제3부 전파·통신

3.6 안테나 I: 기본 파라미터·무지향과 지향·기체 장착과 차폐

3.6.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

링크 버짓의 $G_t$와 $G_r$ 두 숫자는 안테나가 만든다. 기준 C2 링크는 기체 2 dBi, 지상 8 dBi를 사용하지만(3.1.8), 그 숫자가 기체에 달린 뒤에도 같은 값인가는 별개의 문제다. 이 장은 안테나의 기본 파라미터를 세우고, 안테나가 기체에 달리면서 패턴이 어떻게 바뀌는지, 지상 안테나를 지향형으로 바꾸면 무엇을 얻고 잃는지를 계산한다.

배우는 것:

• 이득과 지향성 — 이득은 전력을 만드는 것이 아니라 방향별로 나누는 것이다. 유효 면적 $G=4\pi A_e/\lambda^{2}$와 방사 패턴·반전력 빔폭·널.
• 이득과 빔폭의 교환 — 둥근 빔에서 빔폭을 절반으로 줄이면 이득이 6 dB 오른다. 지름 0.3 m 접시의 이득과 빔폭을 계산한다.
• 정합과 효율 — 반사 계수·VSWR·반사 손실·부정합 손실, 대역폭, 효율.
• 안테나의 종류 — 다이폴·모노폴·패치·헬리컬·야기·파라볼라의 패턴과 소형 UAS에서 사용하는 전형 이득 범위.
• 기체 장착의 현실 — 탄소섬유 몸체의 가림, 접지면, 롤·피치에 따라 다이폴의 널이 지상국을 지날 때의 이득 손실, 안테나 사이의 결합.
• 지상 안테나 — 무지향 대 지향, 지향 오차가 이득 손실로 바뀌는 식, 추적이 필요한 이유.

선수 지식: dB·dBi·편파·기준 C2 링크는 3.1, 자유공간 손실과 가시선은 3.2이다. 멀티콥터의 몸체와 로터 배치는 1.7을 본다. 식이 나오는 절은 결론을 문장으로 먼저 적었다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.6.7의 기체 장착과 3.6.8을 본다. 인증 담당자는 장착 위치가 EMC와 가용도 논증에 들어가는 방식(3.6.13)을, 사업·정책 담당자는 3.6.2와 3.6.10의 표만 읽어도 이득을 올리는 선택의 대가를 알 수 있다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 원리 장이며 지식 한계는 2026년 중반까지다. 수치는 이 장의 식으로 파이썬 math만 사용해서 계산했다. 접시의 개구 효율 0.55와 빔폭 계수 70은 가정과 경험식이고, 다이폴 패턴은 자유공간의 이상 반파장 다이폴이다. 소형 UAS용 안테나의 전형 이득은 (경험 범위)로 표시했고 제품의 제원은 작성하지 않았다. 측정은 3.20의 몫이다.

3.6.2 개념·직관 — 안테나는 전력을 방향으로 나누는 장치다

결론부터: 안테나는 에너지를 만들지 않는다. 같은 전력을 한쪽 방향으로 더 몰아주면 그 방향의 이득이 올라가고 다른 방향의 이득이 내려간다. 이득이 높다는 말은 빔이 좁다는 말과 같다. 전구 하나를 손전등으로 바꿔 한 점을 밝게 하는 것과 같아서, 비추는 쪽을 놓치면 어두워진다.

링크 버짓에서 이 성질은 두 방향으로 사용된다. 송신 안테나의 이득은 EIRP($P_t+G_t-L_t$)를 올리고, 수신 안테나의 이득은 같은 전력 밀도에서 더 많은 전력을 모은다. 기준 C2 링크는 기체 쪽에 2 dBi 안팎의 무지향(omnidirectional) 안테나를, 지상에 8 dBi를 사용한다. 기체는 자세와 방위가 계속 바뀌므로 어느 방향에나 전파를 보내야 하고, 지상은 기체가 어디 있는지 알면 한쪽으로 몰 수 있다.

세 축에서 요구가 다르다.

