안테나 성능을 이야기할 때 흔히 "이득"이라는 말을 합니다.
이득(Gain)은 안테나가 얼마나 특정 방향으로 전파를 집중시켜 방사하는지를 나타내는 개념입니다.
손전등과 전구를 비교해 보면 쉽습니다.
손전등은 반사경을 통해 빛을 한 방향으로 집중시키고,
전구는 빛을 사방으로 고르게 퍼뜨립니다.
안테나도 마찬가지입니다.
어떤 안테나는 신호를 특정 방향으로 모아 보냅니다. (지향성 안테나)
이런 안테나는 이득(집중도)이 높습니다.
반대로 다른 안테나는 신호를 여러 방향으로 넓게 퍼뜨립니다. (무지향성 안테나)
이득이 낮은 거죠.
이번 글에서는 안테나 이득의 정의와 단위, 방향성과의 관계, 고이득과 저이득 안테나에 대해 알아보겠습니다.
안테나 이득과 단위 (dB, dBi, dBd)
안테나 이득은 특정 방향으로 얼마나 효과적으로 전파를 보낼 수 있는지를 나타내는 척도입니다.
이는 안테나가 에너지를 한 방향으로 모아 방사하는 능력을 말하는 것입니다. 즉, 집중력이죠.
안테나는 새로운 에너지를 만들지 않습니다.
단지 주어진 전력을 넓게 또는 좁게 분산시킬 뿐입니다.
좁게 집중할수록 특정 방향의 신호 세기는 더 강해지고, 이것이 '이득이 높다'는 의미가 됩니다.
안테나 이득은 보통 데시벨(dB)이라는 로그 단위로 표현됩니다.
이는 크기 차이를 비율로 나타내는 방식으로, 통신 및 음향 등 분야에서 사용됩니다.
자세한 내용은 링크 참조
헷갈리는 dB, dBm, dBi, dBd 총정리
무전기, 안테나, 측정기 같은 RF 장비 사양서를 보면'출력: +10dBm, 이득: 6dBi, 감쇠: -3dB' 와 같은 숫자들을 마주하게 됩니다.이들 모두 dB를 사용하지만 각각 의미하는 바가 다릅니다.어떤 것은 상대
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안테나 이득을 측정할 때는 기준점이 필요합니다.
dBi는 등방성 안테나를 기준으로 합니다. (위 그림에서 빨간색)
등방성 안테나는 모든 방향으로 동일하게 전파를 방사하는 가상의 안테나입니다.
예를 들면 5 dBi 안테나는 등방성 안테나보다 특정 방향으로 5dB 더 강하게 신호를 보낸다는 뜻입니다.
dBd는 반파장 다이폴 안테나를 기준으로 합니다. (위 그림에서 파란색)
다이폴 안테나는 약 2.15 dBi의 이득을 갖습니다.
즉, dBd = dBi - 2.15
8 dBi 안테나는 약 5.85(8 - 2.15) dBd와 같습니다.
0 dBd 안테나는 2.15 dBi 정도입니다.
정리하면
dBi는 등방성 안테나 대비 이득.
dBd는 다이폴 안테나 대비 이득을 의미합니다.
둘의 차이는 약 2.15dB입니다.
방향성과 이득의 관계
방향성은 말 그대로 안테나가 얼마나 한 방향으로 집중이 잘 되는지 나타내는 것입니다.
어떤 안테나의 방사 패턴이 한쪽으로 몰려 있다면 방향성이 높은 것입니다.
반대로 에너지가 고르게 퍼지면 방향성이 낮습니다.
방사패턴에 대해서 자세히 알고 싶으시면 링크 참조
안테나 방사패턴 쉽게 읽는 법 - 어디로, 얼마나 신호를 보내는가
안테나 방사패턴은 신호가 퍼지는 방향을 보여주는 지도입니다.무선 통신에서 안테나가 신호를 어느 방향으로 방사하느냐는 중요한 문제입니다.이것이 통신 범위와 품질을 결정짓기 때문이죠.
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이득은 안테나의 효율(손실)까지 고려해야 한다
안테나 이득은 방향성에 안테나의 효율(손실 요인)을 고려한 개념입니다.
이론적으로 손실이 전혀 없는 완벽한 안테나라면 이득은 방향성과 같겠죠.
하지만 실제 안테나에는 항상 손실이 있습니다.
그래서 실제 이득은 방향성과 효율을 고려하여야 합니다.
