반사 배열 안테나

섬네일|초기 미 육군 레이더 시스템인 SCR-270 레이더의 반사 배열 '빌보드' 안테나.  높이의 스크린 반사기 앞에 32개의 수평 반파 다이폴이 장착되어 있다. 106 MHz의 작동 주파수와 의 파장을 가진 이 거대한 안테나는 적 항공기를 탐지하기에 충분히 좁은 빔폭을 생성해야 했다.

전기 통신 및 레이더에서 반사 배열 안테나()는 여러 구동 소자가 원하는 방향으로 전파를 반사하도록 설계된 평평한 표면 앞에 장착되는 지향성 안테나 종류이다. 이들은 배열 안테나의 한 유형이다. 주로 초단파 및 극초단파 주파수 대역에서 사용된다. VHF 예시는 일반적으로 크고 고속도로 간판처럼 생겼기 때문에 때로는 빌보드 안테나()라고도 불린다. 안테나를 구성하는 소자의 종류에 따라 침대 스프링 배열() 및 나비 넥타이 배열()이라고도 한다. 커튼 배열은 단파 라디오 방송국에서 사용하는 더 큰 버전이다.

반사 배열 안테나는 일반적으로 평평하고 전기적으로 큰 반사 표면 앞에 동일한 구동 소자가 여러 개 동위상으로 급전되어 단방향 전파 빔을 생성하고, 안테나 이득을 높이며 원치 않는 방향으로의 방사를 줄인다. 사용되는 소자의 수가 많을수록 이득이 높아지고, 빔은 더 좁아지며, 측엽은 작아진다. 개별 소자는 대부분 반파 다이폴이지만, 때로는 구동 소자뿐만 아니라 기생 소자도 포함한다. 반사기는 금속판일 수도 있고, 더 일반적으로는 와이어 스크린일 수 있다. 금속 스크린은 스크린의 구멍이 파장의 약 1/10보다 작으면 단단한 금속판만큼 전파를 잘 반사하므로, 안테나의 무게와 풍하중을 줄이기 위해 종종 스크린이 사용된다. 이들은 일반적으로 다이폴 소자의 축과 평행하게 정렬된 평행선 또는 막대 격자로 구성된다.

구동 소자는 RF 소스에서 나오는 전력을 소자들 사이에 균등하게 분배하는 전송선로 네트워크에 의해 급전된다. 이 네트워크는 종종 나무 구조의 회로 기하학적 구조를 갖는다.

 기본 개념 
 전파 신호 
전파 신호가 도체를 통과하면 도체에 전류를 유도한다. 전파 신호는 공간을 채우고 도체는 유한한 크기를 가지므로 유도 전류는 도체를 따라 이동하면서 합쳐지거나 상쇄된다. 안테나 설계의 기본적인 목표는 에너지가 추출되는 지점에서 전류가 최대로 합쳐지도록 하는 것이다. 이를 위해 안테나 소자는 전파 신호의 파장에 맞춰 크기가 조정되며, 급전 지점에서 최대화되는 전류의 정상파를 설정하는 것을 목표로 한다.

이는 특정 파장을 수신하도록 설계된 안테나가 자연적인 크기를 갖는다는 것을 의미한다. 수신을 개선하기 위해 단순히 안테나를 더 크게 만들 수는 없다. 이렇게 하면 안테나에 의해 포착되는 신호의 양은 증가하지만(주로 면적의 함수), 수신 효율(주어진 파장에서)은 낮아진다. 따라서 수신을 개선하기 위해 안테나 설계자는 종종 여러 소자를 사용하여 신호가 합쳐지도록 결합한다. 이를 안테나 배열이라고 한다.

 배열 위상 조정 
신호가 합쳐지기 위해서는 동위상으로 도달해야 한다. 두 개의 다이폴 안테나가 일렬로 나란히 또는 동축으로 배치된 경우를 생각해 보자. 결과 배열이 신호 소스를 직접 향하면 두 다이폴은 동일한 순간 신호를 보게 되므로 수신은 동위상이 된다. 그러나 안테나를 신호에 대해 각도를 이루도록 회전시키면 신호에서 더 멀리 있는 다이폴로 가는 추가 경로 때문에 신호를 약간 위상이 어긋나게 수신한다. 두 신호가 합쳐지면 더 이상 서로 엄격하게 보강되지 않고 출력이 떨어진다. 이는 배열을 수평으로 더 민감하게 만들고, 다이폴을 병렬로 쌓으면 패턴이 수직으로 좁아진다. 이를 통해 설계자는 소자를 움직여 수신 패턴을 조정하고 안테나 이득을 조절할 수 있다.

안테나가 신호에 제대로 정렬되면 어떤 순간이든 배열의 모든 소자는 동일한 신호를 수신하고 동위상이 된다. 그러나 각 소자의 출력은 하나의 급전 지점에서 수집되어야 하며, 신호가 안테나를 가로질러 그 지점으로 이동함에 따라 위상이 변한다. 2소자 배열에서는 급전 지점을 그들 사이에 놓을 수 있기 때문에 문제가 되지 않는다. 전송선로에서 발생하는 위상 변화는 두 소자에 대해 동일하기 때문이다. 그러나 이것을 4소자 배열로 확장하면 이 접근 방식은 더 이상 작동하지 않는다. 바깥쪽 쌍의 신호는 더 멀리 이동해야 하므로 중앙에 도달할 때 안쪽 쌍과 다른 위상을 갖게 되기 때문이다. 모든 신호가 동일한 위상으로 도착하도록 하기 위해 신호 경로에 추가 전송선이 삽입되거나, 차이가 파장의 보다 크면 전송선을 교차시켜 위상을 반전시키는 것이 일반적이다.

