안테나 편광: 안테나 편광이란 무엇이며 왜 중요한가?

전자 엔지니어는 안테나가 Maxwell의 방정식으로 나타낼 수 있는 전자기(EM) 에너지 파동의 형태로 신호를 방사하고 수신한다는 것을 이해합니다. 많은 주제와 마찬가지로 이러한 방정식은 EM 전파 및 속성과 함께 상대적으로 정성적인 용어부터 복잡한 방정식에 이르기까지 다양한 수준에서 조사할 수 있습니다.

편광은 응용 제품 및 해당 안테나 설계에서 다양한 정도의 영향이나 문제를 가질 수 있는 EM 에너지 전파의 여러 측면 중 하나입니다. 편광의 기본 원리는 RF/무선 및 광학 에너지를 포함한 모든 EM 복사에 적용되며 광학 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 여기서는 RF에 대해서만 살펴봅니다.

안테나 편광이란?

편광을 이해하는 것은 EM 파동의 기본 사항부터 시작됩니다. 이 파동은 단일 방향으로 이동하는 전기장(E-field)과 자기장(H-field)으로 구성됩니다. E-field와 H-field는 서로 수직이고 평면파가 전파되는 방향에도 수직입니다.

편광은 신호의 송신기에서 보는 관점에서 E-field의 평면을 나타냅니다. 수평 편광의 경우 전기장이 수평 평면에서 옆으로 이동하는 반면, 수직 편광의 경우 전기장이 수직 평면에서 위아래로 진동합니다(그림 1).

그림 1: 전자기 에너지 파동은 서로 직각인 E-field와 수평계 성분으로 구성됩니다. (이미지 출처: Electronic-Notes)

송신 및 수신 안테나 쌍은 송신 및 수신 안테나의 편광이 동일한 평면에 있을 때 최적으로 작동합니다. 물론, '우주에서는 아무도 당신의 비명을 들을 수 없습니다.'(1979년 영화 Alien에 사과와 존경을 전합니다). 또한, 공간에는 수평도 수직도 없습니다. 그럼에도 불구하고, 최대 신호 에너지 전달 및 캡처를 위한 편광 및 안테나 정렬의 개념은 여전히 유효합니다.

선형 및 원형 편광

다음과 같은 여러 가지 편광 모드가 있습니다.

• 기본 선형 편광에서는 가능한 두 가지 편광이 서로 직교(직각)합니다(그림 2). 이론적으로 수평 편광 수신 안테나는 두 안테나가 동일한 주파수에서 작동하더라도 수직 편광 안테나의 신호를 '확인'할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 정렬이 가까울수록 더 많은 신호가 캡처되며, 편광이 일치할 때 최대 에너지 전달이 발생합니다.

그림 2: 선형 편광은 서로 직각에서 두 개의 편광 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Mimosa Networks, Inc.)

• 안테나의 슬랜트 편광은 선형 편광의 한 변형입니다. 기본적인 수평 및 수직 편광과 마찬가지로 지상파 맥락에서만 의미가 있습니다. 슬랜트 편광은 수평 기준면에서 ±45도입니다. 이는 실제로 선형 편광의 또 다른 형태이지만 선형이라는 용어는 일반적으로 수평으로 또는 수직으로 편광된 안테나만 언급합니다.

슬랜트 안테나에 의해 전송(또는 수신)된 신호는 약간의 손실이 있기는 하지만 수평 전용 또는 수직 전용 편광 안테나와 함께 사용할 수 있습니다. 슬랜트 편광 안테나는 하나 또는 두 안테나 모두의 편광이 알려지지 않았거나 사용 중에 변경된 경우에 유용합니다.

• 원형 편광(CP)은 선형 편광에 비해 복잡합니다. 이 모드에서는 신호가 전파됨에 따라, E-field 벡터로 표시되는 편광이 회전합니다. 송신기에서 밖을 봤을 때 오른쪽으로 회전하면 편광을 RHCP(오른쪽 원형 편광)라고 합니다. 왼쪽으로 회전하면 왼쪽 원형 편광(LHCP)이라고 합니다(그림 3).

