전파

Radio wave
전파를 방사하는 반파장 다이폴레안테나의 애니메이션으로 전계선을 보여줍니다.중앙의 안테나는 무선 송신기에 연결된 두 개의 수직 금속 막대입니다(그림은 표시되지 않음).송신기는 로드에 교류 전류를 인가하여 로드를 양극(+)과 음극(-)으로 번갈아 충전합니다.전계 루프는 안테나를 떠나 빛의 속도로 이동합니다.이것들은 전파입니다.이 애니메이션에서는 동작이 엄청나게 느려지는 것을 보여준다.

전파전자기 스펙트럼에서 가장 긴 파장을 가진 전자파 방사선의 일종으로, 일반적으로 주파수가 300기가헤르츠([1]GHz) 이하입니다.300GHz에서 대응하는 파장은 1mm(쌀알보다 짧음)이고, 30Hz에서 대응하는 파장은 10,000km(6,200마일)입니다(지구 반지름보다 깁니다).모든 전자파처럼 진공 상태의 전파는 빛의 속도로, 그리고 지구의 대기권에서는 가깝지만 약간 느린 속도로 이동합니다.전파는 시간 변동 [2]전류와 같이 가속 하전 입자에 의해 발생합니다.자연적으로 발생하는 전파는 번개와 천체에서 방출되며, 모든 따뜻한 물체에 의해 방출되는 흑체 방사선의 일부입니다.

전파는 전파를 방사하는 안테나에 연결된 송신기라고 불리는 전자 장치에 의해 인공적으로 발생한다.수신 신호를 처리하는 무선 수신기에 연결된 다른 안테나에 의해 수신됩니다.전파는 고정 및 이동형 무선 통신, 방송, 레이더무선 내비게이션 시스템, 통신 위성, 무선 컴퓨터 네트워크 및 기타 많은 응용 분야에 매우 널리 사용되고 있습니다.전파의 다른 주파수는 지구 대기에서 다른 전파 특성을 가지고 있습니다; 긴 파장은 산과 같은 장애물 주위로 회절될 수 있고 지구의 윤곽을 따라갈 수 있으며, 짧은 파장은 전리층에서 반사되어 지평선 너머로 지구로 돌아올 수 있습니다.회절이 매우 적고 시선 위를 이동하기 때문에 전파 거리는 시각적인 지평선으로 제한됩니다.

서로 다른 사용자 간의 간섭을 방지하기 위해 국제전기통신연합(ITU)이라는 국제기구가 조정한 전파의 인위적인 발생과 사용은 엄격히 법으로 규제하고 있다.「인위 가이드」[3]를 참조.무선 스펙트럼은 주파수에 따라 여러 개의 무선 대역으로 나뉘며, 다양한 용도에 할당됩니다.

모노폴 무선송신 안테나(중앙의 작은 암수직선)가 방사하는 전파의 전계(E)와 자기장(H)의 도표.E 및 H 필드는 오른쪽 하단의 위상 다이어그램에 나타나 있듯이 수직입니다.

검출과 이용

전파는 1867년 스코틀랜드의 수학 물리학자 제임스 클럭 [4]맥스웰이 제안한 전자기 이론에 의해 처음 예측되었다.현재 맥스웰 방정식으로 불리는 그의 수학 이론은 결합된 전기장과 자기장이 "전자파"로서 우주를 여행할 수 있다고 예측했다.맥스웰은 빛이 매우 짧은 파장의 전자파로 구성된다고 제안했다.1887년 독일 물리학자 하인리히 헤르츠는 맥스웰의 [5]실험실에서 전파를 실험적으로 발생시켜 정파, 굴절, 회절, 편파 등 빛과 같은 파동 특성을 보인다는 것을 증명했다.이탈리아 발명가 굴리엘모 마르코니는 1894년부터 1895년까지 최초의 실용적인 라디오 송신기와 수신기를 개발했습니다.그는 라디오 업적으로 1909년 노벨 물리학상을 받았다.무선 통신은 1900년경 상업적으로 이용되기 시작했다."전파"라는 현대 용어는 1912년경 "헤르츠파"라는 원래 이름을 대체했다.

