안테나 배열

안테나 배열, 안테나 어레이(antenna array) 또는 배열 안테나는 여러 개의 연결된 안테나가 하나의 안테나처럼 함께 작동하여 전파를 송수신하는 장치이다.^[1]:p.149[2] 개별 안테나(요소라고 함)는 일반적으로 특정 위상 관계에 따라 요소에 전력을 공급하는 급전선을 통해 단일 수신기 또는 송신기에 연결된다. 각 개별 안테나에서 방출되는 전파는 결합되어 중첩되며, 원하는 방향으로 방출되는 전력을 강화하기 위해 합쳐지고(보강간섭), 다른 방향으로 방출되는 전력을 줄이기 위해 상쇄된다(상쇄간섭). 마찬가지로 수신에 사용될 때 개별 안테나의 개별 무선 주파수 전류는 수신기에서 올바른 위상 관계로 결합되어 원하는 방향에서 수신된 신호를 강화하고 원치 않는 방향에서 오는 신호를 상쇄한다. 더 정교한 배열 안테나는 여러 개의 송신기 또는 수신기 모듈을 가질 수 있으며, 각 모듈은 별도의 안테나 요소 또는 요소 그룹에 연결된다.

일반적인 반사 배열 안테나 UHF 텔레비전 안테나 유형인 배열 안테나. 이 예시는 와이어 스크린 반사기 앞에 장착된 8개의 다이폴 급전부로 구성된다. X자형 다이폴은 VHF(174~216MHz) 및 UHF(470~700MHz) TV 대역을 모두 커버할 수 있는 넓은 대역폭을 제공한다. 이 안테나는 VHF 5dB 및 UHF 12dB의 이득과 18dB의 전후방 비율을 갖는다.

러시아 이동식 방공 레이더 네보-M의 대형 평면 VHF 위상배열 안테나. 175개의 접힌 쌍극자 안테나로 구성된다. 초기 위상배열 안테나로, 수직 팬형 빔을 방사하여 안테나 앞 공역을 수평으로 스캔할 수 있었다.

안테나 배열은 단일 요소로 달성할 수 있는 것보다 더 높은 이득(지향성), 즉 더 좁은 전파 빔을 달성할 수 있다. 일반적으로 사용되는 개별 안테나 요소의 수가 많을수록 이득이 높아지고 빔이 좁아진다. 일부 안테나 배열(군용 위상배열 레이더와 같은)은 수천 개의 개별 안테나로 구성된다. 배열은 더 높은 이득을 달성하고, 통신 신뢰도를 높이는 다이버시티(MIMO라고도 함)^[3]를 제공하고, 특정 방향에서 오는 간섭을 제거하고, 전파 빔을 전자적으로 조종하여 다른 방향을 가리키게 하며, 무선 방향 탐지에 사용될 수 있다.^[4]

안테나 배열이라는 용어는 일반적으로 수신기 또는 송신기에 연결된 여러 개의 동일한 급전부로 구성된 구동 배열을 의미한다. 기생 배열은 급전선에 연결된 단일 구동 요소와 기생 요소라고 불리는 다른 요소들로 구성된다. 이는 일반적으로 야기 안테나의 다른 이름이다.

위상배열은 일반적으로 전자 스캔 배열을 의미한다. 즉, 각 개별 요소가 컴퓨터로 제어되는 위상 변환기를 통해 송신기 또는 수신기에 연결된 구동 배열 안테나이다. 전파 빔은 안테나를 움직이지 않고도 넓은 각도에 걸쳐 어떤 방향으로든 즉시 전자적으로 조종될 수 있다. 그러나 "위상배열"이라는 용어는 때때로 일반 배열 안테나를 의미하는 데 사용되기도 한다.^[4]

