전파(Radio Wave)의 세기 / 전계강도(Electric Field Strength) 구하는 방법

전파(Radio Wave)의 세기 / 전계강도(Electric Field Strength) 구하는 방법

 

 

1. TV전파의 개요

TV전파는 영상전파와 음성전파로 성립되어 있지만 이 2가지 전파는 1개의 안테나로부터 발사되고 수신하는 데에도 2개의 전파를 1개의 안테나로 동시에 수신하고 있으므로 영상과 음성 상호간의 영향을 줄이기 위하여 영상전파는 진폭변조(AM)를 음성전파는 주파수변조(FM)를 채용하고 있다.

1) 영상전파

· 영상전파는 0~4㎒라는 넓은 주파수를 가지고 있으므로 영상신호로 진폭변조를 하기 위한 반송파는 적어도 영상신호의 10배 이상의 주파수가 아니면 안되기 때문에 VHF(30~300㎒)대 이상의 전파를 사횽라지 않으면 안된다.(실제로는 VHF와 UHF가 사용되고 있다)

· 영상전파와 음성반송파는 서로 영향을 주지 않도록 4.5㎒ 떼어 1개 채널 당의 주파수 대역폭으로 영상신호를 보내어 그림2-1과 같은 상측파의 전부와 하측파의 일부를 송신하는 잔류 側波帶(VSB)방식을 사용하고 있다.

 

2) 음성전파

음성전파는 주파수변조(FM)로써 영상전파의 대역폭에 비하면 상당히 좁다. 또 주파수 변조에서는 변조시수가 클수록 SN비가 개선되므로 송신측에 있어서는 음성신호의 고음부를 강조하는 프리 엠파시스회로를 채용하고 있으며, 이 회로의 시정수는 75㎲다. 송신측에서 고음부를 강조했으니 만큼 수신측에서는 반대특성을 가진 디엠파시스 회로를 채용하고 있으며 이회로의 시정수도 75㎲이다.

 

[표] 한국의 VHF-TV 주파수 관계

FL~Fu : 주파수 범위

 

 

2. 전파의 세기

전파의 세기는 표준 dipole 안테나에 유지하는 1m당으로 환산하여 표시한다. 따라서 세기의 단위는 (V/m)인데 이것을 전계강도라고 한다. 수치를 간단히 하기 위해 dB를 단위로 표시한 것이 많으나 이것은 1㎶/m를 1dB로 하고 있다.

영상,음성 2신호를 전송하는 TV 전파에서는 전계강도는 특별한 이유가 없는 한 영상동기선두치 개방단 전압으로 표시한다.

 

 

3. 전계강도(Electric Field Strength) 구하는 방법를 구하는 방법

일반적으로 자유공간에 있어서의 전계강도

· P : 송신안테나로부터의 실효반사전력(W)

· d : 송신점으로부터의 거리(m)로 표시되는데 자유공간에서 전계강도는 파장에는 관계가 없다.

그러나 구면 대지가 존재하면 그림 2.2와 같이 전계강도는 직접파와 지표에서의 반사파와 합성이 된다.

반사파의 크기는 대지에서 반사하면 위상은 역전되지만 전파의 크기는 거의 같은 세기로 들어간다. 그리고 두 개의 通路長差(r2 - r1)에 의해서 위상차가 가능하므로 수신점에서의 전계강도 E는 다음과 같다.

· h1 : 송신안테나의 지상고(m)

· h2 : 수신안테나의 지상고(m)

· d : 송,수신점간의 거리(m)

· E0 : 자유공간의 전계강도

· λ : 파장

 

· 통로장차(r1 - r2)가 파장의 1/2(λ/2) 奇數倍가 되면 직접파와 반사파의 위상은 서로 같아지고 수신전계는 최대가 된다. 그리고 통로장차가 λ/2의 偶數倍가 되면 역상이 되고 수신전계는 최소가 된다.이것으로부터 수신안테나 높이를 변화시킨 경우 전파의 세기가 변화하는데 이것을 height pattern이라고 말한다.

이 height pattern의 최대치에서 다음의 최대치(또는 최소에서 최소)를 얻을 수 있는 점까지의 길이를 height pattern pitch라 하고 다음의 식에서 구할 수 있다.

