복사와 안테나
10–14장에서는 이미 만들어진 파동이 매질, 경계, 전송선, 도파관을 따라 어떻게 가는지 보았다. 이 장은 그 파동이 처음 생기는 곳에서 시작한다. 전하가 가속되면, 곧 전류가 시간에 따라 변하면, 전기장선 일부가 도선에서 떨어져 나와 빛의 속력으로 멀어진다. 이것이 복사(radiation)이다. 복사를 일부러 일으키도록 모양을 잡은 도체가 안테나이고, 원치 않는데 복사하는 도체는 모두 "의도치 않은 안테나"이다. 클럭 배선, 귀환 경로가 먼 신호선, 보드에서 나온 케이블, 장비 외함의 틈이 여기에 든다. 이 장은 가장 작은 안테나인 헤르츠 쌍극자에서 출발해 복사 저항과 지향성, 반파장 다이폴, 빔을 전자적으로 돌리는 배열 안테나, 무선 링크의 프리스 식으로 나아간 뒤, 같은 식으로 EMI와 차폐를 계산한다. 먼저 진동하는 쌍극자에서 장선이 떨어져 나가는 모습을 보자.
- 지연 벡터 퍼텐셜에서 헤르츠 쌍극자의 장 \(E_r, E_\theta, H_\phi\)를 유도하고, \(1/(kr)^3\)·\(1/(kr)^2\)·\(1/kr\) 항으로 근거리장, 중간 영역, 원거리장을 나눈다.
- 원거리장의 성질(\(\mathbf E\perp\mathbf H\perp\hat{\mathbf r}\), \(E_\theta/H_\phi = \eta_0\), \(1/r\) 감쇠)을 설명하고 파동 임피던스로 근거리장을 판별한다.
- 복사 세기 \(U(\theta,\phi)\), 복사 전력, 복사 저항 \(R_r = 80\pi^2(\Delta l/\lambda)^2\), 지향성 \(D\), 반전력 빔폭, 효율과 이득을 계산한다.
- 중심 급전 선형 안테나의 패턴 \(F(\theta)\)로 반파장 다이폴(73.1 Ω, 2.15 dBi)과 λ/4 모노폴(36.5 Ω, 5.16 dBi)을 다룬다.
- 균일 선형 배열의 배열 인자와 패턴 곱셈을 쓰고, 점진 위상 \(\beta\)로 빔을 조향하며, 그레이팅 로브가 생기지 않는 소자 간격 조건을 구한다.
- 유효 개구 \(A_e = \lambda^2G/4\pi\)와 프리스 전송 식으로 링크 예산(EIRP, 경로 손실, 수신 감도, 여유)을 짠다.
- 차동 모드 고리 복사(\(\propto f^2AI\))와 공통 모드 복사(\(\propto fLI\)), 사다리꼴 클럭 스펙트럼의 −20/−40 dB/dec 포락선으로 EMI를 예측하고, 흡수·반사 차폐와 틈새 누설로 외함의 차폐 효과를 계산한다.
헤르츠 쌍극자: 근거리장과 원거리장
가장 단순한 안테나는 길이 \(\Delta l\)이 파장보다 훨씬 짧고(\(\Delta l \ll \lambda\)) 그 안의 전류 \(I\)가 어디서나 같은 도선 조각이다. 양 끝에는 전하 \(\pm q\)가 쌓였다 빠지기를 되풀이하므로(\(I = j\omega q\)), 진동하는 전기 쌍극자 \(p = q\,\Delta l\)이기도 하다. 1888년 헤르츠가 전자기파를 처음 만들고 검출할 때 쓴 장치가 이것이어서 헤르츠 쌍극자(Hertzian dipole)라 부른다. 실제 안테나는 이런 조각을 이어 붙인 것으로 볼 수 있으므로, 이 조각 하나의 장이 모든 안테나 이론의 출발점이다.
9장의 지연 퍼텐셜이 계산을 이끈다. 원점에 놓인 \(z\) 방향 전류 조각이 거리 \(r\)에 만드는 벡터 퍼텐셜은, 정자기의 \(\mu_0 I\Delta l/4\pi r\)에 "\(r/c\)만큼 늦게 도착한다"는 위상 \(e^{-jkr}\)을 곱한 것이다(\(k = \omega/c = 2\pi/\lambda\)).
- 원점에 \(z\) 방향 전류 조각을 놓고 관측점 \(P\)의 구 좌표 \((r, \theta)\)와 단위 벡터 \(\hat{\mathbf r}, \hat{\boldsymbol\theta}\)를 정한다.
- 지연 벡터 퍼텐셜은 전류와 같은 \(z\) 방향이다. 구 좌표 성분으로 나누면 \(A_r\)와 \(A_\theta\)가 생긴다.
- 회전을 취하면 자기장은 축을 감아 도는 \(H_\phi\) 하나뿐이다. 가까이서는 정자기의 비오–사바르 꼴이다.
- 멀리서는 \(E_\theta\)와 \(H_\phi\)만 남아 \(\hat{\mathbf r}\)에 수직인 평면파처럼 바깥으로 에너지를 나른다.
회전 두 번을 계산하면(유도는 아래 심화 상자) 세 성분이 나온다. 모두 같은 앞인자 \(I\Delta l k^2/4\pi\)와 지연 위상 \(e^{-jkr}\)을 갖고, 괄호 안에 \(kr\)의 거듭제곱 세 가지가 섞여 있다.
