안테나의 전파 송신

안테나는 금속 막대처럼 단순해 보이지만, 실제로는 전류의 빠른 진동을 공간 속의 전자기파로 바꾸어 내보내는 중요한 장치입니다. 이 페이지에서는 안테나가 전파를 송신하는 과정과 사람이 인위적으로 전파를 만드는 방법을 함께 살펴봅니다.

안테나란 무엇일까요? — 송신과 수신의 공통점

안테나는 금속 막대나 전선, 판으로 만든 단순한 부품이지만, 장치 속의 전기 신호(전류)와 공간의 전파(전자기파)를 서로 바꿔 주는 변환기입니다. 전파를 내보내는 안테나와 받는 안테나는 하는 일의 방향만 반대일 뿐, 같은 원리를 씁니다.

이 페이지는 이 가운데 전파를 만드는 안테나(송신)에 집중하여, 사람이 전파를 어떻게 만들어 내는지 살펴봅니다.

사람은 전파를 어떻게 인위적으로 만들까요?

송신기에서 만들어진 교류 전류가 안테나를 따라 위아래로 빠르게 흔들리면, 안테나 안의 전자도 함께 앞뒤로 가속됩니다. 전하가 가속되면 주변 전기장과 자기장이 시간에 따라 변하고, 그 변화가 바깥 공간으로 퍼져 나가면서 전파가 됩니다. 즉, 안테나는 진동하는 전류를 전자기파로 바꾸는 변환기라고 볼 수 있습니다.

전파를 만들기 위해서는 먼저 매우 규칙적으로 흔들리는 전기 신호가 필요합니다. 보통은 발진기(oscillator)가 기준 주파수를 만들고, 여기에 전달할 정보(소리, 영상, 데이터)를 실은 뒤, 증폭기로 에너지를 키워 안테나로 보냅니다. 그러면 안테나가 그 신호를 전파로 바꾸어 내보냅니다.

교류의 주파수를 바꾸면 다른 전파가 나와요

앞에서 본 송신기의 첫 단계는 발진기였고, 안테나가 흔들리는 속도는 바로 이 발진기가 만든 교류의 주파수로 정해집니다. 그렇다면 발진기에서 주파수를 바꾸면 안테나는 어떤 전파를 내보낼까요? 앞의 그림에서 본 송신 안테나 속 전류의 진동이 곧 이 교류입니다.

라디오, 휴대전화, Wi-Fi는 모두 안테나로 전파를 내보내지만 전파의 주파수가 서로 다릅니다. 안테나가 내보내는 전파의 주파수는 안테나에 흘려 주는 교류 전기의 주파수와 똑같습니다. 그래서 송신기가 교류 전기의 진동 속도를 바꿔 주면 다른 전파를 만들 수 있습니다.

① 교류의 주파수는 어떻게 다양하게 만들까?

• LC 발진기의 L·C 바꾸기 — 코일(L)과 축전기(C)가 만드는 진동의 주파수는 \(f = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)입니다. 코일을 감은 수나 축전기 크기를 바꾸면 주파수가 바뀝니다(옛 라디오 다이얼). 자세한 원리와 계산은 아래 발진기에서 다룹니다.
• 주파수 곱하기(체배)와 나누기 — 만든 교류를 2배, 10배로 곱하거나 나누어 더 높은(또는 낮은) 주파수를 얻습니다. 휴대전화와 Wi-Fi처럼 높은 주파수는 이렇게 만드는 경우가 많습니다.
• 수정 발진기 + PLL 합성기 — 아주 정확한 기준 진동(수정 조각)에서 원하는 주파수를 정밀하게 만들어 냅니다. 오늘날 방송국과 휴대전화가 쓰는 방식입니다(발진기의 표 참고).

② 주파수가 달라지면 파장과 안테나 길이도 달라진다

전파는 1초에 \(c = 3\times10^{8}\ \mathrm{m}\)(빛의 속도)로 나아가므로, 주파수 \(f\)가 높을수록 한 번 진동하는 동안 나아가는 거리인 파장이 짧아집니다.

\[ \lambda = \frac{c}{f} \]

안테나는 보통 파장의 절반 정도 길이일 때 전파를 가장 잘 내보냅니다. 그래서 AM 라디오(1 MHz, 파장 300 m)는 100 m가 넘는 송신탑이, Wi-Fi(2.4 GHz, 파장 12.5 cm)는 손가락만 한 안테나가 쓰입니다.

③ 시뮬레이션으로 확인하기

👉 코일(L)과 축전기(C)를 바꾸고 체배기를 켜서 전파의 주파수·파장이 어떻게 달라지는지 보세요!

정리하면, 송신기는 발진기(LC 회로 등)에서 원하는 주파수의 교류를 만들고, 그 주파수에 맞는 길이의 안테나로 전파를 내보내며, 송신기와 안테나의 임피던스를 맞춰 전력이 되돌아오지 않게 합니다. 이 세 가지가 서로 이어져 있다는 점이 시뮬레이션에서 보이는 내용입니다.

좀 더 알아보기 — 송신기 속 회로의 원리, 안테나의 종류, 임피던스 정합, 송신기의 발전사

위에서 송신기가 ① 발진기 → ② 증폭기 → ③ 안테나로 이어지고, 그 사이를 ④ 임피던스 정합이 잘 연결해 주어야 한다는 것을 보았습니다. 아래에서는 같은 순서로 하나씩 더 깊이 살펴봅니다.

발진기 — 규칙적인 진동은 어떻게 만들까?

