아마추어 무선의 안테나를 검색하면
1/2파장 안테나, 1/4파장 안테나, 5/8파장 안테나 등
여러 길이의 안테나들을 만나게 됩니다.
이 글에서는 먼저 기본 개념을 살핀 후,
1/4파장 안테나에 대해 쉽게 알아보겠습니다.
전자기파 기본 개념
안테나는 신호를 받기 위해 세웁니다.
그 신호라 함은, 바로 전자기파를 말합니다.
전자기파는 전기장과 자기장이 한 세트로 움직이는 파동입니다.
이 둘이 서로 직각으로 교차하면서, 진행방향과도 수직으로 퍼져 나갑니다.
빛, 라디오파, 마이크로파 모두 전자기파의 일종입니다.
그렇다면 안테나는 어떻게 신호를 받을까요?
쉽게 설명하자면,
공간을 지나가던 전자기파의 전기장이 안테나 도선(금속)에 닿습니다.
그러면 전기장은 도선 안의 자유전자들에게 힘을 가합니다.
이때 전자들이 움직이기 시작하여 전류가 생성되는 것입니다.
즉, 안테나는 "전기장의 진동을 전류로 번역하는 장치"라 보면 됩니다.
이 전류는 진폭, 주파수, 위상 등 전파의 정보를 담고 있고
이것을 수신기가 해석을 하는 것이죠.
(AM, FM, PM 변조 등)
이러한
전자기파의 정보를 잘 수신하기 위해서는
안테나에서 에너지 교환이 효율적으로 이루어지는
공진 조건이 성립이 되어야 합니다.
전압, 전류 그리고 에너지와의 관계
안테나에서의 공진에 대해 알아보기 전에
먼저 전압과 전류, 전기장과 자기장의 관계에 대해
간략하게 알아보겠습니다.
전기장은 '전하 간의 밀어내는 힘'이 있다는 것입니다.
이와 관련하여 전압이 크다는 것은 그만큼 전하가 쌓여 있다는 뜻이며, (커패시터)
전하들 사이의 전기적 퍼텐셜 에너지가 높다는 것이죠.
따라서 전압은 전기장의 강도의 개념과 연관이 됩니다.
즉, 전기장의 에너지는 전압이 큰 지점, 커패시터와 관련 있습니다.
전류는 자기장의 원천입니다.
자기장 에너지는 전류가 흐르는 코일에 저장됩니다.
전류가 흐른다는 것은 자유전자들이 도선 안을 이동하고 있다는 것인데,
이 움직이는 전하들이 주변에 회전하는 자기장을 만들어 자기장을 형성합니다.
공진에 대한 이해
공진은 '에너지가 빠지지 않고 내부에서 순환하는 상태'를 의미합니다.
안테나에서는 자기장 에너지가 줄어들면 그 에너지가 전기장으로 바뀌고
다시 그 전기장이 자기장으로 전환됩니다.
도선 내부에서 전자기 에너지가 왔다갔다 하며 교환되는 과정이 공진이죠.
앞서 말한
전압-전기장-커패시터
전류-자기장-코일
두 개념을 가지고서 LC 공진 회로(코일과 커패시터로 구성된)를 통해 공진을 이해해보겠습니다.
1. 처음에는 커패시터에 전하가 꽉 차있어서 전압이 최대고 전류가 없다. (전기장 에너지 축적)
2. 전하가 방출하면서 전류가 흐르기 시작하고 코일에 자기장이 쌓인다. (자기장 에너지 저장)
3. 커패시터가 방전이 되어 전압이 0이 되면 전류가 최대가 된다. (자기장 에너지 최대값)
4. 전류가 흐를 이유(전압)이 사라지니 전류가 줄어들기 시작한다.
5. 코일에 쌓인 자기장이 사라지려고 하니 그 자기장을 유지하기 위해 반대 방향으로 전류를 유도한다. (역방향 전류_렌츠의 법칙)
6. 이 전류가 다시 커패시터에 반대 극성의 전하를 쌓아간다.
이런 식으로 에너지가 교대로 변하면서 공진이 일어납니다.
안테나에서 공진 상태가 되면
자기장과 전기장이 서로 순환되는 에너지 교환이 효율적으로 이루어지게 됩니다.
이 에너지 교환은 전기장과 자기장이 교대로 강해지는 진동을 만들어 내고,
전류와 전압도 일정한 리듬으로 진폭이 커지게 됩니다. 즉, 안정화 되는 것이죠.
공진상태의 안테나는
전자기파를 가장 강하고 효율적으로 방사하거나 수신할 수 있습니다.
쉽게 말해서 공진 상태의 안테나는 '전파가 잘 탄다'라고 표현할 수 있는 것이죠.
마치 그네를 타는 아이를 생각하면 됩니다.
누군가 그네를 미는 타이밍이 아이의 움직임과 완벽하게 맞아떨어질 때
그네는 점점 더 높이 올라가게 됩니다.
이처럼 안테나에서도
전기장과 자기장의 에너지 교환이 공진을 이룰 때
최대의 효율을 발휘합니다.
안테나의 전류와 전압 분포
안테나는 도선입니다.
도선 안에 전류를 흘리면 양쪽 끝에서 신호들이 겹치며 일정한 패턴으로
멈춰있는 파동(정재파)가 생깁니다.
정재파에는 전류가 최대인 곳과 전압이 최대인 곳이 따로 있고,
이것을 노드, 안티노드라고 부릅니다.
안테나에서는 위치에 따라 전류와 전압의 분포가 다릅니다.
안테나의 급전점에서는 전류가 최대고 전압이 최소이고,
안테나의 끝부분(열린 끝)에서는 전류가 최소이고 전압이 최대입니다.
이러한 전류와 전압의 분포는 마치 사인파의 1/4주기에 해당되고,
도선 내에 노드와 안티노드가 형성됩니다.
그래서 안테나 길이가 1/4파장 길이와 관련이 있는 것입니다.
1/4 파장 안테나의 공진원리
개방단(안테나의 끝)에서 전자기파가 반사되어 돌아오며
도선 상에 정재파가 형성됩니다.
이 때 길이가 1/4파장이면
반사파와 진행파가 위상이 맞춰지며 공진이 발생합니다.
마치 한 쪽 끝이 열린 1/4파장 길이의 파이프가
특정 주파수의 음향 공명을 일으키는 것과 같다고 생각하면 됩니다.
이 공진 주파수에서 안테나는
입력 신호에 대해 순수 저항 성분의 임피던스를 보이고(리액턴스 소멸),
강한 전류가 흐르게 되어 효율적으로 전자기 에너지를 방사할 수 있는 것입니다.
다시 말해,
1/4파장은 안테나가 자기 길이에 대응하는 전자기파에 공명하여
최대의 전류 진동을 일으킬 수 있는 길이라는 뜻입니다.
그보다 짧은 안테나는 추가적인 보상(로딩 코일 등)이 없으면
공진시키기 어려워 효율이 급감합니다.
그래서 1/4파장 안테나가 실용적 가치가 큰 것이죠.
다음 글에선
모노폴 안테나와 지면(Ground Pane)의 역할에 대해 알아보겠습니다.