안테나

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안테나
초단파에서 텔레비전 신호를 수신하는 데 사용되는 텔레비전 안테나
종류	수동소자
최초 도입	1898
전기 기호

무선주파수 공학에서 안테나(antenna, 미국 영어) 또는 에어리얼(aerial, 영국 영어)은 교류 전류를 전파(송신)로 변환하거나 전파를 전류(수신)로 변환하는 전자 장치이다. 이것은 공간을 통해 전파되는 전파와 금속 전기 전도체에서 흐르는 전류 사이의 인터페이스이며, 송신기 또는 수신기와 함께 사용된다. 송신 시에 무선 송신기는 안테나의 단자에 전류를 공급하고, 안테나는 그 전류의 에너지를 전자기파(전파)로 방사한다. 수신 시에 안테나는 전파의 전력 일부를 가로채어 단자에 전류를 생성하며, 이 전류는 증폭을 위해 수신기에 가해진다. 안테나는 모든 라디오 장비의 필수 구성 요소이다.

안테나는 수신기 또는 송신기에 전기적으로 연결된 전기 전도체 조각들의 배열이다. 안테나는 모든 수평 방향으로 전파를 고르게 송수신하도록 설계되거나(무지향성 안테나), 특정 방향으로 우선적으로 송수신하도록 설계될 수 있다(지향성 안테나, 고이득 안테나, 또는 "빔" 안테나). 안테나에는 송신기에 직접 연결되지 않은 구성 요소, 즉 포물선 반사경, 혼 안테나, 또는 기생 소자가 포함될 수 있으며, 이들은 전파를 빔이나 다른 원하는 방사 패턴으로 유도하는 역할을 한다. 안테나의 크기가 파장의 절반보다 훨씬 작은 경우, 송신 시 강한 지향성과 좋은 효율을 얻기 어렵다.

최초의 안테나는 1886년 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠가 1867년 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 이론에 의해 예측된 전자기파의 존재를 증명하기 위한 선구적인 실험을 통해 제작하였다. 헤르츠는 송신과 수신 모두를 위해 포물선 반사경의 초점에 다이폴 안테나를 배치하였다. 1895년부터 굴리엘모 마르코니는 장거리 무선전신기에 실용적인 안테나 개발을 시작했으며, 1898년 영국 챌름스퍼드에 공장을 세워 자신의 발명품을 생산하기 시작했다.

전파를 수신하는 반파장 다이폴 안테나: 전파의 전기장(E)이 수신기의 진동 전류(검은색 화살표)를 유도한다.

전파를 방사하는 안테나: 송신기는 막대에 교류(빨간색 화살표)를 가하여 막대를 양전하와 음전하로 번갈아 충전하고 전기장 루프를 방출한다. 루프의 화살표는 전류의 극성이 바뀔 때마다 반전된다.

용어

안테나의 전기 기호

안테나(antenna)와 에어리얼(aerial)이라는 단어는 혼용되어 사용된다. 때때로 "에어리얼"이라는 용어는 특히 높이 설치된 수평 와이어 안테나를 의미하는 데 사용되기도 한다. 무선 장치와 관련된 안테나라는 단어의 유래는 이탈리아의 무선 개척자 굴리엘모 마르코니에게서 비롯되었다. 1895년 여름, 마르코니는 볼로냐 근처 아버지의 영지 야외에서 자신의 무선 시스템을 테스트하기 시작했고, 곧 기둥에 매달린 긴 와이어 "에어리얼"을 실험하기 시작했다. 이탈리아어로 텐트 기둥은 l'antenna centrale라고 하며, 와이어가 달린 기둥을 단순히 l'antenna라고 불렀다. 그때까지 무선 방사 송수신 소자는 단순히 "단자"라고 알려져 있었다. 마르코니의 명성 덕분에 안테나라는 단어의 사용은 무선 연구자와 애호가들 사이에 퍼졌고, 나중에는 일반 대중에게까지 확산되었다.

안테나는 실제 RF 전류가 흐르는 구성 요소뿐만 아니라 지지 구조물, 인클로저(있는 경우) 등을 포함한 전체 조립체를 광범위하게 지칭할 수 있다. 수신 안테나에는 수동 금속 수신 소자뿐만 아니라, 특히 마이크로파 주파수 이상에서는 통합된 저잡음 증폭기나 주파수 믹서가 포함될 수 있다.

개요

아타카마 대형 밀리미터 간섭계(ALMA)의 안테나들

모든 무선 수신기 또는 송신기는 전기적 연결을 전자기장에 결합하기 위해 안테나가 필요하다. 전파는 전송 손실이 거의 없이 빛의 속력으로 공간을 통해 신호를 운반하는 전자기파이다.

자동차의 휩 안테나, 무지향성 안테나의 흔한 예

안테나는 모든 수평 방향으로 거의 동일하게 에너지를 방사하는 무지향성 안테나 또는 특정 방향으로 전파를 집중시키는 지향성 안테나로 분류될 수 있다. 소위 빔 안테나는 단방향성으로, 상대방 기지국 방향으로 최대 반응을 보이도록 설계된 반면, 많은 다른 안테나들은 다양한 방향의 기지국을 수용하도록 의도되었으나 진정한 의미의 무지향성은 아니다. 안테나는 상호성을 따르기 때문에 송신과 수신 시에 동일한 방사 패턴이 적용된다. 모든 방향(수평 및 수직 각도 모두)으로 동일하게 방사하는 가상의 안테나를 등방적 복사체라고 하지만, 이는 실제로 존재할 수 없으며 특별히 요구되지도 않는다. 대부분의 지상 통신에서는 수평 방향을 위해 하늘이나 땅으로 향하는 방사를 줄이는 것이 유리하다. 수평으로 놓인 다이폴 안테나는 도체 방향으로는 에너지를 보내지 않는데, 이를 안테나 널(null)이라고 하며, 그 외의 대부분의 방향에서는 사용 가능하다. 여러 개의 다이폴 소자를 안테나 배열로 결합하여 야기 안테나와 같이 단일 수평 방향을 선호하게 만들 수 있으며, 이를 빔 안테나라고 부른다.

반파장 다이폴 안테나

대부분의 안테나 설계의 기초가 되는 다이폴 안테나는 두 단자에 동일하지만 반대인 전압과 전류가 인가되는 평형 구성 요소이다. 수직 안테나는 모노폴 안테나로, 지면에 대해 평형을 이루지 않는다. 지면(또는 큰 전도성 표면)은 모노폴의 두 번째 도체 역할을 한다. 모노폴 안테나는 전도성 표면에 의존하기 때문에, 지표면에 설치된 효과를 내기 위해 접지면(ground plane)과 함께 설치될 수 있다.

송신 중 다이폴 안테나(검은색 막대)에서 방사되는 전기장('파란색')과 자기장(빨간색)의 도해

더 복잡한 안테나는 안테나의 지향성을 높인다. 수신기나 송신기에 직접 연결될 필요가 없는 안테나 구조 내의 추가 소자들은 지향성을 증가시킨다. 안테나 "이득"은 방사된 전력이 공간의 특정 입체각으로 집중되는 정도를 설명한다. "이득"은 전력의 순 증가를 의미하는 앰프 "이득"과 비교할 때 다소 불운하게 선택된 용어일 수 있다. 반대로 안테나 "이득"의 경우, 원하는 방향으로 증가된 전력은 원하지 않는 방향에서의 전력 감소를 대가로 얻어진다. 앰프와 달리 안테나는 전체 전력을 보존하는 전기적으로 "수동" 장치이며, 전원(송신기)으로부터 공급된 것 이상의 전체 전력 증가는 없으며 고정된 총 전력의 분포만 개선될 뿐이다.

위상배열은 전기 네트워크를 통해 함께 연결된 두 개 이상의 단순 안테나로 구성된다. 이것은 종종 일정한 간격을 둔 여러 개의 평행 다이폴 안테나를 포함한다. 네트워크에 의해 도입된 상대적 위상에 따라, 동일한 다이폴 안테나 조합이 "브로드사이드 배열"(소자들을 잇는 선에 수직인 방향) 또는 "엔드파이어 배열"(소자들을 잇는 선을 따라가는 방향)로 작동할 수 있다. 안테나 배열은 다이폴, 루프 또는 슬롯 안테나와 같은 모든 기본(무지향성 또는 약한 지향성) 안테나 유형을 채택할 수 있다. 이러한 소자들은 종종 동일하다.

대수 주기(Log-periodic) 및 주파수 독립 안테나는 넓은 범위의 대역폭에서 작동하기 위해 자기유사성을 이용한다. 가장 친숙한 예는 야기 안테나와 유사하게 보이는 대수 주기 다이폴 배열 안테나로, 엔드파이어 배열에서 점진적인 길이를 가진 다수의(보통 10~20개) 연결된 다이폴 소자로 구성되어 상당히 지향성을 띤다. 이는 특히 텔레비전 수신용 옥상 안테나로 사용된다. 반면에 다소 유사한 외관을 가진 야기 안테나는 단 하나의 다이폴 소자만 전기적으로 연결되어 있으며, 다른 기생 소자들은 전자기장과 상호작용하여 좁은 대역폭 내에서 고지향성 안테나를 구현한다.