그런데 전계강도를 구하는 식 2.2은 TV전파대에서는 송신점 근방을 제외하고 다음과 같이 간단하게 할 수 있다.

2.2식에서 실제의 전계를 구하는 것은 어렵기 때문에 그림 2.3의 자유공간치에 sin항과 실효방사전력을 보정을 해서 구하는 것이 실용적이다.

 

 

4. 전파의 성질

전파는 빛과 유사한 성질을 갖고 있고 주파수가 높을수록 이 경향이 심하다. TV방송에 사용되는 VHF와 UHF대의 성질에 관해서 수신상 주의하여야 할 몇 가지 점이 있다.

1) VHF와 UHF

2.2 / 2.4 식에는 파장λ와 관계가 있다. 파장이 짧을수록 전계강도가 커진다. UHF전파는 주파수가 높고 파장이 짧으므로 VHF전파보다는 잘 전파된다

 

· UHF 전파는 수신안테나의 높이가 파장에 비해 크게 되기 때문에 그림 2.4에 나타나는 것처럼 안테나의 높이를 바꾸면 전파세기의 변화(height pattern)가 현저하게 나타난다.

TV방송국은 대상지역이 좁고 송,수신점간 거리가 짧기 때문에 수신안테나를 설치하는 경우 반드시 height pattern을 확인하여 최대점에서 수신하도록 주의가 필요하다. 또 積雪지에서는 계절에 따라 전계강도가 변화하기도 하고, 다수의 채널을 수신하는 경우 주파수 차이에 의한 height pattern의 差도 나오기 때문에 Stack 수신 등을 필요로 하는 경우가 있다.

VHF대의 경우에는 height pattern의 pitch가 크게 되기 때문에 이 경향은 그다지 크게 되지 않는다.

UHF전파는 그림 2.4에도 명백한 바와 같이 이론적으로 전파가 퍼져가기 쉽지만 실제로는 지구의 곡률의 영향이나 건조물, 지형의 변화 등에 의한 전파의 감쇄는 VHF보다 커서 전계강도는 이론치보다 상당히 적어진다.

· 빌딩같은 차폐물의 그늘에서 수신하는 경우의 물체에 의한 차폐손실의 크기를 보면 그림 2.5와 같다.

이 예에서는 건조물의 높이에도 지배되나 VHF보다도 UHF가 거의 10dB나 감쇄가 크다. 교외지에서의 UHF전파는 지형의 기복이나 건물,수목,전선 등에 의하여 VHF보다도 2~3배정도 감쇄가 커지며 또 시가지에서는 교외의 수신전계에 비하여 더욱 많이 감쇄되는데 그 정도는 VHF보다 약 1.5배 더 커진다.

그리고 UHF 전파는 빛에 가까운 성질이 되어 VHF에 비하여 도시잡음(자동차,모터,고조파,용접기 등)의 영향이 적다. 그것은 파장이 짧기 때문에 발생원이나 자동차의 차체자체가 차폐효과를 내거나 기타 UHF수신안테나가 지향성이 날카롭다는 것이 원인일 것이다. 따라서 잡음에서는 UHF가 모든 점에서 유리하다.

 

2) 전달거리

VHF~UHF 대의 電波傳播(전파전파)는 대류권전파(공간파)이기 때문에 전달거리는 가시거리라고 생각해도 좋다. 송신 안테나로부터 가시거리는 송신안테나 높이를 h1(m), 수신안테나 높이을 h2(m)로 하면 그림 2.6(a)처럼 지구에 곡률이 있기 때문에 그 곡률을 고려하면 다음식과 같다.

예를 들면 송신안테나의 높이를 18m로 하고 수신점에서 안테나 높이가 0m이면 가시거리 d = 4.1√180 ≒ 55km 이지만 수신안테나의 높이를 4m로 하면 가시거리는 8.2km 늘어나서 63.2km가 된다. 이 가시거리는 그림 2.6에서 구할 수 있다.