3.6.3 기본 파라미터 — 패턴·이득·유효 면적·빔폭

이 장에서 사용하는 기호는 다음과 같다.

3.6.3.1 방사 패턴과 지향성

안테나가 방향별로 얼마나 센 전력 밀도를 내는지를 그린 것이 방사 패턴이다. 패턴의 가장 센 방향을 주엽(main lobe), 작은 봉우리를 부엽(side lobe), 거의 0인 방향을 널(null)이라 한다. 주엽의 최대에서 전력이 절반(−3 dB)이 되는 두 방향 사이의 각이 반전력 빔폭($\theta_{3\mathrm{dB}}$)이다. 패턴이 있다는 사실이 이 장 전체의 출발점이다. 널은 방향이고, 기체가 돌면 널도 같이 돈다.

지향성 $D_0$는 최대 방향의 전력 밀도를 같은 총 방사 전력의 등방성 안테나와 견준 값이고, 이득 $G$는 안테나 자체의 손실(도체·유전체)을 반영한 방사 효율 $\eta_{\mathrm{rad}}$를 곱한 값이다.

$$G=\eta_{\mathrm{rad}}\,D_0,\qquad G_{\mathrm{dBi}}=10\log_{10}G$$

반파장 다이폴은 $D_0=1.64$(2.15 dBi)이고 도넛 모양 패턴의 E면 반전력 빔폭이 78°다(아래 3.6.7.3의 식으로 계산한다. 전력 패턴 $f^{2}=\tfrac12$를 풀면 축에서 51°와 129°다). 제품의 이득 숫자는 최대 방향의 값이며 모든 방향의 값이 아니다 (공개 주장치). 정의의 표준은 IEEE Std 145에 있다(3.6.12).

3.6.3.2 유효 면적과 이득

수신 안테나가 전파에서 전력을 거두는 능력은 유효 면적 $A_e$로 나타낸다. 전력 밀도 $S$ [W/m²]를 받으면 안테나 단자에 $P_r=SA_e$가 나온다. 이득과 유효 면적은 다음 관계다.

$$G=\frac{4\pi A_e}{\lambda^{2}},\qquad A_e=\eta_aA\ \ (\text{개구 안테나})$$

$A$는 물리적 개구 면적, $\eta_a$는 개구 효율이다. 계수 $4\pi/\lambda^{2}$는 열평형 논증으로 얻는다. 온도 $T$의 닫힌 공동 안에서 정합된 안테나가 한 편파로 받는 단위 대역폭당 전력은 $kT$다(나이퀴스트). 공동 속 복사는 모든 방향에서 같은 세기로 오고, 그 세기는 한 편파에서 입체각당 $kT/\lambda^{2}$다(레일리-진스). 안테나의 유효 면적 $A_e(\Omega)$를 이 복사에 곱해 모든 입체각에 걸쳐 더한 값이 $kT$와 같아야 하므로 $\int A_e\,d\Omega=\lambda^{2}$이다. 곧 방향 평균의 유효 면적이 $\lambda^{2}/4\pi$이고, 이득은 최대 방향의 유효 면적을 이 평균으로 나눈 값이다. 등방성 안테나는 $A_e=\lambda^{2}/4\pi$로, 2.4 GHz에서 12.4 cm²다. 이 식이 3.2에서 자유공간 손실이 주파수와 함께 커지는 이유를 설명한다. 수신 안테나의 유효 면적이 파장 제곱에 비례해 작아지기 때문이며 전파가 더 약해져서가 아니다. 반대로 개구 크기를 고정하면 이득은 $f^{2}$로 늘어난다.

