원치 않는 신호를 피할 수 있는 새로운 라디오 안테나

       과학과 사회

원치 않는 신호를 피할 수 있는 새로운 라디오 안테나

2016.03.31. 09:00

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원치 않는 신호를 피할 수 있는 새로운 라디오 안테나

Mar 29, 2016, Tim Wogan, physicsworld.com

신형 안테나 개념도

   원치 않는 신호(노이즈)를 방지하는 보다 간단하고 저렴하며, 그리고 더욱 효율적인 새로운 방법이 미국 연구원들에 의해서 개발되었다. 이 방법이 더 개량되면 열광전지(thermophotovoltaic cells)의 재복사를 막는데도 이용될 수 있다고 연구팀은 말한다.

전자기법칙은 시간(이 진행하는 방향)에 대해 가역적이다. 따라서 논리적으로는 특정 라디오 주파수로 방송하기 위해 사용하는 안테나는 해당 주파수의 라디오파를 흡수하는데도 또한 매우 우수해야 한다. 그런데 이것은 방송용 라디오 안테나에는 문제가 된다. 자신이 방송한 라디오파가 주위 물체에 반사되어 돌아오면 (효율적으로) 흡수하기 때문이다. 한편 이 같은 메아리(라디오파)를 최소화하는 방법이 있긴 하지만, 비용도 많이 들고 안테나 성능도 감소하게 된다.

텍사스 대학 오스틴 캠퍼스의 안드레아 알루(Andrea Alù)와 그의 동료들은 메아리를 처리하는 새로운 방법을 개발했다. 기존에 사용되던 누설파 안테나(leaky-wave antenna)를 기반으로 설계된 것으로, 누설파 안테나의 경우에는 특정 주파수의 전자파가 안테나 주변 공간과 커플링을 일으켜 누설(leak out)된다. 그런대 연구팀은 안테나 회로에 버랙터(varactor)라 불리는 일련의 가변 콘덴서를 추가했다. 버랙터의 용량(capacitance)은 인가된 전압에 따라 변하는데, 이로써 안테나의 작동 주파수를 조정한다. 그런대 연구원들은 같은 안테나에 제 2의 저주파를 추가했다. 두 번째 전파(저주파)는 안테나 주위 공간과 커플링을 일으키지 않으며, 따라서 누설(방출)되지 않는다. 대신 전파(저주파)가 버랙터의 전압을 변조(modulate)하는데, 따라서 전송 안테나의 작동 주파수를 변조(modulation)하게 되는 셈이다.
 

시간적 비대칭성

   두 번째 전파에 의한 변조(modulation)는 안테나가 더 이상 시간 대칭성을 갖지 않게 됨을 의미한다. 안테나로부터 방출되는 파동은 변조파와 같은 방향으로 진행하는 파동에 의해 생성된다. 만일 안테나가 방송한 방향으로부터 반사되어 되돌아오는 신호가 있으면, 이것은 변조파와 반대의 방향으로 진행하는 안테나 (복사)파가 된다. 방출되는 전파와 흡수(되고자 하는) 전파 간의 이 같은 비대칭성 때문에 안테나 쪽에서는 반사되어 되돌아오는 전파가 효율적으로 커플링을 일으키지 못하게 되는 것이다.

대부분의 안테나는 모두 정적인(static) 방식이라고 알루(Alù)는 설명한다. 특정 방향으로 내보내는 신호와 그 방향에서 돌아오는 신호를 다르지 않게(똑같이) 여기게 된다. 그러나 새로운 방식에서는 추가로 시간적 변조(파)가 도입된 셈이다. 이와 비슷한 효과는 물리적으로 안테나를 흔들면 얻어낼 수 있다. 그러나 100MHz의 주파수로 안테나를 흔들기는 쉽지 않다. 하지만 연구원들은 마이크로 전기기계(micro-electromechanical) 공명기로 실험을 하고 있다. 버랙터의 일부 기술적 한계를 극복할 수 있기 때문이다.

연구팀은 특허를 출원했고 상업적으로도 관심을 얻고 있다. 현재는 개념적 단계를 지나 엔지니어링(경제적 타당성이 있게 제품을 설계) 및 개발이 진행 중이라고 한다. 보다 높은 주파수로 확장하려는 중이며, 그렇게 되면 적외선을 전기로 변환하여 에너지를 수확하는 열광전지 디바이스(thermophotovoltaic device)에 적용될 수 있다. 여기서는 정반대의 문제를 풀어야 하는데, 흡수된 적외선을 방출하지 않으면 디바이스가 가열되기 때문이다.
 

중요 응용 분야

  토론토 대학 조지 엘리프테리아즈(George Eleftheriades)는 새로운 안테나가 “뜻 깊은” 것이라고 설명한다. 표준 집적회로 기술에 필적하는 것으로 통신 분야에 중요하게 응용될 수 있다고 말한다. 전송 중의 고출력(high power)을 처리하는 문제, 광대역 내지는 복수의 주파수에서 작동될 필요성, 그리고 전압 제어 콘덴서에서의 로스를 줄이는 문제 등이 기술적 과제인데, 그러나 이런 문제들은 해결될 수 있을 것이라고 그는 말한다.
 
 

[출처] 원치 않는 신호를 피할 수 있는 새로운 라디오 안테나|작성자 HANS