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마이크로웨이브(Microwave)는 전자파라고도 하는데, 전기력선과 자기력선으로 이루어진 일종의 유동 에너지이다. 전자파의 존재에 대해서는 1864년 스코틀랜드의 물리학자이자 수학자인 James Clerk Maxwell에 의해 그가 집필한 “전기와 자기”에서 전자기 이론인 Maxwell 방정식을 발표함으로써 처음으로 알려졌다. 1871년에는 빛의 전자기 이론을 발표하여 전자기파의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 확인하고, 빛도 전자기파의 일종임을 증명하였다. 그 후 Maxwell의 이론을 기초로 하여 1887년 독일의 물리학자인 Heinrich Hertz는 실험을 통해 전파의 존재를 입증하였으며, 전자파는 반사, 굴절, 간섭 등의 성질을 갖는다는 것을 입증하였다. 그의 이러한 공로로 전파에 사용되는 주파수의 단위를 Hertz의 약자인 ㎐로 표기하게 되었다.
1897년 이탈리아의 물리학자인 Guglielmo Marconi 는 무선전신을 발명하였는데, 어떠한 물리적인 연결 장치 없이 무선으로 신호를 전송하는 최초의 기기였다. 그는 이 공로로 1909년 노벨 물리학상을 수상하였으며, 이를 계기로 전자파를 이용한 무선통신 기술 및 라디오 방송의 계기가 되었다. 1920년대에 Detroit시에서 경찰차에 단방향 방송기기가 사용되었는데, 이것은 고정된 기지국에서 이동차량간의 최초의 전자파 전달방식이었다. 마이크로웨이브란 용어는 1931년에 공식적으로 처음 사용되었으며, 1943년에 헝가리의 공학자인 Zoltan Bay가 달까지의 거리를 측정하기 위해 극초단파(ultra high frequency, UHF)를 이용함으로써 많은 연구가 진행되었다. 세계2차 전쟁 당시에는 군사목적의 통신용으로 필수장비로 자리 잡았다. 또한 세계2차 전쟁당시에 레이더(radar)시스템이 개발되어 물체에서 반사되어온 전자파를 분석해서 거리와 상대적인 속도를 계산할 수 있게 되었다. 오늘날 전자파를 이용한 기술은 위성통신, GPS 통신, 무선 전화기, 휴대폰, RFID 등 생활 전반에 자리잡고 있다.
마이크로웨이브는 전자기파 중에서 주파수가 0.3㎓ ~ 300㎓ 영역에 해당하는 전자파를 의미한다. 파장으로 보았을 때 1m ~ 10㎝ 영역의 파를 데시미터(decimeter)파, 1㎝ ~ 1㎜를 밀리미터(millimeter)파라 한다. 첨두어 “micro-”는 파장이 micrometer 영역이라는 뜻이 아니고, 일반적인 라디오 방송 주파수에 사용되는 파에 비해 상대적으로 작다는 의미로 사용된다. 다른 전자기파와 구분하여 마이크로웨이브의 파장 및 주파수 영역은 아래 표와 같다.
이름 | 파장 | 주파수 (Hz) | 광자 에너지 (eV) |
감마선 | 0.02㎚ 이하 | 15E㎐ 이상 | 62.1keV 이상 |
X선 | 0.01㎚ - 10㎚ | 30E㎐ - 50P㎐ | 124keV - 124eV |
자외선 | 10㎚ - 400㎚ | 30P㎐ - 750㎔ | 124eV - 3eV |
가시광선 | 390㎚ - 750㎚ | 770㎔ - 400㎔ | 3.2eV – 1.7eV |
적외선 | 750㎚ - 1㎜ | 400㎔ - 300㎓ | 1.7eV – 1.24meV |
마이크로웨이브 | 1㎜ - 1m | 300㎓ - 300㎒ | 1.24meV – 1.24μeV |
라디오파 | 1㎜ - 30,000㎞ | 300㎓ - 10㎑ | 1.24μeV – 12.4feV |
마이크로웨이브는 라디오파와 적외선 사이에 존재하는 전자기파이다. 국내는 라디오파와 전자기파는 방송 및 통신용도로 널리 사용되고 있으며, 두 영역대를 합친 무선 주파수 스펙트럼 대역을 아래 표와 같이 구분하여 엄격히 법적으로 규제를 하고 있다.