원리

레일리 기준에 따르면 안테나의 지향성, 즉 방출하는 전파 빔의 각도 폭은 전파의 파장을 안테나의 폭으로 나눈 값에 비례한다. 쿼터 파장 안테나 및 하프 파장 다이폴과 같이 파장 정도 크기의 작은 안테나는 이득이 많지 않다. 즉, 넓은 각도로 전파를 방출하는 무지향성 안테나이다. 전파를 좁은 빔으로 방출하는 지향성 안테나(고 이득 안테나)를 만들기 위해서는 두 가지 일반적인 기술을 사용할 수 있다.^[5]:p.692

첫 번째 기술은 반사를 이용하는 것인데, 파라볼라 안테나나 혼 안테나와 같은 큰 금속 표면이나 유전체 렌즈에 의한 굴절을 이용하여 전파의 방향을 변경하고, 단일 저이득 안테나에서 나오는 전파를 빔으로 집중시키는 방식이다. 이 유형을 개구면 안테나라고 한다. 파라볼라 안테나는 이러한 유형의 안테나의 예시이다.

두 번째 기술은 동일한 송신기 또는 수신기에서 급전되는 여러 안테나를 사용하는 것으로, 이를 배열 안테나 또는 안테나 배열이라고 한다. 송신 안테나의 경우 특정 지점에서 수신되는 전자기파는 각 안테나 요소에서 나오는 전자기파의 벡터 합이다. 전류가 적절한 위상으로 안테나에 공급되면 간섭 현상으로 인해 개별 안테나에서 나오는 구형파가 배열 전면에서 결합(중첩)하여 평면파, 즉 특정 방향으로 진행하는 전파 빔을 생성한다. 개별 안테나에서 나오는 파동이 동위상으로 도달하는 방향에서는 파동이 합쳐져(보강간섭) 방출되는 전력을 강화한다. 개별 파동이 역위상으로 도달하는 방향에서는 한 파동의 정점이 다른 파동의 골과 일치하여 파동이 상쇄되어(상쇄간섭) 해당 방향으로 방출되는 전력이 감소한다. 마찬가지로 수신할 때 원하는 방향에서 수신된 전파로부터 개별 안테나가 수신하는 진동 전류는 동위상이며 수신기에서 결합될 때 서로 강화되는 반면, 다른 방향에서 수신된 전파로부터 오는 전류는 역위상이며 수신기에서 결합될 때 서로 상쇄된다.

이러한 안테나의 방사 패턴은 한 방향으로 강한 빔, 즉 주엽과 여러 약한 빔(서로 다른 각도로 측엽이라고 불림)으로 구성되며, 이는 일반적으로 원치 않는 방향으로의 잔류 복사를 나타낸다. 안테나의 폭이 넓고 구성 안테나 요소의 수가 많을수록 주엽은 좁아지고, 달성할 수 있는 이득은 높아지며, 측엽은 작아진다.

안테나 요소가 동위상으로 급전되는 배열은 브로드사이드 배열이다. 주엽은 요소 평면에 수직으로 방출된다.

가장 큰 배열 안테나는 전파천문학 분야에서 사용되는 전파 간섭계로, 대형 파라볼라 안테나로 구성된 여러 전파망원경이 함께 안테나 배열로 연결되어 더 높은 분해능을 달성한다. 개구 합성이라는 기술을 사용하면 이러한 배열은 안테나 사이의 거리에 해당하는 직경을 가진 안테나의 분해능을 가질 수 있다. 초장기선 간섭계 (VLBI)라는 기술에서는 여러 대륙의 접시 안테나가 연결되어 수천 마일 크기의 "배열 안테나"를 만들었다.

