다이폴 안테나란 무엇인가요? 전체 가이드

다이폴 안테나는 통신 시스템에서 가장 기본적이고 널리 사용되는 안테나 유형 중 하나입니다. 단순성과 효율성으로 유명한 다이폴 안테나는 라디오 방송부터 최신 IoT 및 5G 네트워크에 이르기까지 다양한 애플리케이션에서 무선 통신을 구현하는 데 중추적인 역할을 합니다. 다목적성과 구현 용이성으로 인해 통신 기술 발전의 전환점이 되었습니다.

이 문서에서는 다이폴 안테나의 기본 원리에 대해 자세히 살펴봅니다. 주요 특징, 다양한 유형 및 방사 패턴을 살펴봅니다. 최신 시스템에서의 적응성을 강조하기 위해 어레이 안테나 및 이중 편파 설계와 같은 고급 구성에 대해 설명합니다. 또한 다이폴 안테나의 응용 분야, 장점 및 한계를 살펴보고 모노폴 안테나와 비교합니다. 마지막으로 IoT, 5G, 우주 통신 등 최신 기술에서 다이폴 안테나의 역할을 살펴봅니다. 마지막에는 다이폴 안테나가 통신 시스템에서 필수 불가결한 이유를 명확하게 이해할 수 있을 것입니다.

다이폴 안테나는 무엇이며 어떻게 작동하나요?

라디오 및 통신에서 가장 간단하면서도 널리 사용되는 안테나 유형은 다이폴 안테나로, 전자기파를 송수신하는 두 개의 전도성 요소 또는 막대로 구성됩니다. 일반적으로 두 개의 전도성 부품은 동일한 길이의 금속으로 이루어져 있습니다. 단순한 디자인으로 넓은 주파수 범위에서 효율적으로 신호를 송수신할 수 있어 무선 통신 시스템의 필수 구성 요소입니다.

교류(AC)가 피드 라인에 인가되면 안테나 주변에 전기장이 생성됩니다. 전기장은 교류 전류와 함께 방향을 이동하여 안테나에서 방사되는 전자기파를 생성합니다.

다이폴 안테나의 길이는 기능에 중요한 역할을 합니다. 송신 또는 수신하려는 무선 신호 파장의 특정 비율이어야 합니다. "반파 다이폴 안테나"라는 용어는 이 길이가 일반적으로 파장의 절반이라는 사실을 나타냅니다. 안테나는 길이와 파장이 일치할 때 전기 에너지를 효과적으로 전파로 변환합니다.

다이폴 안테나는 안테나에 수직인 두 개의 반대 방향으로 신호를 똑같이 잘 송신하고 수신하는데, 이를 양방향 방사 패턴이라고 합니다. 이는 교류 전류의 전기장이 안테나의 끝에서 가장 약하고 중앙에서 가장 높기 때문입니다. 따라서 안테나에서 방출되는 대부분의 에너지는 안테나의 길이에 수직으로 향하게 됩니다.

전파가 다이폴 안테나에 영향을 미치면 다이폴 안테나의 도체에 교류 전류가 생성됩니다. 이 전류가 피드 라인으로 전송되면 수신기 또는 기타 전자 장비에 전원을 공급할 수 있습니다. 다이폴 안테나는 전파를 다시 전기 에너지로 변환하여 수신 안테나 역할을 합니다.

따라서 다이폴 안테나는 송신할 때는 전기 에너지를 전파로 변환하고 수신할 때는 전파를 다시 전기 에너지로 변환합니다. 효과적인 신호 송수신을 위해서는 안테나의 길이와 디자인이 중요합니다.

다이폴 안테나의 주요 특성

1. 심플한 디자인

다이폴 안테나의 구조는 피드 라인에 연결된 동일한 길이의 두 개의 전도성 부품으로 구성되어 있어 간단합니다. 단순한 디자인 덕분에 배포 및 제조가 용이합니다. 다이폴 안테나는 무선 주파수 스펙트럼의 HF(고주파), VHF(초고주파) 및 UHF(초고주파) 대역에서 작동하도록 만들 수 있습니다.

