전파

전파(電波, , 과거 용어: 헤르츠파)는 전자기 스펙트럼에서 가장 낮은 진동수와 가장 긴 파장을 가진 전자기파의 한 종류로, 보통 300 기가헤르츠(GHz) 이하의 진동수와 (대략 쌀알 한 알의 지름) 이상의 파장을 가진다. 진동수가 약 1 GHz 이상이고 파장이 30 cm보다 짧은 전파를 마이크로파라고 부른다. 모든 전자기파와 마찬가지로 진공에서의 전파는 빛의 속력으로 이동하며, 지구 대기 중에서는 그보다 약간 느린 속도로 이동한다. 전파는 시간적으로 변하는 전류와 같이 가속을 받는 하전 입자에 의해 생성된다. 자연적으로 발생하는 전파는 번개나 천체에서 방출되며, 모든 따뜻한 물체에서 방출되는 흑체 방사의 일부이기도 하다.

전파는 안테나에 연결된 송신기라는 전자 장치를 통해 인공적으로 생성되며, 안테나는 이 파동을 방사한다. 방사된 전파는 수신된 신호를 처리하는 수신기에 연결된 다른 안테나에 의해 수신된다. 전파는 현대 기술에서 고정 및 이동 무선 통신, 방송, 레이더 및 전파 항법 시스템, 통신 위성, 무선 컴퓨터 네트워크 및 기타 여러 응용 분야에 매우 흔하게 사용된다. 전파의 진동수에 따라 지구 대기에서의 전파 특성이 달라진다. 긴 파장은 산과 같은 장애물 주변에서 회절되어 지구의 곡선을 따라 이동할 수 있고(표면파), 짧은 파장은 전리층에서 반사되어 지평선 너머로 돌아올 수 있으며(공중파), 훨씬 더 짧은 파장은 거의 굴절되거나 회절되지 않고 가시선 전파 경로로 이동하므로 전파 거리가 가시 지평선으로 제한된다.

서로 다른 사용자 간의 간섭을 방지하기 위해, 전파의 인공적인 생성과 사용은 법률에 의해 엄격히 규제되며, 국제전기통신연합(ITU)이라는 국제 기구에 의해 조정된다. ITU는 전파를 "인공적인 가이드 없이 공간으로 전파되는, 임의로 보다 낮은 진동수를 가진 전자기파"로 정의한다. 무선 스펙트럼은 진동수를 기준으로 여러 주파수 대역으로 나뉘며 각각 다른 용도로 할당된다. 더 높은 진동수와 더 짧은 파장을 가진 전파는 마이크로파라고 불린다.


 발견과 이용 

전파는 1867년 스코틀랜드의 수학적 물리학자인 제임스 클러크 맥스웰에 의해 제안된 고전 전자기학 이론에 의해 처음으로 예측되었다. 현재 맥스웰 방정식으로 불리는 그의 수학적 이론은 결합된 전기장과 자기장이 "전자기파"로서 공간을 이동할 수 있다고 예측했다. 맥스웰은 빛이 매우 짧은 파장의 전자기파로 구성되어 있다고 제안했다. 1887년, 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 실험실에서 빛보다 진동수가 낮은 전자기파인 전파를 실험적으로 생성함으로써 맥스웰의 전자기파가 실제로 존재함을 증명했다. 그는 전파가 정상파, 굴절, 회절, 편광과 같이 빛과 동일한 파동적 특성을 보인다는 것을 보여주었다. 이탈리아의 발명가 굴리엘모 마르코니는 1894년에서 1895년 사이에 최초의 실용적인 무선 송신기와 수신기를 개발했다. 그는 무선 작업에 대한 공로로 1909년 노벨 물리학상을 수상했다. 무선 통신은 1900년경부터 상업적으로 사용되기 시작했다. 현대적인 용어인 "전파(Radio wave)"는 1912년경 원래 이름인 "헤르츠파"를 대체했다.

 생성과 수신 
섬네일|upright=1.5 |전파를 수신하는 반파장 다이폴 안테나의 애니메이션 도표. 안테나는 수신기 에 연결된 두 개의 금속 막대로 구성된다. 들어오는 파동의 전기장(, 녹색 화살표)은 막대 내부의 전자를 진동시켜 끝부분을 교대로 양(+)과 음(−)으로 충전한다. 안테나의 길이가 파동 파장의 절반이므로, 진동하는 장은 막대에 전압(, 빨간색 띠로 표시)과 전류의 정상파를 유도한다. 진동하는 전류(검은색 화살표)는 전송선을 따라 흘러 수신기(저항 로 표시)를 통과한다.