3.6.3.3 이득과 빔폭

전력이 반전력 빔폭 $\theta_{E}\times\theta_{H}$ [도] 안에 균일하게 모인다고 하면 구 전체 $4\pi$ sr(41,253 제곱도)에서 빔이 차지하는 비율이 지향성이다.

$$D_0\approx\frac{41{,}253}{\theta_{E}\,\theta_{H}}\quad(\text{이상값}),\qquad G\approx\frac{26{,}600}{\theta_{3\mathrm{dB}}^{2}}\quad(\text{둥근 빔, 접시 }\eta_a=0.55)$$

첫 식은 부엽이 없다는 이상이라서 실제 값의 상한이다. 둘째 식은 지름 $D$인 접시의 이득 $G=\eta_a(\pi D/\lambda)^{2}$와 빔폭 $\theta_{3\mathrm{dB}}\approx70\lambda/D$ [도](균일에 가까운 개구 조명의 경험식)에서 $D/\lambda$를 지워 얻은 것이다. 결론은 빔폭을 절반으로 줄이면 이득이 6 dB 오른다는 것이다. 아래 그림이 두 곡선과 접시 두 점을 보인다.

접시 지름과 주파수에 따른 값은 다음과 같다($\eta_a=0.55$ 가정).

지름을 두 배로 하면 이득 +6.0 dB·빔폭 절반이고, 같은 접시를 2.4 GHz에서 5.8 GHz로 바꾸면 이득이 +7.7 dB 오르고 빔폭이 12°로 좁아진다. 이득이 오른 대가는 그만큼 정확히 겨눠야 한다는 것이다(3.6.8).

3.6.4 임피던스·VSWR·대역폭·효율

결론부터: 안테나가 송신기나 수신기와 임피던스가 어긋나면 전력의 일부가 되돌아온다. 그만큼의 이득이 사라지지만 많은 경우 손실은 1 dB 아래다. 문제는 되돌아온 전력이 아니라 그 어긋남을 만든 원인(꺾인 안테나, 젖은 커넥터)이 이득과 패턴도 함께 바꾼다는 것이다.

선로의 특성 임피던스 $Z_0$(보통 50 Ω)와 안테나 임피던스 $Z_L$이 다르면 입사 전압의 일부가 반사된다.

$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0},\qquad \mathrm{VSWR}=\frac{1+\lvert\Gamma\rvert}{1-\lvert\Gamma\rvert},\qquad \mathrm{RL}=-20\log_{10}\lvert\Gamma\rvert,\qquad L_{\mathrm{mis}}=-10\log_{10}\!\left(1-\lvert\Gamma\rvert^{2}\right)$$

VSWR 2 이하를 사용할 만한 정합으로 보는 것이 관행이다 (경험 범위). 그 이하의 주파수 폭이 임피던스 대역폭이다. 2.4 GHz ISM 대역(2,400~2,483.5 MHz)은 비대역폭이 3.4 %, 5.8 GHz(5,725~5,850 MHz)는 2.2 %로 좁아서 작은 안테나로도 맞출 수 있다. 전체 효율은 정합과 손실의 곱이다.

$$\eta_{\mathrm{total}}=\eta_{\mathrm{rad}}\left(1-\lvert\Gamma\rvert^{2}\right)$$

링크 버짓에는 케이블·커넥터 손실 $L_t$·$L_r$과 함께 이 항이 들어간다. 가는 동축선은 5.8 GHz에서 길이당 손실이 커서 (경험 범위) 안테나 위치를 정할 때 케이블 길이를 함께 따진다.

3.6.5 편파 — 기체 자세와 이어서

편파의 정의와 선형·원형 짝의 손실(어긋난 각의 $\cos^{2}$, 원형-선형 3 dB)은 3.1.5에서 세웠다. 이 장은 기체 자세가 편파를 어떻게 돌리는가만 더한다. 수직 선형 안테나를 단 기체가 롤하면 지상국이 기수나 꼬리 쪽에 있을 때 편파 축이 롤각만큼 돌아가서 손실이 $-20\log_{10}\cos\phi$가 된다. 롤 30°에서 1.25 dB, 60°에서 6.02 dB다(3.6.7.3의 표).

3.6.6 안테나의 종류 — 소형 UAS에서 사용하는 형태

결론부터: 이득을 올리는 길은 개구를 키우는 것이다. 접시처럼 면적을 크게 하거나 소자를 여러 개 모아 같은 효과를 낸다. 작은 안테나일수록 이득이 낮고 패턴이 넓다.