2. 반파장에서의 공명

다이폴 안테나의 소자는 일반적으로 작동 주파수 파장의 절반을 갖습니다. 이 공진으로 인해 최대 방사 효율이 가능합니다. 다이폴의 길이가 반파이고 첫 번째 공진 길이이므로 반경은 입력 임피던스에 영향을 미치지 않습니다. 공진 길이에서 발생하는 공진 주파수에서 안테나는 효율적으로 작동합니다.

3. 전방향 방사 패턴

이 전방향성 방사선은 도넛 모양의 방출 패턴으로 인해 같은 평면에 있는 장치와 서로 반대편에 있는 장치를 연결하는 데 적합합니다. 모바일 및 건물 내 애플리케이션에서 자주 사용됩니다. 모바일 애플리케이션의 전방향성 다이폴 안테나는 훨씬 더 높은 고도의 타워에 연결하는 데 필요한 적절한 패턴이 부족합니다. 특정 애플리케이션에서 무지향성 다이폴 안테나는 사용자가 송신 안테나 바로 아래에 서 있는 동안 데드 존에 있을 수 있는 지점 간 배포에서 특히 좋지 않습니다.

4. 선형 편광

다이폴 안테나의 편파는 본질적으로 선형입니다. 편파의 방향은 안테나가 장착된 방식에 따라 달라집니다. 다이폴 안테나가 광폭으로 방사될 때 에너지는 다이폴의 막대에 수직인 방향을 따라 전달됩니다.

5. Gain

안테나 이득은 안테나의 방사 패턴의 지향성 정도를 측정하는 데 사용되는 특정 매개변수입니다. 특히 고이득 안테나는 특정 방향으로 방출됩니다. 안테나 이득은 안테나를 통해 전기가 추가되는 것이 아니라 특정 방향으로 더 많은 방사 전력을 제공하기 위해 전기가 단순히 재할당되는 수동적인 현상입니다. 안테나의 이득은 dBi 및 dBd로 표현할 수 있습니다.

기준 다이폴 안테나와 관련하여 다이폴 안테나 이득은 dBd 단위로 계산할 수 있습니다. 다이폴 안테나 이득은 2.15 dBi를 기준으로 합니다. dBi = dBd + 2.15 공식을 사용하면 2.15를 더하거나 빼서 dBi와 dBd 사이를 매우 쉽게 변경할 수 있습니다.

다이폴 안테나의 종류

1. 반파 다이폴 안테나

반파 다이폴 안테나는 다이폴 길이가 작동 주파수에서 파장의 절반인 특정 유형의 다이폴 안테나입니다. 이 안테나는 일반적으로 헤르츠 안테나라고도 합니다. 다른 안테나에 비해 공진 구조가 단순하여 다양한 애플리케이션에서 송신과 수신 모두에 적합합니다. 이 안테나는 3kHz ~ 300 GHz의 주파수 범위에서 작동합니다.

반파 다이폴 안테나는 가볍고 비용 효율적이며 입력 임피던스가 전송 라인과 비슷한 수준의 임피던스를 제공한다는 장점이 있습니다. 반파 안테나의 단점으로는 무지향성 방사 패턴과 독립성을 들 수 있는데, 이는 매우 높은 주파수에서 작동하는 다른 종류의 안테나의 기본 구성 요소로 사용될 수 있습니다. TV와 라디오 수신기는 이러한 안테나를 사용하는 주요 장치입니다.

2. 접이식 다이폴 안테나

접이식 안테나는 얇은 와이어 루프를 형성하기 위해 한 번에 하나씩 간단히 결합된 두 개의 다이폴 안테나 그룹입니다. 이름에서 알 수 있듯이 다이폴 안테나는 뒤로 접혀 있고 두 개의 반파 다이폴로 구성되며, 그 중 하나는 중앙에서 분리되고 다른 하나는 연속되어 있습니다. 양쪽 끝에서 접혀서 병렬로 연결됩니다.

접힌 다이폴 안테나의 방사 패턴은 더 큰 입력 임피던스와 양방향 지향성을 제외하면 일반 다이폴 안테나의 방사 패턴과 비슷합니다. 이 안테나의 넓은 대역폭과 높은 피드 임피던스 값은 이 안테나의 주요 사용 특성입니다. 따라서 이 안테나는 다른 안테나의 핵심 부품으로 독립적으로 사용되며 높은 대역폭을 제공합니다. 이러한 안테나에는 2선식 및 3선식 안테나가 있습니다.