\(\nabla\times\tilde{\mathbf A}\)의 \(\phi\) 성분은 \(\frac1r\left[\frac{\partial}{\partial r}(rA_\theta) - \frac{\partial A_r}{\partial\theta}\right]\)이다. \(rA_\theta = -\frac{\mu_0I\Delta l}{4\pi}\sin\theta\,e^{-jkr}\)을 \(r\)로 미분하면 \(jk\)가 하나 나오고, \(\partial A_r/\partial\theta\)는 \(-\sin\theta/r\)을 준다. 정리하면 \(H_\phi = \frac{I\Delta l\sin\theta}{4\pi}\left(\frac{jk}{r} + \frac{1}{r^2}\right)e^{-jkr}\)이고 \(k^2\)을 묶으면 위 식이다. 다시 \(\nabla\times(\hat{\boldsymbol\phi}H_\phi)\)를 \(j\omega\varepsilon_0\)로 나누면 \(E_r = \frac{1}{j\omega\varepsilon_0}\frac{1}{r\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}(\sin\theta H_\phi)\), \(E_\theta = -\frac{1}{j\omega\varepsilon_0}\frac1r\frac{\partial}{\partial r}(rH_\phi)\)이며, \(r\) 미분이 한 번 더 \(1/(kr)^3\) 항을 만든다. \(1/(\omega\varepsilon_0) = \eta_0/k\)를 쓰면 정리된다.
세 영역: \(kr\)이 결정한다
괄호 안 세 항의 크기 비는 \(kr\) 하나로 정해진다. \(kr = 1\), 곧 \(r = \lambda/2\pi\)에서 세 항의 크기가 같고, 그보다 안쪽은 높은 거듭제곱이, 바깥은 \(1/kr\) 항이 이긴다.
근거리장(near field), \(kr \ll 1\)
\(1/(kr)^3\) 항이 이긴다. \(I = j\omega q\)를 넣으면 \(E_r = \frac{2p\cos\theta}{4\pi\varepsilon_0r^3}\), \(E_\theta = \frac{p\sin\theta}{4\pi\varepsilon_0r^3}\) — 2장의 정전 쌍극자 장이 그대로 진동한다. 자기장은 비오–사바르 \(\frac{I\Delta l\sin\theta}{4\pi r^2}\). \(\mathbf E\)와 \(\mathbf H\)의 위상이 90° 어긋나 있어 에너지는 안테나 곁에 저장되었다 되돌아갈 뿐(무효 전력), 멀리 가지 않는다.
원거리장(far field), \(kr \gg 1\)
\(1/kr\) 항만 남는다: \(\tilde E_\theta = j\eta_0\frac{kI\Delta l}{4\pi r}\sin\theta\,e^{-jkr}\), \(\tilde H_\phi = \tilde E_\theta/\eta_0\). \(E\)와 \(H\)가 같은 위상으로 \(1/r\)씩 줄어, 넓이 \(\propto r^2\)인 구면을 지나는 전력 \(\propto r^2\cdot(1/r)^2\)이 일정하다. 이것이 복사장이다. \(E_r\)은 \(1/r^2\) 이상으로 빨리 사라진다.
근거리장을 가늠하는 또 다른 잣대는 파동 임피던스(wave impedance) \(Z_w = E_\theta/H_\phi\)이다. 원거리에서는 \(\eta_0\)이지만 전기 쌍극자 곁에서는 \(Z_w \approx \eta_0/(jkr)\)로 훨씬 크고(고임피던스, 전기장 우세), 작은 전류 고리(자기 쌍극자) 곁에서는 쌍대성으로 \(Z_w \approx j\eta_0kr\)로 작다(저임피던스, 자기장 우세). 근거리장 차폐와 측정이 원거리장과 다른 이유가 여기 있다(7절).
진동수 100의 파장은 이고, 근거리·원거리 경계 \(r = \lambda/2\pi\)는 이다. 쌍극자에서 0.50 떨어진 곳은 \(kr =\) 로 . 그곳에서 정전기 항 \(1/(kr)^3\)은 복사 항 \(1/kr\)의 배이고, 파동 임피던스는 \(|Z_w| =\) 이다.
헤르츠 쌍극자에서 관측점까지의 거리를 10배로 늘렸다. 아주 가까운 곳(\(kr \ll 1\))과 아주 먼 곳(\(kr \gg 1\))에서 전기장 세기는 각각 몇 분의 1이 될까?
근거리장에서 원거리장으로: 세 항과 파동 임피던스
30 MHz로 구동하는 길이 0.50 m 짧은 쌍극자에 진폭 1.0 A의 균일 전류가 흐른다고 하자. 넓은면 방향(\(\theta = 90^\circ\)) 1.0 km에서 전기장과 자기장의 진폭은? 원거리 근사가 맞는지도 확인하라.
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플라스마 장비의 RF 전원은 13.56 MHz이다. (가) 근거리·원거리 경계 거리는? (나) 급전선(짧은 쌍극자로 본다)에서 1.0 m 떨어진 곳에서 \(1/(kr)^3\) 항은 \(1/kr\) 항의 몇 배이고, 파동 임피던스 \(|Z_w|\)와 E–H 위상차는?