환산 열은 이득에서 위 $G\approx26{,}600/\theta^{2}$로 거꾸로 구한 것으로, 둥근 빔을 가정한 어림이다. 같은 이득에서도 빔이 둥글지 않은 안테나(다이폴·무지향형)는 한 면의 빔폭이 훨씬 넓다. 무지향 안테나의 이득을 올리는 길은 소자를 수직으로 쌓는 것이다. 반파장 소자 $N$개를 이상적으로 쌓으면 이득이 약 $2.15+10\log_{10}N$ dBi (근사)이므로 기준 링크의 8 dBi는 소자 네 개 안팎에 해당한다. 대가는 앙각 빔폭이다(3.6.8). 소자를 묶는 일반 이론은 3.7이 맡는다.

3.6.7 기체 장착의 현실

3.6.7.1 몸체·프롭·배터리 — 안테나가 달린 곳이 패턴을 정한다

데이터시트의 패턴은 자유공간에 혼자 놓인 안테나의 것이다. 기체에 달면 몸체와 구조물이 패턴을 바꾼다. 탄소섬유 복합재는 도전성이 있어 전파를 반사·흡수하고, 감쇠량은 직조·두께·주파수에 따라 크게 달라서 (문헌 정성, 정량은 확인 필요) 몸체 안쪽의 안테나는 사실상 막힌다. 재료의 성질은 1.27, 멀티콥터의 구성은 1.7에서 본다. 지상국이 수 km 밖이면 시선은 거의 수평이다. 아래 그림은 멀티콥터의 옆모습에 네 자리를 놓고 시선이 트이는지 본 것이다.

장착의 경험칙을 몇 가지 적는다 (경험칙). 안테나는 도전성 구조(탄소 프레임·배터리·금속 마운트)에서 최소 1/4 파장(2.4 GHz에서 3.1 cm) 이상 띄운다. 지상국이 있는 방향이 바뀌는 운용이면 한 방향에만 안테나를 두지 않고 몸체 위와 아래에 한 개씩 둔다. 안테나 끝은 프롭 회전면에서 먼 곳에 둔다. 선형 편파는 기체와 지상 안테나의 방향을 같게 맞춘다.

고정익은 자리가 다르다(설계 판단).

선회 비행에서는 윗면 안테나가 날개와 동체 너머로 지상국을 보게 되어 가려지기 쉽다. 기체가 지상국 둘레를 롤 30° 안팎으로 돌면 윗면이 지상국에서 멀어지기 때문이다. 그래서 위와 아래에 한 개씩 두는 구성이 흔하다 (경험칙).

몸체의 그림자 말고도 두 가지가 있다. 첫째, 회전하는 프로펠러(특히 탄소 프롭)가 신호를 주기적으로 가리거나 변조할 수 있다 (문헌 정성). 둘째, 모터·전자 변속기(ESC)·배터리 배선이 내는 광대역 전자기 잡음이 수신기 입력에 들어가 잡음 바닥을 올리고 감도를 떨어뜨린다. 이 현상은 수신 안테나를 이들에서 떼어 놓거나 차폐하는 설계로 줄인다(1.18·1.19·8.10). 고정익은 날개 끝·수직꼬리·동체 아래 같은 자리를 사용하며 같은 논리가 적용된다(1.9).

3.6.7.2 접지면 효과

모노폴은 반파장 다이폴의 반쪽에 접지면을 거울로 삼아 나머지 반쪽을 만든다. 무한한 도체 접지면 위의 1/4 파장 모노폴은 윗반공간에만 방사하므로 같은 전력의 다이폴보다 이득이 3 dB 높다(약 5.2 dBi). 실제 기체의 접지면은 작고 유한해서 패턴의 최대 방향이 수평보다 위로 들리고 이득이 이론값보다 낮아진다 (경험 범위). 기체 몸체가 도전성이면 접지면 역할을 하고, 비도전성이면 접지면을 따로 둬야 한다. 접지면의 크기와 모양이 안테나를 같은 부품으로도 다른 안테나로 만든다.

