방사 패턴

[thumb|right|upright=1.4|3차원 안테나 방사 패턴. 원점으로부터 모든 방향의 방사 거리는 해당 방향으로 방출되는 방사 강도를 나타낸다. 위는 [지향성 안테나|지향성 혼 안테나 패턴을, 아래는 단순한 수직 다이폴 안테나의 무지향성 패턴을 보여준다.]]

안테나의 **방사 패턴**(), **안테나 패턴** 또는 **원거리장 패턴**()은 안테나 또는 다른 소스에서 나오는 전파의 전계 강도 (때로는 위상)의 방향 (각도) 의존성을 말한다.

특히 광섬유, 레이저, 집적광학 분야에서 방사 패턴이라는 용어는 **[[근거리장과 원거리장|근거리장]] 패턴** 또는 **프레넬 패턴**의 동의어로 사용될 수도 있다. 이는 소스의 근거리장 또는 프레넬 영역에서 전자기장의 위치 의존성을 의미한다. 근거리장 패턴은 일반적으로 소스 앞에 놓인 평면 또는 소스를 둘러싸는 원통형 또는 구형 표면 위에 정의된다.

안테나의 원거리장 패턴은 안테나 측정소에서 실험적으로 결정하거나, 또는 근거리장 스캐너를 사용하여 근거리장 패턴을 찾은 다음 계산을 통해 방사 패턴을 추론할 수 있다. 원거리장 방사 패턴은 NEC와 같은 컴퓨터 프로그램으로 안테나 형상으로부터 계산할 수도 있다. HFSS와 같은 다른 소프트웨어도 근거리장을 계산할 수 있다.

원거리장 방사 패턴은 일정한 (큰) 반경에서의 강도 (**진폭 패턴** 또는 **전계 패턴**), 단위 입체각당 전력 (**전력 패턴**), 그리고 지향성 이득 (**이득 패턴**)과 같이 여러 관련 변수 중 하나를 플롯하여 그래픽으로 나타낼 수 있다. 종종 안테나 조준선의 진폭 또는 총 방사 전력에 정규화된 상대적 진폭만을 플롯한다. 플롯된 양은 선형 스케일 또는 dB로 표시될 수 있다. 이 플롯은 일반적으로 3차원 그래프 (오른쪽과 같이) 또는 수직 평면과 수평 평면의 별도 그래프로 표시된다. 이를 종종 **극좌표 다이어그램**이라고 한다.

## 상호성
[thumb|무지향성 안테나인 수직 [반파장 다이폴의 방사 패턴. 수평 및 수직 극성 패턴은 3차원 패턴을 각각 수평 및 수직 평면에 투영한 것이다. 무지향성 안테나는 모든 수평 방향으로 동일한 신호 강도를 방사하므로 수평 패턴은 단순히 원이다.]]
수신에 사용될 때 안테나의 **수신 패턴** (방향에 따른 감도)이 송신에 사용될 때 안테나의 원거리장 방사 패턴과 동일하다는 것은 안테나의 기본적인 속성이다. 이것은 전자기학의 상호성 정리의 결과이며 아래에 증명된다. 따라서 방사 패턴에 대한 논의에서 안테나는 송신 또는 수신 중 더 편리한 것으로 볼 수 있다.

상호성에는 한계가 있다. 이는 수동 안테나 요소에만 적용된다. 증폭기 또는 기타 개별적으로 전원이 공급되는 구성 요소를 포함하는 능동 안테나는 상호적이지 않다. 그리고 안테나가 전적으로 수동 요소로 구성된 경우에도 상호성은 안테나가 방출하고 차단하는 파동에만 적용된다. 상호성은 차단된 파동에 의해 생성되는 안테나의 다양한 부분의 전류 분포나 방출된 파동을 생성하는 전류에는 적용되지 않는다. 안테나 전류 프로파일은 일반적으로 수신과 송신에 따라 다르다. 원거리장의 파동이 동일한 경로를 따라 안팎으로 방사되고, 동일한 전체 패턴을 가지며, 방향만 반대일지라도 말이다.

## 일반적인 패턴
[thumb|일반적인 극좌표 방사 플롯. 대부분의 안테나는 "로브" 또는 방사 최대값 패턴을 보여준다. 여기에 표시된 [지향성 안테나에서 원하는 전파 방향의 가장 큰 로브를 "주 로브"라고 한다. 다른 로브는 "측엽"이라고 불리며 일반적으로 원치 않는 방향으로의 방사를 나타낸다.]]

전자기파는 다이폴 복사이므로 모든 방향으로 일관되게 동일하게 방사하는 안테나를 만드는 것은 불가능하지만, 그러한 가상의 등방성 안테나는 안테나 이득을 계산하기 위한 기준으로 사용된다.

