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파라볼라 안테나(영어: parabolic antenna)는 포물선 반사를 이용한 안테나이다. 포물선 회전체의 단면을 반사판으로 삼아 수집한 전파를 초점에 모을 수 있도록 설계되어 있다. 보통 접시와 닮은 모양새를 하고 있어서 접시 안테나라고도 한다.
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디자인[편집]
역사[편집]
이득[편집]
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파라볼라안테나 이차함수 의 원리 이미지 원리
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파라볼라 안테나 우주의 소리를 모아 들어요 :: 벼랑 끝에서의 여유
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파라볼라 안테나 우주의 소리를 모아 들어요
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파라볼라 안테나(영어: parabolic antenna)는 포물선 반사를 이용한 안테나이다. 포물선 회전체의 단면을 반사판으로 삼아 수집한 전파를 초점에 모을 수 있도록 설계되어 있다. 보통 접시와 닮은 모양새를 하고 있어서 접시 안테나라고도 한다. 지향성이 커서 위성 통신과 같은 초고주파 대역의 전파를 사용하는데 주로 쓰인다.[1][2] 지향성이 큰 반면에 전파 수집 영역이 좁아서 반사판의 크기가 최소한 이용하고자 하는 전파의 파장보다 커야 한다.[2]
파라볼라 안테나는 지향성 안테나로서 점대점 통신에 주로 쓰인다. 파라볼라 안테나를 사용하는 서비스로는 도시 사이 방송 통신 신호의 마이크로웨이브 전송, 무선 네트워크를 위한 데이터 통신 전송, 위성 통신을 위한 위성과의 전송 등이 있다. 전파망원경 역시 파라볼라 안테나의 일종이다.
파라볼라 안테나가 사용되는 또 다른 예로는 레이다를 들 수 있다. 레이다는 직진성이 강한 협대역 전파를 발사하고, 이 전파가 목표에 부딪혀 반사되는 신호를 수집하여 목표물을 추적한다.[2] 위성 방송 역시 수신기에 파라볼라 안테나를 사용한다.[2]
1887년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠가 파라볼라 안테나를 고안하였다. 그는 전파 실험을 위해 포물체 반사면 가운데 송수신용 겸용의 쌍극 안테나를 넣는 방식의 안테나를 사용하였다.
파라볼라 안테나는 포물체 반사 원리를 이용한다. 포물선 의 법선에 수직하여 들어오는 전자기파 의 반사는 포물선의 초점에 모이게 된다. 이러한 포물체 반사를 이용하는 다른 사례로는 손전등 반사망원경 과 같은 것들이 있다.
디자인 [ 편집 ]
반사에 따른 파라볼라 안테나의 종류
파라볼라 안테나의 원리는 접시 모양의 반사면에 의해 반사된 전파가 앞면의 초점에 모이도록하여 수신 전파의 강도를 높이는 것이다. 이렇게 초점에 모여 강도가 높아진 전파는 전기 비저항을 낮추도록 임피던스 정합이 되어 있는 안테나를 통해 전기 신호로 변환되어 유선으로 전송된다.[주해 1]
파라볼라 안테나는 일반적으로 전파를 반사하여 초점에 모으는 포물반사면과 이를 수집하여 전송하는 피드 안테나로 이루어진다.[2] 포물반사면은 포물체의 일부를 이용하는데 대개 가장자리가 원이 되도록 제작한다.[2] 전송용인 경우엔 초점의 자리에 전기 신호를 전파로 바꾸어 송출하는 송신기를 둔다.
종류 [ 편집 ]
포물면 반사는 포물면 전체에서 일어나 어느 구간에서든 전파를 초점으로 보낸다. 따라서 반사면이 포물선의 꼭짓점을 반드시 포함할 필요는 없다.