전파는 하전 입자가 가속될 때 방사된다. 전파의 자연적인 발생원으로는 번개 및 지구 대기의 기타 자연적 과정에서 발생하는 전파 잡음과 태양, 은하, 성운과 같은 우주의 전파원이 있다. 모든 따뜻한 물체는 흑체 방사의 일부로 고주파 전파(마이크로파)를 방출한다.

전파는 안테나라고 불리는 특별한 모양의 금속 도체에서 앞뒤로 흐르는 전자들로 구성된, 시간적으로 변하는 전류에 의해 인공적으로 만들어진다. 송신기라는 전자 장치는 진동하는 전류를 안테나에 가하고, 안테나는 그 전력을 전파로서 방사한다. 전파는 수신기에 연결된 다른 안테나에 의해 수신된다. 전파가 수신 안테나에 부딪히면 금속 안테나 내부의 전자를 앞뒤로 밀어내어, 수신기에 의해 감지되는 미세한 진동 전류를 생성한다.

빛과 같은 다른 전자기파와 마찬가지로 양자역학적 관점에서 전파는 광자라고 불리는 전하가 없는 기본 입자의 흐름으로 간주될 수도 있다. 전파를 송신하는 안테나에서 전자는 전파 광자라고 불리는 불연속적인 에너지 다발로 에너지를 방출하며, 수신 안테나에서는 전자가 전파 광자로서 에너지를 흡수한다. 안테나는 레이저처럼 광자의 결맞음 방출체이므로 전파 광자들은 모두 위상이 같다. 그러나 플랑크 관계식 에 따르면 개별 전파 광자의 에너지는 10−22에서 10−30 줄 정도로 매우 작다. 따라서 매우 낮은 출력의 송신기 안테나조차도 매초 엄청난 수의 광자를 방출한다. 그러므로 마이크로파 광자를 방출하는 메이저 내부의 원자와 같은 특정 전자 전이 과정을 제외하고, 전파의 방출과 흡수는 대개 맥스웰 방정식에 의해 지배되는 연속적인 고전적 과정으로 간주된다.

 특성 
진공에서의 전파는 빛의 속력 로 이동한다. 물질 매질을 통과할 때는 매질의 투자율과 유전율에 따라 속도가 느려진다. 공기는 충분히 희박하여 지구 대기권에서 전파는 빛의 속력과 거의 비슷하게 이동한다.

파장 는 파동 전기장의 한 정점(마루)에서 다음 정점까지의 거리이며, 파동의 진동수 에 반비례한다. 진공이나 공기 중에서 이동하는 전파의 진동수와 파장의 관계는 다음과 같다.

여기서

동일하게, 진공에서 전파가 1초 동안 이동하는 거리인 는 이며, 이는 1 헤르츠 무선 신호의 파장이다. 1 메가헤르츠 전파(중간 AM 방송 대역)의 파장은 이다.

 편광 
다른 전자기파와 마찬가지로 전파는 편광이라는 특성을 가지는데, 이는 운동 방향에 수직인 파동의 진동하는 전기장의 방향으로 정의된다. 평면 편광된 전파는 운동 방향에 수직인 평면에서 진동하는 전기장을 갖는다. 수평 편광된 전파에서 전기장은 수평 방향으로 진동한다. 수직 편광된 파동에서 전기장은 수직 방향으로 진동한다. 원 편광된 파동에서 임의의 지점의 전기장은 한 주기마다 진행 방향을 축으로 회전한다. 우원 편광된 파동은 진행 방향을 기준으로 오른쪽으로 회전하며, 좌원 편광된 파동은 반대 방향으로 회전한다. 파동의 자기장은 전기장에 수직이며, 전기장과 자기장은 복사 방향에 대해 오른손 법칙에 따라 방향이 정해진다.

안테나는 금속 안테나 소자의 방향에 의해 결정된 편광된 전파를 방출한다. 예를 들어, 다이폴 안테나는 두 개의 공선상의 금속 막대로 구성된다. 막대가 수평이면 수평 편광된 전파를 방출하고, 막대가 수직이면 수직 편광된 전파를 방출한다. 전파를 수신하는 안테나는 송신 안테나와 동일한 편광을 가져야 하며, 그렇지 않으면 수신 성능이 심각하게 저하된다. 태양, 별, 따뜻한 물체의 흑체 방사와 같은 많은 자연 전파원은 비편광된 파동을 방출하며, 이는 편광 상태가 무질서하게 섞인 결맞지 않는 짧은 파동열로 구성된다.

