초고주파

초고주파(super high frequency, SHF)는 3~30 기가헤르츠 (GHz) 범위의 무선주파수(RF)에 대한 ITU 명칭이다.^[1][2] 이 주파수 대역은 파장이 1~10 센티미터 범위이므로 센티미터 대역 또는 센티미터파라고도 알려져 있다. 이 주파수들은 마이크로파 대역에 속하며, 따라서 이 주파수를 가진 전파를 마이크로파라고 부른다. 마이크로파의 짧은 파장은 파라볼라 안테나 및 혼 안테나와 같은 개구면 안테나에 의해 좁은 빔으로 지향될 수 있게 하므로, 점대점 통신 및 데이터 링크^[3]와 레이더에 사용된다. 이 주파수 범위는 대부분의 레이더 송신기, 무선랜, 위성 통신, 마이크로파 무선 릴레이 링크, 위성 전화(S 밴드), 그리고 수많은 단거리 지상 데이터 링크에 사용된다. 또한 산업용 마이크로파 가열, 의료용 투열치료, 암 치료를 위한 마이크로파 고열치료, 그리고 전자레인지에서 음식을 조리하는 데에도 사용된다.

초고주파

주파수 범위	3 to 30 GHz
파장 범위	10 to 1 cm
관련 대역	F G H I J K (NATO) S C X Ku K Ka (IEEE)

SHF 범위의 주파수는 종종 IEEE 레이더 대역 지정인 S, C, X, K_u, K, 또는 K_a 밴드로 지칭되거나, 유사한 NATO 또는 EU 지정으로 지칭된다.

전파

오스트레일리아의 방송탑에 설치된 다양한 파라볼라 안테나들로, 점대점 마이크로파 전송 링크에 사용된다. 일부는 비 (날씨)로부터 보호하기 위해 개구면에 흰색 플라스틱 레이돔이 덮여 있다.

선박에 설치된 X 밴드(8 - 12 GHz) 해상 레이더 안테나. 회전하는 막대는 수직 부채꼴 모양의 마이크로파 빔을 수평선까지 수면 주위로 휩쓸어 주변 선박 및 기타 장애물을 탐지한다.

마이크로파는 오로지 가시선으로만 전파된다. 짧은 파장으로 인한 굴절이 작기 때문에 저주파 전파에서 볼 수 있는 지표파와 전리층 반사(공중파 또는 "스킵" 전파)는 발생하지 않는다.^[4] 비록 어떤 경우에는 유용한 수신을 위해 건물 벽을 충분히 관통할 수 있지만, 일반적으로 첫 번째 프레넬 존까지 가시선이 확보된 경로가 필요하다. 마이크로파 주파수에서는 파장이 충분히 작아서 안테나가 파장보다 훨씬 클 수 있으며, 이는 높은 이득을 가진 지향성 안테나를 만들어 좁은 빔을 생성할 수 있게 한다. 따라서 이들은 시각적인 지평선에 의해 30-40마일 (48-64 km)로 제한되는 점대점 지상 통신 링크에 사용된다. 이러한 고이득 안테나는 인근 송신기에 의한 주파수 재사용을 가능하게 한다. 또한 파동이 저주파처럼 전리층을 통과할 때 굴절되지 않으므로 우주선과의 통신에도 사용된다.

SHF 파동의 파장은 자동차, 항공기, 선박 및 기타 차량 크기의 금속 물체에서 강한 반사를 일으킨다. 이 점과 고이득 안테나로 가능한 좁은 빔폭, 그리고 고주파수에 비해 낮은 대기 감쇠율 덕분에 SHF는 레이더에 사용되는 주요 주파수가 된다. 대기 중 수분에 의한 감쇠 및 산란은 주파수에 따라 증가하며, 장거리 응용 분야에서 높은 SHF 주파수의 사용을 제한한다.

미량의 마이크로파 에너지는 대류권의 수증기 분자에 의해 무작위로 산란된다. 이는 수 GHz에서 작동하는 대류권 산란 통신 시스템에서 지평선 너머로 통신하는 데 사용된다. 강력한 마이크로파 빔이 지평선 바로 위를 향하도록 조준되며, 이 빔이 대류권계면을 통과할 때 일부 마이크로파가 지평선 너머의 수신기로 다시 지구로 산란된다. 300km의 거리를 달성할 수 있다. 이들은 주로 군사 통신에 사용된다.