3. 단극자 안테나

가장 기본적인 유형의 안테나는 단쌍극자입니다. 이 안테나는 중앙에 전선이 공급되고 개방 회로로 되어 있습니다. 안테나 엔지니어링에서 "작은" 또는 "짧은"이라는 용어는 항상 "파장 대비"를 의미합니다. 따라서 다이폴 안테나의 정확한 크기가 아니라 작동 주파수의 파장과 관련된 와이어의 크기만 중요합니다. 다이폴의 길이가 파장의 10분의 1 미만인 경우 일반적으로 짧은 것으로 간주합니다.

4. 로그 주기적 다이폴 안테나

넓은 주파수 작동 범위를 가진 지향성 다중 소자 안테나를 로그 주기형 안테나라고 합니다. 이 안테나는 대역폭에 걸쳐 일관된 성능과 이득을 제공하는 독특한 기하학적 구조로 인해 안정적이고 주파수 민첩한 통신 솔루션이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

5. 교차 쌍극자 안테나

개찰구 안테나라고도 하는 교차 다이폴 안테나는 위상 직교로 공급되고 서로 직각으로 배치된 두 개의 동일한 다이폴 안테나로 구성된 무선 안테나의 한 유형입니다. 다이폴에 인가되는 두 전류는 위상이 90도 어긋납니다. 안테나가 수평으로 배치되었을 때 개찰구와 닮았다는 아이디어가 이름에 반영되어 있습니다.

안테나에는 두 가지 작동 모드가 있습니다. 안테나가 일반 모드일 때는 축에 수직으로 편파된 수평 편파 전파를 방출합니다. 안테나는 축 모드에서는 축을 따라 원형으로 편파된 전파를 방출합니다. MIMO 및 위성 애플리케이션의 경우 이 안테나가 적합합니다.

다이폴 안테나의 방사 패턴

다이폴 안테나의 방사 패턴은 도넛 모양과 유사한 토로이달형입니다. 안테나 축에 수직으로 방사되는 최대 방사량과 축을 따라 방사되는 최소 방사량을 갖습니다. 이 패턴은 수평 통신에 효과적이기 때문에 다이폴 안테나의 활용도가 매우 높습니다.

주요 2가지 고급 쌍극자 구성은 다음과 같습니다:

1. 다이폴을 사용하여 안테나 배열

다이폴 안테나 어레이는 커버리지, 이득, 지향성을 높이는 데 사용할 수 있습니다. 대규모 통신 시스템과 레이더가 이러한 어레이를 사용하는 애플리케이션의 두 가지 예입니다. 다양한 어레이 안테나 유형을 구성할 때 여러 개의 다이폴, 종종 반파 다이폴이 사용됩니다. 여러 개의 다이폴을 사용하는 것은 안테나의 방향성 이득을 단일 다이폴보다 높이기 위한 것으로, 개별 다이폴에서 방출되는 방사선이 특정 방향으로 방출되는 전력 증가를 방해합니다. 피드 라인은 전기 네트워크를 사용하여 여러 다이폴 구동 요소로 구성된 어레이의 요소에 전력을 공급하기 위해 분할됩니다. 공통점과 각 소자 사이의 전송으로 인한 상대 위상 지연을 신중하게 고려합니다.

수평 방향의 안테나 이득을 향상시키기 위해 안테나가 서로 위상으로 공급되는 브로드사이드 어레이에서 수직 방향으로 안테나를 쌓을 수 있습니다. 이렇게 하면 수평 다이폴 안테나의 방향성이 유지되고 해당 요소의 방향이 0이 됩니다. 그러나 각 다이폴이 수직 방향인 경우, 이른바 동선 안테나 어레이에서는 이 영점 방향이 수직이 됩니다. 이를 통해 어레이는 일반적으로 필요한 전방향 방사 패턴(수평면)을 획득할 수 있습니다. 소자의 파장이 작아 타워에 여러 개를 쌓아 올릴 수 있는 VHF 및 UHF 주파수 대역에서는 수직 지향성 어레이가 사용됩니다.