전파의 편광은 광자의 스핀이라고 불리는 양자역학적 특성에 의해 결정된다. 광자는 두 가지 가능한 스핀 값 중 하나를 가질 수 있다. 즉, 진행 방향에 대해 오른쪽 방향으로 스핀하거나 왼쪽 방향으로 스핀할 수 있다. 우원 편광된 전파는 오른쪽으로 스핀하는 광자들로 구성된다. 좌원 편광된 전파는 왼쪽으로 스핀하는 광자들로 구성된다. 평면 편광된 전파는 오른쪽 및 왼쪽 스핀 상태의 양자 중첩 상태에 있는 광자들로 구성된다. 전기장은 오른쪽 및 왼쪽으로 회전하는 장의 중첩으로 구성되어 평면 진동을 일으킨다.

 전파 특성 

전파는 큰 파장에서 기인하는 바람직한 전파 특성 때문에 다른 전자기파보다 통신에 더 널리 사용된다. 전파는 날씨, 잎사귀, 그리고 대부분의 건축 자재에 관계없이 대기를 통과하는 능력을 가지고 있다. 회절에 의해 긴 파장은 장애물 주변으로 휠 수 있으며, 다른 전자기파와 달리 파장보다 큰 물체에 의해 흡수되기보다는 산란되는 경향이 있다.

자유 공간과 지구 표면에서 전파가 어떻게 이동하는지에 대한 전파의 전파 연구는 실용적인 무선 시스템 설계에서 매우 중요하다. 다양한 환경을 통과하는 전파는 반사, 굴절, 편광, 회절 및 흡수를 겪는다. 진동수에 따라 지구 대기에서 이러한 현상들이 다르게 조합되어 나타나며, 이로 인해 특정 주파수 대역이 다른 대역보다 특정 목적에 더 유용하게 쓰인다. 실용적인 무선 시스템은 통신을 위해 주로 세 가지 다른 전파 기술을 사용한다.
 가시선 전파: 이는 송신 안테나에서 수신 안테나까지 직선으로 이동하는 전파를 말한다. 반드시 탁 트인 시야 경로가 필요한 것은 아니다. 낮은 진동수에서 전파는 건물, 잎사귀 및 기타 장애물을 통과할 수 있다. 이는 30 MHz 이상의 진동수에서 가능한 유일한 전파 방법이다. 지구 표면에서 가시선 전파는 시각적 지평선에 의해 약 64 km(40 mi)로 제한된다. 이는 휴대폰, FM 방송, 텔레비전 방송 및 레이더에서 사용되는 방법이다. 마이크로파 빔을 전송하기 위해 접시형 안테나를 사용함으로써, 지점 간 마이크로파 중계 링크는 전화 및 텔레비전 신호를 시각 지평선까지 장거리 전송한다. 지상국은 지구에서 수십억 마일 떨어진 위성 및 우주선과 통신할 수 있다.
 간접 전파: 전파는 회절과 반사에 의해 가시선 너머의 지점에 도달할 수 있다. 회절은 전파가 건물의 모서리, 차량 또는 복도의 굽은 곳과 같은 장애물 주위로 휘어지게 한다. 전파는 또한 벽, 바닥, 천장, 차량 및 지면과 같은 표면에서 부분적으로 반사된다. 이러한 전파 방법은 휴대폰, 무선 전화기, 워키토키 및 무선망과 같은 단거리 무선 통신 시스템에서 발생한다. 이 방식의 단점은 전파가 송신 안테나에서 수신 안테나까지 여러 경로를 통해 이동하는 다경로 전파이다. 파동들이 간섭하여 종종 페이딩 및 기타 수신 문제를 일으킨다.
 표면파: 중파 및 장파 대역인 2 MHz 이하의 낮은 진동수에서는 회절로 인해 수직 편광된 전파가 언덕과 산 너머로 휘어지고 지평선 너머로 전파되어 지구의 곡선을 따르는 표면파로 이동할 수 있다. 이를 통해 중파 및 장파 방송국은 지평선 너머 수백 마일까지 도달 범위를 가질 수 있다. 표면파는 지표면에 의해 점차 흡수되므로 파동의 전력 밀도는 송신 안테나로부터의 거리에 따라 기하급수적으로 감소하여 수신 범위를 제한한다. 진동수가 낮아질수록 손실은 줄어들고 도달 가능한 범위는 늘어난다. 군용 초저주파(VLF) 및 극저주파(ELF) 통신 시스템은 지구 대부분의 지역에서 통신할 수 있다. VLF 및 ELF 전파는 수백 미터 깊이의 물도 통과할 수 있으므로 잠수함과의 통신에 사용된다.
 공중파: 중파 및 단파 파장에서 전파는 전리층이라 불리는 대기 부분의 전하를 띤 입자(이온) 층에서 반사된다. 따라서 하늘을 향해 비스듬히 발사된 전파는 지평선 너머의 지구로 돌아올 수 있으며, 이를 "스킵(skip)" 또는 "공중파" 전파라고 한다. 여러 번의 스킵을 사용하면 대륙 간 거리의 통신이 가능하다. 공중파 전파는 가변적이며 대기 상태에 따라 달라진다. 밤과 겨울에 가장 신뢰성이 높다. 20세기 전반기에 널리 사용되었으나, 신뢰성이 낮아 현재 공중파 통신은 대부분 폐기되었다. 남은 용도는 군용 초지평선 레이더(OTH) 시스템, 일부 자동화 시스템, 아마추어 무선사, 그리고 타국으로 방송하는 단파 방송국들이다.
마이크로파 진동수에서는 대기 가스가 전파를 흡수하기 시작하므로 실용적인 무선 통신 시스템의 범위는 진동수가 높아짐에 따라 감소한다. 약 20 GHz 이하에서 대기 감쇠는 주로 수증기에 의해 발생한다. 20 GHz 이상의 밀리미터파 대역에서는 다른 대기 가스가 파동을 흡수하기 시작하여 실용적인 전송 거리를 1km 이하로 제한한다. 300 GHz 이상의 테라헤르츠파 대역에서는 거의 모든 전력이 수 미터 내에 흡수되므로 대기는 사실상 불투명하다.