생성 및 수신

전파를 수신하는 반파장 다이폴 안테나의 애니메이션 다이어그램.안테나는 수신기 R에 연결된 2개의 금속 막대로 구성됩니다.유입되는 파형의 전기장(E, 녹색 화살표)이 로드의 전자를 앞뒤로 밀어 단부를 양(+)과 음(-)으로 번갈아 충전합니다.안테나 길이는 파장의 절반이기 때문에 진동장이 전압(V, 빨간색 띠로 표시)과 전류의 정재파를 로드에 유도한다.진동 전류(검은색 화살표)는 전송 라인을 따라 수신기(저항 R로 표시)를 통해 흐릅니다.

전파는 가속될 때 하전 입자에 의해 방사된다.전파의 자연 발생원에는 번개와 지구 대기의 다른 자연 작용에 의해 생성되는 전파 소음과 태양, 은하, 성운과 같은 우주의 천문 전파원이 포함됩니다.모든 따뜻한 물체는 흑체 방사선의 일부로 고주파 전파(마이크로웨이브)를 방출합니다.

전파는 안테나라고 불리는 특별한 모양의 금속 전도체에 앞뒤로 흐르는 전자들로 구성된 시간 가변 전류에 의해 인공적으로 생성된다.무선송신기라고 불리는 전자장치는 안테나에 진동전류를 인가하고 안테나는 전력을 전파로 방사한다.전파는 무선 수신기에 부착된 다른 안테나에 의해 수신된다.전파가 수신 안테나에 부딪히면 금속의 전자를 앞뒤로 밀어 수신기에 의해 감지되는 미세한 진동 전류를 생성합니다.

양자역학에서, 빛과 같은 다른 전자기 방사선과 마찬가지로,[6] 전파는 광자라고 불리는 하전되지 않은 소립자의 흐름으로 여겨질 수 있습니다.전파를 송신하는 안테나에서는 안테나 내의 전자가 전파광자라고 불리는 개별 패킷으로 에너지를 방출하는 반면 수신 안테나에서는 전자가 전파광자로서 에너지를 흡수합니다.안테나는 레이저와 같은 광자의 일관된 방출체이기 때문에 무선 광자는 모두 같은 [7][6]위상입니다.그러나 플랑크의 E { E에서 개별 전파 광자의 에너지는 10 줄에서−22 10−30 까지 매우 [6]작다.마이크로파 광자를 방출하는 매저 내의 원자와 같은 특정 분자 전자 전이 과정을 제외하고, 전파 방출과 흡수는 맥스웰의 방정식에 의해 지배되는 연속적인 고전 과정으로 간주될 정도로 매우 작습니다.

특성.

진공 중의 전파는 c c[8][9]로 이동하며 재료 매체를 통과할 때 매체의 투과율유전율에 따라 느려진다.공기는 충분히 얇아서 지구 대기권에서는 전파가 빛의 속도에 매우 가깝게 전달된다.

파장(\ 파장의 전계 중 하나의 피크(크레스트)에서 다음 피크까지의 거리로 파장의 f(\ f 반비례합니다.진공 또는 공기로 이동하는 전파의 주파수와 파장의 관계는

어디에

로 c 진공상태에서 전파가 이동하는 거리는 1초에 299,792,458m(983,571,056ft)로 1Hz 무선 신호의 파장입니다.1 메가헤르츠 전파(미드 AM 대역)의 파장은 299.79 미터(983.6 피트)입니다.

편광

다른 전자파와 마찬가지로, 전파는 편파라고 불리는 특성을 가지고 있는데, 이것은 운동 방향에 수직인 파의 진동하는 전계의 방향으로 정의된다.평면편파전파는 운동방향을 따라 평면상에서 진동하는 전계를 가진다.수평 편파 전파에서는 전계가 수평 방향으로 진동합니다.수직 편파에서는 전계가 수직 방향으로 진동합니다.원편파에서는 임의의 지점의 전계가 사이클당 한 번씩 이동 방향에 대해 회전합니다.우측 원편파는 진행방향에 대해 우측의 의미로 회전하고 좌측 원편파는 반대방향으로 회전한다.파형의 자기장은 전기장에 수직이며, 전기장과 자기장은 방사 방향에 대해 오른쪽 방향으로 향합니다.

안테나는 편파된 전파를 방출하고, 편파는 금속 안테나 소자의 방향에 따라 결정된다.예를 들어 다이폴 안테나는 2개의 공선 금속봉으로 구성됩니다.로드가 수평이면 수평 편파 전파를 방사하고 수직이면 수직 편파를 방사합니다.전파를 수신하는 안테나는 송신 안테나와 같은 편파를 가져야 합니다.그렇지 않으면 수신이 크게 손실됩니다.태양, 별, 따뜻한 물체의 흑체 방사선과 같은 많은 자연 전파원은 편광 상태가 동일하게 혼합된 일관되지 않은 단파열로 구성된 편광되지 않은 파동을 방출한다.