파라볼라 안테나나 혼 안테나와 같은 개구면 안테나를 사용하면 훨씬 더 큰 지향성을 얻을 수 있다. 안테나의 높은 지향성은 파장에 비해 크기가 커야 하므로, 고지향성 안테나(즉, 높은 안테나 이득)는 높은 주파수(극초단파 이상)에서 더 실용적이다.

저주파(AM 방송 등)에서는 지향성을 확보하기 위해 수직 타워의 배열이 사용되며 넓은 면적의 부지를 차지한다. 수신용으로는 긴 베버리지 안테나가 상당한 지향성을 가질 수 있다. 무지향성 휴대용의 경우, 짧은 수직 안테나나 작은 루프 안테나가 잘 작동하며, 주요 설계 과제는 임피스 매칭이다. 수직 안테나의 경우 안테나 하단에 로딩 코일을 사용하여 임피던스의 리액턴스 성분을 상쇄할 수 있으며, 소형 루프 안테나는 이 목적을 위해 병렬 축전기로 조정된다.

안테나 인입선은 안테나를 송신기나 수신기에 연결하는 전송선로 또는 급전선이다. "안테나 급전(antenna feed)"은 전송선로 외에도 임피던스 매칭 네트워크와 같이 안테나를 송신기나 수신기에 연결하는 모든 구성 요소를 지칭할 수 있다. 혼이나 파라볼라 접시와 같은 소위 "개구면 안테나"에서 "급전"은 전체 반사 소자 시스템에 내장된(보통 파라볼라 접시의 초점이나 혼의 목 부분에 위치) 기본 방사 안테나를 지칭할 수도 있으며, 이는 해당 안테나 시스템에서 하나의 활성 소자로 간주될 수 있다. 마이크로파 안테나는 (전도성) 전송선로 대신 도파관으로부터 직접 급전될 수도 있다.

휴대 전화 기지국 안테나

안테나 카운터포이즈 또는 접지면(ground plane)은 접지를 개선하거나 대체하는 전도성 재질의 구조물이다. 이는 자연 접지에 연결되거나 절연될 수 있다. 모노폴 안테나에서 이것은 자연 접지의 특성 변화(또는 한계)가 적절한 기능을 방해하는 경우에 특히 자연 접지의 기능을 돕는다. 이러한 구조는 일반적으로 동축 케이블의 차폐막과 같은 불평형 전송선로의 귀로 연결부에 연결된다.

일부 개구면 안테나의 전자기파 굴절기는 그 모양과 위치로 인해 통과하는 전자기파 전면의 일부를 선택적으로 지연시키거나 앞당기는 역할을 하는 구성 요소이다. 굴절기는 한쪽 면의 파동의 공간적 특성을 다른 쪽 면에 대해 변경한다. 예를 들어, 파동을 초점에 모으거나 다른 방식으로 파면을 변경하여 일반적으로 안테나 시스템의 지향성을 최대화할 수 있다. 이것은 광학 렌즈의 라디오 버전이다.

안테나 결합 네트워크는 안테나와 송신기 또는 수신기 사이의 임피던스 매칭을 위해 사용되는 수동 네트워크(일반적으로 유도성 및 용량성 회로 소자의 조합)이다. 이는 전송선로의 정재파비를 줄여 급전선의 손실을 최소화하고, 송신기나 수신기에 최적의 작동에 필요한 표준 저항 임피던스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 급전점 위치가 선택되고, 튜너 구성 요소와 전기적으로 유사한 안테나 소자가 안테나 구조 자체에 포함되어 임피던스 매칭을 개선할 수 있다.

상호성

 이 부분의 본문은 전자기학 § 상호성입니다.

안테나의 기본적인 성질 중 하나는 다음 섹션에서 설명하는 대부분의 전기적 특성(예: 이득, 방사 패턴, 임피던스, 대역폭, 공진 주파수 및 편광)이 안테나가 송신 중이든 수신 중이든 동일하다는 것이다. 예를 들어, 수신 시 안테나의 "수신 패턴"(방향에 따른 들어오는 신호에 대한 감도)은 송신기로서 작동할 때의 방사 패턴과 동일하다. 비록 수신 시와 송신 시 안테나 자체의 전류 및 전압 분포는 다르지만 말이다. 이것은 전자기학의 상호 정리의 결과이다. 따라서 안테나 특성에 대한 논의에서는 일반적으로 수신과 송신 용어를 구분하지 않으며, 안테나는 편리한 대로 송신 또는 수신 중인 것으로 간주될 수 있다.

전술한 상호성 성질의 필수 조건은 안테나와 전송 매체의 재질이 선형이고 상호적이어야 한다는 것이다. 상호적(또는 양방향적)이라는 것은 재질이 한 방향의 전류나 자기장에 대해 반대 방향의 장이나 전류에 대해서와 동일한 반응을 보인다는 것을 의미한다. 안테나에 사용되는 대부분의 재질은 이러한 조건을 만족하지만, 일부 마이크로파 안테나는 페라이트와 같은 비상호적 재질로 만들어진 아이솔레이터나 서큘레이터와 같은 첨단 부품을 사용한다. 이들은 안테나가 송신할 때와 수신할 때 다른 동작을 하도록 만드는 데 사용될 수 있으며, 이는 레이더와 같은 응용 분야에서 유용할 수 있다.

공진 안테나

대부분의 안테나 설계는 공진 원리에 기초한다. 이는 광학적 특성이 변할 때 빛이 반사되는 것과 유사하게, 유전 상수가 변하는 표면에서 반사되는 움직이는 전자의 거동에 의존한다. 이러한 설계에서 반사 표면은 전도체의 끝, 일반적으로 얇은 금속 와이어나 막대에 의해 생성되며, 가장 단순한 경우에는 한쪽 끝에 전송선로에 연결되는 급전점이 있다. 전도체 또는 소자는 원하는 신호의 전기장과 정렬되며, 이는 일반적으로 안테나에서 소스(또는 방송 안테나의 경우 수신기)로의 선에 수직임을 의미한다.

무선 신호의 전기적 성분은 전도체에 전압을 유도한다. 이로 인해 신호의 순시 장 방향으로 전류가 흐르기 시작한다. 결과적인 전류가 전도체의 끝에 도달하면 반사되는데, 이는 위상의 180도 변화와 동일하다. 만약 전도체의 길이가 파장의 ⁠ 1 /4⁠라면, 급전점에서의 전류는 전도체 끝에 도달할 때까지 90도 위상 변화를 겪고, 180도 반사된 후 다시 돌아오면서 90도 변화를 겪는다. 즉, 총 360도 위상 변화를 거쳐 원래 신호로 돌아오게 된다. 따라서 소자의 전류는 그 순간 소스에서 생성되는 전류에 더해진다. 이 과정은 전도체에 정상파를 생성하며, 급전점에서 최대 전류가 흐르게 된다.

일반적인 반파장 다이폴은 아마도 가장 널리 사용되는 안테나 설계일 것이다. 이것은 두 개의 ⁠ 1 /4⁠ 파장 소자가 끝과 끝이 맞닿아 기본적으로 동일한 축(또는 공선) 상에 놓여 있으며, 각각이 2도선 전송선의 한쪽을 급전한다. 두 소자의 물리적 배치는 위상이 180도 어긋나게 되어 있어, 임의의 순간에 한 소자는 전송선으로 전류를 밀어넣고 다른 소자는 전류를 끌어당긴다. 모노폴 안테나는 기본적으로 반파장 다이폴의 절반으로, 단일 ⁠ 1 /4⁠ 파장 소자의 한쪽 끝이 접지나 그에 상응하는 접지면(또는 카운터포이즈)에 연결된 형태이다. 다이폴의 크기가 비실용적으로 커지는 긴 파장의 무선 신호에는 다이폴의 절반 크기인 모노폴이 흔히 사용된다. 또 다른 일반적인 설계는 접은 다이폴로, 두 개(또는 그 이상)의 반파장 다이폴을 나란히 배치하고 끝을 연결하되 그중 하나만 급전하는 방식이다.

정상파는 설계된 작동 주파수 f_o에서 이러한 원하는 패턴을 형성하며, 안테나는 보통 이 크기로 설계된다. 그러나 그 소자에 3 f_o(파장이 f_o의 ⁠ 1 /3⁠)를 급전해도 정상파 패턴이 형성된다. 따라서 안테나 소자는 길이가 파장의 ⁠ 3 /4⁠일 때도 공진한다. 이는 ⁠ 1 /4⁠ 파장의 모든 홀수 배에 대해 해당된다. 이를 통해 안테나 길이와 급전점 측면에서 설계의 유연성을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 사용되는 안테나를 고조파 작동 안테나라고 한다. 공진 안테나는 일반적으로 선형 도체(또는 소자) 또는 그러한 소자 한 쌍을 사용하며, 각 소자의 길이는 파장의 약 4분의 1이다(4분의 1 파장의 홀수 배도 공진한다). 파장에 비해 작아야 하는 안테나는 효율을 희생하며 높은 지향성을 가질 수 없다. 고주파(극초단파, 마이크로파)에서는 파장이 매우 작기 때문에 물리적 크기를 줄이기 위해 성능을 타협할 필요가 거의 없다.

