ANSYS 블로그
March 30, 2023
안테나 게인을 계산하고 늘리는 방법
완벽한 구형 안테나를 상상해 봅시다. 모든 방향으로 에너지를 균일하게 방출하여 수직 및 수평 모두에서 동일한 전자기 강도를 균일하게 공급합니다. 이를 등방성 방사라고 하는데, 스포일러를 하자면 실제로 존재하지 않습니다. 이 이상적이고 가설적인 모델과 달리, 현실 세계의 모든 안테나는 어느 정도 지향성을 가지고 있으며 주어진 방향으로 더 많은 에너지를 방출합니다. 측정되어진 집중된 전력의 양을 안테나 게인이라고 합니다.
안테나 게인이란?
안테나 게인은 이론적 등방성 방사와 비교하여 어떤 방향으로 신호를 방사하는 안테나의 능력을 측정한 것입니다. 안테나 게인은 일반적으로 등방성 대비 데시벨 단위(dBi)로 표시됩니다. 지향성과 밀접한 관련이 있을 뿐만 아니라 안테나의 효율도 고려합니다.
안테나 게인 = 지향성 + 효율성
등방성 방사는 모든 방향에서 동일한 에너지 방사선을 동일하게 방출하기 때문에 "게인 없음" 또는 0dBi라고 합니다. 이 값은 전송된 전력이 낭비되지 않을 때만 달성할 수 있으며, 전기 저항과 같은 요소의 영향을 받는 실제 안테나에서는 불가능합니다. 그러나 설계를 잘하면 안테나의 게인을 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.
그림 1. 5G MIMO 어레이의 방사.
높은 게인과 낮은 게인 중 어느 것이 더 좋을까요?
게인은 더 많은 것을 원할 것 같지 않나요? 물론 더 높은 게인은 더 강한 신호와 더 나은 연결을 의미하지만 항상 그런 것은 아닙니다. 일부 애플리케이션에서는 실제로 너무 많은 게인을 가질 수 있습니다. 안테나를 어떻게 사용하느냐에 따라 다릅니다.
멀리 떨어진 수신기에 도달하기 위한 최선의 선택은 확실히 게인이 높은 안테나입니다. 신호가 먼 거리를 이동해야 하기 때문에 신호는 강도를 높여서 목표물을 직접 향하게 해야 합니다.
하지만 넓은 영역(예: 스포츠 바의 무선 네트워크)에서 신호를 고르게 수신해야 하는 경우에는 많은 게인을 원하지 않습니다. 게인은 한 방향에서 에너지를 받아 다른 방향으로 증폭하는 것이기 때문입니다. 애플리케이션에 전방향 액세스가 필요한 경우, 게인이 낮을수록 좋습니다. 간단히 말해, 게인이 높을수록 신호가 더 멀리 전달됩니다. 게인이 낮을수록 필드 패턴이 더 넓어집니다.
이상적인 게인을 결정하기 위한 다른 고려 사항은 위치 및 신호 소스입니다. 높은 게인의 안테나는 높은 곳에 배치하거나 장애물이 없는 평평한 곳에 배치할 때 이상적입니다. 신호가 어디에서 오는지 잘 모르는 경우(예: 모바일 장치) 낮은 게인의 안테나가 선호될 수 있습니다.
안테나 게인을 계산하는 방법
안테나의 게인을 측정하려면 전송되는 신호의 전력을 등방성 방사기에서 전송되는 동일한 신호의 전력과 비교합니다. 안테나 게인을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
GdBi = 10log10(G)
안테나 게인을 늘리는 방법
애플리케이션에서 더 높은 게인을 얻을 수 있는 경우 게인을 높이는 방법에는 여러 가지가 있습니다.
- 크기: 안테나가 클수록 더 많은 전파를 포착할 수 있습니다.
- 수량: 여러 안테나가 신호를 결합할 수 있습니다(안테나 어레이라고도 함).
- 표면: 반사판은 전파를 안테나 쪽으로 리디렉션할 수 있습니다.
- 모양: Yagi 안테나와 같은 일부 안테나 유형은 더 높은 게인을 위해 설계되었습니다.
시뮬레이션을 통한 안테나 게인 예측
Ansys HFSS와 같은 시뮬레이션 소프트웨어는 설계 변경이 안테나 게인에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 엔지니어에게 보여줍니다. 그런 다음 게인을 높이거나 낮추도록 조정하여 안테나가 제작되기 전에 정의된 요구 사항을 충족하도록 할 수 있습니다. 시뮬레이션을 통한 안테나 설계 최적화에 대해 자세히 알아보세요.