무선통신기술 5. 안테나 이론

● 시간적으로 변화하는 전계와 자계가 서로 얽혀서 도와가며 고리모양으로 퍼져가는 전계와 자계의 파동, 즉 전자파는 실제로는 모든 방향을 방사(=복사)된다.
● 도선에 전류가 흐르면 그 주위에 자계가 생기며 이 전류가 증가하면 자계가 증가하고 전자 유도법칙에 의하여 전계가 발생한다. 그리고 최초의 전류 증가율이 감소하면 전계가 감소하고 변위 전류의 자기작용으로 다시 자계가 발생한다.
● 전류에 의한 자계의 변화 → 전계의 변화 → 자계의 변화를 되풀이하면서 시간적으로 변화하는 전계와 자계가 점점 퍼져간다.
● 전자파는 파동이므로 주파수가 일정하면 공간적으로 일정 λ(m)마다 동일 상태를 되풀이하면서, λ를 파장(Wavelength)이라고 한다. 자유공간 내에서의 전자파의 전파속도는 광속 c와 같다.
● c = 3 x 10(8)[m/sec] 일정하다.
(1) 안테나의 고유 주파수
1) 연장 코일(Loading Coil)과 단축 콘덴서
① 연장 코일(Loading Coil)
● 안테나의 고유파장보다 긴 파장의 전파에 공진시키기 위하여 기저부에 코일을 삽입하면 합성 임피던스 값이 커져서 보다 낮은 주파수에 공진을 시킬 수 있다.
● 안테나 길이 l < λ/4 인 경우
● 안테나 길이를 연장하기 위하여 안테나의 기저부에 직렬로 L을 삽입힌다.
(2) 안테나의 손실과 효율
1) 안테나의 손실저항
① 접지저항에 의한 손실

접지저항의 손실은 전기 회로에서 발생하는 손실을 나타냅니다. 접지저항은 전기적인 연결을 통해 땅에 연결되어 있으며, 전기 회로의 안정성을 유지하고 전기적인 장비를 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 그러나 접지저항이 존재하면 전기 에너지가 손실되며, 이로 인해 회로의 효율이 감소하고 열이 발생할 수 있습니다.
접지저항의 손실은 주로 두 가지 형태로 나타납니다:

1. 전압 드랍 손실(Voltage Drop Loss): 접지저항이 있으면 전압이 땅에 연결되는 지점에서 감소합니다. 이는 전압이 회로에 이탈되어 전기적인 장비에 필요한 전압이 충분하지 않을 수 있으며, 회로의 정확한 동작을 방해할 수 있습니다.
2. 열 손실(Heat Loss): 전류가 접지저항을 통과할 때 열이 발생합니다. 이는 접지저항의 전기 저항으로 인해 발생하는데, 전류가 흐르면 전기 에너지가 열로 변환되어 회로 주변으로 방출됩니다. 이러한 열 손실은 회로의 효율을 감소시키고 전기적인 장비를 손상시킬 수 있습니다.

접지저항의 손실을 최소화하기 위해서는 접지저항을 최적화하고 효과적으로 관리해야 합니다. 접지선의 굵기, 길이, 재료 등을 적절히 선택하여 접지저항을 줄일 수 있으며, 정확한 접지 시스템 설계와 유지 보수가 필요합니다. 또한, 접지저항을 줄이기 위해 접지선을 짧게 유지하고 접지저항이 낮은 재료를 사용하는 등의 방법을 사용할 수 있습니다.