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13.56 MHz의 경계 거리 3.5 m는 식각·증착 장비 한 대의 크기와 비슷하다. 정합기, 급전 막대, 전극 둘레의 장은 원거리 복사장이 아니라 저장된 장이어서 전기장과 자기장의 비가 377 Ω이 아니고, 접지와 차폐 방식에 따라 어느 한쪽이 크게 우세하다. 정합기 박스 문을 열어 둔 채 측정하면 근처 계측 장비의 아날로그 신호가 흔들리는 것도, 같은 진동수의 장비 두 대가 서로 간섭하는 것도 대부분 근거리 결합(용량·유도 결합)이다. 반면 2.45 GHz 마이크로파 플라스마 원은 경계가 2 cm 정도라 도파관 밖으로 새면 곧바로 복사장이 된다. → EtchBook · 반응기: 배럴에서 ICP까지
복사 세기, 복사 저항, 지향성
원거리장에서 시간 평균 포인팅 벡터는 \(\mathbf S_{av} = \frac12\mathrm{Re}(\tilde{\mathbf E}\times\tilde{\mathbf H}^*) = \hat{\mathbf r}\,|E_\theta|^2/2\eta_0\)이다. \(1/r^2\)로 주는 이 양에 \(r^2\)을 곱하면 거리와 무관하고 방향에만 의존하는 양이 된다. 이것을 복사 세기(radiation intensity)라 한다(단위 W/sr). 복사 세기를 방향의 함수로 그린 것이 복사 패턴(radiation pattern)이다.
헤르츠 쌍극자의 원거리장을 넣으면 \(U = \frac{\eta_0}{2}\left(\frac{kI\Delta l}{4\pi}\right)^2\sin^2\theta\)이고, \(\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta = 4/3\)을 써서 적분하면
복사 저항(radiation resistance)은 복사로 빠져나가는 전력을 급전 전류로 나타낸 가상의 저항이다. 저항처럼 전력을 "소비"하지만 열이 아니라 전자기파로 내보낸다. 도선 자체의 옴 손실은 손실 저항 \(R_L\)로 따로 두며, 길이 \(\Delta l\), 반지름 \(a\), 표면 저항 \(R_s = \sqrt{\pi f\mu_0/\sigma}\)(10장)인 도선은 \(R_L \approx \frac{\Delta l}{2\pi a}R_s\)이다. 둘의 비가 복사 효율(radiation efficiency)이다.
헤르츠 쌍극자는 \(U \propto \sin^2\theta\)이므로 \(D = 4\pi/\int\sin^2\theta\,d\Omega = 4\pi/(8\pi/3) = 1.5\)(1.76 dBi)이다. 세기가 최대의 절반이 되는 두 방향 사이의 각 반전력 빔폭(half-power beamwidth, HPBW)은 \(\sin^2\theta = 1/2\)에서 \(\theta = 45^\circ, 135^\circ\)이므로 90°이다.
길이 30인 짧은 쌍극자(균일 전류)를 50로 구동하면 \(\Delta l/\lambda =\) , 복사 저항 \(R_r =\) 이다. 반지름 0.5인 구리선의 손실 저항은 \(R_L =\) 이므로 효율 , 이득 이다.
10 MHz에서 길이 \(\lambda/50\), 반지름 0.50 mm인 구리 쌍극자(균일 전류로 가정, \(\sigma = 5.96\times10^7\) S/m)의 복사 저항, 손실 저항, 효율, 이득(dBi)을 구하라.
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반파장 다이폴과 선형 안테나
길이가 파장에 견줄 만해지면 전류를 균일하다고 볼 수 없다. 끝이 열린 평행 전송선(12장)의 정재파를 떠올리자. 끝에서 전류는 0이고, 끝에서 \(\lambda/4\) 떨어진 곳에서 최대다. 두 도선을 벌려 일직선으로 펴면 전류 분포는 그대로 남고, 이제 두 도선의 전류가 같은 방향이 되어 서로 상쇄하지 않고 복사한다. 길이 \(L\)인 중심 급전 선형 안테나(linear antenna)의 전류를 정현파로 가정한다.
안테나를 헤르츠 쌍극자 \(I(z)\,dz\)의 줄로 보고 원거리장을 더한다. 위치 \(z\)의 조각은 관측점까지 경로가 \(z\cos\theta\)만큼 짧아 위상 \(e^{jkz\cos\theta}\)을 더 갖는다. 적분하면
가장 널리 쓰는 경우가 \(L = \lambda/2\)인 반파장 다이폴(half-wave dipole)이다. \(kL/2 = \pi/2\)이므로 \(F(\theta) = \cos(\frac\pi2\cos\theta)/\sin\theta\)이고, 급전점 전류가 \(I_m\)과 같다.
- 정현파 전류 분포(파란 면, 오른쪽이 +). 끝에서 0이고 끝에서 λ/4 안쪽에서 최대다. λ보다 길면 일부 구간의 전류 부호가 뒤집힌다.
- 반파장: 전류가 모두 같은 방향이라 넓은면(θ = 90°)에서 보강된다. 헤르츠 쌍극자보다 조금 좁은 도넛.
- 한 파장: 두 반쪽이 각각 반파장처럼 같은 위상으로 더해져 빔이 더 좁아진다. 급전점이 전류 마디라 입력 저항이 매우 크다.
- 1.5파장: 반대 부호 전류가 넓은면에서 일부를 상쇄해 주엽이 비스듬히 갈라지고 부엽이 생긴다.
선형 안테나를 길게 할수록 넓은면 방향의 지향성은 계속 커질까?
선형 안테나의 길이와 패턴: 넓은면 5 dBi 만들기
모노폴과 영상법
넓은 도체 접지면 위에 세운 길이 \(h\)의 도선을 모노폴(monopole)이라 한다. 4장의 영상법으로 접지면 아래에 같은 방향 전류의 영상을 두면, 위 반공간의 장은 길이 \(2h\)인 다이폴과 같다. 전력은 위 반공간으로만 나가므로 같은 전류에서 복사 전력이 절반이고, 세기는 같은데 전력이 절반이니 지향성은 두 배다.
