안테나와 RF 통신원리

RF 관점에서의 LC

배경지식

S 파라미터: RF에서 가장 널리 사용되는 회로 결과 값이다. S 파라미터의 정의는 간단한데, 주파수 분포상에서 입력전압과 출력전압의 비를 의미한다. 예를 들어 S21 이라하면, 1번 포트에서 입력한 전압과 2번 포트에서 출력된 전압의 비율을 의미한다. 즉 1번으로 입력된 전력이 2번포트로는 얼마나 출력되는가를 나타내는 수치이다.

Inductance(인덕턴스): 회로를 흐르고 있는 전류의 변화에 의해 전자기유도로 생기는 역기전력의 비율을 나타내는 양. 단위는 H(헨리)이다. 이러한 인덕턴스 값을 간단히 L이라 지칭하며, RF에선 nH 단위가 주로 사용된다.

Capacitance (캐패시턴스): 전압을 가했을 때 축적되는 전하량의 비율을 나타내는 양. 단위는 F(패럿)이다. 이러한 캐패시턴스 값을 간단히 C라 지칭하며, RF에선 pF 단위가 주로 사용된다.

RF 관점에서의 L과 C의 주파수 특성

그림1

<그림 1>은 인덕터의 S 파라미터이다. 인덕터의 주파수 통과 특성을 보여주는 그래프이다. 그래프를 보면 주파수가 높아질수록 잘 통과하지 못하며 L값이 높아질수록 더더욱 통과하지 못하고 있다.

그림2

<그림 2>는 캐패시터의 S 파라미터이다. 캐패시터의 주파수 통과 특성을 보여주는 그래프이다. 그래프를 보면 주파수가 낮을수록 잘 통과하지 못하며 C값이 높을수록 저주파는 물론 고주파 성분이 더 잘 통과하고 있다.

L: 인덕턴스

Inductance L 은 도선에 전류가 흐를 때 그 전류의 변화를 막으려는 성질, 또는 그 정도를 말한다. 즉 도선에 흐르는 전류가 직류(DC)라면 아무 변화없이 걍 흘러주지만, 전류가 원래 흐르던 방향이나 크기가 바뀌려고 하면 그 반대의 기전력을 만들어서 그 변화를 막으려고 합니다. 보통 이런 리덕턴스응 길이를 가지는 모든 도선에서 발생한다.

그림 3-1

인덕턴스를 유발시키는 인덕터

인덕턴스를 유발시키는 인덕터는 도선의 길이를 길게 만들면 된다. 도선만 길면 주변의 자기장은 길이 만큼 점점 더 늘어나니ᄁᆞ 인덕턴스 또한 점점 늘어나게 된다.

그림 3-2

<그림 3-2> 의 세가지 종류 중 spiral 인덕터를 응용한 이중 spiral 인덕터가 가장 많이 쓰이는데 한 방향으로 동심원을 그리끼 떄문에 같은 방향으로 자기장이 더해져 작은 크기로 큰 L값을 만들 수 있기 떄문이다.

C: Capicidance (캐패시던스)

Capacitance C는 단절된 금속사이에서 전류/전압의 변화가 있을 때만 신호를 통과시키려는 성질, 또는 그 정도를 말한다.

그림 4-1

<그림 4-1>에서 끊어진 금속판 사이에 채워진 유전체는 전하를 직접 흘려주지는 않지만, 유전체 내부에서 전극이 배치되어 전기적 방향성을 띠게 된다. 결국 한쪽 방향으로 전하가 흘러가기만 하는 직류(DC)는 통과할 수가 없다. 반면, 주기적으로 전압전류가 변화하는 교류의 경우에는 한쪽에 전극이 형성되면 그림과 같이 유전체 에서도 전극이 쏠리면서 분극되고, 결과적으로 판에도 반대의 전극을 형성시켜 줄 수 있게 됩니다. 그리고 그것이 주기적으로 변하면 건너편 금속의 전극이나 전압도 주기적으로 변화시켜 주게 되어 결국 끊어진 금속판 사이로 신호가 전달되게 되는 것이다.

공진

공진: 특정 주파수에 에너지가 집중되어, 해당 주파수만 골라내거나 걸러내는 주파수 선택 특성이 나타나는 것이다. 에너지 관점에서 볼 때 L 성분과 C 성분이 동시에 공존하면서 평형상태를 이루고 있는 지점을 의미한다.

