안테나란 무엇인가요?

안테나는 무선에 있어서 필요불가결한 요소입니다. 아무리 무선기기의 성능이 좋아도 적정한 안테나를 사용하지 않으면 성능이 제대로 나오지 않게 됩니다.
안테나는 원래 곤충의 촉수를 의미하는 말에서 유래되었다고 합니다. 이 안테나는 두가지 역할을 하는데 바로 송신과 수신입니다. 그럼 안테나가 없으면 전파의 송수신이 불가능 할까요? 아뇨 안테나가 없어도 되긴 됩니다. 근데 안테나가 없으면 효율이 떨어지는 거죠... 즉 좀더 전파를 잘 보내고 잘 받으라고 있는게 안테나라는 얘깁니다.

안테나는 길이가 매우 중요한 요소로 작용합니다. 이전 강의에서 S자가 옆으로 누운 모양인 전파는 주파수와 파장이라는 두가지 성격을 가진다고 했죠?
그리고 주파수와 파장이 반비례 관계에 있다는 것이 매우 중요하다고 말씀드렸습니다.
여기서 잠시 수학 공부를 해볼까요? 전파가 1초 동안 S자 커브를 몇개 그리는가가 주파수라고 했고 1개의 S자 커브가 나아간 거리가 파장이라고 했습니다. 전파는 빛의 속도와 같은데 빛의 속도를 초속으로 환산하면 1초 동안 나아가는 거리를 알수 있고, 1초 동안 나아간 거리를 주파수로 나누면 1개의 S커브가 나아간 거리, 즉 파장을 구할수 있게 됩니다. 말로 길게 설명하니까 굉장히 어려워 보이는데 수식하나를 외우면 끝납니다. 바로

 

파장 = (빛의속도)/(주파수)

 

라는 공식입니다. 이전에도 중요하다고 설명드렸는데 기억나시죠? ^ ^;;;

휴대폰이나 무선전화기에 사용되는 휩(WHIP) 안테나의 경우 파장을 1/4로 나눈 길이로 만드는 것이 가장 효율적입니다. 파장을 4로 나눈 길이가 너무 길면 중간을 볼펜의 스프링처럼 감는데, 이렇게 감지 않고 직선으로 쭉 뽑은 형태가 효율은 가장 좋습니다.
그렇다면 모두 쭉 뽑으면 되지 않느냐구요? 그럼 단말기의 크기가 커지겠죠...

 

만약 전파의 파장과 맞지 않는 안테나를 사용하면 어떻게 될까요? 일단은 수신이 100% 완전하게 되지 않습니다. 효율이 떨어진다는 말이죠. 그리고 당연히 송신도 제대로 되지 않습니다. 수신 효율이 떨어지는 것은 기기에 피해가 별로 없지만 송신이 제대로 되지 않으면 기기에 손상을 줄수도 있습니다.
전파는 전기에너지의 일종인데 안테나를 통해 전파가 쭉쭉 빠져나가 주어야지 제대로 빠져 나가지 못하면 기기내에 맴돌면서 열에너지로 변화되어서 각종 부품의 열화를 초래합니다.
이건 마치 변비에 걸린 사람이 치료를 하지 않고 방치하면 건강이 나빠지는 것과 같은 이치입니다.

 

전파는 안테나의 길이 방향과 직각 방향으로 파동을 일으키며 전진하기 때문에 기지국과 무선으로 연결되어 사용되는 휴대폰 등을 사용할 때는 안테나를 길게 수직으로 세워서 사용할 때가 가장 효율적입니다. 예전에 해외에서 제조된 핸드폰 중 일부가 이러한 미세한 특징을 살려서 폴더형 단말기의 안테나를 첨부터 약간 기울게 설계를 해서 폴더를 열고 사람이 통화를 할때 안테나가 지면과 수직에 가깝게 설수 있도록 설계된 제품이 있었답니다.

안테나는 휴대폰에만 사용되는 것이 아니라 거의 모든 무선기기에 사용됩니다. TV에는 통상 야기 안테나(일본의 야기라는 사람이 개발해서 야기 안테나라고 합니다.)라는 것을 사용하는데 살펴보시면 무슨 생선 뼈다귀처럼 생겼습니다. TV는 영상을 전송하기 때문에 약간의 노이즈도 눈에 거슬리므로 매우 정교한 수신을 필요로 합니다.
텔레비젼 채널마다 주파수가 다르기 때문에 파장도 다르고 그것을 수신하는 길이도 여러가지가 되어야 하므로 길이가 다른 쇠막대를 일려로 죽 연결하다 보니 그런 모양이 된 것이죠...