2.5식을 전파의 전달거리에 적용하는 경우 대기의 상태를 고려하여야 한다. 특히 가시한계거리 부근에서 수신하는 경우 (통상 50~100km) 기상상태에 따라 전파의 직진성을 유지할 수 없으므로 페이징(전파의 세기가 변화한다)이 발생하기 쉽다.

이것은 2.2 / 2.4 / 2.5 식의 h1,h2가 기상상황에서 변화한다고 생각해도 좋다. 산악지 등 비교적 h1,h2가 큰 수신점에서는 송수신점간 거리를 충분히 내다볼 수 있음에도 불구하고 전계변동으로 어려움을 당하는 경우도 있다. 이것은 height pattern의 골짜기에 h1,h2의 관계가 있는 경우가 대부분이고 height pattern의 산 가까이에 수신점을 바꾸든가 지형에서 반사파가 끊어지는 지점에 수신점을 이동하는 등의 검토가 필요하게 된다.

 

3) 수평편파와 수직편파

전파는 자계와 전계로 되어 있고 상호작용에 의해 電波한다.

3-1) 수평편파

그림 2.7(a)와 같이 안테나가 수평인 때에는 자기력선의 파동이 대지에 대하여 수평면 내에 생기고 자력선의 파동은 대지에 대하여 수직면 내에 생긴다. 이와같은 전자파를 수평편파라고 한다. 이것을 수신하려면 자기력선에 평행인 수평안테나만이 유효하고 B나 C와 같은 안테나로서는 수신전압이 약하다.

3-2) 수직편파

그림 2.7(b)와 같이 송신안테나가 수직인 때에는 전기력선의 파동이 대지에 대하여 수직면 내에 생기고 자력선의 파동은 대지에 대하여 수평면 내에 생긴다. 이와 같은 전파를 수직편파라 한다. 이것을 수신할 때 전기력선에 수직인 안테나 A에는 최대의 전압이 생기고 B,C는 약하다.

수평편파는 수직편파에 비하여 잡음이나 지면상의 상황에 의한 영향을 받는 바가 적으므로 한국의 경우 주로 수평편파 방식이나 지방의 중계국 부근에 동일채널이 있을 때는 혼신 등의 점에서 수직편파를 채용하는 지구도 있다.

 

 

5. 전파의 할당

1) 전파의 분류

실용되고 있는 주파수 범위는 수 10[kc]정도의 장파로부터 시작하여 LASER(light amplification by stimutated emission of radiation)에 사용되는 가시광선의 주파수는 수 10[Tc] (1 tera cycle = 1012[cycle] = 1000[Gc])까지 미치고 있으나 일반적으로 전파라고 하면 1974년 Atrantic City회의에서 규정한 것을 말한다.

 

[표] 주파수의 국제적 분류

실용상 우리가 흔히 말하는 장파, 중파, 중단파, 단파, 초단파, 극초단파의 주파수에 의한 분류는 표와 같다.

 

[표] 전파의 실용상 분류

 

2) TV방송 채널번호와 주파수

한국에서는 TV방송용으로 VHF 및 UHF대로 6㎑ 대역폭으로 하고 있다.

VHF는 2~13ch, UHF는 14~83ch까지 이지만 국내에서는 14~56ch로 43ch를 사용하고 있다.

[표] TV방송번호와 주파수

 

[표] 한국의 TV방송방식

 

 

6. 소요전계강도

방송구역내에서 수신기의 소요입력전압을 얻을 수 있는 전계강도로서 방송구역의 가장자리 전계강도(지상높이 4m, 장소률 50%치)는 VHF 54dB(0.5㎷/m), UHF 70dB(3㎷/m)는 되어야 한다.

VHF는 도시잡음의 영향이 크므로 지역별로 필요한 전계를 지정하여 영향을 제거하고 있다. UHF의 잡음의 영향은 VHF에 비하여 15dB적기 때문에 잡음의 고려는 하지 않지만 건물 등에 의해 도시감쇄가 크므로 지상높이 10m이상의 건물이 차지하는 면적비에 따라서 높은 전계가 주어져야 한다.

 

 

7. 전계강도의 분류

전계강도는 방송국의 거리와 방송국의 송신전력이 관계된다. 개략치로서 전계강도를 분류하면 표와 같다.

[표] 전계강도별 분류