2.45 GHz 반파장 다이폴의 길이는? 최대 전류 \(I_m = 0.10\) A일 때 복사 전력과 넓은면 100 m에서 전기장 진폭을 구하고, 지향성으로 같은 값을 다시 구해 확인하라.
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배열 안테나와 빔 조향
안테나 하나의 패턴은 모양(길이)으로 정해지므로 바꾸기 어렵다. 같은 안테나 여러 개를 늘어놓고 각 소자에 주는 전류의 진폭과 위상을 조절하면 패턴을 마음대로 빚을 수 있고, 기계적으로 돌리지 않고 빔 방향을 바꿀 수 있다. 이것이 위상 배열(phased array)이며, 5G 밀리미터파 기지국과 단말, 자동차 레이더, 위성 통신 단말이 모두 이 방식이다.
같은 소자 \(N\)개를 \(x\)축 위에 간격 \(d\)로 놓고, \(n\)번째 소자 전류를 \(I_0e^{jn\beta}\)(점진 위상 \(\beta\))로 준다. 원거리 관측 방향이 배열 축과 각 \(\psi\)를 이루면, 이웃 소자에서 오는 파는 경로차 \(d\cos\psi\) 때문에 위상이 \(kd\cos\psi\)만큼 다르다. 원거리장은 소자 하나의 장에 다음 합을 곱한 것이다.
빔 조향과 그레이팅 로브
주엽은 \(u = 0\)인 방향에 생긴다. 배열의 법선(넓은면)에서 잰 각 \(\theta_0\)로 빔을 보내려면(\(\cos\psi_0 = \sin\theta_0\))
그런데 \(u\)는 \(2\pi\)마다 같은 값을 되풀이하므로 \(u = \pm2\pi\)인 방향에도 주엽과 똑같은 크기의 엽이 생길 수 있다. 이것이 그레이팅 로브(grating lobe)이다. 보이는 각 범위(\(|\sin\theta| \le 1\)) 안에 \(u = 2\pi m\ (m \ne 0)\)이 들어오지 않으려면
28 위상 배열(파장 )의 소자 간격을 5.35로 잡으면 \(d/\lambda =\) 이다. 빔을 넓은면에서 30 돌리려면 이웃 소자 위상을 씩 늦춘다. 이 간격에서 그레이팅 로브 없이 돌릴 수 있는 최대 각은 이다.
소자 8개를 간격 \(d = \lambda\)로 놓고 위상 차 없이(\(\beta = 0\)) 같이 구동했다. 위쪽 반공간에서 \(|AF|\)가 최대(1)인 방향은 몇 개일까?
위상 배열 빔 조향: 과녁 맞히기
28 GHz에서 소자 8개를 \(d = \lambda/2\)로 늘어놓은 위상 배열이 있다. (가) 소자 간격은 몇 mm인가? (나) 빔을 넓은면에서 30° 돌리려면 이웃 소자의 위상 차는? (다) 넓은면과 30° 조향 때의 반전력 빔폭은? (라) 간격을 \(0.7\lambda\)로 넓히면 그레이팅 로브 없이 몇 도까지 돌릴 수 있나?
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"간격 \(d\)인 주기 배열이 \(d\sin\theta = m\lambda\) 방향으로 보강 간섭을 만든다"는 식은 안테나 배열의 그레이팅 로브이자 광학의 회절 격자 방정식이다. 리소그래피 마스크의 주기 패턴이 투영 렌즈의 개구(NA) 안에 몇 개의 회절 차수를 넣을 수 있느냐로 해상 한계가 정해지는 것, 이미지 센서의 픽셀 배열이나 웨이퍼 위 반복 패턴이 산란광 측정(scatterometry)에서 격자로 작동하는 것도 같은 원리다. 위상 배열 설계자가 \(d < \lambda/2\)를 지키는 이유와 광학 설계자가 "1차 회절광을 렌즈에 넣는다"고 말하는 이유는 같은 식의 양면이다. → OpticsBook · 회절(격자 방정식과 차수)
수신 안테나와 프리스 전송 식
안테나는 가역적이다. 송신할 때의 패턴이 곧 수신할 때의 감도 패턴이다(상반 정리). 수신 안테나를, 들어오는 전력 밀도 \(S\)(W/m²)에서 \(P_r = A_eS\)를 걷어 오는 넓이로 나타낸 것이 유효 개구(effective aperture)이다. 열역학적 논증(흑체 복사 속의 안테나와 정합 저항의 평형)으로 모든 안테나에서 유효 개구와 이득의 비가 같다는 것이 증명된다.
송신 전력 \(P_t\), 이득 \(G_t\)인 안테나에서 거리 \(R\)(원거리)의 전력 밀도는 \(S = P_tG_t/4\pi R^2\)이다. 여기에 수신 안테나의 \(A_e\)를 곱하면 프리스 전송 식(Friis transmission equation)을 얻는다.
2450(파장 )에서 거리 30의 자유 공간 경로 손실은 이다. 송신 20, 두 안테나 이득이 각각 2.0이면 수신 전력은 , 수신점의 전기장은 (실횻값)이다.
실제 링크는 프리스 식에 여러 손실을 더한다: 케이블·커넥터 손실, 편파 불일치, 임피던스 부정합(\(1 - |\Gamma|^2\)), 그리고 실내의 벽·장비·사람에 의한 차폐와 다중 경로. 실내에서는 보통 1 m 기준 손실에 경로 손실 지수(path loss exponent) \(n\)을 써서 \(L(R) = L_{fs}(1\text{ m}) + 10n\log_{10}R\)로 근사한다. 자유 공간은 \(n = 2\), 금속 장비가 빽빽한 공장 바닥은 \(n = 2.5\)–\(4\) 정도다. 수신기가 오류 없이 복조할 수 있는 최소 전력이 수신 감도이고, \(P_r\) − 감도 = 링크 마진(link margin)이다. 페이딩을 견디도록 보통 10–20 dB를 남긴다.
