안테나

* 파라볼라 안테나

반사기(거울) 로써 방물면 반사경을 사용하며 전파를 일정한 방향으로 발사하는데 적합한(지향성이 우수함) 안테나이다. 반사경의 구조자체가 간단하며 기기적으로 만들기 쉽고 또한 마이크로파대의 안테나용으로 적합하기 때문에 마이크로파 등 대부분의 고정 통신에 사용되고 있다. 위성방송 수신용으로 널리 이용되고 있고 그밖에 전파 천문용으로 거대한 안테나가 건설되고 있다.

* 혼 안테나

마이크로파대 이상의 주파수 대에서는 송신기와 안테나를 연결하는 급전용으로 동축케이블이 아닌 도파관이 널리 이용되는데 혼 안테나는 이것의 앞부분을 나팔모양으로 한 것이다. 반사경과 결합시킨 것의 한 예로 혼 리플렉터 안테나가 있으며 전화국의 옥상에서 볼 수 있다. 기기적으로 간단한 구조이며 주파수 대의 공용이 용이하기 때문에 마이크로파 대 이상에서는 파라볼라 안테나와 함께 널리 사용되고 있다.

③ 어레이 안테나

* 야기 안테나

다이폴 안테나에 반사기와 도파기를 부가한 형태이며 발명자의 이름을 따서 야기 안테나로 부른다. 도체를 1/2 파장보다 약간 길게 하면 반사기가 되고 반대로 도체를 1/2 파장보다 약간 짧게 하면 도파기가 되는 성질을 교묘히 결합한 것이 이 안테나이며 도파기의 방향쪽으로 일정한 지향성을 갖고 있다.

* 대수주기 다이폴 어레이 안테나

다이폴 안테나를 일정한 비율로 유사하게 정렬한 안테나이며 초단파(VHF) 와 극초단파(UHF) 의 넓은 주파수 대역을 커버할 수 있고 크기에 비해 전체의 일부분만 동조하게 되므로 야기 안테나에 비해 이득이 낮은 안테나이다. 로그 페리 안테나라고도 부르고 있다.

* 슈퍼턴 스타일 안테나

초단파(VHF) 대의 TV 방송용으로 사용되고 있는 안테나이며 배트윙 안테나로 불리는 안테나를 두 개 철탑에 수직으로 장착하고 90도의 위상차로 급전함에 의해 수평 편파가 무지향성인 안테나로 한 것이다. 한 개 한 개의 이득이 적음으로 6단부터 12단 까지 중첩하여 사용한다.

* 평면 안테나

기본적으로 다수의 안테나를 평면상에 정렬하고 각각에서 발사되는 전파를 간섭시키고 희망하는 방향으로 지향성을 변화시키던지 이득을 변화시키던지 하는 결합 안테나이다. 다이폴 안테나를 평면상에 정렬한 형태와 도파관과 도체판에 효과적으로 몇 개의 슬롯(슬롯 한개가 하나의 안테나 역할을 함) 을 정렬한 형태이다. 레이더 등에 사용되고 그밖에 최근에는 위성방송 수신용과 통신위성을 이용한 이동통신의 차량 탑재용 안테나로도 사용되고 있다.

(컬럼) 전파에는 폭이 있다. (주파수 대역폭 이야기) 중파의 라디오 방송을 청취하고 있을 때에 라디오의 동조 손잡이를 돌리면 방송하고 있는 주파수의 근처에서 소리가 약간 깨지고 고음부가 강조되어 들린다 그리고 더욱더 돌리면 맑은 소리로 들리다가 얼마 후에 소리는 다시 깨지고 결국 들리지 않게 된다 이것은 전파의 폭이 있기 때문에 발생하는 현상이다. 원래부터 폭을 갖지 않는(사실은 매우 좁음) 반송파의 신호(음성)를 싣기 위해 변조를 하는데 변조를 함에 따라 반송파가 어떠한 폭을 갖게 되기 때문이다. AM(진폭변조) 의 경우 음성을 실은 반송파(변조파) 음성의 주파수와 반송파의 차이 주파수에 일치하는 주파수 스펙트럼을 갖고 있다. 따라서 반송파로부터 거리가 떨어진 장소에 고음부 가까운 장소에 저음부가 있으므로 라디오의 동조 손잡이를 돌리면 고음이 강하게 들리고 더욱더 돌리면 저음이 들리게 되어 맑은 소리가 들리게 되는 것이다. 전파의 폭이 있는 것은 FM방송과 TV방송에도 동조손잡이를 돌려보면 확인할 수 있는데 이 전파의 스펙트럼 폭을 주파수 대역폭이라고 한다. 이와 같이 전파에는 폭이 있기 때문에 전파가 중첩되어 혼신이 일어나지 않도록 한 간격을 둔 주파수가 사용된다. 예를 들면 중파 방송에서는 9KHz 간격, TV 방송에서는 6MHz 간격으로 각각의 전파의 주파수 대역폭이 확보되어 있다.