 

휴대폰의 경우도 사용하는 주파수가 여러가지인데 조그만 휴대폰에 여러개의 안테나를 한꺼번에 달 수가 없어서 그 여러가지 주파수중 평균에 해당하는 중심 주파수에 맞추어 안테나를 제작하고 있습니다.

안테나에는 VHF, UHF 등 낮은 주파수에 사용되는 휩안테나 뿐만 아니라 주파수나 사용 목적에 따라 실내용 TV 안테나와 같은 다이폴 안테나, UHF용 TV 안테나와 같은 루프 안테나, 지붕위의 TV 안테나와 같은 야기 안테나, 위성방송을 수신하기 위해 전파를 모으는 접시같이 생긴 파라볼라 안테나 등 수많은 종류가 있습니다.
이외에도 중계용 마이크로웨이브의 전파에 사용되는 혼 안테나가 있습니다.

 

전파는 주파수와 파장으로 결정되므로 안테나의 길이가 중요하다고 말했는데 이외에 안테나의 성질을 결정짓는 것으로 임피던스와 이득, 지향성이라는 것이 있습니다.
안테나와 통신기기는 아무선으로나 연결해서는 않되는데 그 선이 또한 안테나 역할을 해서 장애를 줄 수 있기 때문입니다. 따라서 통축케이블과 같이 차폐가 된 케이블을 사용하는 것이 좋습니다.
또한 안테나와 연결되는 선은 임피던스(저항과 유사함)를 맞추어 주어야 합니다. 임피던스가 맞지 않으면 전파가 일부분 반사되어 다시 돌아오기 때문에 임피던스 매칭(임피던스를 맞춘다는 뜻)이 중요합니다.
아무래도 안테나와 연결되는 선의 길이는 짧을 수록 좋겠죠? 길면 길수록 선자체에서 감쇄가 발생할테니까 말입니다. 만약 어쩔수 없이 안테나 선을 길게 뽑아야 할 경우에는 부스터를 사용하면 됩니다. 부스터는 안테나에서 들어온 수신 신호를 강하게 만들어 주는 장치라고 생각하시면 됩니다.(예전에 TV에 부스터를 붙여서 많이 사용했습니다.)

 

안테나의 성질 중에 이득이라는 것이 있다고 했는데 전문적인 용어로는 Gain이라고 합니다.
하나의 안테나를 송신 또는 수신에 사용할 경우, 어느 방향에 어느 정도의 전력이 복사 또는 흡수 되는가를 표준 안테나와 비교하여 표시하는 것을 이득이라고 합니다.
이상적인 완전 반파장 다이폴 안테나를 표준 안테나로 사용한 경우를 상대이득이라고 하고 완전 무지향성 안테나를 사용한 경우를 절대이득이라고 부르지요...
이득의 단위는 보통 dB를 사용합니다.

 

그리고 지향성이라는 것이 있다고 했는데 이것은 특정 방향으로 전파가 나가는 성질을 얘기합니다. 위에서 이득을 설명할 때 무지향성 어쩌구 저쩌구 했는데 무지향성이라는 얘기는 지향성이 없다는 뜻입니다. 즉 안테나에서 전파가 방사되는 모양이 이상적인 상황에서 구에 가까운 모양을 보이는 것을 무지향성 안테나라고 합니다.
그렇지만 특정 방향으로 전파를 집중시켜야 할 필요가 있을 때가 많은데 이럴 때는 지향성 안테나를 사용하며, 지향성 안테나 하나가 커버하는 단위는 각도로 표시할 수 있습니다.

우리가 기지국을 얘기할 때 Omni(옴니) 기지국이니 Sector(섹터) 기지국이니 뭐 그런 얘기를 들어보셨죠?
옴니 기지국에서는 무지향성 안테나를 사용하고 섹터 기지국에서는 지향성 안테나를 사용한답니다.

아마 이것에 대해서는 다음에 또 설명할 기회가 있을 겁니다.

어쨌든 안테나는 무선통신에서 매우 중요한 기기라는 점을 기억하셨으면 좋겠습니다.