 무선 통신 

무선 통신 시스템에서 정보는 전파를 사용하여 공간을 가로질러 운반된다. 송신 측에서 전송할 정보는 시간적으로 변하는 전기 신호의 형태로 송신기에 가해진다. 변조 신호라고 불리는 이 정보는 마이크로폰에서 나오는 소리를 나타내는 오디오 신호, 비디오 카메라에서 나오는 움직이는 이미지를 나타내는 비디오 신호, 또는 컴퓨터에서 나오는 데이터를 나타내는 디지털 신호일 수 있다. 송신기 내부의 전자 발진기는 전파를 생성하여 정보를 공중에 실어 나르는 "반송파" 역할을 하는 무선주파수로 진동하는 교류를 생성한다. 정보 신호는 반송파를 변조하여 반송파의 일부 측면을 변경함으로써 반송파에 정보를 인코딩하는 데 사용된다. 변조된 반송파는 증폭되어 안테나에 가해진다. 진동하는 전류는 안테나의 전자를 앞뒤로 밀어내어 진동하는 전기장과 자기장을 생성하고, 이 에너지를 안테나로부터 전파로서 방사한다. 전파는 수신기 위치로 정보를 운반한다.

수신기에서 들어오는 전파의 진동하는 전기장과 자기장은 수신 안테나의 전자를 앞뒤로 밀어내어, 송신 안테나 전류의 약한 복제본인 미세한 진동 전압을 생성한다. 이 전압은 수신기에 가해져 정보 신호를 추출한다. 수신기는 먼저 대역 통과 필터를 사용하여 안테나에 수신된 다른 모든 무선 신호로부터 원하는 무선국의 무선 신호를 분리한 다음, 신호를 더 강하게 증폭하고 마지막으로 복조기에서 정보를 담고 있는 변조 신호를 추출한다. 복구된 신호는 스피커나 이어폰으로 보내져 소리를 내거나, 텔레비전 화면으로 보내져 가시적인 이미지를 생성하거나 기타 장치로 보내진다. 디지털 데이터 신호는 컴퓨터나 마이크로프로세서에 가해져 인간 사용자와 상호작용한다.

많은 송신기에서 나온 전파는 서로 간섭하지 않고 동시에 공중을 통과한다. 각 송신기의 전파가 서로 다른 속도로 진동하기 때문에 수신기에서 분리될 수 있다. 즉, 각 송신기는 킬로헤르츠(kHz), 메가헤르츠(MHz) 또는 기가헤르츠(GHz) 단위로 측정되는 서로 다른 진동수를 가진다. 수신기의 대역 통과 필터는 소리굽쇠와 유사하게 공명기 역할을 하는 하나 이상의 동조 회로로 구성된다. 동조 회로는 진동하는 고유한 공진 주파수를 가지고 있다. 공진 주파수는 원하는 방송국의 진동수와 같게 설정된다. 원하는 방송국에서 온 진동하는 무선 신호는 동조 회로가 공명하여 진동하게 만들고, 이 신호를 수신기의 나머지 부분으로 전달한다. 다른 진동수의 무선 신호는 동조 회로에 의해 차단되어 전달되지 않는다.

