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

작성자: Bill Schweber 2021-12-21

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안테나는 진정으로 경이로운 장치이며, 멋지고 신비로운 동시에 무선 세계에 절대적으로 필요합니다. Heinrich Hertz가 1880년대에 테이블을 통해 무선 에너지로 신호를 보내기 위해 처음으로 스파크 갭(조잡한 유형의 안테나)을 사용한 이후, 안테나 설계 및 구현은 무선 장치와 무선 장치가 지원하는 통신 링크의 성공에 매우 중요했습니다(그림 1 ).

그림 1: 이 안테나는 무선 전자기장을 통한 전력 전송으로 알려진 신비한 현상을 조사하기 위해 Heinrich Hertz가 사용한 배열의 최신 버전입니다. (이미지 출처: Lesics Engineers Pvt. Ltd.)

자, 안테나(영국에서는 'aerial'이라고 함)의 정확한 역할은 무엇일까요? 물리학 및 전력 관점에서, 이는 볼트 및 암페어로 표시되는 회로의 전력과 Maxwell의 방정식으로 특성화되는 자유 공간 전자기장(EMF) 사이의 트래스듀서입니다. 이후 블로그에서 이에 대한 물리학에 대해 좀 더 자세히 알아볼 예정이며, 지금은 회로에서 자유 공간으로 전력을 방출할 수 있기 때문에 상호성을 나타내고 방향에 대해 불가지론적이라는 것을 아는 것으로 충분합니다. 또한 주변 EM 전력을 캡처하여 회로에 전달합니다.

안테나는 매우 단순한 길이의 전선일 수도 있고 많은 소자, 세심한 기하학적 배열 및 정교한 상호 연결이 포함된 놀랍도록 복잡한 구성일 수도 있습니다. 또한 크기는 밀리미터에서 수십 에이커를 차지하는 거대한 어레이에 이르기까지 다양하며 주파수, 전력 및 기타 필요한 성능 특성과 이들이 지원하는 시스템의 공간 제약 조건의 함수입니다.

모든 부품과 마찬가지로 안테나도 처음에는 여러 상위 계층 파라미터에 의해 특성이 결정되며 그 뒤를 이어 많은 보조 파라미터가 있습니다. 물론 일부 응용 분야에서는 보조 특성도 매우 중요할 수 있습니다. 주요 관심 특성에는 다음이 포함됩니다.

작동 주파수: 안테나가 유용한 성능을 제공하는 주파수 또는 대역의 중심.
대역폭: 안테나가 작동하는 스펙트럼의 폭 및 단일 대역 설계인지 또는 다중 대역 설계인지 여부.
효율성: 전자기 에너지를 방사하거나 캡처하는 능력.
방사: 360⁰ 수평면(방위)과 수직면(고도)의 패턴(그림 2).

그림 2: 여러 안테나 특성 중 방위 및 고도 방사 패턴이 있습니다. (이미지 출처: VCEguide)

이러한 인자 각각에 대해 단순하게 우수/최우수/최고 순위를 지정할 수 없습니다. 예를 들어, 더 넓은 대역폭이 필요한 응용 분야도 있고 응용 요구 사항을 가장 잘 충족하기 위해 더 좁은 대역폭을 필요로 하는 응용 분야도 있습니다.

이상적인 안테나는 작동 주파수(일반적으로 50Ω 또는 75Ω)에서 순전히 저항성 부하처럼 보이지만 대부분의 실제 안테나의 임피던스에는 반응성 부품도 있습니다. 동시에 안테나(또는 안테나에 연결된 수신기)를 구동하는 송신기 출력에는 고유한 반응성 비저항 임피던스가 있습니다. 이 두 가지 현실을 조합하려면 종종 이러한 임피던스를 정합시켜야 합니다.

직감과 달리, '정합 임피던스'는 이러한 임피던스가 동일하다는 것을 의미하지 않습니다. 대신 소스 임피던스와 부하 임피던스가 서로에 대한 켤레 복소수로, 둘 사이의 최대 전력 전달을 초래하는 조건임을 의미합니다. 안테나와 마찬가지로, 이산 수동 부품을 사용하는 것을 포함하여 이러한 정합을 제공하기 위해 임피던스 변환을 구현하는 데 사용할 수 있는 배열, 부품 및 기술이 셀 수 없이 많습니다(그림 3).

그림 3: 이 대표적인 발룬 회로는 저항성 및 유도성 임피던스 부품을 모두 가진 안테나에 임피던스 정합을 제공하기 위해 커패시터와 저항기를 사용합니다. (이미지 출처: ResearchGate)

송신기-안테나 링크의 경우 목표는 전압 정재파 비율(VSWR)을 1에 가깝게 만드는 것입니다. 즉, 반사된 전력이 소스로 돌아오지 않는 효율적인 전력 전송을 의미합니다.

너무 걱정하지 마세요!

