무선 통신은 놀라울 정도로 빠르게 발전하고 있습니다. Statista에 따르면 지난 10년 동안 스마트폰 사용자 수는 약 4배 증가했습니다. 현재 거의 모든 산업에서 무선 장치를 구현하고 있습니다. 스마트 인프라, 사물 인터넷, 스마트 자동차 및 엔터테인먼트 산업은 고급 안테나 시스템의 필수 분야입니다. 이 기사에서는 안테나 시스템의 기본 원리, 다양한 안테나 유형 및 미래의 고급 안테나에 대해 다룹니다.
최신 안테나 유형의 네 가지 특성
오늘날의 고급 안테나 시스템은 향상된 효율성과 신호 품질 및 확장된 적용 범위로 전자기파의 송수신이 가능합니다. 엔지니어는 이러한 시스템이 최적의 성능을 내도록 설계하기 위해 각 특정 애플리케이션에 대한 안테나의 네 가지 기본 특성을 고려합니다.
전자기 주파수
전자기 방사선 주파수를 조정할 수 있습니다. 측정 가능한 이러한 수치를 RF(무선 주파수)라고 하며, 전자기 스펙트럼의 특정 주파수 대역을 차지합니다. 안테나는 송수신을 위해 전기 신호를 전자파로 변환하여 작동합니다. 응용 분야에 따라 이러한 주파수 파동이 결정됩니다.
예를 들어 장거리 초수평선 레이더 안테나는 3~30MHz 범위의 저주파 전자기파를 송수신할 수 있는 반면, 5G 안테나는 450MHz~7GHz 및 25GHz~52GHz 범위의 훨씬 더 높은 주파수를 송수신할 수 있습니다.
안테나 광역폭
간단한 안테나가 단일 주파수를 처리하는 반면, 대부분의 고급 안테나 시스템은 다양한 전자기 주파수를 처리합니다. 이 범위를 안테나의 '광역폭'이라고 합니다. 안테나 광역폭은 가장 낮은 주파수 대역과 가장 높은 주파수 대역 사이의 스펙트럼 폭을 정의합니다.
저광역폭 안테나는 매우 효율적이고 간단하며 간섭을 덜 받습니다. 단, 변화하는 통신 표준에 매우 제한적으로 적응합니다. 기본적으로 제한된 주파수 범위에서 작동합니다.
고광역폭 안테나는 여러 동시 대역에서 훨씬 더 큰 유연성을 제공하며 보통 소형입니다. 단, 이 안테나는 간섭을 받기 쉽습니다. 또한 꼼꼼한 설계와 신호 해석 시스템이 요구되므로 비용이 많이 들고 복잡합니다.
안테나 이득
안테나 '이득'은 방사된 에너지를 특정 방향으로 진행시켜 모으도록 조정할 수 있습니다. 데시벨(dB) 단위로 측정되는 안테나 이득은 송신 또는 수신 중인 신호의 유효성을 결정합니다. 방송용 안테나는 다양한 거리에서 다양한 수신기로 무선 신호를 동시에 전송하여 수십 데시벨에서 수백 데시벨에 이르는 매우 높은 이득 값을 생성합니다. 가정용 Wi-Fi 안테나는 제한된 범위를 커버하도록 설계되었으며 이득 값이 10데시벨이 넘는 경우가 거의 없습니다. 직관적으로 안테나 이득 값이 클수록 신호를 생성하는 데 필요한 전력이 증가합니다.
신호 분극화
안테나 분극화는 안테나에서 생성되거나 수신되는 전자기파의 전기장 요소의 방향을 나타냅니다. 안테나 분극화를 사용하여 P2P 안테나 성능을 높일 수 있습니다. 세 가지 주요 분극화 유형으로는 수직(선형), 수평(선형), 원형이 있습니다.
- 수직 분극화 안테나는 많은 수신기 안테나가 차량용 안테나와 같이 수직 방향으로 향하는 것을 고려하여 일반적으로 방송 시스템에서 사용됩니다.
- 수평 방향은 장거리 P2P 통신에서 사용되는 경우가 많은데, 이러한 신호는 비가 내리는 등의 대기 조건에 덜 취약하기 때문에 신호가 분산되고 무결성이 저하될 수 있습니다.
