MiMo 이중 편파 안테나란 무엇인가요? 전체 가이드

안테나 기술을 이해하는 것은 무선 통신 업계에 종사하는 모든 사람에게 매우 중요합니다. 이중 편파 안테나는 최신 통신 시스템의 기능에 큰 영향을 미치는 필수 구성 요소이며, 이 가이드는 이중 편파 안테나를 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 빠르게 진화하는 기술 세계에서 이중 편파 안테나와 그 중요성을 이해하는 것은 중요합니다. 통신 시스템을 개선하는 데 앞장서고 있는 이 안테나는 더 높은 신호 품질과 효과적인 대역폭 활용을 약속합니다.

다중 입력 다중 출력(MIMO) 기술은 네트워크 대역폭, 스펙트럼 효율성 및 데이터 속도를 향상시키는 기반이 되었습니다. 이러한 개선을 달성하기 위해 이중 편파( MIMO 안테나 는 직교 편광에서 신호를 송수신할 수 있기 때문에 필수적입니다.

이 문서에서는 이중 편파 안테나의 종류, 장점, 단일 편파 안테나와의 비교, 다양한 용도에 대해 자세히 다룹니다. 이론적 기초부터 실제 애플리케이션에 이르기까지 모든 것을 다루는 이 가이드는 이중 편파 MIMO 안테나에 대한 관점을 제공합니다.

이중 편파 안테나란 무엇인가요?

일반적으로 수평과 수직의 두 가지 다른 편파 평면에서 신호를 송수신할 때 이중 편파 안테나는 탁월한 도구입니다. 이 이중 기능은 더 많은 대역폭이나 전송 전력 없이도 통신 시스템의 용량을 두 배로 늘릴 수 있기 때문에 효과적인 통신에 필수적입니다.

이중 극성은 단순히 두 개의 분리된 평면에서 동시에 신호를 송수신하는 안테나의 기능을 말합니다. 이를 위해 서로 직각으로 배치된 두 세트의 소자 또는 안테나가 사용됩니다. 일반적으로 수평 및 수직으로 배치되는 두 세트의 장치는 두 개의 직교 평면에서 신호를 송수신하도록 만들어집니다. 향상된 신호 다양성과 간섭 제거는 다양한 환경에서 신뢰할 수 있는 통신을 유지하는 데 필수적인 이중 극성 안테나의 두 가지 이점입니다.

어떻게 작동하나요?

이중 편파 안테나는 두 개의 서로 다른 편파로 신호를 동시에 송수신하는 방식으로 작동합니다. "편파"라는 용어는 전자파가 공간적으로 전파되는 동안 전자파가 어떻게 방향이 잡히는지를 설명합니다. 단일 편파 안테나의 전자파는 수직 또는 수평 방향으로 전파됩니다. 그러나 이중 편파 안테나에서는 전파가 일반적으로 수직과 수평의 두 직교 방향으로 이동합니다.

이중 편파 안테나는 두 세트의 방사 소자를 각각 다른 편광 방향으로 배치하여 이를 달성합니다. 일반적으로 이러한 방사 요소의 교차 편파 배열이 사용되며, 한 세트의 요소는 수직으로 정렬되고 다른 세트는 수평으로 정렬됩니다.

이중 편파 안테나는 수직 및 수평 편파 모두에서 신호를 동시에 전송할 수 있습니다. 덕분에 이제 동일한 주파수 범위에서 두 개의 개별 데이터 스트림을 전송할 수 있습니다. 비슷한 방식으로 안테나가 두 편파의 신호를 동시에 수신할 수 있으므로 수신되는 데이터의 양이 두 배로 늘어납니다.

이중 편파 안테나는 동일한 주파수 대역에서 더 많은 데이터를 송수신하여 통신 채널의 처리량을 두 배로 늘릴 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 데이터 전송을 극대화하는 것이 중요한 혼잡한 스펙트럼에서 매우 효과적입니다.

이중 편파 안테나는 어떤 용도로 사용되나요?