안테나의 무한한 유형과 구성을 감안할 때 전체 주제가 압도적으로 보일 수 있습니다. 다행히, 기억해야 할 기본 사항이 있습니다. 거의 모든 안테나는 두 가지 기본 블록 중 하나로 구성됩니다. 안테나는 실제(또는 가상) 접지면이 있고 긴 전선 또는 휩 설계(그림 4)와 평형, 비접지 쌍극 안테나(그림 5)가 특징인 단일 소자 '불평형' 단극 안테나입니다. 이러한 기본 소자는 대개 단독으로 사용되지만 더 크고 복잡한 안테나 구성을 형성하는 데에도 사용됩니다.

그림 4: 긴 전선 또는 휩 안테나 배열은 접지면(여기서는 자동차 지붕, 왼쪽)을 사용하는 단일 소자 설계입니다. 안테나 구성도는 단순함을 보여줍니다(오른쪽). (이미지 출처: Lihong Electronic; Electronics Notes)

그림 5: 기본 쌍극은 구성도(오른쪽)에 표시된 것처럼 접지 레퍼런스가 없는 균형 잡힌 대칭 안테나(왼쪽)입니다. (이미지 출처: TCARES.net; Tutorials Point)

발룬(밸런스-언밸런스의 약자)이라고 하는 어댑터는 언밸런스 접지 회로와 평형 비접지 쌍극자 사이의 전기적 전환을 구현하고(필요한 경우), 임피던스(옴(Ω) 단위)를 변환하여 소스/ 수신기와 안테나 간에 저항을 정합시킬 수도 있습니다(그림 6).

그림 6: 이 수동 발룬은 50Ω 불평형 임피던스를 300Ω 평형 임피던스로 변환합니다. (이미지 출처: Pinterest)

응용 제품의 주파수, 복잡성, 유연성이 발전함에 따라 안테나 시스템도 발전했습니다. 예를 들어, 5G 액세스 포인트는 개별 안테나 소자가 피드의 위상 변이에 의해 전자적으로 조정되는 위상 어레이 배열에서 다중 안테나를 사용합니다. 이는 원래 군용 레이더에 사용된 기술을 발전시킨 것으로 전체 안테나 조립품의 기계적 움직임을 대체했습니다.

다른 안테나는 금속 접지면이 있는 소형화된 칩 규모 안테나인 소형 유전체 세라믹 공진기입니다. 여전히 접지면(단일 종단) 또는 쌍극 안테나 소자로 최종 제품의 인쇄 회로 기판(PC 기판)을 사용하는 사람들도 있습니다.

안테나의 복잡성과 가능한 구성을 고려하여 응용 제품에 적합한 안테나를 선택하는 경우, 기성품 또는 표준 카탈로그 품목으로 제공되는 모든 크기와 성능 특성을 가진 수천 개의 안테나로 시작하게 됩니다. 이러한 안테나는 실제 테스트를 거친 성능 및 특성을 나타내는 자세한 규격서와 함께 제공됩니다.

고유한 크기, 주파수 또는 성능 특성을 충족하기 위해 새로운 안테나 설계가 필요한 경우 최신 시뮬레이션 및 모델링 도구가 매우 강력합니다. 이러한 전자기장(EMF) 솔버는 거의 모든 안테나 구성의 전기장 및 자기장 성능(각각 E 및 H 필드)을 모델링할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 고급 EMF 모델링 도구는 단순하고 복잡한 안테나 구성의 성능을 정량적으로 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Altair Engineering, Inc.)

이 도구는 이제 소자 끝의 EMF '프린징' 효과 및 0이 아닌 두께와 같은 실제 안테나 문제를 설명할 수 있을 만큼 충분히 정교합니다. 또한 인접한 부품과 표면의 영향은 물론 피할 수 없는 기생도 모델링할 수 있습니다.

일반적으로 이러한 모델링 프로그램은 분석할 수 있지만 생성할 수는 없고, 일부는 대안을 제공하여 필요한 안테나를 설계하는 데 도움을 주거나 수정을 제안할 수도 있습니다. 연구원들은 지정된 성능 목표를 충족하기 위해 가능한 많은 구성을 고안, 탐색 및 분석할 수 있도록 이러한 프로그램에 인공 지능(AI)을 추가하고 있습니다. 그들은 최종 설계를 선택하는 과정의 일부로 필요할 수 있는 절충안을 택할 수도 있습니다.

결론

안테나는 응용 제품과 우선 순위에 따라 설계에서 가장 단순한 소자가 될 수도 있고 가장 정교하고 다양한 소자가 될 수도 있습니다. 작동 주파수가 증가하고 스펙트럼 크라우딩이 설계 현실이 됨에 따라 안테나는 여러 성능 파라미터 및 기능에서 새로운 제약과 더 까다로운 우선 순위 지정 및 가중치에도 불구하고 더 많은 작업을 수행하고 더 나은 작업을 수행해야 합니다. 이에 대해 소개되는 자세한 내용도 계속 지켜봐 주시기 바랍니다.