2. 이중 편극 다이폴 설계(MIMO 안테나)

이중 편파 다이폴은 직교 편파된 두 개의 안테나를 사용하여 한 번에 여러 신호를 처리할 수 있습니다. 최신 무선 네트워크는 이 설계의 이점을 크게 활용하는데, 이는 MIMO 시스템에 필수적이며 데이터 처리량과 안정성을 높여줍니다. 일반적으로 수평 또는 수직 편파의 두 가지 다른 편파를 가진 무선 주파수 신호를 동시에 수신하고 전송할 수 있는 안테나를 이중 극성 MIMO 안테나.

전파 방향에서 RF 신호는 단일 평면에서 선형 편파 안테나에 의해 방출됩니다. 선형 편파 안테나는 송신기와 수신기 사이의 정렬이 필요할 뿐만 아니라 수직 또는 수평으로 방향을 지정할 수 있습니다. 원형 편파 안테나는 원통형 패턴으로 무선 주파수를 방출합니다.

이중 편파 안테나는 수평 및 수직 무선 주파수 패턴을 동시에 방출합니다. 고밀도 환경에서 이중 극성 안테나를 적용하면 수평 및 수직 극성 안테나에 비해 주요 이점이 있습니다. 인구 밀도가 높은 지역은 높은 수준의 간섭과 노이즈를 포함하여 극심한 무선 주파수 혼잡을 경험합니다. 하나의 선형 패턴으로만 방사하는 기존의 선형 편파 안테나와 달리, 이중 극성 안테나는 수평 및 수직 패턴으로 모두 방사하여 혼잡을 극복합니다.

RF 안테나를 편파하는 세 가지 기술이 있습니다. 가장 많이 사용되는 것은 수직 편파, 그다음은 수평 편파, 가장 덜 사용되는 것은 원형 편파입니다. RF 파형의 방향은 전기장의 평면에 의해 결정됩니다.

다이폴 안테나는 어떤 용도로 사용되나요?

다이폴 안테나는 적응성 때문에 통신 시스템에서 중요합니다. 다음은 가장 많이 사용되는 몇 가지 애플리케이션입니다:

1. 라디오 방송

무전기나 양방향 무전기와 같은 무선 통신 장치에는 다이폴 안테나가 자주 사용됩니다. 다이폴 안테나는 단거리 신호 송수신에 사용됩니다.

2. 텔레비전 방송

다이폴 안테나는 효과적인 신호 송수신을 보장하며 VHF 및 UHF 텔레비전 안테나에서 자주 볼 수 있습니다. 텔레비전 신호는 다이폴 안테나를 통해 송신국에서 가정으로 전송됩니다. 인터넷이나 위성 텔레비전이 없는 가정에서 텔레비전 신호를 수신하는 데에도 사용할 수 있습니다.

3. 무선 통신

다이폴 안테나는 안정적인 연결을 제공하며 Bluetooth 장치, Wi-Fi 시스템 및 기타 무선 네트워킹 솔루션에 필수적인 요소입니다. Wi-Fi 라우터와 액세스 포인트는 다이폴 안테나를 사용하는 무선 네트워킹 장치의 예입니다. 다이폴 안테나는 장치 간 신호 송수신에 도움을 주어 무선 인터넷 액세스를 가능하게 합니다.

4. 셀룰러 네트워크

기지국은 다이폴 안테나를 사용하여 셀룰러 통신을 제공하므로 안정적인 연결과 빠른 데이터 전송이 가능합니다. 휴대폰은 다이폴 안테나를 사용하여 셀룰러 신호를 송수신합니다. 기지국은 기지국과 모바일 디바이스 간의 안정적인 통신을 지원합니다.

5. 햄 라디오(아마추어 무선)

다이폴 안테나는 사용 편의성과 효율성 때문에 VHF 및 UHF 통신에 사용됩니다. 아마추어 무전기 운영자라고도 불리는 햄 라디오 운영자는 다이폴 안테나를 자주 사용합니다. 햄 라디오 통신에서는 신호 전송과 수신 모두에 다이폴 안테나가 사용됩니다.