가장 단순한 안테나인 모노폴 안테나와 다이폴 안테나는 공통 축을 따라 하나 또는 두 개의 직선 금속 막대로 구성된다. 이들 축대칭 안테나는 유사한 대칭성을 가진 방사 패턴을 가지며, 이를 무지향성 패턴이라고 한다. 이들은 안테나에 수직인 모든 방향으로 동일한 전력을 방사하며, 전력은 축에 대한 각도에 따라 변하고 안테나 축에서는 0으로 감소한다. 이는 안테나의 형태가 대칭이면 방사 패턴도 동일한 대칭성을 가질 것이라는 일반적인 원리를 보여준다.

대부분의 안테나에서 안테나의 다른 부분에서 나오는 방사선은 특정 각도에서 간섭한다. 안테나의 방사 패턴은 간섭 무늬로 간주될 수 있다. 이는 다른 부분에서 오는 전파가 위상 반대로 도달하는 특정 각도에서 최소 또는 제로 방사를 초래하고, 전파가 동위상으로 도달하는 다른 각도에서 국부 최대 방사를 초래한다. 따라서 대부분의 안테나의 방사 플롯은 방사가 0이 되는 "널"로 분리된 다양한 각도에서 "로브"라고 불리는 최대값 패턴을 보여준다. 안테나가 파장에 비해 클수록 로브의 수가 많아진다.
thumb|right|극좌표 플롯에 대한 대체 표현 방법인 직사각형 방사 플롯

무선파를 특정 방향으로 방출하는 것이 목표인 지향성 안테나에서는 안테나가 원하는 방향으로 향하는 로브에 대부분의 전력을 방사하도록 설계된다. 따라서 방사 플롯에서 이 로브는 다른 로브보다 크게 나타나며, 이를 "주 로브"라고 한다. 주 로브의 중심을 통과하는 최대 방사 축을 "빔 축" 또는 "안테나 조준선"이라고 한다. 분할 빔 안테나와 같은 일부 안테나에서는 두 개 이상의 주요 로브가 존재할 수 있다. 주 로브 외에 다른 방향으로의 원치 않는 방사를 나타내는 다른 로브를 부 로브라고 한다. 주 로브에 대해 각도를 이루는 부 로브를 "측엽"이라고 한다. 주 로브와 반대 방향 (180°)의 부 로브를 "후방 로브"라고 한다.

마이너 로브는 일반적으로 원치 않는 방향으로의 방사를 나타내므로, 지향성 안테나에서 설계 목표는 일반적으로 마이너 로브를 줄이는 것이다. 사이드 로브는 일반적으로 마이너 로브 중 가장 크다. 마이너 로브의 수준은 일반적으로 해당 로브의 전력 밀도와 주요 로브의 전력 밀도 비율로 표현된다. 이 비율을 종종 사이드 로브 비율 또는 사이드 로브 수준이라고 한다. −20dB 이상의 사이드 로브 수준은 많은 응용 분야에서 일반적으로 바람직하지 않다. −30dB보다 작은 사이드 로브 수준을 달성하려면 일반적으로 매우 신중한 설계 및 제작이 필요하다. 예를 들어, 대부분의 레이더 시스템에서 낮은 사이드 로브 비율은 사이드 로브를 통한 오탐지 표시를 최소화하는 데 매우 중요하다.

## 상호성 증명

완전한 증명은 상호 정리 (전자기학) 문서를 참조하시오. 여기서는 균일한 매질에서 안테나 크기에 비해 큰 거리에 의해 분리된 두 안테나의 근사치에 한정된 일반적인 간단한 증명을 제시한다. 첫 번째 안테나는 패턴을 조사할 시험 안테나이며, 이 안테나는 어떤 방향으로든 자유롭게 향할 수 있다. 두 번째 안테나는 기준 안테나이며, 첫 번째 안테나를 향해 고정적으로 향한다.

각 안테나는 특정 소스 임피던스를 갖는 송신기와 동일한 입력 임피던스를 갖는 수신기에 번갈아 연결된다 (두 안테나 간에 임피던스가 다를 수 있음).

두 안테나가 충분히 멀리 떨어져 있어 송신 안테나의 특성이 수신 안테나에 의해 가해지는 부하에 영향을 받지 않는다고 가정한다. 따라서 송신기에서 수신기로 전달되는 전력량은 두 가지 독립적인 요소의 곱으로 표현될 수 있다. 하나는 송신 안테나의 지향성 특성에 따라 달라지고, 다른 하나는 수신 안테나의 지향성 특성에 따라 달라진다.

송신 안테나의 경우 이득 G의 정의에 따라 안테나로부터 거리 r에서의 방사 전력 밀도 (즉, 단위 면적을 통과하는 전력)는 다음과 같다.