전파의 편광은 스핀이라고 불리는 광자양자역학적 특성에 의해 결정된다.광자는 두 가지 가능한 스핀 값 중 하나를 가질 수 있다; 광자는 운동 방향에 대해 오른손 감각으로 또는 왼손 감각으로 회전할 수 있다.우측 원편광 전파는 우측 감각으로 회전하는 광자로 구성됩니다.왼쪽 원편광 전파는 왼쪽 감각으로 회전하는 광자로 구성됩니다.평면 편광 전파는 좌우 스핀 상태의 양자 중첩 위치에 있는 광자로 구성됩니다.전계는 좌우 회전장의 중첩으로 구성되어 평면 진동을 일으킵니다.

전파 특성

전파는 [10]파장이 커서 전파 특성이 좋기 때문에 다른 전자파보다 통신에 널리 사용된다.전파는 어떤 날씨, 잎, 그리고 대부분의 건축 자재에서도 대기를 통과할 수 있는 능력이 있고, 회절에 의해 장애물 [clarification needed]주위로 휘어질 수 있으며, 다른 전자파와는 달리 파장보다 큰 물체에 흡수되기 보다는 산란되는 경향이 있다.

전파의 연구, 즉 자유공간과 지구 표면에서 전파가 어떻게 움직이는지는 실용적인 전파 시스템의 설계에 있어 매우 중요합니다.다른 환경을 통과하는 전파는 반사, 굴절, 편파, 회절흡수를 경험합니다.다른 주파수는 지구 대기에서 이러한 현상의 다른 조합을 경험하므로, 특정 무선 대역은 다른 무선 대역보다 특정 목적에 더 유용하다.실용적인 무선 시스템은 주로 통신을 [11]위해 세 가지 다른 무선 전파 기술을 사용합니다.

  • 시선:송신 안테나에서 수신 안테나로 직진하는 전파를 말합니다.반드시 명확한 시야 경로가 필요한 것은 아니다. 저주파에서는 건물, 나뭇잎 및 기타 장애물을 전파가 통과할 수 있다.이것은 30MHz 이상의 주파수에서 가능한 유일한 전파 방법 지구 표면에서, 시선 전파는 시각적 지평선에 의해 약 64km로 제한됩니다.이것은 휴대폰, FM, 텔레비전 방송, 레이더에서 사용되는 방법이다.접시 안테나를 사용하여 마이크로파의 빔을 송신함으로써 포인트 투 포인트 마이크로파 릴레이 링크는 전화 및 텔레비전 신호를 시각적인 수평선까지 장거리 송신합니다.지상국은 지구로부터 수십억 마일 떨어진 위성이나 우주선과 통신할 수 있다.
    • 간접 전파: 전파는 회절[11]반사에 의해 시야를 벗어난 지점에 도달할 수 있습니다.회절은 건물 가장자리, 차량 또는 홀의 회전과 같은 장애물 주위로 전파를 휘게 합니다.또한 전파는 벽, 바닥, 천장, 차량 및 지면과 같은 표면에서 부분적으로 반사된다.이러한 전파 방식은 휴대 전화, 무선 전화기, 무전기, 무선 네트워크 의 단거리 무선 통신 시스템에서 발생합니다.이 모드의 단점은 멀티패스 전파입니다.멀티패스 전파에서는 송신측에서 수신측 안테나에 복수의 패스를 개입시켜 전파가 송신측에서 송신측으로 송신됩니다.파도는 간섭을 일으켜 페이딩이나 기타 수신 문제를 일으키는 경우가 많습니다.
  • 지상파:2MHz 미만의 낮은 주파수에서는 수직 편파 전파로 인해 중파장파 대역에서 구릉과 산 위로 휘어져 지구의 윤곽을 따라 이동하는 표면파로 지평선 너머로 전파될 수 있다.이것은 중파와 장파 방송국이 수평선 너머, 수백 마일 밖까지 커버리지 영역을 가질 수 있게 한다.주파수가 떨어지면 손실은 감소하고 도달 가능한 범위는 증가합니다.군사용 초저주파수(VLF)와 초저주파수(ELF) 통신 시스템은 지구 대부분과 수백 미터 해저의 잠수함과 통신할 수 있다.
  • 스카이웨이브:중파단파 파장에서, 전파는 전리층이라고 불리는 대기의 일부에서 하전 입자(이온)의 전도층을 반사합니다.그래서 하늘로 향한 각도로 향하는 전파는 수평선을 넘어 지구로 돌아올 수 있다; 이것은 "건너뛰기" 또는 "하늘파" 전파라고 불린다.복수의 스킵을 사용함으로써 대륙간 거리에서의 통신을 실현할 수 있다.하늘 파장의 전파는 가변적이며 대기 조건에 따라 달라집니다. 밤과 겨울에 가장 신뢰할 수 있습니다.20세기 전반기에 널리 사용되었으며, 그 신뢰할 수 없는 천파 통신 때문에 대부분 버려졌습니다.나머지 용도는 군사용 OTH(Over-the-Horizon) 레이더 시스템, 일부 자동화 시스템, 라디오 아마추어 및 다른 나라에 방송하는 단파 방송국에 의한 이다.

