일반적인 안테나 설계 소개

만약 당신이 휴대전화나 노트북에서 이 문서를 읽고 있다면 그건 안테나가 있기 때문입니다. 안테나는 우리의 삶을 연결하는 필수적인 요소로, 비디오 게임을 하고 자동차의 내비게이션 시스템에 전원을 공급하는 것부터 우주 깊은 곳에서 소행성을 움직이는 것까지 모든 것을 가능하게 만듭니다. 그런데 안테나를 어디에서나 흔히 볼 수 있게 되었지만, 안테나 설계 및 응용 분야는 매우 다양합니다.

안테나는 어떻게 작동할까요?

단순한 와이어 다이폴 안테나에서 단계적인 다중 입력 및 다중 출력(MIMO) 어레이에 이르기까지 모든 안테나는 기본적으로 동일한 기능을 수행합니다. 즉, 전자기 신호를 보내고 받습니다. 이를 위해 전기 신호를 전송 가능한 전자파로 변환합니다. 그런 다음, 공기를 통해 특정 파장으로 정보를 전송하면 원하는 대상의 다른 안테나에 의해 정보가 수신되고 압축 해제됩니다. 

안테나는 공간을 통해 신호를 전송함으로써 우리가 먼 거리에서도 빛의 속도로 통신할 수 있게 해줍니다. 이러한 무선 연결은 의료, 항공 우주, 통신 및 모빌리티를 포함한 산업 전반의 발전에 필수적이었습니다. 안테나 응용 분야가 계속해서 증가함에 따라 모든 사용 사례에 필요한 안테나 유형도 증가하고 있습니다.

다양한 유형의 안테나가 있는 이유는 무엇일까요?

범위, 사용 가능한 공간 등의 다양한 요인에 따라, 특정 응용 분야에 가장 적합한 안테나 유형이 결정됩니다. 예를 들어 비행기와 관제탑의 접속을 유지하는 데 사용되는 안테나는 Bluetooth 커피 머그잔에 있는 안테나와 매우 다릅니다. 둘 다 전방향성 기능이 있는 안테나가 필요하지만, 비행기는 훨씬 더 넓은 범위가 필요한 반면 머그잔에는 매우 작은 공간에 맞는 안테나가 필요합니다.

안테나 설계 기준

• 대역폭: 특정 신호의 주파수 범위
• 분극: 안테나에 의해 방사되는 전기장의 방향
• 지향성: 방사가 한 방향으로 집중되는 정도
• 물리적 공간: 안테나가 정확히 맞아야 하는 영역의 크기
• 게인: 피크 방사 방향으로 전달되는 전력량
• 효율성: 안테나의 방사 전력과 전달 전력의 비율

일반 안테나 유형

일반 안테나 유형의 일반적인 특성을 알면 응용 분야에 적합한 안테나를 선택하는 데 도움이 됩니다. 

반파장 다이폴 안테나

반파장 다이폴은 다이폴 안테나를 기반으로 하며 두 개의 전도성 막대 또는 와이어로 구성된 가장 단순한 실용적인 안테나입니다. “반파장”이라는 용어는 안테나의 물리적 크기가 작동 주파수에서 파장의 절반임을 나타냅니다.

반파장 다이폴 안테나는 설계 및 제작이 간단하기 때문에 매우 일반적입니다. 실제로 거의 모든 안테나는 깨끗한 선형 분극과 회전 대칭 방사 패턴을 가진 이 설계를 기반으로 합니다.

반파장 다이폴 안테나는 길이 L = l/2의 선형 전도성 요소로 구성되며, 일반적으로 길이를 따라 중간에 삽입된 틈을 통해 급전됩니다. 일반적으로 협대역 안테나로 간주되지만, 안테나 본체를 형성하는 데 사용되는 와이어의 반경을 늘리는 것이 대역폭을 늘리는 효과적인 방법입니다. 

PIFA 안테나

PIFA(Planar Inverted-F) 안테나는 휴대전화와 거의 모든 전자 장치에서 사용됩니다. 다이폴의 변형인 이 안테나는 제작 비용이 매우 저렴하고 다양한 대역폭을 달성하기 위해 여러 변형으로 프린팅할 수 있으므로 작은 공간에 적합합니다. 

혼 안테나

속도 측정기와 같이 매우 높은 지향성이 필요한 응용 분야에서는 혼 안테나가 자주 사용됩니다. 혼 안테나의 형상은 상당히 간단하며 더 적은 손실로 더 강한 신호을 처리할 수 있습니다.