:\mathrm{W}(\theta,\Phi) = \frac{\mathrm{G}(\theta,\Phi)}{4 \pi r^{2}} P_{t}.

여기서 각도 \theta와 \Phi는 안테나로부터의 방향에 대한 의존성을 나타내고, P_{t}는 송신기가 매치 부하에 공급할 전력을 나타낸다. 이득 G는 세 가지 요소로 나눌 수 있다. 안테나 이득 (전력의 방향 재분배), 방사 효율 (안테나의 옴 손실 설명), 마지막으로 안테나와 송신기 간의 불일치로 인한 손실이다. 엄밀히 말하면 불일치를 포함하려면 **실현 이득**이라고 불러야 하지만, 이는 일반적인 용어는 아니다.

수신 안테나의 경우 수신기로 전달되는 전력은 다음과 같다.

:P_{r} = \mathrm{A}(\theta,\Phi) W\,.

여기서 W는 입사 방사의 전력 밀도이고, A는 안테나 개구 면적 또는 안테나의 유효 면적(관찰된 포획 전력을 차단하기 위해 안테나가 차지해야 할 면적)이다. 방향 인수는 이제 수신 안테나에 상대적이며, 다시 A는 옴 손실과 불일치 손실을 포함하는 것으로 간주된다.

이러한 식들을 종합하면 송신기에서 수신기로 전달되는 전력은 다음과 같다.

:P_{r} = A \frac{G}{4 \pi r^{2}} P_{t},

여기서 G와 A는 각각 송신 안테나와 수신 안테나의 방향에 의존하는 특성이다. 기준 안테나(2)에서 시험 안테나(1)로의 전송의 경우

:P_{1r} = \mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi) \frac{G_{2}}{4 \pi r^{2}} P_{2t},

반대 방향으로의 전송의 경우

:P_{2r} = A_{2} \frac{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)}{4 \pi r^{2}} P_{1t}.

여기서 안테나 2의 이득 G_{2}와 유효 면적 A_{2}는 고정되어 있는데, 이 안테나의 방향이 첫 번째 안테나에 대해 고정되어 있기 때문이다.

이제 안테나의 특정 배치에 대해 상호성 정리는 각 방향으로의 전력 전달이 동일하게 효율적이어야 한다고 요구한다. 즉,

:\frac{P_{1r}}{P_{2t}} = \frac{P_{2r}}{P_{1t}},

따라서

:\frac{\mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi)}{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)} = \frac{A_{2}}{G_{2}}.

그러나 이 방정식의 우변은 고정되어 있으며 (안테나 2의 방향이 고정되어 있기 때문에), 따라서

:\frac{\mathrm{A_{1}}(\theta,\Phi)}{\mathrm{G_{1}}(\theta,\Phi)} = \mathrm{constant},

즉, (수신) 유효 개구와 (송신) 이득의 방향 의존성은 동일하다 (QED). 더욱이 비례 상수는 안테나의 종류에 관계없이 동일하므로 모든 안테나에 대해 동일해야 한다. 특정 안테나(예: 헤르츠 다이폴)의 분석은 이 상수가 \frac{\lambda^{2}}{4\pi}임을 보여주며, 여기서 \lambda는 자유 공간 파장이다. 따라서 모든 안테나에 대해 이득과 유효 개구는 다음과 같이 관련된다.

:\mathrm{A}(\theta,\Phi) = \frac{\lambda^{2} \mathrm{G}(\theta,\Phi)}{4 \pi}.

수신 안테나의 경우에도 유효 개구를 지정하는 것보다 이득을 명시하는 것이 더 일반적이다. 따라서 수신기로 전달되는 전력은 일반적으로 다음과 같이 작성된다.

:P_{r} = \frac{\lambda^{2} G_{r} G_{t}}{(4 \pi r)^{2}} P_{t}

(링크 버짓 참조). 그러나 유효 개구는 안테나의 실제 물리적 크기와 비교하는 데 관심이 있다.

### 실제적 결과
* 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수신 안테나의 패턴을 결정할 때, 가능한 모든 입사 각도에 대해 계산을 수행할 필요가 없다. 대신, 안테나의 방사 패턴은 단일 시뮬레이션을 통해 결정되며, 상호성에 의해 수신 패턴이 추론된다.
* 측정을 통해 안테나의 패턴을 결정할 때, 안테나는 더 편리한 쪽으로 수신 또는 송신할 수 있다.
* 실제 안테나의 경우 사이드 로브 레벨이 최소여야 하며, 최대 지향성을 가져야 한다.

## 같이 보기
* 안테나 모델링
* E-평면 및 H-평면

## 각주


## 외부 링크
* Understanding and Using Antenna Radiation Patterns By Joseph H. Reisert
* Explanation of the term “Two-Way beamwidth”

분류:섬유광학