안테나와 무선파의 확산

안테나

안테나는 무선 송시기에서 생산된 전자기기 에너지를 공간에 전송합니다. 안테나는 무선 송신기에서 생산된 전자기 에너지를 공간에 방사할 수 있도록 연결해 주는 특수 도체입니다. 단일 전선에 공급되는 AC 전류는 그 전선으로부터 전송될 수 잇는 전가기장을 형성합니다. 무선 수신기는 안터네에 연결되어 있고 공간에 있는 무선 신호를 잡아 수신기 회로에 보냅니다.

안테나의 특성

안테나의 특성에는 안테나의 길이, 극성, 안테나의 방향이 영향을 줍니다. 안테나의 효율성은 길이에 따라 달라질 수 있고 최적 안테나의 길이는 해당 주파수 파장길이의 절반 또는 그 이하입니다. 이것은 안터네에 최대 전류가 흐르게 하여 최대 전자기장을 형성합니다. 그러나 실제 파장길이의 약 1/4 정도의 안테나가 항공기 동체에 장착됩니다. 

안테나 종류

안테나의 종류는 이극 안테나, 휩 안테나, 루프 안테나가 있습니다. 이극 안테나는 중앙으로부터 좌우측으로 확장된 전선으로 제작됩니다. 2개의 금속봉 또는 칠선을 나란히 혹은 작은 공간으로 두고 배열됩니다. 무선 주파수 전압은 두 도체 사이의 중앙에 있는 안테나에 공급됩니다. 휩 안테나는 주변에서 흔히 볼 수 있는 통신기기에 사용되는 안테나입니다. 예를 들어 차량용 무선 안테나, 이동통신, 휴대용 무전기 등에서는 많이 사용됩니다. 휩 안테나는 용어가 의미하는 것과 같이 쉽게 휘어질 수 있는 금속봉으로 철선으로 제작됩니다. 이 안테나는 자기장의 강도가 전 방향에서 동등하기 위해서 전방향성 안테나라 합니다. 루프 안테나는 높은 지향성 특성을 지닙니다. 최대 수신 파장의 강도는 평판과 평행이 되었을 때이고, 이 평판과 수직이 될 때 강도는 최저가 됩니다. 일반적으로 무선 신호를 방사하는 특수 지향성 안테나를 사용합니다. 이를 헬리컬 안테나라고 합니다. 

안테나 극성

안테나는 무선 전자기 에너지를 송출하거나 수신하는 무선장치의 한 부분입니다. 전 방향에서 신호를 수신할 수 있지만 때로는 특정 방햐으이 신호만 수신할 수 있도록 설계됩니다. 극성 도형은 어느 방향에서 송수신이 잘 되는지를 보여주는 것으로 이를 방사패턴이라고 합니다. 방사 패턴에서 안테나의 위치로부터 어느 한 지점까지 거리는 두 지점 사이의 방향에서 방사되는 신호의 상태적인 강도를 나타냅니다. 만약 이 패턴이 수신용으로 사용되었다면 수신 패턴이라고 합니다. 무선파가 송출되는 안테나의 전자기장의 강도 또는 수신 안테나의 감도는 안테나를 중심으로 극성 도형으로 작도할 수 있습니다. 무선항법의 VOR 또는 항공기와 지상의 통신망, 일반 송수신기는 전 방향성 안테나이고, 이들 안테나의 극성 도형과 같이 그려진다. 과장길이의 절반을 적용한 표준 안테나를 이극 안테나라고 하고 극성 도형은 "8"자 모양입니다. 루프 안테나 역시 극성 도형이 "8" 모야으로 나타나고 무효 방향에서 안테나는 수신 또는 송신되지 못합니다. 이 유형의 안테나에서 두 개의 무효 방향이 존재하고 이들 외의 구역을 로브라고 합니다. 방사 패턴의 모양은 선형으로 안테나를 배열하는 방법으로 설계하여 결정할 수 있습니다. 선형 배열은 직선으로 동등한 간격으로 배열된 여러 개의 전자기 방사원으로 구성됩니다. 이들 전자기 방사원의 공간에서 어느 위치에서든지 위상차가 발생하여 방사 패턴을 결정할 수 있도록 배열할 수 있습니다. 

무선파의 확산

무선파는 지상파, 공중파, 직진파 같은 방향으로 확산됩니다. 이들 무선파는 사용하는 주파수, 송신기, 공중 수신기의 위치에 따라 혼합될 수 있습니다. 지상파는 지표면을 따라서 이동하는 무선 신호입니다. 송신기에서 송출된 에너지는 지표면 가까이에서 지구의 곡선을 따라 이동하는 경향이 있습니다. 이를 회절이라고 합니다 .회절의 크기는 파장길이에 따라 달려 있고, 파장길이가 짧아짐에 따라 지속적으로 감소합니다.