6. 항공 통신

다이폴 안테나는 항공기의 VHF 통신 시스템에 사용되어 항공의 효율성과 안전을 보장합니다. 선박, 비행기, 기상 패턴과 같은 물체를 감지하고 추적하는 레이더 시스템에는 다이폴 안테나가 사용됩니다. 다이폴 안테나는 레이더 신호의 송수신을 지원하여 물체의 거리, 속도, 방향을 측정할 수 있게 해줍니다.

다이폴 안테나의 장점

1. 단순성

다이폴 안테나의 설계는 간단합니다. 동일한 길이의 전도성 조각 두 개가 피드 라인에 연결됩니다. 설계가 단순하기 때문에 기술과 도구에 대한 간단한 지식만 있으면 쉽게 구축할 수 있습니다. 또한 문제 해결 및 수리 시 약간의 수정이나 교체만 필요하기 때문에 유지 관리가 간편합니다.

2. 비용 효율성

다이폴 안테나는 구리 및 알루미늄과 같이 일반적으로 쉽게 구할 수 있고 합리적인 가격의 재료로 만들어집니다. 복잡한 부품이 필요 없는 단순한 설계와 함께 다이폴 안테나는 가장 저렴한 안테나 중 하나입니다. 다이폴 안테나는 경제성이 뛰어나 대중 시장 가전제품이나 라디오 전송과 같은 대규모 설치에 적합합니다.

3. 다용도성

다이폴 안테나는 전도성 소자의 길이를 변경하여 다양한 주파수 범위에 맞게 쉽게 수정할 수 있습니다. 이러한 적응성 덕분에 셀룰러 네트워크, 고주파 Wi-Fi, 저주파 AM 라디오 방송 등 다양한 용도로 사용할 수 있습니다. 다양한 주파수 범위에서 효과적으로 작동할 수 있기 때문에 기존 및 최신 통신 시스템 모두에 적용할 수 있습니다.

4. 안정적인 성능

다이폴 안테나는 무선 네트워크, 라디오 및 텔레비전 방송, 항공 통신 분야에서 수년 동안 효과적으로 활용되어 왔습니다. 다이폴 안테나의 송수신 효율성과 규칙적인 방사 패턴은 다이폴 안테나의 신뢰성을 높이는 주된 이유입니다. 중요 시스템과 중요하지 않은 시스템 모두에서 신뢰할 수 있는 옵션으로 간주됩니다.

5. 전방향 방사

다이폴 안테나는 수평면에서 에너지를 균일하게 방사하므로 안테나 축에 수직인 모든 방향에서 일관된 신호 강도를 제공합니다. 전방향 방사 패턴으로 인해 여러 방향으로의 커버리지가 중요한 Wi-Fi 및 방송과 같은 애플리케이션에 적합합니다. 일관된 수평 커버리지를 제공하는 능력은 연결을 개선하고 다양한 환경에서 안정적인 작동을 보장합니다.

다이폴 안테나의 한계

1. 안테나 크기

다이폴 안테나가 사용하려는 신호의 파장은 안테나의 길이와 직접적인 상관관계가 있습니다. 반파 다이폴의 경우 안테나의 전체 길이는 신호 파장의 절반입니다. 주파수가 낮아질수록 파장이 길어지므로 저주파 전송에는 더 긴 다이폴 요소가 필요합니다. 예를 들어, 100 MHz의 주파수로 설계된 FM 라디오에 사용되는 반파 다이폴의 길이는 약 1.5m입니다. AM 라디오 방송과 같이 극히 낮은 주파수에서 작동해야 하는 애플리케이션의 경우 이 크기는 실현 불가능할 수 있습니다.

2. 방향 제한

다이폴 안테나는 안테나 전체에 걸쳐 에너지를 균등하게 방사하며 일반적으로 수평면에서 전방향 방사 패턴을 포함합니다. 지점 간 통신 시스템과 같이 집중된 빔 또는 지향성 빔이 필요한 경우 넓은 커버리지가 필요한 애플리케이션에는 유용하지만 이는 한계가 됩니다. 방향성 방사선을 얻기 위해서는 반사판이나 디렉터(야기우다 안테나에 사용) 또는 다이폴을 어레이로 결합하는 것과 같은 다른 부품이 필요하므로 설계가 복잡해집니다.