이중 편파 안테나를 사용하면 두 개의 서로 다른 편파를 가진 신호를 동시에 송수신할 수 있습니다. 이를 사용하면 동일한 주파수 범위에서 두 개의 서로 다른 신호 또는 데이터 스트림을 송수신할 수 있습니다. 이러한 종류의 안테나는 무선 통신 시스템에 자주 사용되어 수많은 신호를 동시에 송수신할 수 있으므로 시스템의 용량과 효율을 높일 수 있습니다. 레이더 시스템에서도 편광에 따라 다양한 물체에서 반사되는 신호를 구별하는 데 사용합니다.

안테나 편파의 유형

수직 편광

수직 편파에서는 전자기파의 전기장이 지구 표면을 기준으로 수직으로 진동합니다. 이 경우 전기장은 지면에 수직으로 향합니다. 위성 통신, 텔레비전 전송 및 무선 통신에서도 이러한 종류의 편파가 자주 사용됩니다. 이러한 편광은 신호가 건물을 효과적으로 통과해야 하는 도시 환경에서 잘 작동합니다.

수평 편광

수평 편광이 있을 때 전기장은 수평으로 진동합니다. 이 경우 전기장은 지면과 평행합니다. 위성 통신과 텔레비전 전송 모두 이러한 종류의 편광을 자주 사용합니다. 수평 편파는 수직 편파보다 지면 반사 손실이 적기 때문에 특히 시골 지역에서 장거리 통신에 더 좋습니다.

교차 편광(듀얼 경사 ±45°)

수평축에 대해 ±45° 각도로 두 개의 편파가 안테나에 의해 지원되는 경우 이 구성을 교차 편파라고 합니다. 모바일 통신에 사용되는 편파 유형 중 하나는 45 편파입니다. 이는 전파의 전기장이 지구 표면에 대해 어떻게 지향되는지를 설명합니다. 45 편파에서는 전기장이 지구 표면에 대해 45도 각도로 향하게 됩니다.
셀룰러 네트워크에서는 신호 간섭을 줄이고 신호 품질을 향상시키기 위해 이러한 종류의 편파를 자주 사용합니다. 이중 편파 안테나는 간섭을 줄이고 신호 품질을 향상시키는 데 매우 유용한 MIMO 시스템에서 이러한 배열로 잘 알려져 있습니다.

원형 편광: RHCP/LHCP

파동이 원형 편광으로 전파되면 전기장은 원형 패턴으로 회전합니다. 오른쪽 원형 편파(RHCP)와 왼쪽 원형 편파(LHCP)가 원형 편파의 두 가지 종류입니다. 위성 통신, GPS, RFID, 무선 통신 및 신호 방향이 달라도 일관되게 작동해야 하는 시스템은 모두 원형 편파를 자주 사용합니다.

이중 편파 안테나의 장점

이중 편광은 다양한 애플리케이션에서 여러 가지 이점을 제공합니다. 몇 가지 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 데이터 품질 향상

 이중 편광은 관찰 중인 물체나 장면에 대한 추가 세부 정보를 제공합니다. 수평 및 수직 편광으로 신호를 송수신하여 더 높은 품질의 이미지와 측정값을 얻을 수 있으므로 물체에 대한 보다 정확한 정보를 수집할 수 있습니다.

• 향상된 타겟 식별  

이중 편광을 사용하면 다양한 대상 유형을 더 쉽게 구분할 수 있습니다. 예를 들어 기상 레이더 애플리케이션에서 비, 눈, 우박 및 기타 형태의 강수량을 구분하는 데 도움이 될 수 있습니다. 원격 센싱에서 도시 지역, 숲, 농경지 등 다양한 형태의 토지 피복을 구분하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 감도 향상

레이더 시스템은 이중 편광을 통해 더 민감하게 만들 수 있습니다. 레이더는 두 가지 편광으로 신호를 송수신하여 대상의 후방 산란 에너지를 더 많이 포착함으로써 감지 및 측정 기능을 향상시킬 수 있습니다.