전류 및 전압 분포

공진 주파수에서 구동되는 반파장 다이폴의 정상파. 파동은 색상 막대(빨간색은 전압, V, 파란색은 전류, I)로 그래픽 표시되며, 막대 너비는 안테나의 해당 지점에서의 진폭에 비례한다.

4분의 1 파장 소자는 전도체를 따라 존재하는 정상파로 인해 직렬 공진 전기 소자를 모방한다. 공진 주파수에서 정상파는 급전점에서 전류 피크와 전압 노드(최소)를 갖는다. 전기적 용어로 이는 해당 위치에서 소자가 최소 임피던스 크기를 가지며 최소 전압으로 최대 전류를 생성함을 의미한다. 이는 최소 입력으로 최대 출력을 생성하여 가능한 가장 높은 효율을 내기 때문에 이상적인 상황이다. 이상적인(손실 없는) 직렬 공진 회로와 달리, 안테나의 방사 저항과 열을 발생시키는 일반적인 전기 손실로 인해 유한한 저항이 남는다(급전점에서의 상대적으로 작은 전압에 해당).

재질의 전기적 특성이 변할 때 전류가 반사된다는 점을 상기하자. 수신된 신호를 전송선로로 효율적으로 전달하기 위해서는 전송선로가 안테나와의 연결 지점과 동일한 임피던스를 갖는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 신호의 일부가 안테나 본체로 다시 반사될 것이다. 마찬가지로 급전선이 안테나와 만나는 지점에서 전기적 임피던스가 변하면 송신기 신호 전력의 일부가 송신기로 다시 반사된다. 이는 임피던스 매칭, 즉 임피던스를 최대한 가깝게 만들어 이러한 손실을 줄이도록 안테나와 전송선로의 전체 시스템을 설계하는 개념으로 이어진다. 임피던스 매칭은 송신기와 안테나 사이에 안테나 튜너 또는 임피던스 매칭 네트워크라고 불리는 회로에 의해 수행된다. 급전선과 안테나 사이의 임피던스 일치 여부는 급전선의 정재파비(SWR)라는 파라미터로 측정된다.

파장이 1 m인 신호를 처리하도록 설계된 반파장 다이폴을 고려해 보자. 이는 안테나의 끝에서 끝까지가 약 50 cm임을 의미한다. 소자의 길이 대 직경 비율이 1000이면 약 63 옴의 저항성 임피던스를 갖게 된다. 적절한 전송선이나 발룬을 사용하여 신호 반사를 최소화하기 위해 해당 저항을 맞춘다. 이 안테나에 1 암페어의 전류를 공급하려면 63 볼트가 필요하며, 안테나는 63 와트(손실 무시)의 무선 주파수 전력을 방사한다. 이제 안테나에 파장이 1.25 m인 신호를 공급하는 경우를 고려해 보자. 이 경우 신호에 의해 유도된 전류는 신호와 위상이 어긋난 상태로 안테나 급전점에 도달하게 되어, 전압은 그대로 유지되면서 순 전류가 떨어진다. 전기적으로 이는 매우 높은 임피던스로 나타난다. 안테나와 전송선로는 더 이상 동일한 임피던스를 갖지 않으며 신호가 안테나로 다시 반사되어 출력이 감소한다. 이는 안테나와 전송선로 사이의 매칭 시스템을 변경하여 해결할 수 있지만, 그 해결책은 새로운 설계 주파수에서만 잘 작동한다.

결과적으로 공진 안테나는 소스 신호의 주파수가 안테나의 설계 주파수 또는 공진 배수 중 하나에 가까울 때만 신호를 전송선로에 효율적으로 공급한다. 이로 인해 공진 안테나 설계는 본질적으로 협대역(narrow-band) 특성을 갖는다. 즉, 공진점을 중심으로 한 작은 범위의 주파수에서만 유용하다.

전기적 짧은 안테나

로딩 코일이 장착된 전형적인 센터 로딩 방식의 이동식 CB 안테나

단순한 임피던스 매칭 기술을 사용하여 공진 파장인 ⁠ 1 /4⁠ 또는 ⁠ 1 /2⁠ 파장보다 실질적으로 짧은 모노폴 또는 다이폴 안테나를 사용할 수 있다. 이러한 안테나가 (주어진 주파수에 대해) 짧아질수록 임피던스는 직렬 용성(음의) 리액턴스에 의해 지배된다. 적절한 크기의 로딩 코일—동일하고 반대인(양의) 리액턴스를 가진 직렬 유도자—을 추가함으로써 안테나의 용성 리액턴스를 상쇄하고 순수 저항만 남길 수 있다.

때때로 이러한 시스템(안테나와 매칭 네트워크)의 결과적인(더 낮은) 전기적 공진 주파수는 전기적 길이의 개념을 사용하여 설명된다. 따라서 공진 주파수보다 낮은 주파수에서 사용되는 안테나를 전기적 짧은 안테나라고 부른다.

예를 들어, 30 MHz(10 m 파장)에서 진정한 공진 ⁠ 1 /4⁠ 파장 모노폴은 길이가 거의 2.5 미터가 되지만, 1.5 미터 높이의 안테나만 사용하려면 로딩 코일을 추가해야 한다. 그러면 코일이 안테나를 연장하여 2.5 미터의 전기적 길이를 달성했다고 말할 수 있다. 그러나 달성된 저항성 임피던스는 진정한 ⁠ 1 /4⁠ 파장(공진) 모노폴보다 상당히 낮아지며, 종종 원하는 전송선로에 맞추기 위해 추가적인 임피던스 매칭(변압기)이 필요하다. 안테나가 더 짧아질수록(더 큰 "전기적 연장"이 필요할수록) 방사 저항은 급락하며(대략 안테나 길이의 제곱에 비례), 전기적 공진에서 벗어난 순 리액턴스로 인한 불일치는 악화된다. 또는 안테나 시스템의 등가 공진 회로가 더 높은 Q 인자를 가지므로 대역폭이 감소한다고 말할 수도 있으며, 이는 송신 신호의 스펙트럼에 부적절해질 수도 있다. 감소된 방사 저항에 비해 로딩 코일로 인한 동손은 전기적 효율의 저하를 수반하며, 이는 송신 안테나에서 큰 문제가 될 수 있다. 하지만 1 MHz 이하의 주파수에서 안테나의 크기를 결정하는 주요 요인은 대역폭이다.

배열 및 반사기

옥상 텔레비전 야기 안테나와 대수 주기(생선뼈 모양) 안테나 배열은 VHF 및 UHF 주파수에서 널리 사용된다.

송신 안테나로부터의 거리에 따른 방사속은 송신된 파동의 기하학적 발산을 나타내는 역제곱 법칙에 따라 달라진다. 주어진 입사속에 대해 수신 안테나가 획득하는 전력은 안테나의 유효 면적에 비례한다. 이 파라미터는 수신 안테나가 포착한 전력의 양을 들어오는 파동의 속(평방 미터당 와트 단위로 측정되는 신호의 전력 밀도)과 비교한다. 반파장 다이폴은 측면 방향에서 볼 때 약 0.13 λ²의 유효 면적을 갖는다. 더 높은 이득이 필요하다고 해서 단순히 안테나를 더 크게 만들 수는 없다. 아래에 상술된 수신 안테나의 유효 면적에 대한 제약 때문에, 이미 효율적인 안테나 설계에서 이득(유효 면적)을 높이는 유일한 방법은 다른 방향에서의 안테나 이득을 줄이는 것뿐이다.

반파장 다이폴이 외부 회로에 연결되지 않고 급전점에서 단락되면, 입사하는 전파에 반응하여 효율적으로 정상파를 생성하는 공진 반파장 소자가 된다. 그 전력을 흡수할 부하가 없기 때문에, 소자의 정확한 길이에 결정적으로 의존하는 위상 편이와 함께 그 전력을 모두 재방사한다. 따라서 이러한 도체를 송신기의 신호의 두 번째 복사본을 전송하도록 배치하여 송신기에 전기적으로 연결된 소자의 방사 패턴(및 급전점 임피던스)에 영향을 줄 수 있다. 이런 방식으로 사용되는 안테나 소자를 기생 소자라고 한다.

야기 안테나 배열은 기생 소자를 사용하여 한쪽 방향으로 이득을 크게 높인다(다른 방향을 희생함). 아주 구체적인 길이를 가진 여러 개의 평행한 약 반파장 소자들이 붐(boom)을 따라 특정 위치에 평행하게 배치된다. 붐은 지지용일 뿐이며 전기적으로는 관여하지 않는다. 소자 중 하나만 송신기나 수신기에 전기적으로 연결되고 나머지는 수동 소자이다. 야기 안테나는 (기생 소자의 수에 따라) 상당히 큰 이득을 생성하며, 빔의 방향을 제어하기 위한 안테나 회전기와 함께 지향성 안테나로 널리 사용된다. 대역폭이 다소 제한적이라는 단점이 있어 특정 용도로 사용이 제한된다.