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  폴디드 다이폴의 VHF 콜리니어 안테나 배열
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  이동통신 기지국의 섹터 안테나 (흰색 막대). 평평한 팬형 빔을 방출하는 콜리니어 다이폴 배열.
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  제2차 세계 대전 중 사용된 SCR-270 레이더의 108MHz 반사 배열 안테나는 반사 스크린 앞에 32개의 반파장 다이폴 안테나로 구성된다.
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  알래스카의 미 공군 페이브 포스 위상배열 420–450MHz 탄도 미사일 탐지 레이더 안테나. 두 개의 원형 배열은 각각 2677개의 교차 다이폴 안테나로 구성된다.
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  PAVE PAWS 위상배열 안테나의 일부 교차 다이폴 요소, 왼쪽
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  배트윙 안테나 VHF 텔레비전 방송 안테나
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  교차 다이폴 FM 라디오 방송 안테나
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  오스트리아의 커튼 배열 안테나 단파 송신 안테나. 타워 사이에 매달린 와이어 다이폴.
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  위성 통신에 사용되는 턴스타일 안테나 배열
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  위성방송 수신용 평면 마이크로스트립 안테나 배열 안테나.
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  뉴멕시코주 소코로에 있는 27개의 접시형 안테나로 구성된 Y자형 배열의 초장기선 간섭계
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  연구 목적으로 3–10MHz 전파 3.6MW 빔을 전리층으로 송신할 수 있는 알래스카의 180개 교차 다이폴로 구성된 HAARP 위상배열
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  플룸르-보두에서 위성 추적 안테나로 사용되는 4개의 헬리컬 안테나 배열

종류

대부분의 배열 안테나는 구성 안테나 축이 방사 방향과 어떻게 관련되는지에 따라 두 가지 클래스로 나눌 수 있다.

• 브로드사이드 배열은 전파의 방사 방향(주엽)이 안테나 평면에 수직인 1차원 또는 2차원 배열이다. 수직으로 방사하기 위해서는 안테나가 동위상으로 급전되어야 한다.
• 엔드파이어 배열은 방사 방향이 안테나 라인을 따라 있는 선형 배열이다. 안테나는 인접한 안테나의 간격과 동일한 위상차로 급전되어야 한다.

위상배열과 같이 이 두 범주에 속하지 않는 배열도 있으며, 이 경우 방사 방향은 안테나 축에 대해 다른 각도를 이룬다.

배열 안테나는 요소 안테나의 배치 방식에 따라 분류할 수도 있다.

파나마의 원형 배치 안테나 배열 (CDAA)

• 구동 배열 – 개별 구성 안테나가 모두 "구동"되는 배열이다. 즉, 송신기 또는 수신기에 연결된다. 일반적으로 동일한 개별 안테나는 종종 하프 파장 다이폴과 같은 단일 구동 요소로 구성되지만, 야기 안테나 또는 턴스타일 안테나와 같은 복합 안테나일 수도 있다.
  • 콜리니어 안테나 배열 – 여러 개의 동일한 다이폴 안테나가 수직으로 한 줄로 배열된 브로드사이드 배열이다. 이는 텔레비전 방송국의 방송 안테나 및 육상 이동 무선 시스템의 기지국 안테나로 VHF 대역에서 자주 사용되는 고이득 무지향성 안테나이다.
    • 슈퍼 턴스타일 또는 배트윙 배열 – 여러 개의 교차 다이폴 안테나가 마스트에 콜리니어하게 장착된 텔레비전 방송용 특수 수직 안테나. 넓은 대역폭을 가진 고이득 무지향성 방사 패턴.
  • 원형 배치 안테나 배열 (CDAA) - 요소가 큰 원형으로 배열된 안테나 배열. CDAA는 공역 감시 및 방송 단속과 같은 잘못된 무선 신호의 방향 탐지 및 삼각측량에 사용된다. 이 인상적인 구조물의 외형 때문에 "코끼리 우리"라는 별명을 얻었다.
  • 평면 배열 – 평면 2차원 안테나 배열. 무지향성 안테나 배열은 안테나 양쪽 브로드사이드에서 180° 떨어진 두 개의 빔을 방사하므로, 일반적으로 평면 반사기 앞에 장착되거나 야기 안테나 또는 헬리컬 안테나와 같은 지향성 안테나로 구성되어 단방향 빔을 제공한다.
  • 반사 배열 안테나 – 금속판이나 와이어 스크린과 같은 평면 반사기 앞에 동위상으로 급전되는 여러 개의 안테나(종종 하프 파장 다이폴)로 구성된 평면 배열이다. 이는 배열에 수직(브로드사이드)으로 단일 전파 빔을 방사한다. UHF 텔레비전 안테나 및 레이더 안테나로 사용된다.
    • 커튼 배열 안테나 – 수직 반사기(평행 와이어로 만든 "커튼") 앞에 매달린 와이어 다이폴의 평면 배열로 구성된 옥외 와이어 단파 송신 안테나. 단파 방송국의 장거리 송신 안테나로 HF 대역에서 사용된다. 위상배열로 조종될 수 있다.
    • 마이크로스트립 안테나 – 뒷면에 반사기 역할을 하는 구리 포일이 있는 인쇄 회로 기판에 제작된 패치 안테나 배열. 요소는 구리 포일로 만든 스트립라인을 통해 급전된다. UHF 및 위성방송 수신 안테나로 사용된다.