 생물학적 및 환경적 영향 

전파는 비이온화 방사선으로, 이는 원자나 분자에서 전자를 분리하여 이온화시키거나 화학 결합을 끊어 화학 반응이나 DNA 손상을 일으킬 만큼의 충분한 에너지가 없음을 의미한다. 물질이 전파를 흡수할 때 나타나는 주요 효과는 온열기나 장작불과 같은 열원에서 방출되는 적외선과 유사하게 물질을 가열하는 것이다. 파동의 진동하는 전기장은 극성 분자를 앞뒤로 진동시켜 온도를 높이며, 이것이 전자레인지가 음식을 익히는 원리이다. 전파는 혈류 증가와 치유를 촉진하기 위해 신체 조직을 깊숙이 가열하는 심부 가열 의료 치료법으로 100년 동안 인체에 적용되어 왔다. 최근에는 온열 요법에서 더 높은 온도를 만들어 암세포를 죽이는 데 사용되기도 한다.

하지만 주로 물체의 표면에서 흡수되어 표면 가열을 일으키는 적외선과 달리, 전파는 표면을 뚫고 들어가 재료와 생물학적 조직 내부로 에너지를 전달할 수 있다. 전파가 침투하는 깊이는 진동수가 높아질수록 감소하며, 물질의 비저항과 유전율에도 의존한다. 이는 에너지의 63%가 전달되는 깊이인 물질의 표피 깊이라는 파라미터로 주어진다. 예를 들어, 전자레인지의 2.45 GHz 전파(마이크로파)는 대부분의 음식물에 약  깊이로 침투한다.
섬네일|전파 위험 기호 

작동 중인 무선 송신기의 도파관과 같이 가까운 거리에서 전파 발생원을 들여다보는 것은 가열로 인해 수정체에 손상을 줄 수 있다. 충분히 강한 전파 빔은 눈을 관통하여 수정체를 가열해 백내장을 유발할 수 있다.

가열 효과는 원칙적으로 다른 열원과 다르지 않기 때문에, 전파 노출의 잠재적 건강 위험에 대한 대부분의 연구는 "비열적" 효과, 즉 가열로 인한 영향 이외에 전파가 조직에 미치는 영향에 초점을 맞추어 왔다. 무선주파수 전자기장은 국제 암 연구 기관(IARC)에 의해 인간과 동물에게 미치는 영향에 대해 "제한된 근거"가 있는 것으로 분류되었다. 휴대폰의 RF-EMF 개인 노출을 통한 암 위험에 대해서는 메커니즘적 근거가 약하다.

전파는 전도성 금속판이나 스크린으로 차단될 수 있으며, 이러한 판이나 스크린으로 만든 인클로저를 패러데이 새장이라고 한다. 금속 스크린은 스크린의 구멍이 파동 파장의 약 보다 작으면 단단한 판과 마찬가지로 전파를 차단한다.

 측정 
무선주파수 복사는 전기적 성분과 자기적 성분을 모두 가지고 있으므로, 각 성분에 특정한 단위로 복사장의 강도를 표현하는 것이 편리한 경우가 많다. 전기적 성분에는 미터당 볼트(V/m) 단위가 사용되고, 자기적 성분에는 미터당 암페어(A/m) 단위가 사용된다. 전자기장에 대해 논할 때, 이러한 단위는 측정 위치에서의 전기장 및 자기 전계 강도 수준에 대한 정보를 제공하는 데 사용된다.

RF 전자기장의 특징을 나타내는 데 흔히 사용되는 또 다른 단위는 전력 밀도이다. 전력 밀도는 측정 지점이 RF 방출원으로부터 충분히 멀리 떨어져 복사 패턴의 원거리장 구역이라고 불리는 곳에 위치할 때 가장 정확하게 사용된다. 송신기에 더 가까운 곳, 즉 "근거리장" 구역에서는 장의 전기적 성분과 자기적 성분 사이의 물리적 관계가 복잡할 수 있으므로 위에 언급된 전계 강도 단위를 사용하는 것이 가장 좋다. 전력 밀도는 단위 면적당 전력으로 측정되며, 예를 들어 제곱센티미터당 밀리와트(mW/cm2) 단위를 사용한다. 마이크로파 대역 이상의 진동수를 다룰 때는 발생할 수 있는 노출이 원거리장 구역일 가능성이 높기 때문에 보통 전력 밀도를 사용하여 강도를 나타낸다.

 같이 보기 
 전파천문학

 각주 

 외부 링크 


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