• 간섭 감소

레이더 시스템에서 이중 편파는 혼신과 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다. 두 편광을 모두 활용하여 원하지 않는 신호 및 배경 잡음으로부터 목표 신호를 분리함으로써 더 깨끗하고 정확한 측정을 얻을 수 있습니다.

• 악천후 환경에서의 성능 향상

폭우나 눈과 같은 악조건에서는 이중 편광이 더 나은 성능을 발휘합니다. 두 가지 편광을 모두 사용하여 측정 정밀도를 높이고 신호 감쇠의 영향을 줄일 수 있습니다.

•  향상된 표적 인식 및 분류

표적 인식 및 분류와 관련된 작업은 이중 편광의 이점을 활용할 수 있습니다. 후방 산란 신호의 편광 특징을 검사하여 산란 특성에 따라 다양한 종류의 표적을 식별하고 분류할 수 있습니다.

전반적으로 데이터 품질, 표적 식별, 감도, 간섭 감소, 악천후에서의 성능, 표적 인식 측면에서 많은 이점을 제공하는 이중 편광은 기상 레이더, 원격 감지 및 군사 감시를 포함한 다양한 애플리케이션에 유용한 도구입니다.

단일 편파 안테나(SISO 안테나)와의 비교

단일 편파 안테나(SISO)는 하나의 편파만 사용하기 때문에 복잡한 전파 상황에서는 성능과 용량이 제한됩니다. SISO와 이중 편파 안테나의 주요 차이점을 비교하면 다음과 같습니다,

단일 편파 안테나는 수직 또는 수평 중 하나의 편파로만 신호를 송수신하도록 만들어졌습니다. 이는 같은 방향으로 편파된 신호만 송수신할 수 있음을 의미합니다. 전송과 안테나의 편광이 다르면 신호 강도가 현저히 감소합니다.

이와 달리 이중 편파 안테나는 수직 및 수평 편파 모두에서 신호를 송신하고 수신할 수 있습니다. 따라서 편광 방향이 자신과 다른 디바이스와 상호 작용할 수 있습니다. 이중 편파 안테나는 수신 신호의 편파를 조정하여 더 강하고 선명한 신호를 생성할 수 있으므로 더 신뢰할 수 있고 효과적인 통신 채널을 제공합니다.

결론적으로, 단일 편파 안테나와 이중 편파 안테나의 주요 차이점은 전자는 하나의 편파만 사용하는 반면, 후자는 수평 및 수직 편파를 모두 사용하여 보다 유연하고 효율적인 신호 전송 방법을 제공한다는 점입니다.

2×2 대 4×4 MIMO 안테나

단일 안테나가 아닌 MIMO가 필요하다고 판단한 경우 2×2, 4×4, 8×8 MIMO와 같은 용어를 접하게 될 것입니다. MIMO 시스템에서 이러한 숫자는 송신기(첫 번째 숫자)와 수신기(두 번째 숫자)의 수를 나타냅니다.

2×2 MIMO

송신기 2개와 수신기 2개가 2×2 MIMO 시스템을 구성합니다. 두 개의 안테나는 일반적으로 "교차 편파"로 배치되는데, 이는 안테나가 서로 분리되도록 "X" 또는 "+" 형태로 서로 위에 배치하는 기술입니다. 이 구성에서는 두 개의 데이터 스트림을 동시에 송수신할 수 있습니다. 많은 소비자용 와이파이 라우터와 특정 4G 및 5G 디바이스는 2×2 MIMO를 자주 사용합니다. 2×2는 상위 MIMO 시스템과 동일한 수준의 성능을 제공하지는 않지만, 데이터 전송 속도는 일반적으로 SISO(단일 입력, 단일 출력) 시스템보다 30% 더 높습니다. Wi-Fi 및 LTE 네트워크는 커버리지와 데이터 속도를 약간 향상시키기 때문에 이 구성을 자주 사용합니다.