우리들의 전파

생물과 전자파

우리 생물은 전자파를 느낄 수 있는 것인가?

생물은 진화를 되풀이 하면서 현상의 모습을 갖추게 되었다. 그러므로 진화의 과정을 살펴보면 그 해답을 찾을 수 있다. 한편 우리들은 옛날 옛적에 물고기였다. 바다 안에서는 전자파 부류인 광, 지자기 그리고 지자기에 가까운 극히 낮은 주파수인 전파(극초저주파) 밖에 전달할 수 없다고 알려지고 있다. 그래서 우리들은 광을 볼 수 있는 눈을 갖고 있지만 그 눈으로 자외선과 적외선을 받으면 눈이 아프게 되어 선그라스를 반드시 써야만 한다.

또한 전파가 없는 바다의 세계에 살고 있는 우리들에게는 통신에 사용되고 있는 주파수의 전파를 느낄 수 있는 기간이 있을 리 없다. 이 지구상에서 인간이 만든 전파가 사용되기 시작한 것은 약 100년 정도이다.

이 정도로는 아직까지 전파를 느낄 수 있는 신체가 될 만큼의 진화가 이루어져 있지 않다. 생물이 살기 전에 지구에는 이미 전리층이 만들어져 있었다. 이 전리층과 지구사이의 공간에 슈만 진동으로 불리는 천연 전파가 존재하고 있다. 그 주파수로 7.8Hz, 14.1Hz, 20.3Hz, 26.4Hz, 32.5Hz 의 것이 알려져 있다.

1초간에 지구를 7바퀴 반 회전하는 전파가 정확히 7.8Hz 에서 공진하고 있다고 웅대하게 생각해도 무방하다. 그런데 이 슈만 공진주파수의 전파를 피해 우리 인간의 뇌파는 θ 파, α 파, β 파 등으로 구성되어 있다.

태양 활동이 활발해지면 지구의 전리층은 영향을 받는다. 그 결과 슈만 진동이 변동할지라도 우리 뇌파가 영향을 받지 않도록 생물로서 진화되어 있어 상관없다.

천연전파에는 벼락에서 발생하는 전파도 있다. 바다에서 지상으로 모습을 나타낸 생물은 거기에서 처음으로 뇌전파의 세례를 받게 된다. 그런데 우리들 중에 번개를 무서워하는 사람이 많이 있다. 그 사람들은 뇌전파를 뇌와 신체로 받고 불쾌감을 느끼는 것이다.

수 억년의 지표 생활 이후 현재까지 아직 그 뇌전파에 순응되지 않았다고(?) 상상해도 무리가 없을 것 같다. 우리들 이외에 전파 등을 느끼고 있는 생물은 많이 있다. 비둘기와 철새, 바다를 회피하는 연어 등은 지자기를 항법으로 이용하고 있다. 또한 나비와 벌은 자외선을 느끼고 꿀이있는 꽃을 발견한다.

지구상의 생물은 진화의 과정에서 천연의 전자파 등을 적극적으로 이용하는 신체를 또는 재해가 있는 경우에는 적극적으로 피할 수 있는 신체를 획득해 왔다 한편 그 신체는 인간의 편리 때문에 인공의 전파 등에 관해서는 전혀 무방비 하다 생물과 인공의 전자파와의 공생이 장차 큰 과제가 될 것이다.

※ 출처 - http://www.rapa.or.kr/ (전파개발이용연구회)