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CH4 Appendix. Antenna & Propagation

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    valery
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9. Antenna & Propagation(안테나와 전파)

9-1 안테나 기본

  • 정의: 전기신호 - 전자기파를 상호 변환하는 장치
[송신 안테나]
   특정 주파수 전류 입력
        ↓
   자기장 발생 (전류 → 자기장)
        ↓
   자기장 변화 → 전기장 유도
        ↓
   전기장 변화 → 자기장 유도
        ↓
   (이 과정 반복하며 공간으로 전파)
        ↓
[수신 안테나]
   자기장의 시간적 변화 감지
        ↓
   전류 유도 → 전기신호로 변환

전기장과 자기장이 서로를 유도하면서 공간을 통해 퍼져나감. 이게 전자기파의 본질

9-2 전자파의 특성

1. 거리에 따른 감쇄

  • 자유공간에서 수신 전력은 거리의 제곱에 반비례한다
Pt
Pr ∝ ─────
        R²

Pt: 송신 전력
Pr: 수신 전력
R: 거리

2. 전파의 5가지 특성

  1. 직진성 (Linearity) 빛이 직진하듯 최단거리로 이동 고주파일수록 강함

  2. 반사성 (Reflection) 물질에 부딪혀 경로가 바뀜 금속 표면, 벽 등

  3. 굴절성 (Refraction) 다른 매질로 들어갈 때 진행 방향과 속도 변함 대기층, 유리 등

  4. 회절성 (Diffraction) 장애물 모서리에서 휘어 들어감 장애물 뒤편에도 신호 도달 가능

  5. 산란성 (Scattering) 장애물에 의해 사방으로 흩어짐 비, 안개, 먼지 등

  • 산 너머로도 통신 가능한 이유. 고주파라 직진성이 강해도 회절 특성 덕분에 장애물 뒤로 신호가 휘어 들어간다.

3. Fading(페이딩)

  • 전파의 반사·산란·회절 때문에 하나의 신호가 여러 경로로 도착. 경로마다 길이가 달라서 도착 시간이 다름 → 서로 간섭(interference) 발생.
  • 이걸 다중경로 간섭 현상이라고 부른다

9-3 안테나 성능 파라미터

  • 3가지 주요 파라미터가 있다
    1. 방사 패턴(Radiation Pattern)
    2. 지향성과 이득(Directivity & gain)
    3. 편파 (Polarization)

1. 방사 패턴(Radiation Pattern)

  • 안테나가 어느 방향으로 얼마나 신호를 방사하느지 보여주는 그래프
  • 안테나마다 모든 방향으로 균일하게 방사하지 않는다. 어떤 방향은 강하고, 어떤 방향은 약하다. 그걸 시각화한 게 방사 패턴
용어의미
Main lobe최대 전력이 방사되는 메인 빔
Side lobeMain과 Back 사이에 형성되는 부수적 빔
Back lobeMain lobe 정반대 방향에 형성되는 빔
Boresight안테나가 지향하는 기준 방향 (Main lobe 중심)
HPBW (Half Power Beam Width)최대 전력의 절반(-3dB)이 되는 지점까지의 빔 폭
FNBW (First Null Beam Width)전력이 처음으로 0이 되는 지점까지의 빔 폭
radiation pattern

2. 지향성과 이득

  1. 지향성(Directivity)
  • 안테나가 특정 방향으로 전파를 집중시키는 성질
물리적 정의
        최대 방사 강도 (U_max)
D = ─────────────────────────────
        평균 방사 강도 (U_avg)

평균 방사강도에 대한 최대 방사강도의 비

지향성이 높다 = 한 방향으로 신호를 집중시킨다 = Main lobe가 좁고 길다.

  • 무지향성 안테나: 다이폴안테나, 사방으로 퍼져나감
  • 지향성 안테나: 파라볼릭 안테나, 한 방향으로 집중
  1. 안테나 효율과 이득
안테나 효율 (η) = 방사 전력(Pr) / 송신 출력(Pi)
   "입력한 전력 중 얼마나 실제로 방사되는가"

안테나 이득 (G) = η × D
              = 효율 × 지향성

이득은 단위 dB로 표현

이득의 의미: 같은 방향으로 같은 전력을 방사할 때, 무지향성 안테나 대비 몇 배 강한가.

  • 이득과 빔폭의 Trade-dff
  • 이득이 크다 = 빔폭이 좁다 = 지향성이 높다
  • 이득과 빔폭은 항상 반비례

3. 편파(Polarization)

  • 전자기파가 진행할 때 전기장(E)이 진동하는 방향
  • 송수신 안테나의 편파 방향이 다르면 송수신 성능이 저하.
  • 완전히 직교할 경우 신호 교류 불가
  • 종류: 수직편파, 수평편파
polarization
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