3. 임피던스 매칭

최적의 결과를 얻으려면 안테나의 임피던스가 전송선 및 연결된 모든 디바이스의 임피던스와 일치해야 하며, 대부분의 통신 시스템에서 이 값은 50 또는 75옴입니다. 자유 공간에서 표준 다이폴 안테나의 입력 임피던스는 약 73옴입니다. 이는 표준 값에 매우 가깝지만 환경이나 설치 설정에 따라 임피던스 불일치가 발생하여 전력 손실 및 신호 반사로 이어질 수 있습니다. 효과적인 전력 전송을 보장하기 위해 발룬이나 매칭 회로를 사용하는 등 적절한 수정이 필요한 경우 배포가 더 복잡해집니다.

다이폴 안테나와 모노폴 안테나 비교

다이폴 안테나와 모노폴 안테나의 차이점은 여러 가지가 있습니다. 이 두 가지 안테나 유형의 주요 차이점을 자세히 분석해 보겠습니다.

1. 다이폴 안테나는 아래쪽에 방사선이 있고 양쪽에 필드가 있습니다. 반대로 모노폴 안테나는 지면 아래에는 방사선이 없고 위쪽 절반에는 하나의 필드만 있습니다.

2. 합성 접지면을 만들려면 다이폴 안테나는 일반적으로 추가 라디에이터가 필요합니다. 반면에 모노폴 안테나는 실제 접지면이 필요합니다.

3. 다이폴 안테나의 라디에이터 요소는 위상이 180도 어긋납니다. 반면에 모노폴 안테나는 동축 케이블의 외부 도체와 전송선 연결의 기준면이 있습니다. 모노폴 안테나를 사용하는 경우 이러한 패턴이 접지면을 구성합니다.

4. 다이폴 안테나의 방사 패턴은 수직 대칭이지만 모노폴 안테나의 방사 패턴은 그렇지 않습니다. 모노폴 안테나의 방사 패턴은 접지면의 방향에 따라 달라지지만, 다이폴 안테나는 매우 빈번한 유형의 안테나입니다.

5. 모노폴 안테나는 시중에 나와 있는 종류와 종류가 한정되어 있는 반면, 다이폴은 종류가 많은 일반적인 안테나입니다.

최신 기술이 적용된 다이폴 안테나

다이폴 안테나는 소형 설계로 안정적인 서비스와 빠른 연결을 제공하기 때문에 5G 네트워크 및 사물 인터넷 디바이스에 매우 중요한 역할을 합니다. 다이폴 안테나는 현대 기술의 많은 요구 사항과 높은 데이터 수요를 충족합니다. 다이폴 안테나는 무선 통신을 위한 많은 무선 기술 애플리케이션에 널리 사용되고 있습니다. 다이폴 안테나는 대역폭이 넓은 경우가 많기 때문에 5G, LTE, Wi-Fi 등과 같은 다중 주파수 통신을 지원할 수 있습니다.

위성 통신에서는 원형 편파를 위해 교차 다이폴 안테나가 사용되어 우주에서 안정적인 신호 전송을 가능하게 합니다. 다이폴이라고 하는 단순한 유선 안테나는 통신 및 위성 방송 시스템에서 흔히 볼 수 있습니다.

결론

다이폴 안테나의 단순성, 경제성, 성능은 탁월한 선택입니다. 제작이 간단하고 복잡한 튜닝이나 매칭 회로가 필요하지 않습니다. 다양한 주파수에서 잘 작동할 수 있으며 대역폭이 넓습니다. 다이폴 안테나는 또한 균형 잡힌 피드를 제공하여 간섭 및 공통 모드 노이즈를 줄입니다. 모든 것을 고려할 때 다이폴 안테나는 여러 애플리케이션에 이상적인 선택입니다.

결론적으로 무선 통신에는 다이폴 안테나가 필요합니다. 다이폴 안테나는 성능과 단순함의 균형이 잘 잡혀 있습니다. 다이폴 안테나를 이해하면 배경에 관계없이 무선 업계에서 도움이 될 것입니다.