마이크로파 주파수에서 대기 가스는 전파를 흡수하기 시작하므로 주파수가 증가함에 따라 실제 무선 통신 시스템의 범위가 감소합니다.약 20GHz 미만의 대기 감쇠는 주로 수증기에 기인한다.20GHz를 넘으면 밀리미터 파대에서는 다른 대기 가스가 파장을 흡수하기 시작하여 실제 전송 거리가 1km 이하로 제한된다.테라헤르츠 대역은 300GHz 이상에서는 거의 모든 전력이 수 미터 이내에 흡수되기 때문에 대기가 사실상 [12][13]불투명하다.

무선 통신

무선통신시스템에서 정보는 전파를 이용하여 우주를 가로질러 운반된다.송신측에서는, 시변 전기 신호로서 송신하는 정보를 무선 송신기[14]인가한다.변조 신호라고 불리는 정보는 마이크에서 나오는 소리를 나타내는 오디오 신호, 비디오 카메라에서 나오는 움직이는 이미지를 나타내는 비디오 신호 또는 컴퓨터에서 나오는 데이터를 나타내는 디지털 신호일 수 있습니다.송신기에서, 전자 발진기는 정보를 "전달"하는 전파를 생성하기 때문에 반송파라고 불리는 무선 주파수로 진동하는 교류 전류를 생성합니다.정보 신호는 반송파를 변조하기 위해 사용되며, 반송파의 일부 측면을 변경하여 반송파 정보를 "피지백"합니다.변조된 반송파가 증폭되어 안테나에 인가됩니다.진동 전류는 안테나의 전자를 앞뒤로 밀면서 진동하는 전기장과 자기장을 만들어 에너지를 안테나에서 전파로 방출합니다.전파는 정보를 수신자의 위치로 전달합니다.

수신기에서 수신전파의 진동전계 및 자기장은 수신안테나의 전자를 전후로 밀어 송신안테나의 [14]전류의 보다 약한 복제인 작은 진동전압을 생성한다. 전압은 무선 수신기에 인가되어 정보 신호가 추출됩니다.수신기는 먼저 밴드패스 필터를 사용하여 원하는 라디오 방송국의 무선 신호를 안테나가 수신하는 다른 모든 무선 신호로부터 분리한 다음 신호가 더 강해지도록 증폭한 다음 마지막으로 복조기에서 정보 포함 변조 신호를 추출합니다.복구된 신호는 스피커 또는 이어폰으로 보내져 소리를 내거나 TV 디스플레이 화면 또는 다른 장치로 보내집니다.디지털 데이터 신호는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서에 적용되어 인간과 상호작용한다.

많은 송신기에서 나오는 전파는 서로 간섭하지 않고 동시에 공기를 통과합니다.각 송신기의 전파가 다른 속도로 발진하기 때문에, 즉 각 송신기는 킬로헤르츠(kHz), 메가헤르츠(MHz) 또는 기가헤르츠(GHz)로 측정되는 주파수가 다르기 때문에, 수신기로 분리할 수 있습니다.수신기의 밴드 패스필터는 튜닝 [14]포크와 마찬가지로 공진기와 같은 기능을 하는 튜닝 회로로 구성됩니다.진동하는 자연 공진 주파수를 가지고 있습니다.공진 주파수는 원하는 무선 방송국의 주파수와 동일하게 설정됩니다.원하는 스테이션으로부터의 무선 신호가 진동하면 동조 회로가 진동하고 신호가 수신기의 나머지 부분에 전달됩니다.다른 주파수의 무선 신호는 튜닝된 회로에 의해 차단되어 전달되지 않습니다.