혼 안테나는 끝에서 바깥쪽으로 펼쳐지고(플레어되고) 열린 구멍으로 끝나는 도파관 섹션으로 구성됩니다. 플레어의 목적은 안테나의 지향성을 높이고 플레어 평면에서 빔 폭을 좁히는 것입니다.

혼안테나를 만들기 위해 혼 안테나는 전기장 방향으로만 펼쳐지거나(E-plane 섹터 혼), 자기장 방향으로만 펼쳐지거나(H-plane 섹터 혼) 또는 양방향으로 모두 펼쳐질 수 있습니다(피라미드 혼).

혼 안테나는 일반적으로 매우 광대역이며, 도파관의 차단 주파수 이상에서 작동하고 도파관의 전기장과 같은 방향으로 지향된 선형 편파를 방사합니다. 

야기-우다 안테나

간단히 “야기” 안테나라고도 하는 야기-우다 안테나는 다른(비구동) 선형 전도성 요소의 배열 내에서 작동하는 단일 다이폴 안테나로 구성됩니다. 이 안테나는 높은 지향성이 중요한 응용 분야에서 매우 효과적이며 흔히 TV 수신 안테나로 사용됩니다. 

야기-우다 안테나의 정확한 반사기 및 도파기 수는 다양하지만, 일반적인 설계에는 단일 “반사기” 요소와 3개의 “도파기” 요소가 포함됩니다. 반사기 요소는 다이폴보다 약간 길지만, 도파기 요소는 다이폴보다 약간 짧습니다.

회전 대칭 방사 패턴을 가진 고립된 다이폴과는 달리, 야기-우다 안테나는 지향성이 높으며 최대 방사가 도파기를 향하고 반사기에서는 멀어집니다.

다이폴과 마찬가지로 야기-우다 안테나는 협대역이며 전기장 방향이 다이폴에 맞춰 정렬되어 있는 선형 분극입니다. 

슬롯 안테나

슬롯 안테나는 다이폴 안테나와 동일한 개념을 기반으로 하지만, 전기 대신 자기라는 다른 전류 세트를 사용합니다. 비행기 노즈콘과 회로 기판에서 슬롯 안테나를 찾아볼 수 있습니다.

슬롯 안테나는 평면 도체의 직사각형 반파장 길이 “슬롯”으로 구성됩니다. Babinet의 원리에 의한 작동은 반파장 다이폴 안테나의 작동과 유사합니다. 방사 영역도 반파장 다이폴 안테나와 대략적으로 유사하지만, 전기장 및 자기장의 분극이 반대로 되어 있습니다.

슬롯 안테나의 방사 패턴은 다이폴 안테나의 방사 패턴과 비슷하지만, 기준 평면의 절단으로 인해 약간의 비대칭이 발생합니다. 슬롯 안테나는 대역폭이 슬롯 폭에 따라 가변적이며 전기장이 슬롯 길이에 수직으로 향하는 선형 분극입니다. 

직사각형 패치 안테나

로우 프로파일 응용 분야에서 가장 일반적인 선택인 직사각형 패치 안테나는 휴대전화와 같은 평평한 공간에 맞도록 프린팅됩니다. 패치 안테나의 개념은 간단하지만, 더 넓은 대역에서 작동하거나 격리를 높이거나 여러 주파수에서 작동하도록 쉽게 수정할 수 있습니다.

직사각형 패치 안테나는 너비(W)와 길이(L)의 직사각형 전도성 요소로 구성되며 전도성 지지대와 함께 두께(d) 및 비유전율(e_r)의 유전체 평판 표면에 놓입니다.  

패치 안테나의 방사는 패치 아래 공동의 필드 공진으로 인해 발생합니다. 이 공진은 안테나의 길이가 유도파 길이의 절반보다 약간 작을 때 발생합니다. 패치 끝의 필드 프린징으로 인해 패치가 물리적인 것보다 더 길게 “보이기” 때문입니다.

직사각형 패치 안테나는 일반적으로 마이크로스트립, 유전체를 통해 올라오는 동축 탐침 또는 공진 공동이나 기타 근접 공진기와의 결합에 의해 제공됩니다. 

엔지니어는 프로젝트에 사용할 최적의 안테나를 결정하기 위해 Ansys HFSS와 같은 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 설계를 테스트하고 증명합니다. 위성, 인쇄 회로 기판 또는 기타 고급 고주파 전자 장치를 만들든 상관없이 시뮬레이션은 다양한 안테나 구성이 어떻게 작동하는지 보여줍니다. 자세한 내용은 "시뮬레이션을 통한 안테나 설계 최적화" 웨비나를 참조하십시오.