- 원형 분극화 안테나는 일반적으로 위성 통신 시스템에서 사용됩니다. 수신 안테나의 방향이나 회전에 관계없이 사용할 수 있으며, 안테나 이동에 따라 종종 바뀔 수 있습니다.
기본 안테나 유형
특정 응용 분야에는 적합하고 다른 응용 분야에는 적합하지 않은 고유한 특성을 지닌 몇 가지 일반적인 안테나 유형이 있습니다.
다이폴 안테나
Pulse Electronics W5017과 같은 다이폴 안테나는 가장 잘 알려진 안테나 유형이며, Wi-Fi 라우터와 같은 무선 통신 시스템 외에도 라디오 및 텔레비전 방송에서 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 다이폴 안테나의 광역폭은 특정 주파수에 최적화되어 좁습니다. 이득 값은 2~6dB로 중간 정도입니다. 선형 특성을 고려하여 수직 및 수평 분극화 모두에서 작동할 수 있습니다.
포물선 반사 안테나
2867885와 같은 포물선 반사 안테나는 위성 통신 시스템에서 일상적으로 사용하기 때문에 보통 '위성 안테나'라고 불리지만, 장거리 P2P 통신 연결에도 사용될 수 있습니다. 포물선 반사기 안테나는 중간 광역폭부터 넓은 광역폭에 이를 수 있으므로 다이폴 안테나에 비해 더 많은 주파수를 지원합니다. 20dB에서 100dB에 이르는 높은 이득으로 알려져 있으며, 선형 및 원형 분극화를 모두 지원할 수 있습니다.
배열 안테나
배열 안테나는 여러 개의 개별 안테나가 패턴식으로 배열되어 구성됩니다. 각 안테나 요소의 위상과 진폭을 의도적으로 제어하는 배열 안테나는 빔포밍을 제공하고 수신기로 신호 빔을 조종하여 신호 품질을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 안테나 시스템은 응용 분야에 따라 다르며 중간 광역폭부터 넓은 광역폭을 지원할 수 있습니다. 10dB에서 30dB 사이의 중간 이득을 제공할 수 있으며, 선형(수평 또는 수직) 및 원형 분극화를 수용할 수 있습니다. 단, 배열 안테나의 분극화는 개별 안테나 요소의 분극화 함수입니다. 배열 안테나는 통신 타워 꼭대기와 인구가 밀집된 도시 지역에서 종종 발견됩니다. 배열 안테나 시스템을 사용하여 5G 안테나, MIMO(다중 입력 및 다중 출력) 인프라 등과 같은 복잡한 통신 인프라가 가능합니다.
패치 안테나
Abracon APAGM2704A-C2G와 같은 패치 안테나는 매우 낮은 프로파일 안테나로서 휴대용 장치 및 기타 무선 통신 장치에 사용됩니다. 이 안테나는 선형 및 원형 분극화를 지원하도록 설계할 수 있는 유전체 회로기판에 장착된 평평한 금속 패치로 구성됩니다. 일반적으로 패치 안테나는 2dB에서 9dB 사이의 중간 이득 값을 가지며, 구성에 따라 중간 광역폭부터 넓은 광역폭을 얻을 수 있습니다.
미래의 고급 안테나 시스템
무선 안테나 유형을 가능하게 하는 기본 물리학은 변하지 않을 것이지만, 안테나 통신의 효율성을 제어하고 최적화하고 증폭시키는 시스템은 계속해서 발전될 것입니다. 안테나 기능의 주파수, 광역폭, 이득 및 분극화에 따라 사용하는 안테나 유형이 달라집니다. 최신 무선 시스템은 이 기사에 나열된 안테나 유형 외에도 동일한 기본 안테나 유형을 사용하는 특수 제작 안테나로 구성되어 있습니다. 전반적인 무선 시스템의 기능은 사용하는 안테나에 의해 크게 영향을 받을 수 있지만, 신호 제어 시스템에 의해 조작될 수도 있습니다.
안테나 기술의 여러 고급 응용 분야에서는 MIMO, 빔포밍, 분산 안테나, 다중화 및 공간 다양성 시스템과 같은 복잡한 제어 시스템을 사용합니다. 이러한 응용 분야는 이 기사에 나온 것과 동일한 핵심 속성을 사용하지만, 현재 및 미래의 무선 통신 시스템의 통신 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 다른 기사(안테나 기술의 고급 응용 분야)를 참조하십시오.
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