수동 반사기와 함께 하나의 구동 안테나 소자를 사용하는 대신, 전력 분배기와 위상 전송선 시스템을 통해 송신기가 모든 소자를 구동하는 배열 안테나를 구축하여 RF 전력을 단일 방향으로 집중시킬 수 있다. 게다가 위상배열은 각 소자에 가해지는 위상을 변경함으로써 안테나 소자를 물리적으로 움직이지 않고도 방사 패턴을 이동시키는 "조향(steerable)"이 가능하게 만들 수 있다. 또 다른 일반적인 배열 안테나는 대수 주기 다이폴 배열로, 야기 안테나와 외관이 유사하지만(붐을 따라 여러 개의 평행 소자가 있음) 모든 소자가 인접 소자와 위상이 반전된 상태로 전기적으로 연결되어 작동 방식이 전혀 다르다. 대수 주기 원리를 사용하여 매우 넓은 대역폭에서 성능 특성(이득 및 임피던스)을 유지하는 독특한 속성을 갖는다.

전파가 큰 전도성 시트에 부딪히면 거울이 빛을 반사하는 것과 마찬가지로 (전기장의 위상이 반전되어) 반사된다. 이러한 반사기를 지향성이 없는 안테나 뒤에 배치하면 해당 방향으로 갔을 전력이 원하는 방향으로 재유도되어 안테나 이득이 최소 2배 증가한다. 마찬가지로 코너 리플렉터 안테나는 안테나의 모든 전력을 공간의 한 사분면(또는 그 이하)에 집중시켜 결과적으로 이득을 증가시킬 수 있다. 실질적으로 반사기는 견고한 금속판일 필요는 없으며 안테나의 편파와 정렬된 막대 커튼으로 구성될 수 있다. 이는 반사기의 무게와 풍하중을 크게 줄여준다. 전파의 거울 반사는 파라볼라 안테나에서도 사용되는데, 곡면 반사 표면이 들어오는 파동을 소위 급전 안테나로 집중시킨다. 이는 반사기 자체의 크기와 맞먹는 유효 면적을 가진 안테나 시스템을 결과로 낸다. 기하광학의 다른 개념들도 렌즈 안테나와 같이 안테나 기술에 채택된다.

특성

 안테나 측정 § 안테나 파라미터 문서를 참고하십시오.

안테나의 전력 이득(또는 단순히 "이득")은 안테나의 효율도 고려하며, 종종 주요 성능 지표가 된다. 안테나는 특정 응용 분야를 위한 안테나를 선택하거나 설계할 때 사용자가 관심을 갖는 여러 성능 측정치에 의해 특징지어진다. 안테나 주변 공간에서의 지향성 특성을 도식화한 것이 방사 패턴이다.

대역폭

안테나가 잘 작동하는 주파수 범위 또는 대역폭은 (대수 주기 안테나처럼) 매우 넓거나 (작은 루프 안테나처럼) 좁을 수 있다. 이 범위를 벗어나면 안테나 임피던스가 전송선로 및 송신기(또는 수신기)와 잘 맞지 않게 된다. 설계 주파수에서 멀리 떨어진 곳에서 안테나를 사용하면 방사 패턴에 영향을 주어 지향성 이득이 감소한다.

일반적으로 안테나는 전송선로와 일치하는 급전점 임피던스를 갖지 않는다. 안테나 단자와 전송선로 사이의 매칭 네트워크는 안테나로의 전력 전달을 개선한다. 조정 불가능한 매칭 네트워크는 안테나 시스템의 사용 가능한 대역폭을 더욱 제한할 가능성이 크다. 안테나를 만들 때 얇은 와이어 대신 관형 소자를 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 이는 더 넓은 대역폭을 허용한다. 또는 여러 개의 얇은 와이어를 케이지 형태로 그룹화하여 더 두꺼운 소자를 모방할 수 있다. 이는 공진 대역폭을 넓힌다.

서로 멀리 떨어진 여러 주파수 대역에서 작동하는 아마추어 무선 안테나는 해당 주파수에서 공진하는 소자들을 병렬로 연결할 수 있다. 송신기의 전력 대부분은 공진하는 소자로 흐르고 다른 소자들은 높은 임피던스를 나타낸다. 또 다른 해결책은 긴 안테나 소자의 절단 부위에 전략적으로 배치된 병렬 공진 회로인 트랩(trap)을 사용하는 것이다. 트랩의 특정 공진 주파수에서 사용될 때 트랩은 매우 높은 임피던스(병렬 공진)를 나타내어 트랩 위치에서 소자를 효과적으로 차단한다. 올바르게 배치되면 차단된 소자는 트랩 주파수에서 적절한 공진 안테나가 된다. 상당히 높거나 낮은 주파수에서는 트랩이 끊어진 소자의 전체 길이를 사용할 수 있게 하지만, 트랩에 의해 추가된 순 리액턴스로 인해 공진 주파수가 이동한다.

공진 안테나 소자의 대역폭 특성은 Q에 따라 특징지어질 수 있다. 여기서 관련된 저항은 공진 안테나에서 자유 공간으로의 에너지 방출을 나타내는 방사 저항이다.

협대역 안테나의 Q는 15까지 높을 수 있다. 반면에 두꺼운 소자를 사용하는 안테나의 동일한 비공진 주파수에서의 리액턴스는 훨씬 적으며, 결과적으로 Q가 5까지 낮아진다. 이 두 안테나는 공진 주파수에서 동일하게 성능을 발휘할 수 있지만, 두 번째 안테나는 얇은 도체로 구성된 안테나보다 3배 더 넓은 대역폭에서 작동한다.

훨씬 더 넓은 주파수 범위에서 사용하기 위한 안테나는 추가적인 기술을 사용하여 구현된다. 매칭 네트워크를 조정하면 원칙적으로 모든 안테나가 모든 주파수에서 일치되도록 할 수 있다. 따라서 대부분의 AM 방송(중파) 수신기에 내장된 소형 루프 안테나는 매우 좁은 대역폭을 갖지만, 수신기 튜닝에 따라 조정되는 병렬 전기 용량을 사용하여 튜닝된다. 반면에 대수 주기 안테나는 단일 주파수에서 공진하지 않지만 원칙적으로 어떤 주파수 범위에서도 유사한 특성(급전점 임피던스 포함)을 갖도록 구축될 수 있다. 따라서 이들은 텔레비전 안테나로서 (지향성 대수 주기 다이폴 배열 형태로) 흔히 사용된다.

이득

 이 부분의 본문은 안테나 이득입니다.

이득은 안테나 방사 패턴의 지향성 정도를 측정하는 파라미터이다. 고이득 안테나는 전력의 대부분을 특정 방향으로 방사하는 반면, 저이득 안테나는 넓은 각도로 방사한다. 안테나 이득 또는 안테나의 전력 이득은 임의의 거리에서 안테나가 최대 출력을 내는 방향으로 방사하는 세기(단위 면적당 전력) $I$를, 모든 방향으로 동일한 전력을 방사하는 가상의 등방성 안테나가 동일한 거리에서 방사하는 세기 $I_{\text{iso}}$로 나눈 비율로 정의된다. 이 무차원 비율은 보통 로그 단위인 데시벨로 표현되며, 이 단위를 dBi(decibels-isotropic)라고 한다.

$G_{\text{dBi}}=10\log {I \over I_{\text{iso}}}\,$

이득을 측정하는 데 사용되는 두 번째 단위는 안테나에 의해 방사된 전력과 반파장 다이폴 안테나에 의해 방사된 전력 $I_{\text{dipole}}$의 비율이다. 이 단위를 dBd(decibels-dipole)라고 한다.

$G_{\text{dBd}}=10\log {I \over I_{\text{dipole}}}\,$

반파장 다이폴의 이득은 2.15 dBi이고 곱의 로그는 합산되므로, dBi 단위의 이득은 dBd 단위의 이득보다 2.15 데시벨 더 크다.

$G_{\text{dBi}}\approx G_{\text{dBd}}+2.15\,$

고이득 안테나는 도달 거리가 더 길고 신호 품질이 좋다는 장점이 있지만, 다른 안테나를 향해 정밀하게 조준되어야 한다. 고이득 안테나의 예로는 위성방송 안테나와 같은 파라볼라 안테나가 있다. 저이득 안테나는 도달 거리가 짧지만 안테나의 방향이 상대적으로 중요하지 않다. 저이득 안테나의 예로는 휴대용 라디오나 무선 전화기에서 볼 수 있는 휩 안테나가 있다. 안테나 이득은 저잡음 증폭기와 같이 시스템 전단에 배치된 증폭 장치에 의한 신호 전력의 증가를 측정하는 별개의 파라미터인 앰프 이득과 혼동해서는 안 된다.

실효 면적 또는 개구면

 이 부분의 본문은 안테나 실효 면적입니다.