팹 무선 센서망: 게이트웨이 한 대로 세 센서 잇기
2.45 GHz 공유기가 20 dBm을 2 dBi 안테나로 내보낸다. 30 m 떨어진 2 dBi 단말이 받는 전력(자유 공간)과 그 자리의 전기장(실횻값)은? 수신 감도가 −80 dBm이면 링크 마진은?
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의도치 않은 안테나: 전자파 간섭(EMI)
전류가 흐르고 그 전류가 변하는 도체는 모두 복사한다. 회로가 내보내는 원치 않는 복사가 다른 기기의 동작을 방해하는 것을 전자파 간섭(electromagnetic interference, EMI)이라 하고, 그 반대(외부 장에 대한 내성)까지 묶어 전자파 적합성(EMC)이라 한다. 제품은 시판 전에 복사 방출 한계를 넘지 않는다는 시험을 통과해야 한다. 예를 들어 미국 FCC Part 15 B급(가정용)은 3 m 거리에서 준첨두값으로 30–88 MHz 40.0, 88–216 MHz 43.5, 216–960 MHz 46.0, 960 MHz 이상 54.0 dBµV/m를 넘지 못하게 한다(dBµV/m = \(20\log_{10}(E/1\,\mu\text{V/m})\)). 40 dBµV/m는 100 µV/m — 앞의 Wi-Fi 예제가 받는 장의 1/700이다.
보드 위의 복사원은 두 가지 모형으로 거의 다 설명된다.
차동 모드 복사(differential-mode radiation)
신호 전류와 귀환 전류가 반대 방향으로 흐르며 넓이 \(A\)인 작은 고리를 이룬다. 고리는 자기 쌍극자 \(m = IA\)이고, 원거리장은 헤르츠 쌍극자와 쌍대인 꼴이다(최대 방향, 자유 공간):
$$|E| = \frac{\eta_0k^2AI}{4\pi r} \approx 1.32\times10^{-14}\,\frac{f^2AI}{r}$$
(SI 단위). 진동수의 제곱에 비례한다. 줄이려면 고리 넓이, 곧 신호선과 귀환 경로 사이 거리를 줄인다.
공통 모드 복사(common-mode radiation)
보드에 붙은 케이블의 모든 도선에 같은 방향으로 흐르는 작은 전류 \(I_{cm}\)(접지 전위 차가 밀어낸 것). 케이블이 짧은 모노폴처럼 복사한다:
$$|E| = \frac{\eta_0kLI_{cm}}{4\pi r} \approx 6.28\times10^{-7}\,\frac{fLI_{cm}}{r}$$
\(f\)에 1차로 비례하지만, 유효 길이 \(L\)이 크고 상쇄하는 짝이 없어 µA 단위의 전류로도 규격을 넘는다. 페라이트 코어, 공통 모드 초크, 케이블 차폐의 360° 접지로 줄인다.
시험장 바닥의 반사가 직접파와 같은 위상으로 겹치면 최대 2배(+6 dB)까지 커질 수 있어 설계 여유를 그만큼 둔다. 케이블 길이가 \(\lambda/4\)에 가까우면 공진으로 더 커지며, 이 식은 짧은 케이블에만 맞는다.
- 클럭 신호가 IC에서 부하로 가고, 귀환 전류가 다른 길로 돌아오면 그 사이가 고리 넓이 \(A\)다.
- 고리는 자기 쌍극자 \(m = IA\). 반대 방향 두 전류의 장은 멀리서 거의 상쇄되고, 남는 장이 \(k^2A\), 곧 \(f^2A\)에 비례한다.
- 보드와 케이블 사이 접지 전위가 흔들리면 케이블 전체에 같은 방향 전류가 흐른다. 상쇄할 짝이 없어 µA로도 크다.
- 귀환 전류가 신호 바로 아래 접지면으로 흐르게 하고(고리 넓이 최소), 케이블에는 공통 모드 전류를 막는 페라이트를 단다.
진동수 100, 진폭 10의 전류가 넓이 100인 고리를 돌면 3 m에서 \(|E| =\) = 이다. 그 진동수의 FCC B급 한계는 이므로 .
클럭의 스펙트럼: 사다리꼴 파형
디지털 회로에서 가장 큰 방출원은 클럭이다. 주기 \(T\), 펄스 폭 \(\tau\)(50% 지점), 상승·하강 시간 \(t_r\), 진폭 \(A\)인 사다리꼴 파형의 \(n\)번째 고조파(\(f_n = n/T\)) 진폭은
클럭 배선의 복사 방출: 규격 통과시키기
보드에 붙은 길이 1.0 m 케이블에 100 MHz 공통 모드 전류 5.0 µA가 흐른다. 3 m에서 전기장(dBµV/m)과 FCC B급 한계 대비 여유는? 같은 장을 넓이 10 cm²의 차동 모드 고리로 만들려면 고리 전류가 얼마여야 하나?
