전자기파 전파 또는 전자파 이야기

전자기파 전파 또는 전자파 

전자기파는 전기적인 특성과 자기적인 특성을 지니고 있으며, 전기장과 자기장은 항 상 직각방향으로 교차하게 된다. 즉, 변화하는 전계는 자계를 발생시키고, 변화하는 자 계는 전계를 생성한다. 이때, 전자기파는 파동을 일으키면서 공간을 전파하게 된다. 즉, 전계와 자계가 90°로 전파해 가는 것이 전자기파이다. 아울러, 맥스웰의 파동 방정식,패 러데이의 전자유도 법칙, 앙페르의 오른나사법칙, 플레밍의 왼손법칙 등이 전계와 자계의 관계를 수식으로 증명한 것이다. 

 

도선의 교류전류는 주위에 진동하는 전기장과 자기장을 형성하게 되며, 전기장과 자기장에 서로 수직으로 교차하고, 이때생성된 전자기파는 전계와 자 계의 직각방향으로 파동을 일으키면서 전파하게 되는 것이다. 전자기파의 방출은 마치 빛의 파동성과 같은 원리로 전자기학과 광학 즉, 전자파의 성질과 광파의 성질은 서로 같은 것을 의미하기도 한다. 

 

 

출력(W)이란 회로 또는 장치로부터 송출되는 전압 전류·전력을 비롯해서 기기, 장비 및 시스템이 송출하는 힘을 말한다. 가령, 라디오에서 나오는 소리의 크기를 출력이라고 할 수 있는데, 출력이 크다고 해서 음질이 좋은 것은 아니다. 따라서, 장비의 출력은 사 용자의 위치나 거리를 기준으로 최적의 출력으로 조절하는 것이 중요하다. 라디오 장비 의 1W 출력은 장애물이 없을 경우 최대 5Km까지 전파될 수 있다. 도심의 경우 마을 방방 송국에서 전파된 음성은 건물, 지형지물 등과 전송 특성 열화 요인으로 인해 약 2Km 내· 외로 전파가 전달되고 있다. 

 

또한, 이동통신 장비의 대표적인 사례인 기지국의 경우 20W부터 50W까지 다양한 형 태의 최대 허용 출력을 가지고 있다. 출력 치를 최대로 높게 하면, 고출력 증폭기(HPA)를통해 최대 허용 전파 거리까지리까 전파를 방출할 수 있다. 도심의 경우 음성 및 데이터 사용량이 많기 때문에 수백 m 단위로 기지국 망 설계가 이루어지고 있고, 산악이나해 안가 등 교외 및 격오지의 경우 1개의 기지국이 수십Km 거리까지 전파를 방사하기도 한다. 따라서, 고출력 장비의 경우 더 많은 에너지를 방사할 수 있기 때문에 더 먼 거 리까지 전파를 전달할 수 있게 되는 것이다. 하지만, 전기 에너지를 많이 사용하기 때문 에 많은 전력사용요금과 전자파 유해성 논란 등의 이유로 상용 환경에서 최적의 장비 출력으로 조절하여 통신망을 최적화하여 운영하고 있다. 

 

아울러, 최근 사물인터넷(IoST)의 경우 정부에서 허용한 900 MHz 주파수 대역의 최대 출력기준으로 기존 10mW에서 최대 200mW 까지 확대 적용으로 저전력 무선기기의 최대 전파 전달거리가 21km까지 장거리 전송이 가능해진다. 즉, 반영구적인 배터리를 사용하 여 반경 수십km까지 전파가 도달할 수 있다는 의미이다. 

 

그리고, 기준 출력으로 방사되는 전파는 안테나의 이득이 클수록 전파 전송거리가 더 욱 늘어나 장거리 전송이 가능하게 된다. 이때, 안테나의 이득은 기준 공중선과 임의의 공중선에 동일한 전력을 공급하였을 때, 각 공중선이 동일한 방향에 방사하는 방사 전력의 비를 말한다. 이때, 안테나의 반치각은 주엽(Main lobe)의 최대 복사 방향에사방향 대하여 -3dB가 되는 두 방향 사이의 각도를 말한다.