밴드 이름 | 약어 | 주파수 범위 | 주요용도 |
Very low frequency | VLF | 3~30㎑ | 표준시간 주파수방송 |
Low frequency | LF | 30~300㎑ | 선박 및 항공기 유도비콘 |
Medium frequency | MF | 300㎑~3㎒ | AM방송, SOS신호 |
High frequency | HF | 3~30㎒ | 국제방송, 아마츄어무선 |
Very high frequency | VHF | 30~300㎒ | FM방송, VHF TV |
Ultra high frequency | UHF | 0.3~3㎓ | UHF TV, 이동통신, GPS, 택시무선통신 |
Super high frequency | SHF | 3~30㎓ | 시외 및 국제전화, TV 위성중계, 각종 레이더 |
Extra high frequency | EHF | 30~300㎓ | 우주통신, 미사일유도 |
또한 미국의 전기전자학회(IEEE)에서는 마이크로웨이브 중에서 응용이 가장 활발한 1 ~ 40㎓ 영역을 별도로 구분해서 마이크로웨이브 대역을 아래 표와 같이 세분화하여 정의하고 있다.
대역 구분 | 주파수 범위 (㎓) | 파장 범위 |
L band | 1.0 ~ 2.0 | 15㎝ ~ 30㎝ |
S band | 2.0 ~ 4.0 | 7.5㎝ ~ 15㎝ |
C band | 4.0 ~ 8.0 | 3.75㎝ ~ 7.5㎝ |
X band | 8.0 ~ 12.0 | 2.5㎝ ~ 3.75㎝ |
Ku band | 12.0 ~ 18.0 | 1.67㎝ ~ 2.5㎝ |
K band | 18.0 ~ 26.5 | 1.13㎝ ~ 1.67㎝ |
Ka band | 26.5 ~ 40.0 | 0.75㎝ ~ 1.13㎝ |
Q band | 33.0 ~ 50.0 | 0.6㎝ ~ 0.91㎝ |
U band | 40.0 ~ 60.0 | 0.5㎝ ~ 0.75㎝ |
V band | 50.0 ~ 75.0 | 0.4㎝ ~ 0.6㎝ |
E band | 60.0 ~ 90.0 | 0.33㎝ ~ 0.5㎝ |
W band | 75.0 ~ 110.0 | 0.27㎝ ~ 0.4㎝ |
F band | 90.0 ~ 140.0 | 0.21㎝ ~ 0.33㎝ |
D band | 110.0 ~ 170.0 | 0.18㎝ ~ 0.27㎝ |
G band | 140.0 ~ 220.0 | 0.14㎝ ~ 0.21㎝ |
전력, 전압, 에너지, 소리 등과 같은 양의 상대적인 크기를 나타내는 단위로 데시벨을 사용한다. 데시벨은 10의 배수를 의미하는 deci와 전화기를 발명한 Bell의 합성어(Bell이 전화기를 설계할 때 사용하였다고 함)로 ㏈로 표기한다. 데시벨은 음성에서 출발하였는데, 사람이 들을 수 있는 가장 작은 소리를 0㏈라 정하고, 이보다 10배 강한 소리를 10㏈, 100배 강한 소리를 20㏈, 1,000배 강한 소리를 30㏈로 정의한 것으로 수식적으로 표현하면 다음과 같다.