4×4 MIMO

송신기 4개와 수신기 4개를 사용하는 4×4 MIMO 시스템은 네트워크 용량과 신뢰성을 크게 향상시킵니다. 5G 및 복잡한 무선 네트워크와 같은 고속 애플리케이션의 경우 매우 유리합니다. 이를 통해 2×2 MIMO보다 데이터 처리량이 30% 더 향상되고 최대 4개의 "공간 다중화" 데이터 스트림이 가능합니다. 고급 와이파이 라우터와 일부 최첨단 4G 및 5G 디바이스는 4×4 MIMO를 자주 사용합니다. 실제로는 일반적으로 2개의 2×2 교차 편파 안테나가 4×4 MIMO 안테나를 구성합니다. 안테나는 디바이스 내에 간단히 배치됩니다.

이중 편파 안테나의 유형

이중 편파 섹터 안테나

이중 극성 섹터 안테나는 수평면에 섹터 모양의 방사 패턴을 사용하여 송신과 수신 모두에 사용합니다. 여러 개의 섹터 안테나를 결합하여 더 넓은 또는 전방향성 커버리지를 달성할 수 있으며, 커버리지는 보통 60도, 90도 또는 120도 폭입니다.
기지국은 특정 섹터를 커버하기 위해 이중 편파를 사용하는 섹터 안테나를 사용합니다. 고정 무선 액세스 시스템과 셀룰러 네트워크에 적합합니다. 간단히 말해, 섹터 안테나는 앞뒤 절연과 지향성이 개선된 대형 패널 안테나입니다.

이중 편파 패널 안테나

이러한 다목적 평판 안테나는 건물과 건물 간 연결 및 지점 간 통신에 활용됩니다. 패널 안테나는 일반적으로 외부 벽이나 기타 구조물에 고정되거나 내부에서 활용되는 직사각형의 평평한 안테나입니다. 특정 지역이나 방향에 커버리지를 집중하기 위해 상대적으로 방향성이 있는 신호를 제공합니다. 사용자와 기지국 사이에 장애물이 있는 상황에서 패널 안테나는 일반적으로 타겟팅하기 쉽고 반사된 신호를 잘 포착하기 때문에 성능을 향상시킬 수 있습니다.

이중 편파 천장 장착 안테나

원활한 무선 커버리지를 위해 천장 장착 안테나는 공공장소 및 사무실 등 실내용으로 제작됩니다. 수평면과 수직면 모두에서 신호를 송수신할 수 있기 때문에 이중 편파 천장 안테나가 점점 더 보편화되고 있습니다. 천장에 장착되는 이 안테나는 특히 교통량이 많은 실내에서 커버리지를 향상시킵니다.

이중 편파 무 지향성 안테나

360도 커버리지가 필요한 Wi-Fi 및 감시 시스템은 모든 방향으로 신호를 전송하는 무지향성 안테나를 사용하는 경우가 많습니다. 전방향성 안테나는 360도 원 안에서 신호를 송수신할 수 있습니다. 모든 방향에서 신호를 수집하기 때문에 셀룰러 타워를 겨냥할 필요가 없습니다. 다양한 통신사에서 신호 강도를 높이는 데 효과적입니다. 보통에서 강한 신호가 존재하는 환경에서 잘 작동합니다.

듀얼 편파 접시 안테나

이중 편파 접시 안테나는 높은 이득과 정확한 빔 포커싱을 제공하므로 장거리 통신에 적합합니다. 장거리 무선 통신에는 지향성이 높은 안테나인 접시형 안테나가 자주 사용됩니다. 신호를 좁은 빔에 집중시키는 데 도움이 되는 포물선 형태가 이 안테나를 구별하는 특징입니다. 장거리에 걸쳐 강력하고 집중된 신호가 필요한 경우 매우 높은 이득을 생성할 수 있는 접시형 안테나가 적합합니다. 레이더와 위성 시스템에서는 이를 광범위하게 사용합니다.

이중 편파 야기 안테나

야기 안테나는 지향성 특성으로 인해 지점 간 통신에 적합합니다. 좋은 예로 고립된 지역과 시골 지역에서 뛰어난 성능을 제공하는 KP Performance 이중 편파 야기 안테나가 있습니다. 이 야기 안테나는 우수한 나무 투과율과 성능을 제공하도록 현장에서 설계 및 테스트되었습니다.