수신 안테나의 실효 면적 또는 실효 개구면은 안테나가 단자에 전달하는 통과 전자기파 전력의 부분을 등가 면적으로 나타낸 것이다. 예를 들어, 특정 위치를 통과하는 전파의 속이 1 pW / m² (10⁻¹² 평방 미터당 와트)이고 안테나의 실효 면적이 12 m²라면, 안테나는 수신기에 12 pW의 RF 전력을 전달한다(75 옴에서 30 마이크로볼트 RMS). 수신 안테나는 모든 방향에서 오는 신호에 대해 동일하게 민감하지 않으므로, 실효 면적은 소스 방향에 대한 함수이다.

(위에서 논의한) 상호성 때문에, 송신용으로 사용되는 안테나의 이득은 수신용으로 사용될 때의 실효 면적에 비례해야 한다. 동손이 없는, 즉 전기적 효율이 100%인 안테나를 고려해 보자. 모든 방향에 대해 평균을 낸 실효 면적은 λ²/4π, 즉 파장의 제곱을 4π로 나눈 값과 같아야 함을 보일 수 있다. 이득은 전기적 효율이 100%인 안테나의 모든 방향에 대한 평균 이득이 1이 되도록 정의된다. 따라서 주어진 방향에서의 이득 G에 대한 실효 면적 A_eff는 다음과 같이 주어진다.

$A_{\mathrm {eff} }={\lambda ^{2} \over 4\pi }\,G$

효율이 100% 미만인 안테나의 경우, 실효 면적과 이득 모두 동일한 양만큼 감소한다. 따라서 이득과 실효 면적 사이의 위 관계는 여전히 유효하다. 즉, 이들은 동일한 양을 표현하는 두 가지 다른 방식이다. A_eff는 위의 예에서 예시된 것처럼 특정 이득을 가진 안테나가 수신할 전력을 계산할 때 특히 편리하다.

방사 패턴

 이 부분의 본문은 방사 패턴입니다.

가상 야기 안테나 수평 단면의 극좌표 그래프. 윤곽선은 동일한 전계 강도를 가진 지점들을 연결한다.

안테나의 방사 패턴은 원거리장에서 안테나가 서로 다른 각도로 방출하는 전파의 상대적인 전계 강도를 도식화한 것이다. 이는 일반적으로 3차원 그래프나 수평 및 수직 단면의 극좌표 그래프로 표시된다. 모든 방향으로 동일하게 방사하는 이상적인 등방적 복사체의 패턴은 구처럼 보일 것이다. 모노폴과 다이폴 같은 많은 비지향성 안테나는 모든 수평 방향으로 동일한 전력을 방출하며, 각도가 높거나 낮아질수록 전력이 떨어지는데 이를 무지향성 패턴이라고 하며 도식화하면 원환면이나 도넛처럼 보인다.

많은 안테나의 방사는 방사량이 0으로 떨어지는 각도인 "널"에 의해 분리된, 다양한 각도에서의 최대치 또는 "로브(lobe)" 패턴을 보여준다. 이는 안테나의 서로 다른 부분에서 방출되는 전파가 일반적으로 간섭하여, 전파가 먼 지점에 위상이 일치하게 도착하는 각도에서는 최대치를 생성하고, 위상이 어긋나게 도착하는 다른 각도에서는 방사가 0이 되기 때문이다. 전파를 특정 방향으로 투사하도록 설계된 지향성 안테나에서 그 방향의 로브는 다른 로브보다 크게 설계되며 이를 "주 로브(main lobe)"라고 한다. 다른 로브들은 대개 원치 않는 방사를 나타내며 "부엽(sidelobe)"이라고 불린다. 주 로브를 통과하는 축을 "주축(principal axis)" 또는 "보어사이트(boresight) 축"이라고 한다.

야기 안테나의 극좌표 다이어그램(따라서 효율과 이득)은 광대역 안테나에 비해 좁은 주파수 범위에 맞춰 튜닝된 안테나의 경우가 더 조밀하다. 마찬가지로 수평 편파 야기 안테나의 극좌표 그래프는 수직 편파의 경우보다 더 조밀하다.

필드 영역

 이 부분의 본문은 근거리장과 원거리장입니다.

안테나를 둘러싼 공간은 세 개의 동심원 영역으로 나눌 수 있다: 반응성 근거리장(유도성 근거리장이라고도 함), 방사성 근거리장(프레넬 영역) 및 원거리장(프라운호퍼) 영역이다. 이 영역들 사이의 전이는 점진적이어서 명확한 경계는 없지만, 각 영역에서의 필드 구조를 식별하는 데 유용하다.

원거리장 영역은 안테나의 크기와 모양을 무시할 수 있을 만큼 충분히 먼 곳이다. 전자기파는 순수한 방사 평면파(전기장과 자기장이 위상이 같고 서로 수직이며 진행 방향에 수직임)라고 가정할 수 있다. 이는 방사된 필드의 수학적 분석을 단순화한다.

효율

 이 부분의 본문은 안테나 이득 § 효율입니다.

송신 안테나의 효율은 (모든 방향으로) 실제로 방사된 전력과 안테나 단자에서 흡수된 전력의 비율이다. 방사되지 않고 안테나 단자에 공급된 전력은 열로 변환된다. 이는 대개 안테나 도체의 손실 저항이나 파라볼라 안테나의 반사기와 급전 혼 사이의 손실을 통해 발생한다.

안테나 효율은 임피던스 매칭과는 별개이며, 임피던스 매칭 역시 주어진 송신기를 사용하여 방사되는 전력의 양을 줄일 수 있다. SWR 메터에 입사 전력이 150 W이고 반사 전력이 50 W라고 표시된다면, 이는 100 W가 실제로 안테나에 흡수되었음을 의미한다(전송선로 손실 무시). 그 전력 중 얼마나 실제로 방사되었는지는 안테나 단자에서의 전기적 측정으로 직접 결정할 수 없으며, (예를 들어) 전계 강도의 정밀한 측정이 필요하다. 안테나의 손실 저항과 효율은 전계 강도가 알려지면 안테나에 공급된 전력과 비교하여 계산할 수 있다.

손실 저항은 일반적으로 급전점 임피던스에 영향을 미치며 저항 성분을 더한다. 그 저항은 방사 저항 R_rad와 손실 저항 R_loss의 합으로 구성된다. 전류 I가 안테나 단자에 전달되면 I² R_rad의 전력이 방사되고 I² R_loss의 전력이 열로 손실된다. 따라서 안테나의 효율은 ⁠R_rad/(R_rad + R_loss)⁠와 같다. 총 저항 R_rad + R_loss만 직접 측정할 수 있다.

상호성에 따라 수신 안테나로 사용되는 안테나의 효율은 위에서 설명한 송신 안테나로서의 효율과 동일하다. 안테나가 수신기에 전달할 전력(적절한 임피던스 매칭 시)도 같은 양만큼 감소한다. 일부 수신 응용 분야에서는 매우 비효율적인 안테나가 성능에 거의 영향을 미치지 않을 수 있다. 예를 들어 저주파에서는 대기 노이즈나 인공 노이즈가 안테나의 비효율성을 덮어버릴 수 있다. 예를 들어 CCIR Rep. 258-3에 따르면 주거 지역의 40 MHz에서 인공 노이즈는 열잡음 하한보다 약 28 dB 높다. 결과적으로 (비효율로 인해) 20 dB의 손실이 있는 안테나는 시스템 노이즈 성능에 거의 영향을 미치지 않는다. 안테나 내부의 손실은 의도한 신호와 노이즈/간섭에 동일하게 영향을 미치므로 신호 대 잡음비(SNR)의 저하를 초래하지 않는다.

파장의 상당한 분율에 해당하지 않는 크기의 안테나는 작은 방사 저항으로 인해 필연적으로 비효율적이다. AM 방송 라디오에는 수신을 위한 소형 루프 안테나가 포함되어 있는데 효율이 매우 낮다. 이는 수신기의 성능에 거의 영향을 미치지 않으며, 단순히 수신기의 전자 회로에 의한 더 큰 증폭이 필요할 뿐이다. 이 작은 부품을 동일한 주파수에서 송신하기 위해 AM 방송국에서 사용하는 거대하고 매우 높은 타워와 대조해 보라. 송신 시에는 안테나 효율이 1%만 떨어져도 상당한 비용이 수반된다.

안테나 이득 또는 전력 이득의 정의에는 이미 안테나 효율의 효과가 포함되어 있다. 따라서 주어진 전력의 송신기를 사용하여 수신기를 향해 신호를 방사하려는 경우, 효율을 별도로 고려하기보다는 다양한 안테나의 이득을 비교하기만 하면 된다. 이는 수신기 노이즈 온도에 비해 강한 신호를 받는 것이 목적인 매우 높은(특히 마이크로파) 주파수에서의 수신 안테나의 경우에도 마찬가지이다. 그러나 다른 방향의 간섭을 거부할 목적으로 사용되는 지향성 수신 안테나의 경우에는 위에서 논의한 것처럼 안테나 효율에 더 이상 관심을 두지 않는다. 이 경우 안테나 이득을 인용하기보다는 안테나 (비)효율의 효과를 포함하지 않는 지향성 이득 또는 단순히 지향성에 더 관심을 가질 것이다. 안테나의 지향성 이득은 발표된 이득을 안테나 효율로 나누어 계산할 수 있다. 수식으로는 이득 = 지향성 × 효율이다.