여기서 I0는 0㏈ 때의 소리 세기이며, I는 측정하고자 하는 소리의 세기이다. 이와 같이 데시벨에서 로그함수를 사용하는 이유는 큰 숫자를 작은 수로 바꾸어서 표현하기 위함이다. 예를 들면, 100,000배 증폭에 대해 이 숫자를 다 사용하는 것 보다는 50㏈라고 표현하는 것이 훨씬 보기에 좋기 때문이다.
이와 같이 소리에서 사용된 데시벨의 정의를 전파에도 그대로 적용할 수 있다. 전파는 전기장과 자기장의 조합이며, 전력은 전압과 전류의 곱으로 표현되기 때문에 전파에는 이를 구분해서 전력의 경우는 소리와 같이 10을 곱하고, 전압과 전류일 때는 20을 곱해서 표현한다. 즉 아래 그림에 소자, 회로 또는 시스템에 의해 출력이 각각 증폭 및 감쇄된 경우가 있는데, 각각의 이득(gain)은 다음과 같다.
그리고 전압 및 전류에 대한 이득은 다음과 같이 표현한다.
이와 같이 데시벨은 하나의 가치에 대해서 또 하나의 가치가 몇 배인가를 나타내고, 전압, 전류, 음압 등에 대해서는 상용대수로 나타낸 것에 20을 곱한 수가 된다. 1㎽와 관련된 이득은 ㏈m을 사용하는데, 다음과 같이 정의하여 사용한다.
그러므로 출력 값에 대한 결과값은 다음과 같다.
1㎽ | = | 0 dBm |
10㎽ | = | 10 dBm |
1W | = | 30 dBm |
0.1㎽ | = | -10 dBm |
1×10-7㎽ | = | -70 dBm |
여러 개의 증폭기를 직렬로 연결한다면 이득은 각 증폭기의 이득을 더해서 구할 수 있다. 이득을 G로 표시하고, 손실률을 L로 표시한다면 전체 이득은 다음과 같이 계산한다.
전파이용에 관한 포괄적인 업무를 수행하는 미국의 방송통신정책 주관기관인 FCC(fedral communications commission)는 1934년에 설립되어 그해 7월 11일부터 활동을 시작했다. FCC는 미국 내에서 무선을 이용한 응용을 위해 주파수 범위와 사양을 규제하고 있는데, 그 응용범위를 크게 TV방송용, 라디오 방송용, 위성 통신용, 휴대폰용, 경찰 radar용, 침입감지용, 네비게이션 비콘 등으로 분류하고 있다. 각 응용분야는 아래 그림과 같은 전파의 대기흡수와 밀접한 관련이 있다.
이 그림에서 파장이 길수록 투과를 잘하며, 짧으면 수분과 산소 분자들의 공진에 의해 흡수가 많이 일어난다. 대체로 Ka 밴드보다 낮은 주파수(1㎝ 보다 긴 파장)에서는 대기 투과도가 거의 100%에 가깝기 때문에 실외용의 응용인 휴대폰 및 위성통신용에 적합하다. 반면 적외선에 가까운 높은 주파수는 대기 투과도 특성이 점점 나빠져 실외용에는 부적합하고, 실내용의 목적으로 사용하는 것이 좋다. 주파수가 높을수록 나타나는 장단점은 아래 표와 같다. GaAs 반도체의 전자 이동도가 Si 반도체 보다 빠르기 때문에, 약 4㎓ 이상에서는 Si 대신에 GaAs 소자를 사용해야 하는데, 수율이 Si에 비해 매우 낮기 때문에 Si 보다 가격이 매우 비싸지는 원인이 된다.