그림 3: 원형 편광에서 EM 파동의 E-field 벡터는 회전합니다. 이 회전은 오른쪽 또는 왼쪽 방향일 수 있습니다. (이미지 출처: JEM Engineering)

CP 신호는 위상이 다른 두 개의 직교파로 구성됩니다. 이를 생성하려면 세 가지 조건이 필요합니다. E-field에는 두 개의 직교 성분이 있어야 합니다. 이러한 성분은 위상이 90도 달라야 하고 크기가 동일해야 합니다. 간단하게 CP를 생성하는 한 가지 방법은 헬리컬 안테나를 사용하는 것입니다.

• 타원 편광(EP)은 CP의 한 변형입니다. 타원 편광 파동은 CP 파동과 같은 두 개의 편광 파동에서 생성된 이득입니다. 진폭이 다르고 서로 수직인 두 개의 선형 편광 파동이 결합되면 타원 편광 파동이 생성됩니다.

안테나 간의 편광 불일치는 편광 손실 계수(PLF)로 나타낼 수 있습니다. 이 파라미터는 데시벨(dB)로 표시되며 송신 안테나와 수신 안테나 간의 편광 각도 차이의 함수입니다. 이론적으로 PLF의 범위는 손실이 없는 0dB(완벽하게 정렬된 안테나의 경우)에서 무한 손실을 나타내는 무한 dB(완벽한 직교 안테나의 경우) 사이일 수 있습니다.

그러나 실제로는 안테나의 기계적 위치, 사용자 동작, 채널 왜곡, 다중 경로 반사 및 기타 현상으로 인해 전송된 EM 계의 각도 비틀림이 발생하기 때문에 편광의 정렬(또는 오정렬)이 완벽하지 않습니다. 처음에 직교 편광은 10dB ~ 30dB 이상의 신호 교차 편광 '누설'을 가질 수 있으며, 이는 일부 경우에 원하는 신호 복구를 방해하기에 충분할 수 있습니다.

반대로, 이상적인 편광 및 정렬을 갖춘 두 개의 안테나는 상황의 세부 사항에 따라 실제 PLF가 10dB, 20dB 또는 그 이상일 수 있으며, 이는 신호 복구를 방해할 수 있습니다. 즉, 의도하지 않은 교차 편광과 PLF는 원하는 신호를 방해하거나 원하는 신호의 강도를 감소시켜 양방향으로 작동합니다.

편광을 선호하는 이유

편광은 두 가지 방식으로 작동합니다. 두 안테나가 더 가깝게 정렬되고 동일한 편광을 가질수록 수신되는 신호 강도가 더 좋아집니다. 반대로 편광이 잘못 정렬되면 의도하거나 원하지 않는 수신기가 유용한 신호를 충분하게 캡처하기가 더 어려워질 수 있습니다. 많은 경우 '채널'이 전송된 편광을 왜곡하거나, 하나 또는 두 안테나 모두가 고정된 정적 방향이 아닙니다.

사용할 편광을 선택하는 것은 일반적으로 설치 또는 대기 조건에 따라 결정됩니다. 예를 들어 수평 편광 안테나는 천장 근처에 실장하는 경우에 더 나은 성능과 편광을 유지합니다. 반대로 수직 편광 안테나는 측벽 근처에 실장하는 경우에 공칭에 가까운 편광 성능을 나타냅니다.

널리 사용되는 다이폴 안테나(일반 또는 접이식)는 '정상' 실장 방향에서 수평으로 편광되며(그림 4), 필요한 경우 수직 편광을 제공하거나 선호하는 편광 모드를 지원하기 위해 종종 90도 회전합니다(그림 5).