동축 반사형(Axial 또는 Front feed): 포물선의 꼭지점이 반사면의 정 가운데 놓이는 방식이다. 이 방식은 설계가 쉽다는 장점이 있지만, 피드 안테나와 지지대가 반사면의 일부를 가리게 되는 단점이 있다.[3]
오프셋형 (Off-axis 또는 Offset Feed): 포물선의 꼭지점을 벗어난 구간으로 반사면을 만드는 방식이다. 초점이 반사면을 벗어나 잡히게 되므로 반사면 전체를 이용할 수 있다. 대신 반사면을 설치할 때 전파원의 방향에 대한 주의가 필요하다.[4]
카스그랭 안테나: 포물면의 초점에 이중으로 반사경을 달고 피드 안테나는 반사면 쪽에 부착하는 방식이다. 전파망원경과 같이 거대한 파라볼라 안테나에 쓰인다.[5]
그레고리 안테나: 카스그랭 안테나와 유사하나 초점의 반사면을 타원면으로 만들어 안테나 효율을 더 올렸다. 카스그랭 안테나의 수신 효율이 60 – 70%인데 반해 그레고리 안테나는 그 이상이다.[3]
포물반사면이 이물질에 오염되거나 눈비와 같은 환경으로부터 손상되는 것을 막기 위해 덮개를 씌우는 경우도 많다. 덮개의 재질에 따라 안테나 효율은 -10 dB까지 떨어질 수 있다.[3]
포물반사면 [ 편집 ]
포물반사면은 이용 주파수 대역의 전파의 반사율이 높은 금속으로 만드는데, 보통 “접시” 모양이지만 스크린, 격자 등 다른 형태로 만들기도 한다. 반사면의 모양에 따라 전파의 진행 모양이 달라지게 된다. 반사면의 크기는 최소한 이용 주파수의 파장보다 커야한다.[주해 2] 반사면이 커지면 더 많은 전파를 한 데 모을 수 있어 신호 수신에 유리하지만, 제작 비용 역시 커지게 되므로 용도에 따라 반사면의 크기를 적절히 사용하게 된다. 가정용 위성 방송 수신 안테나는 45 – 55 cm 정도의 반사면이 쓰인다.[6] 반면에 먼 우주에서 오는 전파를 수신하는 전파망원경은 매우 큰 반사면을 갖는다. 아레시보 천문대의 전파망원경 반사면 지름은 305 m에 달한다.[7]
피드 안테나 [ 편집 ]
피드 안테나는 보통 쌍극 안테나나 피드 혼을 사용한다. 보다 복잡한 것으로는 초점 자리에 반사경을 달고 피드 안테나를 반사면 쪽으로 부착시키는 카스그랭 안테나가 있다. 피드 안테나는 동축 케이블로 이루어진 전송선이나 도파관에 연결되어 신호를 전달한다.
접시형 파라볼라 안테나 오스트레일리아 기지국 통신탑에 설치된 덮개 달린 접시형 파라볼라 안테나 위성 텔레비전을 위한 오프셋 파라볼라 안테나 스웨덴의 카스그랭 위성 통신 안테나 미국 앨런 망원경 집합체 에 있는 전파망원경 . 오프셋 그레고리 안테나이다.
격자형 파라볼라 안테나 독일의 군사용 고고도 안테나 독일 하노버 인근의 항공 교통 통제용 레이다 안테나 ASR-9 공항 관제 레이다 안테나 핀란드의 공중 경계 안테나
역사 [ 편집 ]
1888년 하인리히 헤르츠가 제작한 최초의 파라볼라 안테나
포물반사면을 사용한 광학 망원경은 이미 15세기부터 제작되고 있었다. 반사망원경은 카스그랭 안테나와 비슷한 이중 반사 구조를 가지고 있다.[8][2]
독일의 물리학자 하인리히 헤르츠는 1888년 포물반사판을 부착한 최초의 파라볼라 안테나를 제작하였다.[2] 헤르츠의 안테나는 반사망원경과 같이 원통형으로 제작되었고 초점의 피드 안테나로는 쌍극 안테나가 쓰였다. 크기는 높이 2 미터, 폭 1.2 미터였고, 초점 거리는 0.12 미터였다. 헤르츠는 450 MHz 주파수를 사용하였다. 헤르츠는 이 기구를 사용하여 22년 전 제임스 클러크 맥스웰이 예언하였던 전자기파 복사를 입증하였다.[9] 그러나 초기의 전자기파 이용은 낮은 주파수 대역에서만 이루어졌기 때문에 파라볼릭 안테나 보다는 쌍극 안테나나 야기 안테나와 같은 형태의 것들이 더 유용하였다.