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    위상배열의 작동 방식을 보여주는 애니메이션.

    위상배열 또는 전자 스캔 배열 – 안테나를 물리적으로 움직이지 않고도 배열 전면의 넓은 각도에 걸쳐 어떤 방향으로든 빔을 전자적으로 조종할 수 있는 평면 배열. 송신기에서 오는 전류는 컴퓨터로 제어되는 위상 변환기를 통해 각 구성 안테나에 공급된다. 급전 전류의 상대 위상을 변경하여 빔을 즉시 다른 방향으로 향하게 할 수 있다. 군용 레이더에 널리 사용되며, 이 기술은 민간 응용 분야로 빠르게 확산되고 있다.
    • 수동 전자 스캔 배열 (PESA) – 위에서 설명한 위상배열로, 안테나 요소는 위상 변환기를 통해 단일 송신기 또는 수신기에서 급전된다.
    • 능동 전자 스캔 배열 (AESA) – 각 안테나 요소가 중앙 컴퓨터로 제어되는 자체 송신기 및 수신기 모듈을 가진 위상배열. 이 2세대 위상배열 기술은 여러 주파수에서 여러 빔을 동시에 방사할 수 있으며, 주로 정교한 군용 레이더에 사용된다.
  • 콘포멀 배열 – 평평하지 않고 곡선 표면에 일치하는 2차원 위상배열. 개별 요소는 다양한 경로 길이를 보상하는 위상 변환기에 의해 구동되어 안테나가 평면파 빔을 방사할 수 있도록 한다. 콘포멀 안테나는 공기역학적 항력을 줄이기 위해 항공기 및 미사일의 곡선 외피에 통합되는 경우가 많다.
  • 스마트 안테나, 재구성 가능 안테나 또는 적응형 배열 – 전파의 도달 방향을 추정하고 방사 패턴을 적응적으로 최적화하여 수신하는 수신 배열로, 해당 방향으로 주엽을 합성한다.^[6] 위상배열과 마찬가지로 급전선에 위상 변환기가 있는 여러 개의 동일한 요소로 구성되며 컴퓨터에 의해 제어된다.
• 로그 주기 다이폴 배열 (LPDA) – 길이가 점진적으로 증가하는 여러 개의 다이폴 구동 요소가 한 줄로 배열된 엔드파이어 배열이다. 고이득 광대역 안테나 역할을 한다. 텔레비전 안테나 및 단파 통신에 사용된다.