장점 | 대량의 정보를 보낼 수 있는 밴드폭을 가짐 레이더의 경우 보다 높은 분해능 제공이 가능 CW 레이더의 경우 보다 큰 Doppler 천이가 발생 보다 선명한 이미지 영상 제공이 가능 안테나와 다른 부품들의 크기를 줄일 수 있음 근처 주파수와 간섭이 비교적 작음 디지털 신호처리 및 데이터 전송속도가 빠름 재밍이 어려움 |
단점 | 부품 가격이 올라감 높은 대기 흡수로 인해 통신거리가 짧아짐 Si 기술 보다는 GaAs 기술 의존성이 높아짐 부품손실률이 높아지고, 수동 소자인 경우 출력 전력이 낮음 디자인 툴이 정교하지 못하고 기술적인 성숙도가 낮음 |
마이크로웨이브를 이용한 기술은 다양한 상업용과 군사용의 목적으로 사용되고 있으며, 주된 응용분야는 통신, 레이더, 네비게이션, 원격 센싱, RFID, 방송, 자동차, 센서, 감시, 의학, 천문학, 우주 탐사 등의 목적으로 사용된다. 이 중에서 센서용으로는 습도센서, 온도센서, 로봇, 파묻힌 물체 탐지, 교통 모니터링, 침입 감지, 산업용 센서 등에 응용되어 사용되고 있다.
무선 시스템은 어떤 유용한 기능을 수행하기 위해 아래 그림과 같이 송신기와 수신기로 구성되어 있다. 송신기는 다음과 같이 동작한다. 음성, 비디오, 또는 데이터 등의 입력 기저대역신호(baseband signal)는 주파수 fm으로 대역 제한되어 입력이 된다. 이 신호는 baseband filter에 의해 필요한 부분만 통과시킨다. 그 이후 신호는 소위 상향변환(up-conversion) 과정을 통해 진동자(oscillator) 신호와 혼합되어
신호보다 상당히 높은 fLO+fm 또는 fLO-fm 주파수로 변조된 신호를 만든다. 이렇게 변조된 신호는 증폭기에서 증폭이 된 후 안테나를 통해 신호가 송신된다.
※ 안테나 종류
안테나에 대한 특성은 매우 복잡하지만, 여기서는 안테나의 종류 및 간단한 특성에 대해서만 다루고자 한다. 기본적으로 안테나는 라디오파 또는 마이크로웨이브파를 송신하거나 수신하기 위한 가장 기본적인 목적으로 사용한다. 따라서 마이크로웨이브 시스템에서 안테나가 없으면 신호를 보내거나 받을 수가 없다. 안테나에는 매우 많은 종류가 있으나, 대표적인 안테나의 종류에 대해 아래 그림과 같다. 안테나는 그림과 같은 기하학적인 외양에 따라 분류하기도 하고, 이득과 빔의 형태로도 분류하는데, 이러한 안테나의 분류는 아래 표와 같다.
분류 | 구분 | 안테나 종류 |
외양 (Geometry) | Wire 안테나 | dipole, loop, helix |
Aperture 안테나 | horn, slot | |
프린팅 안테나 | patch, printed dipole, spiral | |
이득 (Gain) | 고 이득 | parabolic |
중 이득 | horn | |
저 이득 | dipole, loop, slot, patch | |
빔 형태 (Beam shape) | 무지향성 | dipole |
Pencil 빔 | parabolic | |
Fan 빔 | array | |
대역폭 (Bandwidth) | 광대역 | log, spiral, helix |
협대역 | patch, slot |
대부분의 안테나들은 전파의 파장에 따라 그 길이가 정해진다. 가장 많이 사용하는 형태 중 간단한 것은 전파 파장의 1/4 크기의 전도체 막대를 사용하는 것이다. 이런 안테나는 무지향성이며 수신과 송신에 제약이 없다. 그러나 안테나 양끝 방향으로의 수신이 되지 않는 음영지역이 있는 단점이 있다. 이것을 해결하기 위하여 추가적인 전도체 막대나 코일을 추가하여 전파의 지향성을 만들어 낼 수 있다.