1930년대에 들어 이탈리아의 라디오 기술 선구자 굴리엘모 마르코니가 UHF 대역을 사용하한 무선 통신 실험을 위해 실용성 있는 파라볼라 안테나를 제작하였다.[8] 1931년에는 마이크로파 전송을 이용하여 영국 해협을 사이에 둔 무선 통신이 시연되었다. 이 실험을 위해 지름 3 미터의 파라볼라 안테나가 쓰였다.[8] 1937년 그로트 레버가 자신의 집 뒷마당에 지름 9 미터의 파라볼라 안테나를 세워 전파망원경을 만들었다. 이는 포물반사면을 이용한 최초의 전파망원경이었다.[2] 이로서 레버는 전파천문학의 창립자가 되었다.[8]
제2차 세계대전 동안 군사용 레이다의 개발이 필요해지자 다양한 지향성 파라볼라 안테나가 개발되었다.[8] 전쟁 후에는 거대 전파 망원경들이 제작되기 시작하였다. 대표적으로 1962년 미국 웨스트버지니아 주에 세워진 지름 100 미터의 그린뱅크 망원경과 같은 것이 있다.[10]
1960년대에 들어 파라볼라 안테나는 방송 통신 각 영역에서 매우 넓게 사용되기 시작하였다.[8] 1962년 영국의 콘월 주에 설치된 군힐리 위성지구국에는 최초의 위성 통신용 파라볼라 안테나가 설치되었다. 1963년 일본의 일본전신전화, KDDI, 미쓰비시 전기가 협력하여 최초의 카스그랭 안테나를 개발하였다.[11] 1970년대에 들어 컴퓨터 공학이 발달하면서 계산용 전자파 코드(Numerical Electromagnetics Code, NEC)가 개발되어 파라볼라 안테나의 설계에 많은 진전을 가져다 주었다.[12]
이득 [ 편집 ] [13] 이 안테나는 계곡 지형을 깍아서 만들었기 때문에 움직이지는 않는다. 따라서 지구 자전에 따라 포착되는 범위를 관측한다. 아레시보 천문대 전파망원경. 지름 305 m로 세계에서 두 번째로 큰 “접시”이다. 안테나 이득은 2.38 GHz에서 70 dBi로 자연상태의 전파 대비 천만배의 증폭 효과가 있다.이 안테나는 계곡 지형을 깍아서 만들었기 때문에 움직이지는 않는다. 따라서 지구 자전에 따라 포착되는 범위를 관측한다.
안테나의 이득은 등방적 복사체로부터 전송되는 신호를 수집하여 증폭하는 정도를 나타내는 단위로 보통 dBi 로 표현한다.[14]
G = 4 π A λ 2 e A = ( π d λ ) 2 e A {\displaystyle G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}}
A {\displaystyle A}
d {\displaystyle d}
λ {\displaystyle \lambda }
e A {\displaystyle e_{A}}
위 식에서 나타난 바와 같이 안테나의 구경이 전파의 파장보다 크면 안테나는 원 신호보다 증폭된 이득을 갖게 되며, 구경이 클 수록 이득도 크다. 전파천문학의 일반적 주파수인 1.42 GHz의 파장은 21 cm로 25 m 구경의 파라볼라 안테나를 사용하면 약 50 dBi (10 만배)의 이득을 기대할 수 있다.[주해 3]
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
내용주
↑ 통신용 신호의 종단 임피던스는 50 [[옴 (단위)|]]이고 방송용은 75 옴이다. – 자재복, 임피던스 정합 , 정보통신기술용어 해설, KT ↑ c = λ ⋅ f {\displaystyle c=\lambda \cdot f} λ = c / f {\displaystyle \lambda =c/f}
λ = c / f = 3 ⋅ 10 8 m / s / 2 ⋅ 10 9 H z = 0.15 m = 15 c m {\displaystyle \lambda =c/f=3\cdot 10^{8}m/s/2\cdot 10^{9}Hz=0.15m=15cm}
– 통신 이론의 기본 사항 [깨진 링크(과거 내용 찾기)] 전파의 파장은 주파수가 올라갈수록 짧아진다. 빛 을 포함한 전자기파의 이동 속도는 모두 같기 때문에 파장방정식(c = 빛의 진행 속도, Λ= 파장, f = 주파수)에 따라 파장의 길이는가 되어 주파수와 파장의 길이는 반비례 관계에 놓인다. 예를 들어 2GHz의 파장은 다음과 같이 계산하여 15 cm 임을 알 수 있다. ↑ L B = 10 log 10 B A [ d B ] {\displaystyle L_{B}=10\log _{10}{\frac {B}{A}}[dB]} dB 는 상용로그를 사용한 무차원 단위이다. 10 dB 가 10 배가 되도록와 같이 정의되어 있다. 여기서 A는 원신호, B는 증폭된 신호이다. 따라서 dB 단위는 10 이 커질 때마다 10 배가 커진다. 20 dB는 100 배, 30 dB는 1000 배를 의미한다. 전자 신호의 증폭 계산에서 곱셈을 덧셈으로 치환하여 계산할 수 있어 사용하기 편리하기 때문에 통신 방송 분야에서 흔히 쓰인다.