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  옥상 텔레비전 안테나. 야기 안테나와 로그 주기 안테나의 조합으로 구성된 엔드파이어 기생 배열

  기생 배열 – 여러 개의 안테나 요소가 한 줄로 배열되어 있으며, 그 중 하나인 구동 요소만 송신기 또는 수신기에 연결되고, 기생 요소라고 불리는 다른 요소들은 연결되지 않은 엔드파이어 배열이다. 기생 요소는 공명기 역할을 하여 구동 요소에서 전파를 흡수하고 다른 위상으로 재방출하여 안테나의 방사 패턴을 수정하고 원하는 방향으로 방출되는 전력을 증가시킨다. 이들은 하나의 구동 요소만 가지므로 종종 "배열" 대신 "안테나"라고 불린다.
  • 야기 안테나 또는 야기 안테나 – 여러 개의 반파장 다이폴 요소가 한 줄로 배열된 이 엔드파이어 배열은 하나의 구동 요소와 방사 방향에 여러 개의 "디렉터" 기생 요소, 그리고 일반적으로 그 뒤에 하나의 "반사기" 기생 요소로 구성된다. 이들은 HF, VHF 및 극초단파 대역에서 텔레비전 안테나, 단파 통신 안테나 및 레이더 배열로 널리 사용된다.
  • 쿼드 안테나 – 하나의 구동 루프와 다른 기생 루프를 가진 여러 개의 루프 안테나가 한 줄로 배열된 것이다. 야기 안테나와 유사하게 작동한다.

주기적 배열

직교 데카르트 좌표계의 x축을 따라 요소가 배열된 선형 배열을 고려해보자. 방사체는 동일한 공간 방향과 전계에 대해 동일한 편파를 갖는다고 가정한다. 이를 기반으로 배열 계수는 다음과 같이 쓸 수 있다.^[7]

${\displaystyle F(u)=\sum _{n=1}^{N}I_{n}\,e^{jk\,x_{n}u}}$

여기서 ${\displaystyle N}$은 안테나 요소의 개수이고, ${\displaystyle k}$는 파수이며, ${\displaystyle I_{n}}$과 ${\displaystyle x_{n}}$(미터 단위)은 각각 n번째 방사체의 복소 여기 계수와 위치이며, ${\displaystyle u=\sin \theta \cos \phi }$로, ${\displaystyle \theta }$와 ${\displaystyle \phi }$는 각각 천정각과 방위각이다. 인접 요소 사이의 간격이 일정하면 ${\displaystyle x_{n+1}-x_{n}=d}$로 쓸 수 있으며, 이 배열은 주기적이라고 한다. 배열은 공간적으로(물리적으로)나 변수 ${\displaystyle u}$ 모두에서 주기적이다. 예를 들어, ${\displaystyle d=\lambda /2}$이고 ${\displaystyle \lambda }$가 파장일 경우, 배열 계수의 크기는 ${\displaystyle u}$ 도메인에서 ${\displaystyle 2}$와 같은 주기를 갖는다. ${\displaystyle u}$가 보조 변수라는 점을 강조할 가치가 있다. 실제로 물리적인 관점에서 방사 목적에 관심 있는 ${\displaystyle u}$ 값은 ${\displaystyle [-1,1]}$ 구간에 속하며, 이는 ${\displaystyle \theta }$와 ${\displaystyle \phi }$ 값과 관련된다. 이 경우 구간 [-1,1]을 가시 공간(visible space)이라고 한다. 나중에 보여지듯이 ${\displaystyle u}$ 변수의 정의가 변경되면 가시 공간의 범위도 그에 따라 변경된다.

이제 여기 계수가 양의 실수 변수라고 가정한다. 이 경우, ${\displaystyle u}$ 도메인에서 배열 계수 크기는 ${\displaystyle u=0}$에서 최대값을 갖는 주엽(mainlobe)과, 주엽보다 낮은 여러 개의 2차엽(secondary lobes) 즉 측엽(sidelobes) 및 주엽 복사본인 그레이팅 로브(grating-lobes)를 갖는다. 그레이팅 로브는 송신 및 수신 모두에서 단점의 원인이 된다. 실제로 송신 시에는 원치 않는 방향으로의 방사로 이어질 수 있으며, 수신 시에는 주엽 영역으로 들어오는 원하는 신호가 다양한 그레이팅 로브 영역으로 들어오는 다른 신호(원치 않는 간섭 신호)에 의해 강하게 방해될 수 있기 때문에 모호성의 원인이 될 수 있다. 따라서 주기적 배열에서는 그레이팅 로브가 (가시 공간에) 나타나는 것을 방지하기 위해 인접 방사체 사이의 간격이 특정 값을 초과해서는 안 된다. 예를 들어, 앞에서 본 것처럼 ${\displaystyle d=\lambda /2}$의 첫 번째 그레이팅 로브는 ${\displaystyle u=\pm 2}$에서 발생한다. 따라서 이 경우 그레이팅 로브가 [-1,1] 구간 밖에 있으므로 문제가 없다.