이득(Gain) = 방향성(Directivity) x 효율(Efficiency)
쉽게 예를 들어
안테나의 방향성이 8dB인데, 안테나 내부에서 1dB의 손실이 발생한다면
실제 이득은 7dB가 됩니다.
빛으로 이해하는 방향성과 이득
방향성과 이득의 관계를 빛에 비유한다면
손전등은 한 방향으로만 빛을 모으니 방향성이 높고 이득도 높습니다.
반면 전구나 촛불은 빛을 사방으로 고르게 퍼뜨리니 방향성이 낮고 이득이 낮습니다.
손전등의 반사경은 빛을 한쪽으로 몰아 더 밝게 보이는 것이지
이는 빛의 총량을 늘린 것이 아닙니다.
다른 방향의 빛을 모아서 한쪽으로 집중시킨 결과입니다.
안테나도 마찬가지입니다.
방향성을 높여서 특정 방향에 신호를 집중하면 그 방향의 신호 세기가 커집니다.
그래서 이득이 높아지는 것입니다.
이득과 빔 폭 관계
이득이 높아질수록 안테나의 방사 범위(빔 폭, Beamwidth)는 좁아집니다.
높은 이득 = 좁은 빔
낮은 이득 = 넓은 빔
안테나 선택 시 이득과 빔 폭의 상관관계를 아는 것이 도움이 됩니다.
멀리 강하게 보내고 싶다면 높은 이득.
넓은 범위를 커버하고 싶다면 낮은 이득.
고이득 안테나 vs 저이득 안테나
고이득 안테나: 신호를 좁은 방향으로 집중적으로 내보낸다.
저이득 안테나: 신호를 넓은 영역에 고르게 퍼뜨린다.
각각의 장단점에 대해서 알아보겠습니다.
고이득 안테나 장단점
장점
- 특정 방향으로 신호를 멀리까지 보낼 수 있어 장거리 통신에 적합하다.
- 동일한 송신 출력으로 더 먼 거리까지 도달할 수 있어 효율적이다.
- 점대점 무선 링크나 위성 통신, 장거리 레이더에 사용된다.
단점
- 방사 범위(빔 폭)가 좁아서 안테나를 목표 방향으로 정밀하게 조준해야 한다.
- 목표 방향에서 벗어나면 신호 세기가 급격히 떨어짐.
- 이동하는 대상과 통신하거나 여러 방향으로 송신해야 하는 경우 부적합.
- 지형 장애물에 취약해서 언덕, 건물 등이 있으면 신호 음영(dead zone)이 생기기 쉬움.
- 고이득을 얻기 위해 안테나 크기가 커져 설치 공간, 비용 면에서 제약이 있다.
저이득 안테나 장단점
장점
- 넓은 범위로 전파를 내보내고 받아들여 전방향 커버 가능.
- 안테나 방향을 일일이 맞출 필요 없이 편리한 통신 가능.
- 휴대용 무전기, 스마트폰 내장 안테나, 와이파이 공유기 등에 사용.
- 도심처럼 반사와 산란이 많은 환경(멀티패스)에서 유리하다.
단점
- 특정 방향에 집중되는 에너지가 적어서 통신 거리가 짧다.
- 먼 거리와 연결하려면 출력 자체를 높여야 한다.
- 불필요한 방향으로의 신호 방사가 많아 간섭을 일으킬 가능성이 있다.
결국 "이득이 높을수록 꼭 좋은 게 아니다"라는 점을 알아야 합니다.
이득이 높으면 거리는 늘어나지만 빔 폭이 좁아집니다.
이득이 낮으면 커버리지는 넓어지지만 최대 통신 거리는 줄어듭니다.
용도와 상황에 맞게 적절한 이득의 안테나를 선택하는 것이 중요합니다.
고정된 대상과 장거리 통신 -> 고이득 안테나
넓은 범위, 움직이는 대상, 다방향 송수신 -> 저이득 안테나
안테나 이득은 신호의 집중도와 커버리지 범위 사이의 균형을 고려해야 합니다.
이득의 개념과 단위를 알면,
다양한 환경에서 어떤 안테나가 적합할지 판단하는데 도움이 될 것입니다. ^^
<정리>
- 안테나 이득은 안테나의 '집중력'이다. 특정 방향으로 에너지를 모아주는 정도를 의미한다.
- 이득은 dBi, dBd 단위로 측정되며, 기준 안테나보다 얼마나 신호를 강하게 보내는지 나타낸다.
- 고이득 안테나는 신호를 멀리 보내지만 빔 폭이 좁고, 저이득 안테나는 범위는 넓지만 통신 거리가 짧다.