참조주
파라볼라 위성 안테나
위성방송을 수신하기 위해서는 접시형의 파라볼라(Parabola,포물면) 안테나를 사용하는 것이 기본이다.
파라볼라 안테나중에 프라임 포커스(Prime focus) 안테나와 옵셋 포커스(Offset focus) 안테나가 가장
많이 사용된다. 파라볼라 안테나는 접시모양의 반사판을 사용하므로 지향성이 우수하여 원하는 전파만을
선별하여 수신할수 있다. 따라서 타 신호에 의한 잡음 유입이 적으며 장해물이 없는 한 반드시 높은 곳에
설치할 필요는 없으나 풍압을 많이 받고 비와 눈이 쌓이는 등에 단점들이 있다.
파라볼라 안테나의 원리
파라볼라 안테나는 속칭 접시 안테나라고 불리기도 하는데 오목거울 모양의 반사경은 그림과 같이 포물면의
축에 평행으로 입사된 모든 전파를 포물면에서 반사시켜 초점에 모이도록 만든다. 그 초점에 전파를 포착하는
장치인 LNB를 설치하면 아주 높은 효율로 전파를 수신할 수 있다. 지상 약 36,000Km 상공으로부터 오는 전파
는 전송로인 자유공간을 이동 중에 대기가스,구름,안개등에 의해 일정한 감쇄가 이루어져 지상에 도달 할 무렵
에는 그 세기가 매우 약해지게 된다. 이런 상태로는 수신감도가 너무 약하여 방송을 수신할 수 없기 때문에
신호레벨을 상승시켜줄 필요가 있다. 따라서 반사 효율이 우수한 금속판 등으로 회전 포물면경을 만들어 약한
전파를 반사 집속하여 전파를 강하게 만들어서 LNB 피드혼에 공급하게 되는 것이다.
안테나의 구조
집점의 위치 (센터피드와 옵셋피드)
반사판은 오목거울이 태양광을 한곳으로 집속하는 원리와 같이 입사된 전파를 포물면에 반사시켜 피드혼이
있는 특정방향, 집점으로 집속하는 역활을 한다. 반사판의 형태가 정원형인 경우에는 초 점이 접시의 중심에
형성되며 이곳에 LNB를 위치시키고 전파를 공급하는 방식을 센터피드 (Center Feed)라고 한다. 또한 반사판이
달걀모양의 타원형 구조를 가지게 되면 집점이 접시의 중심에서 세로축의 하부방향으로 옵샛앵글 만큼 벗어나게
되는데 LNB를 이곳에 위치시키고 위성전파를 집속하여 입력시키는 방식을 옵셋피드 (Offset Feed) 라고 한다.
센터피드 방식을 사용하는 파라볼라 안테나를 프라임 포커스(Prime focus) 안테나 라고 하고 옵셋 피드 방식을
사용하는 안테나를 옵셋 포커스(Offset focus) 안테나 라고 한다. 프라임 포커스 안테나는 C밴드 수신에 사용하며
옵셋 포커스 안테나는 Ku밴드 방송 수신에 사용한다.
안테나 효율 (Antenna efficiency)
안테나의 효율이란 접시 포물면의 축에 평행으로 입사한 전파 중에서 최종적으로 LNB에 입력된 전파양이
차지하는 비율을 말한다. 일반적으로 60-80% 정도의 값을 가지는데 프라임 포커스 안테나는 약 60%이고
옵셋 포커스 안테나의 효율은 약 70% 이다. 안테나의 효율이 저하되는 원인은 아래와 같다.
① 반사판인 접시에 의해 전파의 일부는 흡수되어 버린다.
②접시의 가장자리로 입사하는 전파는 산란 되거나 회절 되어 버린다.
③제조 공정상의 원인으로 접시 포물면 상태가 불량하면 산란현상이 발생하게 된다.
④프라임 포커스 안테나의 LNB와 지지대가 반사경의 중심부에 위치함에 따라 입력되는 전파를 가로막는다.
⑤ 프라임 포커스 안테나에서는 지표 열잡음에 유입을 막기 위하여 접시의 가장자리로 갈수록 입력되는 전파의
강도가 적게 설계 되어 있다.
F/D Ratio
F/d ratio는 안테나 지름의 길이를 기준으로 하여 신호초점이 모이는 지점까지의 거리를 비율로 표시한
값이다. C밴드용 LNB의 측면에 표기되어 있으므로 이것을 참조하여 포커스를 조정해주면 된다.