 반사기 
이득은 반사기를 추가함으로써 더욱 향상될 수 있다. 일반적으로 평평한 판 형태의 모든 도체는 전파 신호에 대해 거울처럼 작동하지만, 도체 사이의 간격이 목표 파장의 약 보다 작으면 비연속적인 표면에도 마찬가지로 적용된다. 이는 와이어 메쉬 또는 심지어 평행선이나 금속 막대를 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 재료의 총량을 줄이고 풍하중을 줄이는 데 특히 유용하다.

반사 시 신호 전파 방향의 변화로 인해 신호는 위상 반전을 겪는다. 반사기가 출력 신호에 추가되려면 소자에 동위상으로 도달해야 한다. 일반적으로 이를 위해서는 반사기가 소자 뒤에 파장의  지점에 배치되어야 하며, 이는 텔레비전 안테나와 같은 많은 일반적인 반사기 배열에서 볼 수 있다. 그러나 이 거리를 변경할 수 있는 여러 요소가 있으며 실제 반사기 위치는 다양하다.

반사기는 또한 안테나 후면에서 수신되는 신호를 줄이는 장점이 있다. 후면에서 수신되어 반사기에서 재방사되는 신호는 위상 변화를 겪지 않았으므로 전면 신호에 추가되지 않는다. 이는 안테나의 전후방비를 크게 향상시켜 지향성을 높인다. 이는 더 지향적인 신호가 필요하거나 원치 않는 신호가 존재할 때 유용할 수 있다. 바람직하지 않은 경우도 있으며, 반사기는 배열 안테나에서 흔히 볼 수 있지만 보편적이지는 않다. 예를 들어, UHF 텔레비전 안테나는 종종 반사기가 있는 나비 넥타이 안테나 배열을 사용하지만, 반사기가 없는 나비 넥타이 배열은 마이크로파 영역에서 비교적 일반적인 설계이다.

 이득 제한 
배열에 소자가 추가될수록 안테나 주엽의 빔폭이 감소하여 이득이 증가한다. 이론적으로 이 과정에는 제한이 없다. 그러나 소자의 수가 증가함에 따라 신호를 동위상으로 유지하는 데 필요한 급전 네트워크의 복잡성이 증가한다. 궁극적으로 급전 네트워크의 내재적 손실이 증가하면서 더 많은 소자로 달성되는 추가 이득보다 커져 최대 달성 가능한 이득이 제한된다.

섬네일|이득 표준으로 사용되는 1파장 정사각형 반사기 앞에 있는 2소자 다이폴 배열실제 배열 안테나의 이득은 약 25~30 dB로 제한된다. 반파장 간격으로 떨어진 두 개의 반파 소자와 반사 스크린에서 1/4 파장 떨어진 소자는 설계 주파수에서 약 9.8 dBi의 표준 이득 안테나로 사용되었다. 일반적인 4베이 텔레비전 안테나는 약 10~12 dB의 이득을 가지며, 8베이 설계는 이를 12~16 dB로 증가시킬 수 있다. 32소자 SCR-270은 약 19.8 dB의 이득을 가졌다. 일부 매우 큰 반사 배열이 건설되었는데, 특히 수백 미터(야드)에 걸쳐 수백 개의 소자를 포함하는 소련의 두가 레이더가 그러하다. 그룹별로 별도의 RF 증폭기에 의해 구동되는 능동 배열 안테나는 훨씬 더 높은 이득을 가질 수 있지만 비용이 엄청나게 많이 든다.

1980년대부터 마이크로파 주파수에서 사용되는 버전은 금속 표면 앞에 장착된 패치 안테나 소자로 만들어졌다.

 방사 패턴 및 빔 조향 
동위상으로 구동될 때 반사 배열의 방사 패턴은 안테나 평면에 수직인 단일 주엽과 양쪽에 동일한 각도로 여러 개의 측엽으로 구성된다. 더 많은 소자가 사용될수록 주엽은 더 좁아지고 측엽으로 방사되는 전력은 줄어든다.

안테나의 주엽은 개별 소자에 적용되는 구동 신호를 위상 편이시킴으로써 제한된 각도 내에서 전자적으로 조향될 수 있다. 각 안테나 소자는 디지털로 제어할 수 있는 위상 변환기를 통해 급전되며, 각 신호를 연속적으로 지연시킨다. 이로 인해 개별 소자의 중첩으로 생성된 파면이 안테나 평면에 대해 각도를 이루게 된다. 이 기술을 사용하는 안테나를 위상 배열이라고 하며 현대 레이더 시스템에서 자주 사용된다.

빔을 조향하는 또 다른 옵션은 전체 안테나 구조를 회전 플랫폼에 장착하고 기계적으로 회전시키는 것이다.

 사진 

 같이 보기 
 마스 큐브 원: 반사 배열 안테나를 사용한 2018년 우주선 설계

 각주 

분류:안테나