생물학적 및 환경적 영향

전파는 비이온화 방사선으로 원자분자에서 전자를 분리하거나 이온화하거나 화학 결합을 끊을 수 있는 에너지가 부족하여 화학 반응이나 DNA 손상을 일으킨다.물질에 의한 전파의 흡수의 주된 효과는 가열하는 것이며, 이는 우주 히터나 목재 화재와 같은 열원에 의해 방사되는 적외선과 유사하다.파장의 진동하는 전장은 극성 분자를 앞뒤로 진동시켜 온도를 높인다. 이것이 전자레인지로 음식을 조리하는 방법이다.그러나 주로 물체 표면에 흡수돼 표면 발열을 일으키는 적외선과 달리 전파는 표면을 투과해 에너지를 물질과 생체조직 내부에 축적할 수 있다.전파가 침투하는 깊이는 주파수에 따라 감소하며 재료의 저항률과 유전율에 따라 달라집니다. 재료의 피부 깊이라는 매개변수에 의해 지정됩니다. 이 매개변수는 에너지의 63%가 퇴적되는 깊이입니다.예를 들어 전자레인지의 2.45GHz 전파(마이크로웨이브)는 대부분의 식품에 약 2.5~3.8cm(1~1.5인치)를 투과합니다.체내 조직의 깊은 발열을 위한 다이어리 치료에서 100년간 몸에 전파를 적용하여 혈류 증대와 치유를 촉진해 왔습니다.최근에는 온열 치료에서 더 높은 온도를 만들어 암세포를 죽이기 위해 사용되고 있다.작동하는 무선 송신기의 도파관 등 가까운 거리에서 전파원을 조사하면 발열로 인해 눈의 수정체가 손상될 수 있습니다.충분히 강한 전파 빔은 눈을 뚫고 [15][16][17][18][19]백내장을 일으킬 정도로 렌즈를 가열할 수 있다.

가열 효과는 원칙적으로 다른 열원과 다르지 않기 때문에, 전파에 노출되었을 때 발생할 수 있는 건강 위험에 대한 대부분의 연구는 "비열적" 영향, 즉 전파가 가열로 인한 영향 이외의 조직에 영향을 미치는지 여부에 초점을 맞추고 있다.국제암연구기구(IARC)는 무선주파 전자장을 인간과 [20][21]동물에 미치는 영향에 대한 "제한적 증거"로 분류했다.휴대 [22]전화에서 RF-EMF에 개인적으로 노출됨으로써 발암 위험에 대한 약한 기계적 증거가 있다.

전파는 전도성 금속판 또는 스크린에 의해 차단될 수 있습니다. 시트 또는 스크린의 인클로저는 패러데이 케이지라고 불립니다.금속 스크린은 전파로부터 보호되며 화면의 구멍이 약 50cm보다 작으면 단단한 시트도 보호됩니다.파장의 120.[23]

측정.

무선주파수 방사에는 전기 성분과 자기 성분이 모두 포함되어 있기 때문에 각 성분에 고유한 단위로 방사장의 강도를 표현하는 것이 종종 편리하다.전기 구성 요소에는 미터당 단위 볼트(V/m)가 사용되고, 자기 구성 요소에는 미터당 단위 암페어(A/m)가 사용됩니다.전자장을 말할 수 있으며, 이러한 단위는 측정 위치의 전기 및 자기장 강도에 대한 정보를 제공하는 데 사용됩니다.

RF 전자장을 특징짓기 위해 일반적으로 사용되는 또 다른 단위는 전력 밀도입니다.전력 밀도는 측정점이 RF 이미터로부터 충분히 떨어져 있을 때 [24]방사선 패턴의 원거리 영역이라고 불리는 위치에 있을 때 가장 정확하게 사용됩니다.송신기에 더 가까이, 즉 "근접장" 구역에서는, 전기장과 자기장 부품 사이의 물리적 관계가 복잡할 수 있으며, 위에서 설명한 전계 강도 단위를 사용하는 것이 최선이다.전력 밀도는 단위 면적당 전력의 관점에서 측정됩니다(예: 평방 센티미터당 밀리 와트(mW/cm2).마이크로파 범위 이상의 주파수에 대해 언급할 때, 발생할 수 있는 노출이 원거리 영역일 가능성이 높기 때문에 전력 밀도는 일반적으로 강도를 나타내기 위해 사용된다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크