- 접지저항(Earthing Resistance)은 접지 전극과 대지 간의 전지저항이다.
- 대지와 안테나의 접지저항으로서 접지 안테나에서 손실의 대부분을 차지하는 저항이다.
② 도체저항에 의한 손실
- 도체(Conductor)
● 전기를 통하게 하기 위하여 사용되는 선으로 구리, 알루미늄, 철 등이 목적에 사용
③ 유전체 손실

유전체 손실은 전기적인 에너지가 유전체 내에서 손실되는 현상을 나타냅니다. 유전체는 전기적으로 통과하지 않는 물질로, 전기적인 절연체로 작용하며 전기적인 에너지의 전달을 방해합니다. 따라서 유전체를 통과하는 전기 신호나 전자기파는 일정한 에너지를 소멸하게 됩니다.
유전체 손실은 주로 다음과 같은 원리에 의해 발생합니다:

1. 디바이스 내부 손실: 유전체 손실은 대부분 유전체 내부의 분자 진동, 분자 회전 및 분자간의 마찰 등에 의해 발생합니다. 이러한 내부 손실은 전기 에너지를 열로 변환시키는 과정으로, 유전체 내에서 발생하는 열로 인해 전기 신호의 에너지가 손실됩니다.
2. 표면 손실: 유전체의 표면은 전기적인 에너지를 소모할 수 있습니다. 이는 주로 유전체와 외부 환경 간의 경계 영역에서 발생하며, 표면 전하나 표면 전류에 의해 발생합니다.

유전체 손실은 주로 고주파 전기 회로나 광섬유 통신에서 중요한 역할을 합니다. 고주파 신호는 전기적인 에너지가 손실되는 경향이 있으며, 이러한 손실은 전자기파가 유전체를 통과할 때 발생합니다. 따라서 유전체 손실을 최소화하기 위해서는 유전체의 특성을 고려하여 회로나 시스템을 설계해야 합니다. 또한, 유전체 손실을 줄이기 위해서는 손실이 적은 유전체를 선택하고, 적절한 두께와 구조를 가진 유전체를 사용하는 등의 방법을 사용할 수 있습니다.

- 유전손(실)(Dielectric Loss): 유전체에 교류 전계를 가하였을 때 발생하는 에너지가 열로서 손실되는 전력손실
- 전류손실(Residual Loss): 전체 손실에서 히스테리시스 손실과 와(전)류 손실을 뺀 나머지의 손실
- 안테나의 지지물이나 안테나 주위의 유전체 물질 등에 의한 고주파 손실
④ 누설저항 손실과 코로나 손실
- 누설저항(Leak Resistance): 전송선로, 안테나, 커패시티 등 절연이 충분히 마련되어 있어도 지표에 흐른다. 이 누설되는 양을 저항값으로 나타낸 것이다.
- 코로나(Corona): 높은 전압을 가한 도체에서 표면 부근의 전위의 기울기가 큰 부분만 절연이 파괴되어 방전이 계속되는 전압니다.
- 애자의 절연불량으로 누설전류가 생겨 손실이 된다. 또한 안테나의 선단, 만곡부는 상당한 고압이 걸리므로 그 주위 공기의 절연내력이 파괴되어 코로나 방전이 발생할 때 나타나는 에너지 손실이다.
⑤ 와전류 손실(Eddy Current Loss)
- 교류·자계로 자성체(철심)를 자화시키면 자속의 변환에 따른 유도기전력이 발생하여 와(전)류가 흐르게 됨으로써 줄(Joule)열로 소비되는 에너지
- 안테나 주변의 도체 내에 유기되어지는 고주파 와전류에 의한 손실
2) 안테나의 효율(능률)
(3) 실효고(높이)와 실효길이
1) 실효높이(HE ; Effective Hight, 실효길이)
- 안테나를 흐르는 고주파 전류는 세기가 일정하지 않아 수직 안테나의 경우 끝부분이 0, 밑부분에 이를수록 큰 전류가 흐른다.
2) 실효개구면적
① 1[GHz] 이상에서 주로 사용되는 안테나의 개구 전체 면적 중 실제 전파를 송수신하는 데 사용되는 면적이다.
②1[GHz] 이하에서 사용되는 선형 안테나에 있어서도 전파를 송수신하는 실효개구 면적이 존재한다.
③ 개구효율(η) = 실효개구면적/기하학적 개구면적*A(e) = η x A