이중 편파 안테나의 응용 분야

이중 편파 MIMO 안테나는 다양한 분야에서 사용됩니다. 위성 통신 시스템, 셀룰러 기지국, Wi-Fi 네트워크, 지점 간 마이크로파 통신 등 이중 편파 안테나를 사용하는 무선 통신 시스템이 많이 있습니다. 특히 높은 데이터 속도와 효율적인 스펙트럼 사용이 필요한 상황에서 유용합니다.

1. 포인트 투 포인트 마이크로웨이브 링크

장거리에서 높은 데이터 처리량이 필요한 지점 간 마이크로파 링크는 이중 편파 안테나를 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 안테나는 직교 편파에서 두 개의 독립적인 데이터 스트림을 지원하여 대역폭 효율성을 최적화합니다. 이는 대량의 데이터를 안정적으로 전송해야 하는 모바일 사업자의 백홀 네트워크에 필수적입니다. 또한 이중 편파 설계는 간섭을 줄여 고밀도 배포에서 링크 안정성을 향상시킵니다.

2. 셀룰러 기지국

이중 편파 안테나는 셀룰러 네트워크에서 기지국의 중요한 부품입니다. 이중 편파 안테나는 스펙트럼 활용률과 네트워크 용량을 향상시키는 MIMO와 같은 최첨단 기술을 가능하게 합니다. 이러한 안테나는 수직 및 수평 편파를 모두 지원하여 도시와 시골 지역 모두에서 최상의 신호 송수신을 보장합니다. 그 결과 모바일 소비자는 더 넓은 커버리지, 더 빠른 데이터 속도, 향상된 연결성의 혜택을 누릴 수 있습니다.

3. Wi-Fi 네트워크

특히 공공 핫스팟과 비즈니스 환경에서 Wi-Fi 네트워크에 이중 편파 안테나가 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 한 번에 많은 사용자에게 고속 인터넷을 제공하려면 사용 가능한 스펙트럼을 효과적으로 사용해야 하며, 이는 다양한 편파를 처리할 수 있는 용량으로 보장됩니다. 이는 안정적인 액세스가 필요한 경기장, 컨퍼런스 센터, 공항 등 트래픽이 많은 장소에서 특히 유용합니다.

4. 위성 통신 시스템

이중 편파 안테나는 직교 편파에서 업링크 및 다운링크 작업을 동시에 수행할 수 있기 때문에 위성 통신 시스템에 필수적입니다. 이러한 배열은 스펙트럼 효율을 높일 뿐만 아니라 위성이 한 번에 더 많은 고객 또는 애플리케이션에 서비스를 제공할 수 있게 해줍니다. 또한 이중 편파는 신호 중첩으로 인한 간섭을 줄여 안정적이고 정밀한 통신을 보장합니다. 방송, 날씨 추적, GPS 등의 애플리케이션에 사용됩니다.

안테나 선택 시 고려해야 할 요소

• 빈도:

작동 주파수는 최적의 성능을 보장하기 위해 의도된 애플리케이션에 맞춰야 합니다. 예를 들어, 낮은 주파수는 장거리 통신에 더 적합하고 높은 주파수는 Wi-Fi 및 5G와 같은 단거리 애플리케이션에 더 나은 데이터 속도를 제공합니다.

5개의 GHz 이중 편파 안테나는 4.9~5.9 GHz 범위에서 작동하며, Wi-Fi 통신을 위한 IEEE 802.11a/n/ac와 같은 비면허 대역을 커버합니다. 이러한 비면허 주파수에서 사용할 수 있는 상당한 대역폭 덕분에 고속 데이터 전송이 가능하며, 널리 사용되지 않기 때문에 저주파수보다 간섭이 적습니다.

• 이득:

이득이 높은 안테나는 더 나은 범위와 신호 강도를 제공하지만, 빔 폭이 좁아지는 대가를 치러야 하는 경우가 많습니다. 고이득 안테나는 장거리 지점 간 통신에 이상적인 반면, 저이득 안테나는 무지향성 설정과 같이 더 넓은 커버리지 영역에 더 적합합니다.