무선파 중 지상파는 가시 수평선 너머에서 신호를 수신할 수 있는 장점이 있습니다. 지상파의 범위에 영향을 줄 수 있는 요소들은 다음과 같습니다. 무선 에너지가 지표면을 따라 분산되면서 지상파 통달범위는 감소하고 이를 감쇠라고 합니다. 감쇠는 주파수가 높아질수록 커집니다. 지상파의 수평 극성 방식의 송출은 급격하게 감쇠할 수 있어 장거리 무선 항법에 사용되지 못합니다. 지구에서 무선 에너지는 상실하기 때문에 지상파의 길이는 전도성에 따라 달라질 수 있습니다. 해수는 양호한 전도성 표면이고 육지보다 통달거리는 깁니다. 건조한 모래는 전도성이 가장 불량한 표면이고, 해수에 비해서 약 20% 감소합니다. 이외에도 지면이 습기를 지닌 정도에 따라 달라질 수 있고 바위는 건조 모래와 유사한 감쇠 특성을 가집니다. 송출기의 출력은 주파수의 적절한 통달거리까지만 영향을 받고 이 이상의 출력은 크게 영향을 주지 못합니다. 만약 최대 지상파가 저주파수에서 얻어야 한다면 출력이 중요한 요소입니다. 통달거리는 대략적으로 발산기 출력의 제곱근에 비례하지만 때로는 출력은 송신기 사이의 간섭을 방지하기 위해서 제한 될 수 있습니다. 무선 에너지의 감쇠는 지표면으로 가까워질수록 커지기 때문에 지상파는 공중 높이가 높아질수록 수신 효율성이 높습니다.  다른 무선 송신소로부터 간섭은 지상파 전송의 유효 통달거리를 크게 감소시킬 수 있습니다. 

무선파 중 공중파는 전리층에서 반사되어 지구로 되돌아오는 무선파입니다. 전리층은 외부 대기권의 한 부분으로 태양 방사가 가스 분자와 원자들로부터 전자들을 제거하여 양성 이온과 음성 자유 전자들로 구성되어 있습니다. 이 영역에서 이온화가 최대로 진행됩니다. 이온화의 주요 에너지원은 태양입니다. 이온층의 밀도, 두께 그리고 높이는 받아들이는 태양 방사에 따라 달라지고 무선파의 영향 역시 달라질 수 잇습니다. 이 밖에도 주야간의 차이, 계절의 차이, 7년 주기의 태양흑점의 위치 변화, 비정상적인 태양흑점 활동에 따라 달라질 수 있고 특히 일출과 일몰이 진행될 때 변화가 심합니다. 

무선파 중 직진파는 송신 안테나에서 수신 안테나까지 직선으로 연결되는 가시선에 따른 무선파입니다. 따라서 안테나가 높으수록 전파가 수평선에 도착하기 전에 수신할 수 있고 통달거리는 지구의 곡선으로 인해 제한됩니다. 직진파는  VHF, UHF, SHF, EHF 등에서 활용됩니다. 모든 주파수에서 직진파가 존재하지만 VHF와 그 이상의 주파수에 적용되는 것은 전리층으로부터 공중파 굴절이 없어 지상파의 통달거리는 매우 짧습니다. 직진파에는 송수신기의 높이, 송신기의 출력, 송수신기 사이의 지형과 장애물들이 영향을 줍니다. 

무선파의 대기 감쇠는  대기의 저항이고, 주원인은 대기 중의 가스 분자의 진동, 강수에 의한 신호의 흡수와 산란입니다. 출력 손실은 주파수가 높아지거나 강수가 증가하면 커집니다. 다만 공항 구역에서 이동 물체를 감시하는 레이터와 같이 극히 단거리에 사용되는 레이더는 예외입니다. 비는 무선파를 흡수하거나 소신시킵니다. 비는 양호한 전도 물질이고 물방울 모양은 양호한 반사체입니다. 이들 요소가 함께 작용하여 일부가 흡수된 후 남아있는 무선파를 소산시켜 더 이상 예상방향으로 진행하지 못합니다. 이 외에도 안개, 빙정 그리고 건조한 눈은 RF를 감쇠시키지만 그 정도는 약합니다. 대기 감쇠는 공진에 의한 것보다 물방울에 의한 강도가 더 큽니다. 일반적으로 주파수가 높고 비와 같은 강수일 때 감쇠가 크게 발생합니다. 

무선파의 페이딩은 수신 신호의 출력이 시간과 함께 변화하거나 전송 매질 또는 경로의 변화로 인하여 품질이 변하는 것입니다. 페이딩의 주원인은 무선파의 반복 반사로 인한 다중 신호에 의한 파괴적 간섭입니다. 위상이 다른 두 개의 사인파가 특정 시간 또는 공간에서 동시에 합쳐졌을 때 크기의 급격한 변화가 발생하는 것과 같은 현상입니다. 무선파는 송신기와 수신기 사이에 존재하는 장애물로 인해 가려진 구역이 있을 수 있고, 이 구역에서 신호 출력이 감쇠할 수 있으며 이를 음영 페이딩이라고 합니다.