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SoC의 PLL은 수십 MHz 수정 발진기를 GHz 클럭으로 곱하고, 클럭 트리는 칩 전체에 같은 진동수의 날카로운 모서리를 뿌린다. 클럭의 고조파는 좁은 선 스펙트럼이라 규격 시험에서 가장 먼저 걸린다. 그래서 PC·디스플레이·메모리 인터페이스는 클럭 진동수를 수십 kHz 주기로 0.5% 정도 흔드는 확산 스펙트럼 클럭(SSC)을 쓴다. 전체 에너지는 같지만 측정 수신기의 120 kHz 대역 안에 드는 몫이 줄어 첨두값이 수 dB–십수 dB 내려간다. 대신 지터가 늘어나는 것처럼 보이므로 수신 쪽 CDR이 이 느린 흔들림을 따라가야 한다. I/O 드라이버의 슬루율 제어는 상승 시간 \(t_r\)을 일부러 늦춰 \(f_2\) 위의 방출을 깎는 방법이다. → SoCBook · 클럭·리셋·클럭 도메인 · SoCBook · 인터럽트·DMA·고속 I/O
고속 신호의 귀환 전류는 가장 낮은 임피던스 경로, 곧 신호선 바로 아래 기준면을 따라 돌아온다(고주파에서는 인덕턴스가 가장 작은 길). 패키지 기판과 보드의 신호층을 기준면 사이에 끼운 스트립라인으로 짜는 것, 기준면에 틈(분할된 전원면, 비아 숲)이 있으면 귀환 전류가 돌아가며 고리 넓이가 갑자기 커지는 것이 이 장의 \(f^2A\) 식으로 설명된다. 차동 쌍은 두 선의 전류가 반대 방향이라 고리 넓이가 두 선 간격만큼으로 작고, 공통 모드 잡음에도 강하다. 쌍 내 스큐가 생기면 차동 신호 일부가 공통 모드로 바뀌어 케이블로 새어 나가므로 길이를 맞춘다. → PackagingBook · 기판과 패키지 형태 · DisplayBook · 타이밍 컨트롤러와 인터페이스(차동 신호와 EMI)
칩 설계의 물리 검증에 나오는 안테나 규칙(antenna rule)은 복사와 상관없다. 플라스마 식각 중 긴 금속 배선이 전하를 모으는 "안테나"가 되어 거기 이어진 얇은 게이트 산화막을 파괴하는 것(플라스마 유도 손상)을 막는 규칙이다. 금속 넓이 대 게이트 넓이의 비를 제한하고, 넘으면 배선을 끊어 위층으로 점프하거나 다이오드를 단다. → DesignBook · 물리 검증: DRC · LVS
차폐와 틈새 누설
방출을 원천에서 다 줄이지 못하면 도체로 감싼다. 평면파가 두께 \(t\)인 도체판에 수직으로 들어올 때 투과파가 입사파보다 몇 dB 작은지를 차폐 효과(shielding effectiveness, SE)라 한다. 셸쿠노프는 이를 세 몫으로 나누었다.
두께 35의 구리판에 30의 평면파가 들어오면 표피 깊이 , 흡수 , 반사 , 다중 반사 보정 로 차폐 효과 이다.
계산해 보면 PCB 동박 한 겹도 원거리 평면파에 100 dB 넘는 차폐를 준다. 그런데 실제 외함의 차폐는 수십 dB에 그친다. 범인은 판이 아니라 구멍이다. 이음매, 환기구, 커넥터 구멍, 디스플레이 창처럼 가장 긴 치수가 \(L\)인 틈은 그 자체가 슬롯 안테나(slot antenna)가 된다. 바비네 원리로 길이 \(\lambda/2\)인 틈은 반파장 다이폴과 같은 효율로 복사하므로 차폐가 사라진다. \(L < \lambda/2\)이면 대략
두께 0.5 mm 알루미늄 외함에 길이 10 cm 이음매 틈이 하나 있다. 1 GHz에서 차폐를 키우는 데 가장 효과적인 것은?
외함 차폐: 판보다 틈
두께 0.50 mm 알루미늄 판(\(\sigma = 3.77\times10^7\) S/m)의 100 MHz 차폐 효과(평면파)를 구하라. 같은 외함에 길이 10 cm 틈이 하나 있다면 100 MHz와 1 GHz에서 틈이 허용하는 차폐는? 1 GHz에서 30 dB를 얻으려면 틈을 몇 mm 이하로 끊어야 하나?
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CD-SEM, 전자빔 검사기, 마스크 묘화기의 전자빔은 수십–수백 nT의 교류 자기장에도 휜다. 이 자기장은 서브팹 변압기·배전반·버스 덕트에서 오는 50/60 Hz 근거리 자기장이다. 이 장의 식으로 보면 차폐가 어렵다: 60 Hz에서 구리의 표피 깊이는 8.4 mm라 흡수가 거의 없고, 근거리 자기장원은 파동 임피던스가 작아 반사도 작다. 그래서 전자빔 장비는 투자율이 큰 퍼멀로이(μ-metal)로 자기 선속을 옆으로 돌려 흘리는 방식(7장의 자기 회로)으로 칼럼을 감싸고, 방 단위로는 3상 케이블을 촘촘히 묶어 순 전류를 0에 가깝게 하거나 능동 상쇄 코일을 쓴다. 고주파 차폐(반사·흡수)와 저주파 자기 차폐(선속 우회)는 원리가 다르다. → InfraBook · 진동·소음·전자기 환경
핵심 정리
- 헤르츠 쌍극자(\(\Delta l \ll \lambda\))의 장은 지연 퍼텐셜 \(\tilde{\mathbf A} = \hat{\mathbf z}\mu_0I\Delta l e^{-jkr}/4\pi r\)에서 나오며, \(1/(kr)^3\)(정전기), \(1/(kr)^2\)(유도), \(1/kr\)(복사) 항이 섞여 있다. 경계는 \(r = \lambda/2\pi\). 근거리장은 저장된 무효 에너지이고 파동 임피던스가 \(\eta_0\)과 다르다(전기 쌍극자 \(\approx\eta_0/kr\), 고리 \(\approx\eta_0kr\)).