 

여기서, 반치각이 작으면 작을수록 전파 복사 첨 예도가 우수하기 때문에 지향성이 예리해지는 것이다. 또한, 주엽 전계강도의 최 대치와 후방에 존재하는 부엽의 전계강도 최대치와의 비율을 전·후방 비라고 하는데, 

 

전 · 후방비가 클수록 목적지로 향하는 주전파(주엽) 방향으로 전파 복사량이 커지게 되어 전 파를 더 멀리 보낼 수 있는 것이다. 아울러, 지향성이란 최대 복사 방향의전계강도를 1이라고이라고 할 때, 어떤 지점의 상대적인 전계강도의 표현 정도를 말하는 것이다. 이는 송신 측에서 방사된 전파가 수신 측에얼마나 눈높이를 맞추는 지를 의미하는 것으로, 지향성 이 예리하다는 것은 레이저와 같이 주 목적지 방향으로 전파가 진행되고 있다고 볼 수 있다. 

 

전파 간섭 

전자파를 이용한 무선 전송 환경에서는 전송특성 열화 요인 등의 다양한 원인에 의해 간섭이 발생하게 된다. 무선통신은 눈에 보이지 않는 주파수 대역의대역 전송매체를 이용하 여 음성, 이미지, 데이터, 동영상 및 멀티미디어 정보를 전송하게 되는데, 이때 동일한 주파수 대역을 이용할 경우 전파간섭이 발생하게 된다. 한 공간 안에서 모여 있는 사람들이람  서로 각자의 이야기를 하게 되면, 상대방의 음파 신호들이 상호 간섭작용으로 정확 한 음성으로 듣기 힘든 상황이 발생된다.

 

이러한 전파 간섭으로 인해 무선 품질이 저하되기때문에 이를 개선하기 위해서는 최적의 무선국 설치 위치부터 장비 출력 조절, 안 테나의 이동, 스윙 및 틸팅을 통한 지향성 확보 및 건물·통신·장비·시설 접지 등을 통 해 간섭 최소화 요소를 적극 발굴하여 적용해야 한다. 아울러, 무선 전파환경에서 전파의 현상 중 페이딩, 도플러 효과, 지연 확산, 경로 손실, 간섭, 혼신 등으로 간섭이 발생하기도 한다. 

 

도플러 효과(Doppler Effect) 

 

도플러 효과란 음파 또는 전파의 발생지에서 송신되어 수신점 근처에 다가올수록 수 신 주파수가 높아지다가 수신점을 지나 멀리 갈수록 수신 주파수가 낮아지는 현상이다. 가령, 모스크바 - 유럽 간 시베리아 열차의 중간 지점에 한 남자가 서 있을 경우 모스크 바에서 출발한 열차가 한 남자 근처에 올 경우 엄청난 굉음(높은 수신 주파수)이 들렸다가 그 남자를 지나 유럽 방향으로 멀어질수록 아주 작은 소리(낮은 수신 주파수)로 들리다가 사라지는 현상과 같은 효과이다. 즉, 발생점과 관측점이 가까워질 경우에는 겉 보기 수신 주파수가 높아지게 되고, 멀어질 경우에는 반대로 겉보기 수신 주파수가 낮 아지는 현상을 말한다. 

 

페이딩(Fading) 

페이딩이란 경로가 다른 2개 이상의 전파가 상호 간섭 작용을 일으키면서 신호의 진폭과 위상 등이 불규칙하게 변하는 현상이다. 이로 인해, 전파가 전달되는 매질 변동 등에 의한 수신 전계강도가 불규칙적으로 변동하게 된다. 즉, 송신된 전파는 수신되는 전파가 지나온 매질의 변화에 따라 그 수신 전파의 전계강도가 시간적으로 변동하는 현상을 페 이딩이라고 부른다. 도심의 경우 건물, 자동차, 구조물 등 다양한 전파 장애물이 많아 수신측에수신 측에서 시간적으로 전계강도가 매우 격하게 변동하는 좁은 구간 페이딩(Short Term Fading)이나 외곽지역인 교외의 경우 완만한 구릉이나 나대지가 많아 도심에 비해 상대적으로 전파 장애물이 적어 수신측에서 시간적으로 전계강도가 매우 완만하게 변동하는 긴 구간 페이딩(Long Term Fading) 등이 존재한다. 가령, 동일한 수신점에서 라디오나 이동통신 전화기를 이용하여 무선 전파를 수신 시 페이딩 현상으로 인해 신호가 잘 들 리기도 했다가 안 들리기도 한 현상을 경험해 보았을 것이다. 따라서, 페이딩 현상을 경 감시 키기 위해서는 전파 경로를 다양하게 구성하여 수신 시 최적의 신호를 선택하는 다 이버시티(이버시 티(Diversity)나 여러 수신 신호중에서 시간차를 이용하여 가장 양호한 신호를 선 택하는 레이크 수신기(Rake Receiver) 등을 활용하여 경감시켜주기도 한다. 