3.6.7.3 널과 자세 — 롤하면 지상국이 널로 들어간다

결론부터: 수직으로 세운 반파장 다이폴은 기체가 30° 기울어도 1.8 dB밖에 잃지 않는다. 그러나 안테나 축이 지상국을 향하는 쪽으로 기울수록 손실이 가속되어 80°에서 17 dB, 90°에서 널이 된다. 무지향 안테나가 정상 자세에 둔감한 이유와 기동·궤도 비행에서 위험한 이유가 같은 곡선이다.

반파장 다이폴의 전계 패턴은 축에서 잰 각 $a$에 대해 다음이다.

$$f(a)=\frac{\cos\!\left(\tfrac{\pi}{2}\cos a\right)}{\sin a},\qquad \Delta G=20\log_{10}f(a)\ \ [\mathrm{dB}],\qquad \psi=90^{\circ}-a$$

$\psi$는 지상국 방향이 도넛 면(축에 수직한 면)에서 벗어난 각이다. 수직으로 세운 다이폴이 지상국 쪽으로 $\phi$만큼 기울면 $\psi=\phi$다. 기체 축을 따라 눕힌 다이폴은 지상국이 기수에서 $\beta$ 벗어난 방향이면 $\psi=90^{\circ}-\beta$이므로 기수와 꼬리 방향이 널이다. 아래 그림이 곡선이다.

기체의 롤·피치와 지상국 방위를 3차원으로 넣어 계산하면 이득이 어떻게 깎이는지 보인다. 가정은 수직 반파장 다이폴(기체)과 수직 반파장 다이폴(지상), 지상국이 기체보다 1.15° 아래(고도 100 m·거리 5 km)다. 값은 두 안테나의 패턴과 편파 결합을 모두 넣은 이득 변화 [dB]다.

롤은 방위에 따라 다른 길로 이득을 깎는다. 지상국이 옆에 있으면 안테나 축이 지상국 쪽으로 기울어 패턴의 널 쪽으로 가고, 앞이나 뒤에 있으면 축이 옆으로 기울어 패턴은 그대로이지만 편파가 롤각만큼 돌아간다(손실 $20\log_{10}\cos\phi$). 롤 30°·피치 20° 안에서는 손실이 2 dB 이내이지만, 60° 롤의 선회(지상국 둘레 궤도 비행)에서는 7 dB에 이른다. 눕혀 단 다이폴은 더 위험하다. 지상국이 기수에서 10°·30°·45° 벗어난 방향이면 이득 변화는 −17.2·−7.6·−4.0 dB다(패턴만, 편파는 별도). 장착 방향을 틀리면 비행 방향의 정면이 널이 된다. 이 곡선은 이상 다이폴이고 실제 몸체가 패턴을 더 일그러뜨린다(3.20의 측정).

3.6.7.4 안테나 사이의 결합

기체에는 C2, 영상, GNSS 수신, 텔레메트리, Remote ID 같은 안테나가 여럿 달린다. 가까이 놓이면 한 안테나의 송신이 다른 안테나의 수신기로 새어 든다. 2.4 GHz에서 두 안테나를 25 cm(약 2 파장) 떨어뜨리면 자유공간 결합 손실이 28.0 dB다($32.44+20\log_{10}0.00025+20\log_{10}2400$). 두 안테나 이득 2 dBi씩을 더하면 결합이 약 24 dB이므로 송신 20 dBm이 이웃 수신기 입력에 $-4$ dBm으로 들어온다. 감도 $-98$ dBm(3.1.9)보다 94 dB 크다. 같은 대역·같은 시간에 송수신을 하면 이 결합이 수신기를 포화시키거나 감도를 깎는다. 대책은 대역을 다르게 하거나, 시간을 나누거나(TDD), 필터와 거리와 차폐로 격리를 확보하는 것이다. 같은 기체의 다중 안테나를 이득으로 사용하는 다이버시티는 3.7이 다룬다.