- 원거리장: \(\tilde E_\theta = j\eta_0\frac{kI\Delta l}{4\pi r}\sin\theta\,e^{-jkr}\), \(H_\phi = E_\theta/\eta_0\), \(\mathbf E\perp\mathbf H\perp\hat{\mathbf r}\), \(1/r\) 감쇠. 복사 세기 \(U = r^2S_{av}\)(W/sr)는 거리에 무관한 방향의 함수이며, 그 그림이 복사 패턴이다.
- \(P_{rad} = 40\pi^2(\Delta l/\lambda)^2I^2\), \(R_r = 80\pi^2(\Delta l/\lambda)^2\)(삼각 전류면 \(20\pi^2(\Delta l/\lambda)^2\)). \(D = 4\pi U_{max}/P_{rad}\)(헤르츠 1.5, HPBW 90°), 효율 \(e_r = R_r/(R_r + R_L)\), 이득 \(G = e_rD\). 짧은 안테나는 \(R_r\)이 \(L^2\)으로 줄어 비효율적이다.
- 선형 안테나 \(F(\theta) = [\cos(\frac{kL}{2}\cos\theta) - \cos\frac{kL}{2}]/\sin\theta\). 반파장 다이폴 73.1 + j42.5 Ω, \(D = 1.64\)(2.15 dBi), HPBW 78°. λ/4 모노폴은 영상법으로 36.5 Ω, 5.16 dBi. 넓은면 지향성은 \(L \approx 1.25\lambda\)에서 최대(약 5.2 dBi)이고 그 뒤 주엽이 갈라진다.
- 배열: \(\mathbf E = \mathbf E_{el}\times AF\), \(|AF|/N = |\sin(Nu/2)/N\sin(u/2)|\), \(u = kd\cos\psi + \beta\). 조향 \(\beta = -kd\sin\theta_0\). 그레이팅 로브를 피하려면 \(d/\lambda < 1/(1 + |\sin\theta_0|)\)(전 범위 조향은 \(d < \lambda/2\)). 빔폭 \(\approx 0.886\lambda/(Nd\cos\theta_0)\).
- \(A_e = \lambda^2G/4\pi\). 프리스: \(P_r = P_tG_tG_r(\lambda/4\pi R)^2\), \(L_{fs} = 20\log(4\pi R/\lambda)\) = \(20\log R_{km} + 20\log f_{MHz} + 32.45\). EIRP \(= P_tG_t\), \(E_{rms} = \sqrt{30\,\text{EIRP}}/R\). 실내는 경로 손실 지수 \(n\)으로, 링크 마진은 10–20 dB를 남긴다.
- EMI: 차동 모드 고리 \(|E| \approx 1.32\times10^{-14}f^2AI/r\), 공통 모드 케이블 \(|E| \approx 6.28\times10^{-7}fLI_{cm}/r\) — µA의 공통 모드 전류로도 규격을 넘는다. 사다리꼴 클럭은 \(1/\pi\tau\), \(1/\pi t_r\)에서 −20, −40 dB/dec로 꺾인다. 차폐 \(SE = A + R + B\)는 판으로는 쉽게 100 dB를 넘지만, 외함은 틈의 가장 긴 치수가 정한다: \(SE \approx 20\log(\lambda/2L)\).
연습문제
\(c = 2.998\times10^8\) m/s, \(\eta_0 = 376.7\ \Omega\), \(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\) H/m. 반파장 다이폴 \(R_r = 73.1\ \Omega\), \(D = 1.64\). 구리 \(\sigma = 5.96\times10^7\) S/m. FCC B급(3 m): 88–216 MHz 43.5, 216–960 MHz 46.0 dBµV/m. 답이 ±1% 이내(dB 답은 ±0.1 dB)면 정답이다.
2.45 GHz에서 헤르츠 쌍극자 장의 세 항 크기가 같아지는 거리(근거리·원거리 경계)는?
\(\lambda = 2.998\times10^8/2.45\times10^9 = 0.1224\) m, \(r = 0.1224/2\pi = 0.0195\) m = 1.95 cm.
길이 \(\lambda/20\)인 헤르츠 쌍극자(균일 전류)의 복사 저항은?
\(R_r = 80\pi^2(1/20)^2 = 80\times9.870/400 = 1.97\ \Omega\).
\(\Delta l/\lambda = 0.050\)인 헤르츠 쌍극자에 진폭 2.0 A의 전류가 흐른다. 복사 전력과, 1.0 km 떨어진 넓은면 방향의 전기장 진폭은?
\(P = 40\pi^2(0.0025)(4) = 3.95\) W. \(|E| = 376.7\times2.0\times0.050/(2\times1000) = 0.0188\) V/m. 확인: \(\sqrt{2\eta_0(1.5)P/4\pi r^2} = \sqrt{2(376.7)(1.5)(3.95)/(1.257\times10^7)} = 0.0188\) ✓.
복사 저항 0.50 Ω, 손실 저항 1.5 Ω인 짧은 쌍극자(\(D = 1.5\))의 복사 효율과 이득(dBi)은?
\(e_r = 0.5/2.0 = 0.250\), \(G = 0.25\times1.5 = 0.375\) → \(10\log0.375 = -4.26\) dBi.
900 MHz용 λ/4 모노폴을 넓은 접지면 위에 세운다. 높이와 지향성(dBi)은?
\(h = \lambda/4 = (2.998\times10^8/9\times10^8)/4 = 0.0833\) m = 8.33 cm. \(D = 2\times1.64 = 3.28\) → \(10\log3.28 = 5.16\) dBi. 복사 저항은 \(73.1/2 = 36.5\ \Omega\).
소자 16개를 반파장 간격으로 늘어놓은 배열의 빔을 넓은면에서 20° 돌리려면 이웃 소자 사이 위상 차의 크기는?