그림5

<그림 5> 서로 반대되는 주파수 패턴을 가진 L과 C성분이 직/병렬로 만나게 되면 아래와 같은 형태로 두 특성이 합성된 결과가 나온다. 같은 주파수상에서 인덕터는 통과하지 못하도록 힘을 줄 것이며, 캐패시터는 통과할 수 있도록 힘을 쓰게 될 것이다. 그리고 둘중에 누가 더 강하냐에 따라 특정 주파수에서의 통과특성이 결정된다. 그렇게 평형을 이룬 상태의 결과는 바로 위와 같은 형상이 되게 된다.

LC공진의 메커니즘

인덕터와 캐패시터간의 에너지 교환
LC 회로에 특정 주파수 신호가 인가되면 인덕터의 자기장으로 저장되었다가 캐패시터의 전기장으로 저장되었다가하면서 왔다 갔다 한다. 이 과정에서 인덕터와 캐패시터는 주파수별로 특성이 정반대이고, 한 놈은 누르고 한 놈은 올리고 하게 된다. 같은주파수에서 인덕터는 그 흐름을 방해하고 싶어하고, 캐패시터는 흐름이 정지하는 것을 막고 싶어한다.
그러다 어느 한쪽의 특성이 강해 전기장이나 자기장 중 어느 한쪽으로 에너지 저장이 몰리게 되면, 손실이 발생한다. 그냥 저장만 되어 버리고 못 써버리게 되기 때문이다. 그런데, 어떤 경우에는 둘이서 주거니 받거니 하는 에너지가 똑같아져서 캐패시터와 인덕터 어느 한쪽으로도 에너지 저장이 몰리지 않는 경우가 발생한다. 힘이 평형을 이루는되는 상황인 것 이다. 이렇게 되는 주파수에서는 LC 소자가 손실없이 통과한다. 그리고 나머지 주파수에서는 그 평형이 깨지기 때문에 손실이 쌓여서 신호의 통과가 어렵게 된다.

LC 공진의 종류

직렬공진 : LC 직렬공진은 Bandpass (대역통과) 형태의 공진이 발생한다.

병렬공진 : LC 병렬공진은 Bandstop (대역저지) 형태의 공진이 발생한다.

안테나

안테나란?

무선통신에서 전자기파로 전달되는 전기 신호는 전기장과 자기장의 변화로 전달 되면 이떄 안테나는 특정 주파수의 전자기파를 전기신호로 수신하며 송신또한 가능하다.

안테나의 전자기파 수신 원리

전기장을 이용하는 방식
금속으로 이루어진 직선형 안테나에 전자기파가 도달하고 안테나의 나란한 방향으로 전기장이 진동하면 안테나 내의 전자들이 전기장으로부터 전기력을 받는다. 그 결과 전자가 위아래로 진동하는 ‘전기적 신호’가 만들어지게 된다

자기장을 이용하는 방식
원형 안테나에 전자기파가 도달할 때 안테나가 이루는 면과 자기장의 진동 방향이 수직이면 자기장의 변화에 따라 원형 도성에는 유도 기전력이 진동하는 ‘전기적 신호’가 만들어진다.

안테나의 종류 (대표적 3가지)

Dipole Antenna: 안테나의 기본중의 기본은 다이폴 안테나이다. 두 개의 서로 극이다른 도선을 구부려서 전체 길이를 λ/2 이되게 만든다.

Monopole Antenna: 다이폴과 비슷한데, 한쪽 도체 대신 Ground로 대치된 형태이다. Ground로 대치된 부위에서는 image effect로 인해 마치다이폴과 같은 효과가 일어나는 것입니다. 고로 안테나의 길이도 λ/2 이 아니라 λ/4 만 있으면 된다.

Parabolic Antenna : 이득이 매우 높은 형태의 안테나로써, 통신 범위가 가장 좁고 멀어서 위성통신용으로 애용된다. parabolic 면에 수직으로 입사된 전자파는 반사되어 쌍곡선의 초점 부위에 모아지고, 그러한 초점위치에 위치한 LNB(Low Noise Block) 로 그 신호들을 저잡음 증폭시키는 구조이다.

참고
RF 기초 강의실 /Cornerbook/ 2007
안테나 이론-해석과 설계 (Antenna Theory- Analysis and Design)
Constantine A. Balanis / 이문수 외 / 미래컴 / 2001
하이탑 고등 물리학2 3권