3.6.8 지상 안테나 — 무지향 대 지향, 추적이 필요한 이유

결론부터: 지상 안테나의 이득을 올리면 통달거리가 늘지만, 빔이 좁아져 기체를 계속 겨눠야 한다. 이득 $G_r$에 7 dB를 더하면 자유공간 통달거리가 2.2배가 되고, 접시 지름을 두 배로 하면 빔폭이 절반이 되어 추적 시간 여유도 절반이 된다.

무지향 안테나의 이득은 앙각 빔폭을 줄여서 얻는다. 방위 전체를 균일하게 커버하고 앙각 폭 $\theta$ 안에서만 방사하는 도넛 근사에서 $D_0=1/\sin(\theta/2)$이다. 이 근사는 반파장 다이폴(2.15 dBi)에서 75°를 주어 실제 78°와 맞는다. 같은 근사로 기준 링크의 8 dBi 무지향 안테나는 앙각 빔폭이 약 18°다. 지상국 가까이에서 높이 나는 기체가 이 폭을 벗어나면(고도 100 m이면 거리 약 620 m 안) 이득이 떨어진다. 지상국 바로 위는 도넛 아래의 널이다. 거리가 짧아 자유공간 여유가 크므로 보통 문제가 되지 않지만, 이착륙 지점 부근에서 링크가 변동하는 이유가 된다.

손에 든 무지향 안테나에도 같은 원리가 적용된다. 수직으로 세운 다이폴이나 막대 안테나의 끝(축 방향)은 널이므로 끝을 기체 쪽으로 겨누면 최악이다. 안테나의 옆면이 기체 쪽을 향하도록 하는 것이 맞다(3.6.7.3의 곡선에서 $\psi$를 0에 가깝게 두는 것이다). 지상 안테나를 기체의 안테나와 같은 편파 방향(대개 수직)으로 세우는 것도 같은 이유다.

지향 안테나의 빔이 기체에서 $\theta_e$만큼 빗나갔을 때의 이득 손실은 가우스 빔 근사로 어림한다.

$$\Delta G\approx12\left(\frac{\theta_e}{\theta_{3\mathrm{dB}}}\right)^{2}\ [\mathrm{dB}]$$

반빔폭에서 정확히 3 dB가 되도록 맞춘 식이다. 오차가 반빔폭($\theta_e\le\theta_{3\mathrm{dB}}/2$) 안일 때 ±0.05 dB로 맞고 그 밖에서는 실제 손실이 더 크다(근거와 비교표는 3.7.4.1). 빔폭이 좁은 안테나가 빗나가는 오차에 민감함을 이 식이 보인다. 기체가 지상국을 옆으로 20 m/s로 지나갈 때 반빔폭을 벗어나는 데 걸리는 시간을 함께 적는다.

시간은 $R\tan(\theta_{3\mathrm{dB}}/2)/v$($v=20$ m/s 횡단)로 구했고 가까울수록 각속도가 커져 짧다. 이 표가 추적이 필요한 한계를 말한다. 0.6 m 접시는 1 km 거리에서 6초면 반빔폭을 벗어나므로 사람이 손으로 겨누기 어렵고 자동 추적이 필요하다. 추적 방식(위치 정보 기반·신호 기반)과 위상배열은 3.7이 다룬다.

3.6.9 워크스루 — 기준 링크에 30 cm 접시를 추가하면

기준 C2 링크(2.4 GHz, 5 km, 3.1.9)에서 지상 안테나만 8 dBi 무지향에서 지름 0.3 m 접시(15.0 dBi, 빔폭 29°, 개구 효율 0.55 가정)로 바꾼다.

접시가 얻은 7.0 dB 중 오차와 롤이 약 3 dB를 가져가고 여전히 기준보다 3.9 dB 위다. 지향 오차가 15°면 3.2 dB, 20°면 5.7 dB로 이득의 대부분이 사라진다(20°는 반빔폭 14.6°를 넘어 식이 실제보다 낮게 나오며, 균일 개구에서는 약 6.1 dB다). 추적 없이 접시를 사용할 수 있는 운용은 기체가 지상국을 중심으로 천천히 움직일 때뿐이다.