그림 4: 다이폴 안테나는 수평 편광을 제공하기 위해 일반적으로 마스트에 수평으로 실장됩니다. (이미지 출처: KAC Radio)

그림 5: 수직 편광이 필요한 응용 제품의 경우 마스트에 다이폴 안테나를 실장할 수 있습니다. (이미지 출처: Progressive Concepts)

많은 수직 편광 무선 안테나 설계가 전방향성 방사 패턴을 제공하기 때문에 수직 편광은 최초 대응자가 사용하는 것과 같은 핸드헬드 모바일 무선 장치에 자주 사용됩니다. 결과적으로 이러한 안테나는 무선 및 안테나 방향이 변경되더라도 방향을 변경할 필요가 없습니다.

3MHz ~ 30MHz의 고주파(HF) 대역용 안테나는 대부분 지지대 사이에 수평으로 연결된 단순한 긴 전선으로 구성됩니다. 이 긴 길이는 파장(10m ~ 100m)에 의해 결정됩니다. 이러한 안테나는 기본적으로 수평 편광입니다.

이 대역에 대한 '고주파'라는 명칭의 사용은 30MHz가 실제로 고주파였던 수십 년 전에 확립되었다는 점에 주목해야 합니다. 이러한 특성은 이제 구식처럼 보일 수 있지만 여전히 널리 사용되는 공식적인 국제 전기 통신 연합 지정입니다.

선호하는 편광은 또한 300kHz ~ 3MHz의 중파(MW) 대역에서 방송사가 더 강력하고 근접한 신호 전파를 위해 지상파를 사용하는지 아니면 장거리 링크를 위해 전리층을 통해 하늘파를 사용하는지 여부에 따라 결정될 수 있습니다. 일반적으로 지상파 전파는 수직 편광 안테나가 더 우수하고 하늘파 성능은 수평 편광 안테나가 더 좋습니다.

원형 편광은 위성에 널리 사용됩니다. 지상국 및 다른 위성에 대한 방향이 지속적으로 변경되기 때문입니다. 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 최대 효율은 두 안테나 모두가 원형 편광일 때 발생하지만 선형 편광 안테나는 CP 안테나와 함께 사용할 수 있으며 약간의 편광 손실 계수가 있습니다.

편광은 5G 시스템에도 중요합니다. 일부 5G MIMO(다중 입력/다중 출력) 안테나 어레이는 편광을 통해 사용 가능한 스펙트럼을 보다 효율적으로 사용하여 처리량을 증가시킵니다. 이는 안테나의 다른 신호 편광 및 공간 다중화(공간 다이버시티)의 조합을 사용하여 수행됩니다.

시스템은 독립적으로 복구할 수 있는 직교 편광이 있는 별도의 안테나에 연결되어 있기 때문에 두 개의 데이터 스트림을 전송할 수 있습니다. 경로 및 채널 왜곡, 반사, 다중 경로 및 기타 불완전성으로 인해 교차 편광이 발생하더라도 수신기의 정교한 알고리즘은 여전히 각각의 원래 신호를 복구하여 낮은 BER(비트 오류율)을 생성함으로써 스펙트럼 활용을 개선할 수 있습니다.

표준 안테나에서 제공되는 편광 옵션

편광은 마스트에 실장된 고가시성 대형 안테나의 문제일 뿐이라고 가정하기 쉽지만 그렇지 않습니다. 예를 들어 PCTel BOAH515905NM은 주로 실외 802.11ac 액세스 포인트를 대상으로 하는 5.1GHz ~ 5.9GHz의 수평 편광 Wi-Fi 안테나입니다(그림 6).

그림 6: PCTel BOAH515905NM 수평 편광 Wi-Fi 안테나는 5.1GHz ~ 5.9GHz(802.11ac) Wi-Fi 연결을 위한 실외 액세스 포인트를 제공하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: PCTel)

완전히 밀폐된 IP67 등급 안테나는 필수적인 N형 패널 실장 커넥터(암/수 버전 사용 가능)를 포함하는 자외선(UV) 안정적인 흰색의 견고한 플라스틱 레이돔에 들어 있습니다. 크기는 1.26인치 OD × 6.32인치 길이(3.20센티미터 x 16.1센티미터)이고 5dBi 공칭 이득을 제공하며 지정된 대역에서 2:1 미만인 전압 정재파 비율(VSWR)을 갖습니다.