안테나의 크기 결정
수신안테나의 크기는 사용하는 전파의 파장과 풋프린트상의 EIRP(등방성유효복사전력)값을 참조하여
결정하게 된다. 반사경의 지름은 파장의 10 배 이상이 되는 것을 사용함이 기본이다. 예를 들어 C밴드의
주파수 3GHz의 전파는 파장이 10Cm 이므로 반사경의 직경은 최소 1m 이상이 되어야 안테나로서의
역할을 할 수 있다. 국내수신 환경상 C밴드 방송수신을 위해서는 지름 160cm이상의 안테나 사용이 권장된다.
Ku밴드 12GHz 전파는 파장이 2.5cm이므로 지름이 25cm 인 소형안테나를 사용할수 있게 된다.
그래서 Ku밴드 방송은 위성에 탑재되는 안테나와 지상의 수신용 안테나를 소형화 할 수 있는 매우
큰 장점이 있다. 실제 Ku밴드 방송수신을 위해서는 최소 35cm~45cm의 안테나가 사용되고 있으며
무궁화 위성의 경우에는 신호가 매우 강하므로 10cm정도의 안테나로도 방송을 수신해 볼 수가 있다.
풋프린트(가시청권) 지도상에 표기된 EIRP(등방성유효복사전력)값은 해당 지점의 지표면에 도달하는
전파의 세기가 아니라 위성의 송신안테나에서 해당지역을 향하여 방사된 송신 출력의 세기이다. 기술적인
발달로 인하여 지역을 구분하여 송신출력의 세기와 방사지역을 조정할수 있다. 이것을 성형빔이라고 한다.
지표상에 도달한 실제의 세기는 전송중에 감쇄되어 평방미터당 10w 이하로 매우 약한 상태가 된다. 또한
EIRP은 이론적 기대치 이므로 지역에 따라서는 다를수 있다. 따라서 수신 안테나의 크기 결정시에 참고치에
불과할수 있다.
*참고자료 : 아시아권 방송위성별 빔 커버리지
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파라볼라안테나 이차함수 의 원리 이미지 원리
– 파라볼라안테나 이차함수
위성 중계 TV를 보기 위한 파라볼라 안테나는 왜 포물선 모양일까? 전쟁의 무기로 쓰였던 대포의 역사에도 이차함수의 원리가 숨어 있다는데 이차함수가 실생활 파라볼라 안테나 EBSMath
함수의 이론적 배경 1. 1. 함수의 뜻. 함수函數라는 용어는 중극의 대미적습급代微積 그는 등가속도 운동과 같은 변화하는 물리적인 현상을 이차함수를 사용하여 파라볼라 안테나는 왜 포물선일까?
파라볼라 안테나영어 parabolic antenna는 포물선 반사를 이용한 안테나이다. 포물선 회전체의 단면을 반사판으로 삼아 수집한 전파를 초점에 모을 수 있도록 설계 디자인 · 피드 안테나 · 역사 · 이득 파라볼라 안테나
을 의미하는 말이라도 한다 요즘 집집마다 지붕에 있는 접시 모양의 파라볼라 안테나는 이차함수의 기본식이 만들어내는 포물선이라고 한다 현수교에서 보이는 그 소설처럼 아름다운 수학 이야기
피보나치 수열이라던가 금강비, 황금비, 이차함수를 설명할 때는 파라볼라안테나라고 해서 포물선 모양을 한 안테나 이야기를 하고 있구요. 그래서 생활 속에서 수학이 초/중/고등 수학개념대백과
– 파라볼라안테나 의 원리
태양열 발전소는 파라볼라 안테나 모양의 거울을 이용해 태양열을 모아 의 상향등·하향등도 전구의 밝기가 다른 것이 아니라 포물선의 원리를 포물선과 위성안테나 중앙일보
Transcript. 방송PD의 손을 거친 영상이! 파라볼라 안테나의 원리. 4. 파라볼라의 활용의 예 안테나에 반사되어 초점으로. 모여 약한 전파로도 파라볼라 안테나
것을 알 수 있다. 즉, 그림나의 이득은 가의 경우의 2배가 된다. 그리고, 그림다파장의 전파를 사용해야하나 ? 파라볼라 안테나는 텔레비젼이나 전화를 중계 안테나공학
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안테나가 RF의 가장 대표적인 존재여서 그런지, 안테나라는 하나의 테마에 대해서만 용 안테나가 만들어지는 것이죠. monopole의 경우는 Ground가 image 효과를 RF 회로개념 잡기 PART 10 Antenna 안테나
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파라볼라 안테나
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