이 이득은 지상이 받는 하향 링크(기체에서 지상)에서만 온전히 얻는다. 같은 접시로 보내는 상향(C2 명령) 링크는 규제의 EIRP 한도에 걸린다. 미국 규칙(3.1.4.1)은 이득이 6 dBi를 넘으면 그만큼 출력을 낮추게 한다. 100 mW(20 dBm) 송신에 15 dBi 접시면 EIRP가 35 dBm으로 36 dBm 상한 안이지만, 출력을 1 W로 올리면 9 dB를 줄여야 한다. 유럽의 20 dBm EIRP 한도(2차 보고, 원문 확인 필요)에서는 15 dBi 접시에 송신을 5 dBm까지만 허용하므로 상향 링크의 EIRP는 늘지 않는다. 상향과 하향의 이런 비대칭은 3.8가 이어서 다룬다.

안테나가 링크 버짓(3.8)에 만드는 항을 이 장의 값으로 모으면 다음과 같다. 모두 기준 링크에 더하는 손실이나 이득이다.

가림 항만 정량이 없다. 가림은 시험으로 확인하는 항이고(3.20), 링크 버짓은 그만큼의 여유를 따로 둔다(3.8).

3.6.10 설계 트레이드오프 — 이득을 어디에 두는가

① 기체와 지상 모두 무지향. 구조가 가장 단순하고 기체 자세와 방위에 둔감하다. 이득이 낮아 통달거리가 짧고(기준 링크 5 km에 여유 12 dB), 간섭과 다중경로에도 취약하다. 취미·근거리 운용의 기본이다.

② 기체 무지향, 지상 지향·추적. 지상에서 SWaP(크기·무게·전력) 여유가 크므로 이득을 올리는 것이 가장 싸다. 접시 0.3 m로 +7 dB를 얻는다. 대가는 추적 장치, 정렬 절차, 지상 설치의 부담이다. 장거리 소형 UAS와 고정 원격운영센터(14.16)의 방식이다.

③ 기체도 지향. 장거리·위성 링크와 군용에서 사용한다. 기체 자세가 바뀌어도 빔을 유지해야 해서 짐벌이나 전자식 빔 조향이 필요하고 질량·전력·단가가 오른다. 위성 단말(3.13)과 위상배열(3.7)의 영역이다.

견해: 소형 UAS는 ②의 가벼운 형태로 시작하는 편이 낫다고 본다. 지상 안테나를 빔폭 30° 안팎(야기·큰 패치·0.3 m 접시)으로 올리고 추적 없이 쓰되 기체가 지상국을 크게 가로지르지 않는 운용으로 제한하는 것이다. 근거는 앞의 표다. 빔폭 29°에서 5° 오차는 0.35 dB이고 7 dB가 남아, 이득 대 정렬 부담이 가장 낫다. 빔폭을 15° 아래로 줄이려면 추적(3.7)을 한 묶음으로 설계해야 한다. 기체 쪽은 안테나를 두 개 이상 서로 다른 방향에 두는 것이 이득을 올리는 것보다 안전하다. 이 판단은 5 km 기준 링크와 가정한 개구 효율에 근거한다.

3.6.11 세 축 비교

3.6.12 관련 규격·프로토콜

3.6.13 관련 규제·인증 요구와의 연결

• EIRP와 안테나 이득. 비면허 대역의 출력 한도는 안테나 이득과 연동된다(3.1.4.1). 안테나를 바꾸면 EIRP가 바뀌고 적합성평가의 전제가 달라질 수 있으므로 교체 가능한 안테나의 취급은 18.16에서 확인한다 (확인 필요).
• 장착 위치와 EMC. 안테나는 기체 밖에 노출된 도체라서 낙뢰·정전기 방전·고강도 방사장(HIRF)의 결합 경로가 된다. 안테나 위치와 접지는 EMC 설계의 대상이다(8.10).
• 가용도 논증. 대형 UAS의 C2 링크 가용도(3.11·9.13)를 입증할 때 안테나의 다중화와 서로 다른 장착 위치는 한 안테나의 가림이 링크 전체를 끊지 않는다는 논거의 일부가 된다. 같은 자리에 둔 두 안테나는 공통 원인으로 함께 가려진다.
• Remote ID. 방송 모듈의 안테나가 몸체 아래에서 가려지면 수신 거리가 줄고, 그 손실은 2.13.6.3의 여유 20~30 dB에 포함된다.