편파

 파동 편파 § 안테나 문서를 참고하십시오.

안테나의 방향과 물리적 구조는 안테나가 송신하는 전파의 전기장 편파를 결정한다. 예를 들어, 수직으로 정렬된 선형 도체(다이폴 또는 휩 안테나)로 구성된 안테나는 수직 편파를 발생시키며, 동일한 안테나를 옆으로 눕히면 편파는 수평이 된다.

반사는 일반적으로 편파에 영향을 미친다. 전리층에서 반사된 전파는 파동의 편파를 변화시킬 수 있다. 가시선 통신이나 지표파 전파의 경우, 수평 또는 수직 편파 송신은 일반적으로 수신 위치에서도 거의 동일한 편파 상태를 유지한다. 수평 편파를 수신하기 위해 수직 편파 안테나를 사용하는 경우(또는 그 반대) 수신 상태가 상대적으로 불량해진다.

안테나의 편파는 때때로 기하학적 구조에서 직접 추론할 수 있다. 기준 위치에서 보았을 때 안테나의 도체들이 하나의 선으로 보인다면, 안테나의 편파는 바로 그 방향의 선형 편파가 된다. 더 일반적인 경우 안테나의 편파는 분석을 통해 결정되어야 한다. 예를 들어, 지구상의 먼 곳에서 보았을 때 수평으로 설치된(일반적인 경우) 턴스타일 안테나는 수평 선분으로 보이므로 거기서 수신되는 방사는 수평 편파이다. 그러나 비행기에서 아래로 내려다본 각도에서는 동일한 안테나가 이 요구 사항을 충족하지 못하며, 사실 그 방향에서 볼 때 방사는 타원 편파이다. 일부 안테나에서는 송신 주파수에 따라 편파 상태가 변하기도 한다. 상업용 안테나의 편파는 필수적인 시방서이다.

가장 일반적인 경우 편파는 타원 편파이며, 이는 매 주기마다 전기장 벡터가 타원을 그린다는 의미이다. 두 가지 특수한 경우는 위에서 논의한 선형 편광(타원이 선으로 찌부러진 경우)과 원편파(타원의 두 축이 같은 경우)이다. 선형 편파에서 전파의 전기장은 한 방향을 따라 진동한다. 원편파에서 전파의 전기장은 진행 축을 중심으로 회전한다. 원편파 또는 타원 편파는 "진행 방향으로의 엄지손가락" 법칙을 사용하여 우선성 또는 좌선성으로 지정된다. 원편파의 경우 광학 연구자들은 무선 공학자들이 사용하는 것과 반대되는 오른손 법칙을 사용한다는 점에 유의해야 한다.

최적의 수신을 위해서는 수신 안테나가 송신된 파동의 편파와 일치하는 것이 가장 좋다. 그렇지 않으면 신호 강도의 손실이 발생한다. 선형 편파 안테나가 상대 각도 θ에서 선형 편파 방사를 수신할 때 cos²θ의 전력 손실이 발생한다. 원편파 안테나는 수직 또는 수평 선형 편파와 똑같이 잘 일치할 수 있으며, 이때 3 dB의 신호 감소가 발생한다. 그러나 반대 방향의 원편파 신호에 대해서는 수신이 불가능하다.

임피던스 매칭

 이 부분의 본문은 안테나 튜너 및 임피던스 매칭입니다.

최대 전력 전송을 위해서는 안테나 시스템의 임피던스(전송선로 안을 들여다본 모습)를 수신기나 송신기의 임피던스의 켤레 복소수와 일치시켜야 한다. 그러나 송신기의 경우, 원하는 매칭 임피던스가 소스 임피던스로 분석된 송신기의 동적 출력 임피던스와 정확히 일치하지 않을 수 있으며, 대신 송신 회로의 효율적이고 안전한 작동에 필요한 설계 값(일반적으로 50 옴)일 수 있다. 의도된 임피던스는 보통 저항성이지만, 송신기(및 일부 수신기)는 매칭을 "미세 조정"하기 위해 일정량의 리액턴스를 상쇄할 수 있는 제한된 추가 조정 기능을 가질 수 있다.

안테나와 송신기(또는 수신기) 사이에 전송선로가 사용될 때, 송신기(또는 수신기)가 기대하는 임피던스와 일치시키는 것 외에도 임피던스가 저항성이고 해당 전송선로의 특성 임피던스와 거의 동일한 안테나 시스템을 선호한다. 이러한 일치는 불일치로 인해 선로에 발생하는 정정파비(SWR)로 측정되는 정상파의 진폭과 이로 인한 전송선로 손실의 증가를 최소화하기 위해 추구된다.

1. 1. 1. 1. 안테나에서의 안테나 튜닝

안테나 자체를 수정한다는 엄밀한 의미에서의 안테나 튜닝은 일반적으로 안테나 단자에서 보이는 리액턴스를 제거하여 저항성 임피던스만 남기는 것만을 의미하며, 이 저항은 사용 가능한 전송선로의 원하는 임피던스와 정확히 일치할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

안테나가 단 하나의 주파수에서 순수 저항성 급전점 임피던스(예를 들어 반파장의 97% 길이인 다이폴)를 갖도록 설계될 수 있지만, 안테나가 결국 사용되는 다른 주파수에서는 이것이 정확히 사실이 아닐 가능성이 매우 크다. 대부분의 경우 원칙적으로 안테나의 물리적 길이를 "다듬어" 순수 저항을 얻을 수 있지만, 이것이 편리한 경우는 드물다. 반면에 반대되는 유도계수나 전기 용량을 추가하여 각각 잔류 용성 또는 유도성 리액턴스를 상쇄할 수 있으며, 이는 안테나를 내리고 다듬거나 연장한 후 다시 올리는 것보다 더 편리할 수 있다.

안테나 리액턴스는 안테나를 통과하는 전류의 주요 경로(종종 급전점 근처)에 축전기나 유도자와 같은 집중 소자를 사용하거나, 안테나의 전도성 본체에 개방형 "스포크" 방사형 와이어나 루프형 평행 와이어와 같은 용성 또는 유도성 구조를 통합하여 급전점 리액턴스를 상쇄함으로써 제거할 수 있으며, 이를 통해 안테나를 엄밀한 의미에서 공진하도록 튜닝할 수 있다. 이러한 리액턴스 중화 추가물 외에도, 모든 종류의 안테나는 급전점에 변압기 및 변압기 발룬을 포함하여 임피던스의 저항 부분을 급전선의 특성 임피던스와 더 가깝게 일치하도록 변경할 수 있다.

1. 1. 1. 1. 라디오에서의 선로 매칭

임피던스 매칭 장치(다소 부적절하게 "안테나 튜너"라고 불리거나, 더 적절한 구칭인 트랜스매치)에 의해 수행되는 넓은 의미에서의 안테나 튜닝은 단순히 리액턴스를 제거하는 것을 넘어 남은 저항을 급전선과 라디오에 맞게 변환하는 것을 포함한다.

추가적인 문제는 남은 저항 임피던스를 전송선로의 특성 임피던스와 일치시키는 것이다. 일반적인 임피던스 매칭 네트워크("안테나 튜너" 또는 ATU)는 임피던스의 두 성분을 모두 수정하기 위해 적어도 두 개의 조정 가능한 소자를 갖는다. 모든 매칭 네트워크는 송신용으로 사용될 때 전력 손실과 전력 제한이 있다.

상업용 안테나는 일반적으로 표준 주파수에서 표준 50 옴 동축 케이블과 대략적으로 일치하도록 설계된다. 설계상의 기대치는 매칭 네트워크가 단순히 잔류 불일치를 '미세 조정'하는 데 사용된다는 것이다.

1. 1. 1. 1. 로딩된 소형 안테나의 극단적인 예

어떤 경우에는 매칭이 단순히 적은 양의 잔류 리액턴스를 제거하는 것이 아니라, 공진 주파수가 의도한 작동 주파수와 상당히 다른 안테나를 공진시키기 위해 더 극단적인 방식으로 수행된다.

짧은 수직 "휩"

예를 들어 실질적인 이유로 "휩 안테나"를 4분의 1 파장보다 현저히 짧게 만든 다음, 소위 로딩 코일을 사용하여 공진시킬 수 있다.

안테나 하단에 있는 물리적으로 큰 유도자는 짧은 수직 안테나가 원하는 작동 주파수에서 갖는 용성 리액턴스와 반대되는 유도성 리액턴스를 갖는다. 결과적으로 로딩 코일의 급전점에서 순수 저항이 보이게 된다. 다만 추가 조치가 없다면 그 저항은 상업용 동축선과 맞추기 위해 원하는 것보다 다소 낮을 것이다.