\(|\beta| = 360^\circ(d/\lambda)\sin\theta_0 = 180^\circ\sin20^\circ = 61.6^\circ\). 소자 수와는 무관하다(빔폭만 바뀐다).
소자 간격이 \(0.60\lambda\)인 위상 배열을 넓은면에서 몇 도까지 돌려야 그레이팅 로브가 보이는 영역(\(|\sin\theta| \le 1\))에 들어오지 않는가?
그레이팅 로브는 \(\sin\theta_g = \sin\theta_0 - \lambda/d\). \(\sin\theta_g < -1\)이려면 \(\sin\theta_0 < \lambda/d - 1 = 1/0.6 - 1 = 0.667\) → \(\theta_0 < 41.8^\circ\).
5.8 GHz에서 50 m의 자유 공간 경로 손실은?
\(\lambda = 0.05169\) m, \(L_{fs} = 20\log(4\pi\times50/0.05169) = 20\log(12155) = 81.7\) dB. 또는 \(20\log0.05 + 20\log5800 + 32.45 = -26.02 + 75.27 + 32.45 = 81.7\) dB.
915 MHz 센서가 0 dBm을 0 dBi 안테나로 보내고, 0 dBi 게이트웨이의 수신 감도가 −100 dBm이다. 링크 마진 10 dB를 남길 때 자유 공간에서 최대 거리는?
\(20\log(4\pi R/\lambda) = 90\) → \(R = \frac{\lambda}{4\pi}10^{4.5} = \frac{0.3276}{4\pi}(31623) = 824\) m. 실내 \(n = 3\)이라면 \(31.7 + 30\log R = 90\)에서 \(R \approx 88\) m로 크게 준다.
2.45 GHz 반파장 다이폴의 유효 개구는?
\(A_e = \lambda^2D/4\pi = (0.1224)^2(1.64)/4\pi = 1.96\times10^{-3}\) m² = 19.6 cm². 안테나 막대의 물리적 넓이(6 cm × 1 mm)보다 30배 크다.
넓이 2.0 cm² 고리에 200 MHz, 진폭 10 mA 전류가 흐른다. 3 m에서 전기장(dBµV/m)은? FCC B급 한계를 통과하는가?
\(E = 1.317\times10^{-14}(2\times10^8)^2(2\times10^{-4})(0.010)/3 = 3.51\times10^{-4}\) V/m = 351 µV/m → \(20\log351 = 50.9\) dBµV/m. 200 MHz 한계 43.5 dBµV/m를 7.4 dB 넘으므로 불합격이다.
50 MHz 클럭(듀티 50%)의 상승 시간을 0.50 ns에서 2.0 ns로 늘렸다. 900 MHz 근처 고조파의 복사장 포락선은 몇 dB 줄어드는가?
\(f_2\) 위에서 포락선은 \(c_n \approx 2A\frac{\tau}{T}\frac{1}{(\pi f\tau)(\pi ft_r)} \propto 1/t_r\). 상승 시간이 4배이므로 \(20\log4 = 12.0\) dB 줄어든다. 고리 복사의 \(f^2\) 인자는 두 경우에 같다.
두께 10 µm 구리박이 100 MHz 평면파에 주는 흡수 손실과 전체 차폐 효과(\(A + R + B\))는?
\(\delta = 1/\sqrt{\pi(10^8)(4\pi\times10^{-7})(5.96\times10^7)} = 6.52\) µm, \(A = 8.686\times10/6.52 = 13.3\) dB. \(|\eta_s| = \sqrt{2\pi f\mu_0/\sigma} = 3.64\) mΩ, \(R = 20\log(376.7/0.01456) = 88.3\) dB. \(t/\delta = 1.53\)이라 \(B = +0.4\) dB. \(SE = 13.3 + 88.3 + 0.4 = 102\) dB.
안테나에서 아주 먼 곳의 전기장과 자기장에 대해 옳지 않은 것은?
원거리에서 \(E_\theta\)와 \(H_\phi\)는 같은 위상이라 평균 포인팅 벡터가 바깥을 향한다(복사). 위상이 90° 어긋난 것은 근거리장(저장 에너지)의 특징이다.
2.4 GHz 장비의 금속 외함에 다음 중 하나를 뚫어야 한다. 차폐를 가장 덜 해치는 것은?
2.4 GHz에서 \(\lambda/2 = 6.2\) cm. 6 cm 틈은 거의 공진해 차폐가 0 dB에 가깝다. 3 cm 슬롯은 \(20\log(12.5/6) = 6\) dB, 2 cm 구멍은 약 10 dB. 3 mm 구멍은 하나가 \(20\log(125/6) = 26\) dB이고, 서로 멀리 떨어진 구멍들은 \(-10\log n\)보다 덜 나빠지며 구멍이 깊으면(두꺼운 판·벌집) 도파관 차단으로 더 막는다. 넓이보다 가장 긴 치수가 중요하다.
개념 확인 퀴즈
복사장이 \(1/r^2\)이 아니라 \(1/r\)로 줄어야 하는 근본 이유는?
13.56 MHz 정합기 상자에서 50 cm 떨어진 곳의 전기장을 쟀더니 300 V/m였다. 자기장을 \(300/377\) A/m로 계산하면 안 되는 이유는?
균일 선형 배열에서 소자 간격을 반파장보다 훨씬 넓게 하면 생기는 문제는?
보드의 클럭 방출을 줄이는 방법 가운데 \(f_2 = 1/\pi t_r\) 아래의 낮은 고조파에는 거의 효과가 없는 것은?
수신 안테나의 유효 개구 \(A_e = \lambda^2G/4\pi\)에 대해 옳은 것은?