안테나

마이크로파는 종종 도파관을 통해 전달되는데, 이 항공 교통 관제 레이더의 예시처럼 다른 종류의 케이블은 SHF 주파수에서 큰 전력 손실을 가지기 때문이다.

SHF 파동의 파장은 충분히 짧아서 효율적인 송신 안테나가 휴대용 장치에 편리하게 장착될 만큼 작기 때문에 이 주파수는 무선 응용 분야에 널리 사용된다. 예를 들어, SHF 대역용 4분의 1 파장 휩 안테나는 길이가 2.5~0.25센티미터이다. 무선 장치 및 휴대 전화와 같은 응용 분야를 위해 장치 케이스 내부에 내장될 만큼 작은 무지향성 안테나가 개발되었다. 이러한 장치에 사용되는 주요 안테나는 장치 내부의 인쇄 회로 기판에 구리박으로 제작된 L자형으로 구부러진 모노폴 안테나로 구성된 인쇄된 역F형 안테나 (PIFA)이다. 작은 슬리브 다이폴 또는 4분의 1 파장 모노폴도 사용된다. 패치 안테나는 또 다른 일반적인 유형으로, 종종 항공기 외피에 통합된다.

파장이 충분히 작아서 SHF 파는 직경 0.5미터에서 5미터에 이르는 고이득 지향성 안테나에 의해 좁은 빔으로 집속될 수 있다. SHF 주파수에서 지향성 안테나는 주로 개구면 안테나로, 파라볼라 안테나(가장 일반적인 유형), 렌즈 안테나, 슬롯 안테나, 혼 안테나 등이 있다. 큰 파라볼라 안테나는 몇 도 이하의 매우 좁은 빔을 생성할 수 있으며, 종종 조준선의 도움을 받아 조준해야 한다. 마이크로파 주파수에서 실용적인 또 다른 안테나 유형은 위상배열 안테나로, 평평한 표면에 많은 다이폴 또는 패치 안테나가 배열되어 있고 각각이 위상 천이기를 통해 공급되어 배열의 빔을 전자적으로 조향할 수 있게 한다. 짧은 파장은 대형 안테나에 강한 기계적 강성을 요구하며, 이는 전파가 급전점에 위상에 맞춰 도달하도록 보장하기 위함이다.

도파관

마이크로파 주파수에서는 동축 케이블과 같이 저주파 전파를 전달하는 데 사용되는 전송선로 유형이 높은 전력 손실을 발생시킨다. 따라서 송신기 또는 수신기와 안테나 사이에 마이크로파를 낮은 손실로 전송하기 위해서는 도파관이라는 특수한 금속 파이프를 사용해야 한다. 긴 도파관 배선의 높은 비용과 유지 보수 요구 사항 때문에, 많은 마이크로파 안테나에서는 송신기의 출력단 또는 수신기의 RF 프론트 엔드가 안테나에 위치한다.

장점

SHF 주파수는 현재 많은 새로운 무선 서비스에서 활용되고 있는 무선 스펙트럼의 "최적 지점"을 차지한다.^[5] 이들은 편리한 크기의 안테나로 좁은 빔을 지향할 수 있는 가장 낮은 주파수 대역이므로 동일 주파수의 인근 송신기와 간섭하지 않아 주파수 재사용이 가능하다. 반면에 이들은 장거리 지상 통신에 사용될 수 있는 가장 높은 주파수이기도 하다. EHF (밀리미터파) 대역의 더 높은 주파수는 대기에 의해 크게 흡수되어 실제 전파 거리가 1킬로미터 이하로 제한된다. 높은 주파수는 마이크로파 통신 링크에 매우 큰 정보 전달 용량(대역폭)을 제공한다. 최근 수십 년 동안 많은 새로운 고체 마이크로파 에너지원이 개발되었으며, 마이크로파 집적 회로는 이러한 주파수에서 처음으로 상당한 신호 처리를 가능하게 했다. EHF 에너지원은 훨씬 더 제한적이며 개발 초기 단계에 있다.

같이 보기

• 칼날 효과
• 마이크로파 화상