가장 기본적인 발진기는 코일(L)과 축전기(C)를 연결한 LC 공진 회로로, 전기가 코일과 축전기를 오가며 저절로 왔다 갔다 합니다. 진동하는 주파수는 L과 C의 크기로 정해집니다(왜 그런지는 축전기·코일과 교류의 만남 ⑦ 공진). 위 주파수 시뮬레이션의 코일·축전기 슬라이더로 직접 바꿔 볼 수 있습니다.

옛 라디오의 다이얼은 축전기의 C를 바꾸어 이 주파수를 맞추는 장치였습니다. 다만 그네도 저항 때문에 점점 멈추듯 LC 회로의 진동도 줄어들기 때문에, 증폭기로 조금씩 다시 밀어 주는 되먹임(피드백)을 걸어 진동이 계속되게 합니다.

고주파 증폭기 — 세기와 효율 사이의 줄다리기

발진기가 만든 신호는 아주 약하므로, 안테나로 보내기 전에 증폭기로 키워야 합니다.

증폭기는 작은 신호의 모양을 그대로 본뜬 큰 신호를 만들어 냅니다. 이때 전기를 얼마나 낭비 없이 전파로 바꾸느냐(효율)와 모양을 얼마나 정확히 본뜨느냐(선형성)는 서로 줄다리기 관계입니다.

• FM처럼 진폭이 일정한 신호는 모양이 조금 찌그러져도 정보가 손상되지 않아, 효율이 높은 증폭 방식을 쓸 수 있습니다.
• AM이나 QAM처럼 진폭에 정보가 있는 신호는 모양을 정확히 본떠야 해서 효율이 낮아집니다. 휴대전화 배터리가 빨리 닳는 원인 중 하나이며, 효율과 정확도를 함께 높이는 기술이 계속 연구되고 있습니다.

안테나의 종류

증폭된 신호는 마지막으로 안테나에 도착합니다. 앞의 시뮬레이션에서는 가장 기본적인 막대 모양(다이폴)을 보았는데, 쓰임새에 따라 안테나의 모양은 다양합니다.

안테나의 길이를 파장에 맞추는 원리(λ/2, λ/4)는 주파수 편의 '좀 더 알아보기'에서 다루었습니다. 여기서는 목적에 따라 모양이 어떻게 달라지는지 살펴봅니다.

송신기와 안테나의 '궁합' — 임피던스 정합

안테나의 모양과 길이를 정했다면, 이제 송신기와 안테나를 케이블로 이어야 합니다. 이때 두 장치의 전기적 성질이 맞는지가 전파의 세기를 좌우합니다.

송신기에서 만든 전력이 모두 안테나로 가려면, 송신기·케이블·안테나가 전기를 받아들이는 성질(임피던스)이 서로 맞아야 합니다. 대부분의 무선 장비는 50 Ω에 맞춰 만듭니다. 맞지 않으면 전력의 일부가 안테나에서 되튕겨 송신기로 돌아오는데(반사), 이는 굵은 호스에서 가는 호스로 물이 갑자기 들어갈 때 물이 튀는 것과 비슷합니다. 반사가 심하면 전파가 약해질 뿐 아니라 송신기가 망가질 수도 있어, 송신소에서는 늘 반사량을 측정하고 조정합니다.

되돌아오는 정도는 반사 계수 \(\Gamma = \dfrac{Z_{\text{안테나}} - Z_{\text{송신기}}}{Z_{\text{안테나}} + Z_{\text{송신기}}}\)로 나타내고, 반사되는 전력은 \(|\Gamma|^2\)입니다. 이때 \(Z\)는 저항 성분 \(R\)과 리액턴스 성분 \(X\)를 합친 값(\(Z = R + jX\))입니다.

안테나의 임피던스는 항상 일정하지 않습니다. 안테나의 실제 길이는 고정되어 있지만 주파수가 바뀌면 파장이 달라져, 안테나 길이가 파장의 몇 배인지(\(l/\lambda\))가 바뀌기 때문입니다.

• 길이가 파장의 절반(\(l/\lambda = 0.5\))일 때 — 저항 약 73 Ω, 리액턴스 거의 0으로 공진합니다. 50 Ω 송신기와 거의 맞아 반사는 약 3.5 %뿐입니다.
• 그보다 짧을 때 — 저항이 작아지고 축전기처럼 행동하는 리액턴스(−)가 커져 대부분 반사됩니다.
• 그보다 길 때 — 코일처럼 행동하는 리액턴스(+)가 생기고, 파장의 1배 근처에서는 저항이 매우 커져 역시 맞지 않습니다.

그래서 하나의 안테나는 정해진 주파수 근처에서만 전파를 잘 내보냅니다. 위 시뮬레이션의 이 안테나가 잘 내보내는 주파수 곡선이 바로 이것으로, 공진 주파수에서 봉우리가 생깁니다 (그 3배, 5배 주파수에서도 작은 봉우리가 생깁니다). 안테나 길이 슬라이더와 L·C 슬라이더를 움직여 보면, 같은 안테나로 다른 주파수를 보낼 때 방출 전력이 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있습니다. (임피던스는 길이÷파장으로 어림한 근사식이라 실제 값과는 차이가 있으며, 왜 하필 50 Ω인지, 반사 계수 표, 임피던스 설명은 맨 아래 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말에 있습니다.)

전파를 만드는 회로는 어떻게 발전해 왔을까?

지금까지 본 발진기·증폭기·안테나·정합 기술은 하루아침에 만들어진 것이 아니라, 아래와 같은 역사를 거치며 발전했습니다.

본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.