편광은 또한 훨씬 더 작은 안테나에 맞게 설계할 수 있습니다. Taoglas PC140.07.0100A는 원형 편광 2.45GHz(공칭) 안테나이며 산업, 과학, 의료(ISM), Bluetooth, Wi-Fi 응용 분야에 적합합니다(그림 7).

그림 7: Taoglas의 이 작은 PC140.07.0100A 안테나는 시스템의 회로 기판과 함께 인클로저에 내장되도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Taoglas)

이 작은 50옴(Ω) 안테나는 57mm × 57mm의 정사각형 크기와 0.97mm의 두께를 가지며 지름 1.13mm, 길이 100mm의 동축 케이블과 함께 제공되고 IPEX 커넥터(인쇄 회로(pc) 기판에 직접 납땜되는 표준 50Ω 표면 실장 커넥터)로 종단됩니다. 이 안테나는 FR-4 회로 기판 재료로 만들어졌으며 필수적인 접착 패치를 사용하여 쉽게 실장됩니다.

이 안테나의 방사 패턴은 X-Y 및 X-Z 방사 패턴에서 볼 수 있듯이 전방향성이 뛰어납니다(그림 8). VSWR은 2:1 미만이고 2.4GHz ~ 2.5 GHz 작동 대역에 걸쳐 약 60%의 효율을 제공합니다.

그림 8: Taoglas PC140.07.0100A의 방사 패턴을 통해 X-Y(왼쪽) 및 X-Z(오른쪽) 평면 모두에서 우수한 전방향성을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: Taoglas)

결론

편광은 간과되기 쉽지만 중요한 안테나 속성입니다. 선형(수평 및 수직 모두), 슬랜트, 원형 및 타원형 편광은 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 이러한 편광은 상대 방향 및 정렬에 따라 엔드 투 엔드 RF 성능 범위를 제공합니다. 표준 안테나는 다양한 편광으로 제공되고 스펙트럼의 다른 부분에 사용할 수 있으므로 대상 응용 제품에 선호되는 편광을 제공합니다.

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1: 광대역 안테나를 사용하여 레거시 및 5G 무선 IoT 네트워크를 모두 충족하는 방법

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

2: 전선 그 이상: 까다로운 무선 요구 사항을 충족하기 위한 안테나의 발전 및 적응

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3. PIFA를 사용하여 소형 제품 소형 안테나 문제 해결

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4: 안테나: 설계, 응용 분야, 성능

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

5: 안테나: 고속 무선 네트워크에 필수적인 링크

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-the-critical-link-for-high-speed-wireless-networks

6: 다중 대역 하이브리드 밸러스 안테나

https://www.digikey.com/en/articles/a-multi-band-hybrid-balanced-antenna

4: 내장형 설계를 위한 안테나 선택

https://www.digikey.com/en/articles/selecting-antennas-for-embedded-designs

8: 개방 영역 환경에서의 범위 측정

https://www.digikey.com/en/articles/range-measurements-in-an-open-field-environment

참고 자료

1: JEM Engineering, “Intro to Antenna Polarization”

https://jemengineering.com/blog-intro-to-antenna-polarization/

2: Mimosa Networks, Inc., “Antenna Polarization Basics”

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization

3: Mimosa Networks, Inc., “Demystifying Antenna Polarizations”

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization-2

4: Electronics-Notes, “Antenna Polarization”

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/polarisation-polarization.php

5: Antenna-theory.com, “Polarization of Plane Waves”

https://www.antenna-theory.com/basics/polarization.php

6: Electronics Desk, “Antenna Polarization”

https://electronicsdesk.com/antenna-polarization.html

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

7: MP Antenna, Ltd., “Antenna Polarization Explained”

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/