비주기적 배열

위에서 보았듯이 인접 방사체 사이의 간격이 일정할 때 배열 인자는 회절 빔의 존재로 특징지어진다. 문헌에서는 배열 인자의 주기성을 파괴하기 위해서는 배열 자체의 기하학적 구조 또한 비주기적으로 만들어야 함이 충분히 입증되었다.^[8] 방사체의 위치를 서로 비례하지 않도록 조절할 수 있다. 위치 또한 추가적인 자유도(미지수)를 나타내는 배열을 합성하기 위해 여러 방법이 개발되었다. 결정론적^[9] 및 확률론적^[10][11] 방법론이 모두 존재한다. 비주기적 배열의 확률론적 이론은 충분히 체계화된 이론으로, 강력한 일반 방법론적 기반을 가지고 있으므로, 먼저 그 특성을 설명하는 데 집중해보자.

방사체의 위치 ${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$가 전체 배열 개구부와 일치하는 지지대를 갖는 독립적이고 동일하게 분포된 확률 변수라고 가정한다. 결과적으로 배열 인자는 확률 과정이며, 그 평균은 다음과 같다.^[10]

${\displaystyle E\left[F(u)\right]=\textstyle \int \limits _{-L/2}^{L/2}f(x)\,e^{jkxu}\,dx}$

안테나 배열의 설계

고정된 방사 패턴을 제공하는 안테나 배열에서 급전망은 안테나 배열의 일부로 간주될 수 있다. 따라서 안테나 배열은 단일 포트를 갖는다. 배열의 각 요소의 위상이 적절하다면 좁은 빔을 형성할 수 있다. 또한, 각 요소가 받는 여기 진폭(방출 시)이 잘 선택되면, 지정된 패턴에 근사하는 방사 패턴을 갖는 단일 포트 배열을 합성할 수 있다.^[7] 배열 패턴 합성을 위한 많은 방법이 개발되었다. 고려해야 할 추가적인 문제는 매칭, 방사 효율 및 대역폭이다.

전자적으로 조향 가능한 안테나 배열의 설계는 다르다. 왜냐하면 각 요소의 위상을 변경할 수 있고, 각 요소의 상대 진폭도 변경할 수 있기 때문이다. 여기서 안테나 배열은 다중 포트를 가지므로, 매칭 및 효율성 문제는 단일 포트의 경우보다 더 복잡하다. 또한, 매칭 및 효율성은 안테나 간의 상호 작용을 무시할 수 있는 경우를 제외하고는 여기(excitation)에 따라 달라진다.

공간 다이버시티 및 공간 멀티플렉싱(다른 유형의 MIMO 무선 통신)에 사용되는 안테나 배열은 항상 다중 포트를 갖는다.^[12] 이는 방출 시 독립적인 여기를 수신하고, 수신 시에는 어느 정도 독립적인 신호를 전달하기 위한 것이다. 이 경우에도 매칭 및 효율성 문제는 복잡하며, 특히 모바일 장치의 안테나 배열의 경우(참조 ^[12]의 10장 참조) 안테나 배열 주변 환경이 동작에 영향을 미치고 시간이 지남에 따라 변동하기 때문이다. 적절한 매칭 메트릭 및 효율성 메트릭은 최악의 여기 가능성을 고려한다.^[13]

같이 보기

• 디지털 안테나 배열
• 전체 활성 반사 계수