① 다이폴 안테나 (Dipole Antenna) : 이 형태는 안테나의 가장 기본적인 형태이다. 두 개의 서로 극이 다른 도선을 구부려서 전체 길이를 파장의 1/2이 되게 만들어서 무지향성인 빔을 형성한다. 이런 안테나는 단파, 초단파 대역에서 주로 사용한다. 특히 다이폴 안테나는 단일로 사용하는 것보다 여러개의 배열로 안테나를 구성하는 것이 일반적이며, 흔히 주택의 옥상에 올려놓고 사용하는 TV 수신용 안테나인 Yagi-Uda 안테나는 여러개의 다이폴 안테나에 반사기와 도파기를 추가하여 변형한 안테나이다.
② 모노폴 안테나 (Monopole Antenna) : 다이폴 안테나와 비슷하게 직선 형태로 되어 있지만, 한쪽이 도체 대신에 접지로 설치된 안테나이다. 접지로 된 부분은 이미지 효과로 인해 마치 다이폴과 같은 효과가 일어난다. 그래서 안테나의 길이도 다이폴 보다 짧은 λ/2가 아니라 λ/4의 길이로 성능을 발휘한다. 따라서 안테나의 길이도 짧고 무지향성이기 때문에 이동통신용 개인휴대 단말기나 FM 라디오 수신용으로 많이 사용한다.
③ 패치 안테나 (Patch Antenna) : 일명 직사각형의 마이크로스트립 안테나(rectangular microstrip antenna)로 알려져 있는 안테나로서, 평편한 기판 위에 네모 혹은 원형 형태의 금속패턴을 가진 라디오 안테나이다. 소형, 경량의 특성 및 여러 가지 패턴조합과 손쉬운 배열을 통해 다양한 특성을 이끌어 낼 수 있지만, 구조상 높은 전력신호를 다루지 못하는 단점이 있다.
④ 혼 안테나 (Horn Antenna) : 도파관(waveguide) 형태의 안테나이며, 도파관 끝 부분이 사각형 또는 원형의 깔때기처럼 벌어진 형상을 하고 있다. 대표적인 개구면(aperture) 안테나로서 안테나가 열리면의 크기가 파장에 비례하게 설계되어 있다. 그래서 낮은 주파수에서는 크기가 너무 커서 사용이 어렵고 무게도 무거워져서 통상적으로 ㎓ 단위 이상에서 주로 사용한다. 특성이 균일하고 이득이 높아서 빔패턴 측정용 표준 안테나로 사용되는 경우가 많으며, 비교적 큰 전력의 신호까지 다룰 수 있기 때문에 고전력용으로 사용이 된다.
⑤ 파라볼라 안테나 (Parabolic Antenna) : 이득이 매우 높은 안테나이며, 빔패턴을 가장 샤프하게 만들 수 있기 때문에 위성통신용으로 가장 많이 사용된다. 파라볼릭 면에 수직으로 입사된 잔자파는 반사되어 쌍곡선의 초점 부위에 모아지고, 그러한 초점위치에 위치한 LNB(low noise block)로 그 신호들을 저잡음 증폭시키는 구조로 되어 있다.
⑥ 헬릭스 안테나 (Helix Antenna) : 선을 꼬아서 소형화시킨 안테나이다. 같은 주파수에서 모노폴 안테나에 비해 훨씬 작은 크기로 구현이 가능한 장점이 있으며, 꼬는 간격과 방법 등에 따라 빔패턴의 방향도 축방향 또는 정상방향으로 만들 수 있다. 만드는 방법에 따라 다양한 특성을 나타낼 수 있기 때문에 휴대용 단말기, 라디오, 위성용 등 광범위한 분야에 응용되고 있다.
⑦ 슬롯 안테나 (Slot Antenna) : 도파관의 한 끝을 도체판으로 단락하고, 이 도체판에 전계와 직각방향으로 가는 홈(slot)을 뚫어서 만든 안테나이다. 홈의 길이를 전파 파장의 절반으로 하면 다이폴 안테나와 마찬가지로 공진하고, 홈 중앙이 전계 최대 전압의 출력이 나오게 되어 전파 방사효율이 최대가 된다. 주로 파라볼라 안테나의 1차 방사기로 사용된다.
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