 

 

지연 확산(Delay Spread) 

지연 확산이란 무선 전파는 여러 경로로 전파 전송이 가능한 다중 경로 환경에서 각각 다른 경로를 거쳐서 수신된 첫 번째 수신 전파와 그다음에 반사되어 들어오는 수신 전 파 사이의 시간적 지연 현상을 말한다. 따라서, 많은 다중경로 상에서 시간 지연된 반사 파와 직접파가 합성되어 시간 축선 상에서 수신된 파형이 늘어지는 현상이 발생되는 것 

 

혼신(Interference) 

간섭이라고 부르는 혼신은 원하는 신호 외의 외부 방해전파의 영향으로 원신호에 중 천 되어 나타나는 교란 현상을 말한다. 우리가 흔히 말하는 간섭이 바로 혼신이다. 혼신 혼신의 종류로는 시간차로 발생되는 심벌 간 간섭, 주파수가 같은 동일 채널의 2개 이상의 전파가 수신기에서 장애를 발생시키는 주파수 채널 간섭, 인접 채널 사이의 간섭으로 인해 특정 채널 간 혼신을 일으키는 인접 채널 간섭, 동일 기지국 셀 커버리지 안에서 이동단말 간에 서로 영향을 주는 셀 내 간섭 및 기지국 경계에 위치한 이동단말이 인접 기지국으로부터 받는 셀 간 간섭 등이 존재한다. 

 

인접채널 간섭 

경로 손실이란 송·수신 안테나 사이에서 구성된 무선 연 결 통로인 경로(Link) 상에서 경로 거리에 따라 전파의 세 기가 감쇠되는 현상을 말한다. 전파는 자유공간에서 흡수, 반사, 굴절, 회절, 직진 등 고유의 성질을 지니고 있으며, 이때때 송·수신 간 거리에 따른 수신 전력은 송신 전력,전력, 송신 안테나 이득, 수신 안테나 이득, 전송거리, 파장 및 전파경로와 무관한 무선환경 등에 따라 변동하게 되는 것이다. 가령, A 산꼭대기에 설치된 송신소에서 가까운 B산 정상에 있는 중계소와 전송거리가 먼 C산 정상에 있는 중계소 간 거리의 차이로 인해 경로 손실은 C산에서 더 많아질 것이다. 물론, 가시거리 사이의 페이딩, 도플러 효과 및 지연 확산으로연확산 인해 약간의 손실 오차는 발생할 수도 있다. 가령, 도심의 경우 가시거리인 LOS(Line Of Sight) 상 의 직접파와 건물, 자동차 등 전파 장애물과 반사되면서 시 간 지연된 전파가 합성될 때, 상호 간섭현상으로 인해 신호 대 간섭 잡음비(SINR)가 저하되면서, 데이터 전송속도가 떨어지는 현상이 발생된다. 

 

주파수 채널 간섭을 줄이기 위해서는 무선 주파수 사용 대역의 정확한 할당 계획을 설정 · 분배 관리가 필요하고, 사용 주파수간 이격 거리를 두어 사용해야 한다. 또한, 송 신 출력 감소와 지형에 맞는 안테나를 사용하여야 하고, 안테나의 적절한 위치 선정, 좌 • 우 방향의 적절한 스윙, 위·아래 각도의 틸팅 등을 통한 필드 최적화 작업이 필요하다. 아울러, 안테나의 높이를 지형에 맞도록 선정 및 설치하여야 하고, 무선환경 상 각종 불 요파를 수시로 탐지하여 제거해야 한다. 불법 전파로부터 송·수신기 차폐 및 접지 활동 도 아울러 병행하여야 한다. 

경로 거리가 커질수록 간섭이 증가한다.