소형 "자기" 루프

임피던스 매칭의 또 다른 극단적인 경우는 거의 순수 유도자로 보이는 상대적으로 낮은 주파수에서 소형 루프 안테나(보통 수신용이지만 항상 그런 것은 아님)를 사용할 때 발생한다. 이러한 유도자가 급전점에 병렬로 연결된 축전기를 통해 공진할 때, 축전기는 리액턴스를 상쇄할 뿐만 아니라 소형 루프의 매우 작은 방사 저항을 크게 확대하여 더 잘 일치하는 급전점 저항을 생성한다.

이것은 대부분의 휴대용 AM 방송 수신기(자동차 라디오 제외)에서 사용되는 안테나 유형이다. 표준 AM 안테나는 페라이트 막대 주위에 감긴 와이어 루프(루프스틱 안테나)이다. 루프는 결합된 튜닝 축전기에 의해 공진하며, 이 축전기는 AM 방송 대역 전체에서 선택된 수신 주파수에서 안테나가 공진을 유지하도록 수신기의 튜닝과 일치하도록 구성된다.

지면의 효과

 이 부분의 본문은 다경로 전파입니다.

 Two-ray ground-reflection model 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

지면 반사는 다경로의 일반적인 유형 중 하나이다.

안테나의 방사 패턴과 심지어 구동점 임피던스까지 근처 물체의 유전 상수와 특히 도전율에 의해 영향을 받을 수 있다. 지상 안테나의 경우 지면은 대개 그러한 중요한 물체 중 하나이다. 안테나의 지면 위 높이뿐만 아니라 지면의 전기적 특성(유전율 및 전도도)이 중요할 수 있다. 또한 모노폴 안테나의 특별한 경우, 지면(또는 인공 접지면)은 안테나 전류의 귀로 연결 역할을 하므로 특히 급전선에서 보이는 임피던스에 추가적인 영향을 미친다.

전자기파가 지면과 같은 평면에 부딪히면 프레넬 계수에 따라 파동의 일부는 지면으로 전달되고 일부는 반사된다. 지면이 매우 좋은 전도체라면 파동의 거의 전부는 (위상이 180° 반전되어) 반사되는 반면, (손실이 있는) 유전체로 모델링된 지면은 파동 전력의 많은 양을 흡수할 수 있다. 반사파에 남아 있는 전력과 반사 시의 위상 편이는 파동의 입사각과 편파에 크게 의존한다. 유전 상수와 전도도(또는 단순히 복소 유전 상수)는 토양 유형에 따라 다르며 주파수의 함수이다.

매우 낮은 주파수에서 고주파(< 30 MHz)까지 지면은 손실이 있는 유전체로 작동하므로, 지면은 주어진 토양에 대해 측정되거나(하지만 변동하는 수분 수준의 영향을 받음) 특정 지도에서 추정할 수 있는 전도도와 유전율(유전 상수)로 특징지어진다. 더 낮은 중파 주파수에서 지면은 주로 좋은 전도체로 작동하며, AM 방송(0.5~1.7 MHz) 안테나가 이에 의존한다.

3~30 MHz 사이의 주파수에서 수평 편파 안테나로부터의 에너지의 상당 부분은 지면에서 반사되며, 지표파 전파에 중요한 스침각(grazing angle)에서는 거의 전반사된다. 위상이 반전된 그 반사파는 파장 단위의 안테나 높이와 (반사각인) 받음각에 따라 직접파를 상쇄하거나 보강할 수 있다.

반면에 수직 편파 방사는 스침 입사 시나 바닷물과 같이 전도성이 매우 높은 표면 위를 제외하고는 지면에서 잘 반사되지 않는다. 그러나 수직 편파를 사용하는 지표파 전파에 중요한 스침각 반사는 직접파와 위상이 같아 아래에 상술된 것처럼 최대 6 dB의 부스트를 제공한다.

지구에 의해 반사된 파동은 영상 안테나에서 방출된 것으로 간주할 수 있다.

초단파(VHF) 이상(> 30 MHz)에서 지면은 더 나쁜 반사체가 된다. 그러나 단파 주파수, 특히 약 15 MHz 미만에서는 특히 수평 편파와 스침 입사각에 대해 좋은 반사체로 유지된다. 이는 이러한 고주파가 대개 수평 가시선 전파(위성 통신 제외)에 의존하기 때문에 중요하며, 지면은 거의 거울처럼 작동한다.

지면 반사의 순 품질은 지표면의 지형에 달려 있다. 표면의 불규칙함이 파장보다 훨씬 작을 때 지배적인 체제는 정반사이며, 수신기는 반사로 인해 실제 안테나와 지면 아래의 안테나 영상(image)을 모두 보게 된다. 그러나 지면의 불규칙함이 파장에 비해 작지 않으면 반사는 간섭성이 없으며 무작위 위상으로 이동한다. 파장이 짧을수록(주파수가 높을수록) 일반적으로 그렇다.

수신 또는 송신 안테나가 (파장에 비해) 지면으로부터 상당한 높이에 배치될 때마다, 지면에 의해 정반사된 파동은 직접파보다 더 긴 거리를 이동하여 때때로 상당할 수 있는 위상 편이를 유도한다. 그러한 안테나에 의해 하늘파가 발사될 때, 안테나가 지면에 매우 가깝지 않은 한(파장에 비해) 그 위상 편이는 항상 상당하다.

전자기파의 반사 위상은 입사파의 편파에 달려 있다. 공기(n = 1)에 비해 지면의 더 큰 굴절률(일반적으로 n ≈ 2)을 고려할 때, 수평 편파 방사의 위상은 반사 시 반전된다(π 라디안 또는 180°의 위상 편이). 반면에 파동 전기장의 수직 성분은 스침 입사각에서 거의 위상이 같은 상태로 반사된다. 이러한 위상 편이는 좋은 전기 전도체로 모델링된 지면에도 적용된다.

안테나의 전류는 스침각에서 반사될 때 반대 위상의 영상으로 나타난다. 이로 인해 수평 편파 안테나(가운데)에서 방출되는 파동은 위상 반전이 발생하지만 수직 편파 안테나(왼쪽)는 그렇지 않다.

이는 수신 안테나가 방출 안테나의 영상을 보되, 방출 안테나가 수평으로 정렬되어 있으면(따라서 수평 편파) 전류가 '반전된'(방향과 위상이 반대인) 상태로 보인다는 것을 의미한다. 그러나 방출 안테나가 수직 편파이면 수신된 전류는 동일한 절대 방향과 위상을 갖게 된다.

실제로 원래 파동을 송신하는 안테나는 지면으로부터 자신의 영상으로부터 강한 신호를 받을 수도 있다. 이는 안테나 소자에 추가적인 전류를 유도하여 주어진 급전점 전압에 대해 급전점에서의 전류를 변화시킨다. 따라서 급전점 전압 대 전류의 비율로 주어지는 안테나의 임피던스는 안테나의 지면 근접성 때문에 변경된다. 안테나가 지면의 한두 파장 내에 있을 때 이는 상당히 큰 효과가 될 수 있다. 그러나 안테나 높이가 증가함에 따라 (역제곱 법칙으로 인한) 반사파의 전력 감소로 인해 안테나는 이론에 의해 주어진 점근적 급전점 임피던스에 접근할 수 있게 된다. 낮은 높이에서 안테나 임피던스에 미치는 영향은 지면으로부터의 정확한 거리에 매우 민감한데, 이것이 안테나 전류에 대한 반사파의 위상에 영향을 주기 때문이다. 안테나 높이를 4분의 1 파장만큼 변경하면 반사 위상이 180° 변하며 안테나 임피던스에 완전히 다른 영향을 미친다.

지면 반사는 수직 평면에서의 순 원거리장 방사 패턴, 즉 고도각의 함수로서 중요한 영향을 미치며, 이는 수직 편파 안테나와 수평 편파 안테나 사이에서 달라진다. 지면 위 높이 h에 있고 고도각 θ로 파동을 송신하는 안테나를 고려하자. 수직 편파 송신의 경우 직접광과 반사광에 의해 생성된 전자기파의 전기장 크기는 다음과 같다.

$\textstyle {\left|E_{V}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\cos \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}$

따라서 수신된 전력은 코사인의 제곱에 따라 직접파 단독에 의한 전력의 4배까지 높아질 수 있다(θ = 0일 때 등). 수평 편파 방출의 반사 위상 반전은 대신 다음을 결과로 낸다.

$\textstyle {\left|E_{H}\right|=2\left|E_{0}\right|\,\left|\sin \left({2\pi h \over \lambda }\sin \theta \right)\right|}$

여기서:

• $\scriptstyle {E_{0}}$는 지면이 없을 경우 직접파에 의해 수신될 전기장이다.
• θ는 고려 중인 파동의 고도각이다.
• $\scriptstyle {\lambda }$는 파장이다.
• $\scriptstyle {h}$는 안테나의 높이(안테나와 영상 사이 거리의 절반)이다.

안테나와 지면에서 반사된 영상의 방사 패턴. 왼쪽의 편파는 수직이며 θ = 0에서 항상 최대값을 갖는다. 오른쪽처럼 편파가 수평이면 θ = 0에서 항상 0이 된다.