3.6.14 함정과 한계

이 장의 한계도 밝혀 둔다.

• 패턴은 이상 다이폴이다. 자유공간의 얇은 반파장 다이폴이며 기체 몸체의 결합이 없다. 실제 패턴은 측정으로 확인한다(3.20).
• 접시 값은 경험식이다. 개구 효율 0.55와 빔폭 계수 70은 가정이다. 조명 분포에 따라 빔폭 계수는 달라진다.
• 가우스 빔 근사는 반빔폭 이내에서만 맞는다(3.7.4.1). 부엽과 널은 포함하지 않는다.
• 패치·야기·헬리컬의 이득은 경험 범위다. 제품 값은 (공개 주장치)로 읽는다.

3.6.15 체크포인트·연구 질문

체크포인트

1. 안테나가 "전력을 증폭하지 않는다"는 말을 이득과 빔폭의 관계로 설명하라.
2. 지름 0.3 m 접시의 2.4 GHz 이득과 빔폭을 계산하고, 5.8 GHz로 바꾸면 무엇이 변하는지 말하라.
3. VSWR 2에서 되돌아오는 전력의 비율과 부정합 손실을 구하라.
4. 수직 다이폴을 단 기체가 롤 60°로 지상국 옆을 선회할 때 이득이 얼마나 깎이는지, 그 경로가 앞쪽 방위와 어떻게 다른지 설명하라.
5. 몸체 안, 위 마스트, 암 끝의 세 장착 자리가 지상국 방향의 시선에 주는 영향을 비교하라.
6. 5° 지향 오차에서 0.3 m 접시와 0.6 m 접시(2.4 GHz)의 이득 손실을 구하고, 추적이 필요한 한계를 설명하라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

1. 기체 몸체가 만드는 패턴의 공개 데이터 — 탄소섬유 멀티콥터에서 안테나 위치별 실제 패턴과 이 장의 이상 다이폴 계산 사이의 차이는 얼마인가? 시험 방법(3.20)과 공개 데이터셋이 있는가?
2. 자세 변화를 포함한 링크 여유의 통계 — 임무 경로의 롤·피치·방위 분포를 안테나 패턴에 곱해 링크 여유의 시간 분포를 구하면 설계 여유(3.8)를 얼마나 줄일 수 있는가?
3. 도전성 구조의 차폐 정량화 — 항공용 탄소섬유 복합재의 2.4 GHz·5.8 GHz 차폐 효과를 직조·두께별로 공개 측정한 값은 어디까지 있는가 (확인 필요)?
4. 안테나 다중화의 공통 원인 — 같은 기체의 두 안테나가 함께 가려지는 확률을 자세와 장착 위치의 함수로 어떻게 모형화하는가(2.5과 연결)?

1차 출처(이 장)

• Balanis, C. A., Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley (판 확인 필요).
• Kraus, J. D.; Marhefka, R. J., Antennas for All Applications, McGraw-Hill (판 확인 필요).
• Stutzman, W. L.; Thiele, G. A., Antenna Theory and Design, Wiley (판 확인 필요).
• IEEE Std 145 IEEE Standard for Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 149 (연도·판 확인 필요).
• 47 CFR 15.247 (법제 사본 확인, 최신 조문은 eCFR로 확인 필요), ETSI EN 300 328 (원문 확인 필요).

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9·A.12에서 다룬다.

다음 장: 3.7에서 안테나를 여러 개 묶었을 때 무엇이 달라지는지 본다. 배열 인수와 빔 조향, 소자 간격이 만드는 격자 로브, 위상배열 대 기계식 추적 안테나, MIMO와 수신 다이버시티의 결합 이득을 다룬다.