• 격리:

편광 간 절연이 양호하면 직교 편광에서 송수신되는 신호 간의 간섭을 최소화할 수 있습니다. 이는 절연이 불량하면 성능이 저하되고 데이터 처리량이 감소할 수 있는 MIMO 시스템에서 특히 중요합니다.

• 편광:

올바른 편광을 선택하면 송신기와 수신기 간의 최적의 신호 정렬을 보장하여 시스템 효율을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 이중 편파(수평 및 수직)는 MIMO 시스템에 이상적이며, 원형 편파는 대기 조건으로 인한 신호 저하를 줄이기 위해 위성 통신에 유용합니다.

• 커넥터 유형:

커넥터는 신호 손실을 최소화하고 효율적인 전력 전송을 보장하기 위해 시스템의 전송 라인과 호환되어야 합니다. 일반적인 커넥터 유형에는 SMA, N형 및 TNC가 있으며, 각각 애플리케이션의 주파수 범위, 전력 처리 및 환경 조건에 따라 선택됩니다.

안테나 편파가 중요한 이유

안테나 편파는 중요합니다. 안테나가 송신하거나 수신하는 전자기파의 방향을 편파라고 합니다. 안테나 편파는 크게 수직과 수평의 두 가지 종류가 있습니다.
최상의 결과를 얻으려면 안테나의 편광이 송신 또는 수신되는 신호의 편광과 일치해야 합니다. 편파가 일치할 때 더 나은 신호 강도와 품질을 얻을 수 있어 효율적인 송수신이 가능합니다.

편광이 정렬되지 않으면 신호의 강도가 감소하거나 완전히 차단될 수 있습니다. 이는 편광이 서로 직각을 이룰 때 신호가 편광 손실이라는 현상을 겪기 때문입니다. 신호의 전기장이 안테나와 결합할 수 없을 때 발생하는 이 손실로 인해 신호 강도가 감소하고 통신 성능이 저하될 수 있습니다.
안테나 편파는 정렬 외에도 시스템 효율과 신호 투과율에 영향을 미칩니다. 예를 들어 수직 편파는 나무나 건물과 같은 장애물을 통과하는 신호 투과율을 향상시키기 때문에 지대공 통신에 자주 활용됩니다. 그러나 수평 편파는 편광이 다른 다른 신호의 간섭을 감소시키기 때문에 지점 간 통신에 자주 활용됩니다.

최적의 성능, 신호 선명도, 투과율 및 시스템 효율성을 보장하기 위해 안테나 편파는 시스템 설계에서 필수적인 요소입니다.

결론

이중 편파 안테나는 향상된 성능, 신뢰성 및 효율성을 제공하여 통신 기술에서 중요한 돌파구가 될 수 있습니다. IT 전문가가 최신 통신 시스템의 복잡성을 성공적으로 해결하려면 안테나 편파의 효과를 이해하는 것이 필수적입니다. 이러한 안테나는 향상된 성능, 컴팩트한 디자인, 다양한 애플리케이션을 결합하여 4G, 5G 및 그 이상의 기반이 됩니다. 이중 편파 안테나는 무선 통신이 계속 발전함에 따라 무선 기술의 연결성 발전을 촉진하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다.

이중 편파 안테나는 무선 통신의 과제를 해결해 나가면서 점점 더 중요해지고 있습니다. 추가 리소스 없이도 통신 용량을 늘릴 수 있는 이 기술은 데이터 전송이 그 어느 때보다 안정적이고 효율적이며 빠른 시대가 열릴 것임을 의미하는 중요한 발전입니다.

전반적으로 이 문서에서는 기본 개념, 종류, 이점, 단일 편파 안테나와의 비교, 실제 애플리케이션 및 중요한 설계 고려 사항을 간략하게 설명하여 최신 무선 통신 시스템 개발에서 이중 편파 MIMO 안테나가 수행하는 필수적인 역할을 강조합니다.