서로 상당히 멀리 떨어진 지면 근처에 위치한 송수신 안테나 간의 수평 전파의 경우, 직접광과 반사광이 이동한 거리는 거의 동일하다. 상대적인 위상 편이가 거의 없다. 방출이 수직으로 편파된 경우 두 필드(직접 및 반사)가 더해져 수신 신호가 최대가 된다. 신호가 수평으로 편파된 경우 두 신호가 차감되어 수신 신호가 크게 상쇄된다. 수직 평면 방사 패턴이 오른쪽 이미지에 나와 있다. 수직 편파의 경우 수평 전파인 θ = 0에서 항상 최대가 된다(왼쪽 패턴). 수평 편파의 경우 해당 각도에서 상쇄가 일어난다. 위 공식과 이 도표들은 지면을 완벽한 전도체로 가정한다. 이 방사 패턴 도표들은 안테나와 영상 사이의 거리가 2.5 λ인 경우에 해당한다. 안테나 높이가 증가함에 따라 로브의 수도 증가한다.

θ = 0인 경우 위의 요인들에서의 차이가 대부분의 방송(대중을 위한 송신)이 수직 편파를 사용하는 이유이다. 지면 근처의 수신기의 경우 수평 편파 송신은 상쇄를 겪는다. 최상의 수신을 위해 이러한 신호의 수신 안테나 역시 수직으로 편파된다. 휴대 전화처럼 수신 안테나가 어떤 위치에서도 작동해야 하는 일부 응용 분야에서는 기지국 안테나가 사선 방향의 선형 편파(수직 및 수평 성분을 모두 가짐)나 원편파와 같은 혼합 편파를 사용한다.

반면에 아날로그 텔레비전 송신은 대개 수평 편파를 사용하는데, 도시 지역에서는 건물이 전자기파를 반사하여 다경로 전파로 인한 고스트 이미지를 생성할 수 있기 때문이다. 수평 편파를 사용하면 건물 측면에서의 수평 편파 반사량이 일반적으로 수직 방향보다 적기 때문에 고스팅이 줄어든다. 수직 편파 아날로그 텔레비전은 일부 농촌 지역에서 사용되어 왔다. 디지털 지상파 텔레비전에서는 바이너리 송신의 견고함과 오류 검출 정정 덕분에 이러한 반사가 덜 문제가 된다.

전신 방정식으로 안테나 모델링하기

 이 부분의 본문은 전신 방정식입니다.

첫 번째 근사치에서, 얇은 안테나의 전류는 전송선로에서와
정확히 동일하게 분포된다. — 쉘쿠노프 & 프리스 (1952)

와이어 안테나의 전류 흐름은 전신 방정식을 사용하여 풀 수 있는 단선 전송선로의 역전파 파동의 해와 동일하다. 안테나 소자를 따라 흐르는 전류의 해는 수치적 방법으로 더 편리하고 정확하게 얻을 수 있으므로, 전송선로 기술은 정밀 모델링에서는 대체로 폐기되었지만 안테나의 임피던스 프로파일을 잘 설명하는 유용하고 단순한 근사치의 널리 사용되는 원천으로 남아 있다.

전송선로와 달리 안테나의 전류는 방사된 전자기장에 전력을 기여하며, 이는 방사 저항을 사용하여 모델링할 수 있다.

안테나 소자의 끝은 종단되지 않은(개방된) 단선 전송선로의 끝에 해당하며, 입사파와 동일한 반사파를 발생시킨다. 이때 전압은 입사파와 위상이 같고 전류는 반대 위상이다(따라서 결국 도체가 없는 끝부분에서는 순 전류가 0이 된다). 전송선로에서와 마찬가지로 입사파와 반사파의 조합은 도체 끝에서 전류 노드를 형성하고 끝에서 4분의 1 파장 떨어진 곳(소자 길이가 그 이상인 경우)에서 전압 노드를 형성하는 정상파를 만든다.

공진 안테나에서 안테나의 급전점은 그러한 전압 노드 중 하나에 위치한다. 전송선로 모델의 단순화된 버전과의 불일치로 인해, 전류 노드에서 4분의 1 파장 떨어진 곳의 전압이 정확히 0은 아니지만 최소값에 가깝고 도체 끝에서의 훨씬 큰 전압에 비해 작다. 따라서 그 지점에서 안테나와 일치하는 급전점은 상대적으로 작은 전압이지만 큰 전류(두 파동의 전류가 거기서 위상이 같게 더해짐)를 필요로 하며, 따라서 상대적으로 낮은 급전점 임피던스를 갖는다.

다른 지점에서 안테나를 급전하면 큰 전압이 수반되므로 큰 임피던스가 필요하고, 대개 주로 반응성(낮은 역률)인 임피던스를 갖게 되어 가용한 전송선로와의 임피던스 매칭이 매우 불량해진다. 따라서 안테나는 각 도체의 길이가 4분의 1 파장(또는 4분의 1 파장의 다른 홀수 배)인 공진 소자로 작동하는 것이 대개 바람직하다.

예를 들어 반파장 다이폴은 약 4분의 1 파장 길이의 두 개의 그러한 소자(평형 전송선로의 각 도체에 하나씩 연결됨)를 갖는다. 도체의 직경에 따라 안테나 전류와 (작은) 급전점 전압이 정확히 위상이 같아지는 지점에 도달하기 위해 이 길이에서 약간의 편차가 채택된다. 그러면 안테나는 순수 저항성 임피던스를 나타내며, 이상적으로는 가용한 전송선로의 특성 임피던스에 가까운 값을 갖게 된다.

이러한 유용한 특성에도 불구하고 공진 안테나는 기본 주파수 및 아마도 그 고조파 중 일부에서만 공진(순수 저항성 급전점 임피던스)을 달성하며, 고차 공진에서 급전점 저항이 더 크다는 단점이 있다. 따라서 공진 안테나는 공진 시의 Q에 따라 제한된 대역폭 내에서만 좋은 성능을 낼 수 있다.

상호 임피던스와 안테나 간의 상호작용

구동된 안테나 소자에서 발산되는 전기장과 자기장은 일반적으로 근처의 안테나, 안테나 소자 또는 다른 도체의 전압과 전류에 영향을 미친다. 이는 영향을 받는 도체가 거의 동일한 주파수에서 공진 소자(길이가 반파장의 배수)일 때 특히 그러하며, 도체들이 모두 동일한 능동 또는 수동 안테나 배열의 일부인 경우가 이에 해당한다.

영향을 받는 도체들이 근거리장에 있기 때문에, 예를 들어 두 안테나를 단순히 프리스 전송 공식에 따라 신호를 송수신하는 것으로 취급할 수 없으며, (전기장과 자기장 모두를 통한 상호작용인) 전류와 전압을 모두 고려하는 상호 임피던스 행렬을 계산해야 한다. 따라서 특정 기하학적 구조에 대해 계산된 상호 임피던스를 사용하여 야기 안테나의 방사 패턴이나 위상 배열의 각 소자에 대한 전류 및 전압을 풀 수 있다. 그러한 분석은 또한 접지면이나 코너 반사기에 의한 전파 반사와 근처에 있는 안테나의 임피던스(및 방사 패턴)에 미치는 영향을 상세히 설명할 수 있다.

종종 그러한 근거리장 상호작용은 원치 않으며 유해하다. 송신 안테나 근처에 있는 무작위 금속 물체의 전류는 종종 좋지 않은 도체에 흐르게 되어, 안테나의 특성을 예측 불가능하게 변화시키는 것 외에도 RF 전력의 손실을 초래한다. 세심한 설계를 통해 근처 도체들 사이의 전기적 상호작용을 줄일 수 있다. 예를 들어 턴스타일 안테나를 구성하는 두 다이폴 사이의 90도 각도는 이들 사이의 상호작용이 없음을 보장하며, 이들을 독립적으로(실제로는 턴스타일 안테나 설계에서 직교 위상의 동일한 신호로) 구동할 수 있게 한다.

안테나 종류

 이 부분의 본문은 안테나 종류입니다.

안테나는 작동 원리나 응용 분야에 따라 분류될 수 있다. 다양한 권위자들이 안테나를 더 좁거나 넓은 범주로 분류한다. 일반적으로 다음을 포함한다.

• 다이폴 안테나 및 모노폴 안테나
• 배열 안테나
• 루프 안테나
• 파라볼라 안테나
• 진행파 안테나
• 대수 주기 안테나
• 스파이럴 안테나
• 혼 안테나
• 애드콕 안테나
• 섹터 안테나
• 헬리컬 안테나

이러한 안테나 유형과 그 밖의 유형들은 개요 문서인 안테나 종류뿐만 아니라 위의 목록에 링크된 각 문서와 해당 문서들이 링크하는 문서에서 더 자세히 요약되어 있다.

같이 보기

• 전자기학
• 와이파이
• 위성 텔레비전
• MIMO

각주

내용주

외부 링크

• "Antenna". 햄라디오, Hamradio.co.in. (ed. 햄을 위한 라디오/ 아마추어 라디오)
• 위키미디어 공용에 안테나 관련 미디어 분류가 있습니다.