전파의 회절특성

1. 전자파의 성질

2. 회절의 원리 및 특성

3. 회절로 일어나는 현상

 3.1 프레넬 존

 3.2 산악회절파

 3.3 구면회절

4. 회절이 무선통신에 미치는 영향

1. 전자파의 성질

  - 주요 전파 메커니즘으로는 반사(Reflection), 회절(Diffraction), 산란(Scattering), 굴절(Refraction)이 있음

  1.1 반사

     - 반사는 전자기파 신호가 신호의 파장보다 상대적으로 넓은 표면을 만났을 때 일어남

     - 전파는 입사각과 같은 각으로 반사된다는 사실이다. 이것을 흔히 스넬의 법칙(Snell's law)라고 불리운다

http://www.rfdh.com/bas_rf/emwave.htm

1.2 굴절

     - 전자기파가 물리적 성분이 다른 재질에 입사했을 때 그 재질차이에 의해 진행방향이 옆으로 변화하는 것을 의미

     - 전자기파의 입사각이 일정 각 이상으로 비스듬히 눕기 시작하면 굴절각이 수평각을 넘어서게 되어 결국 다른 매질로 전자기파가 입사하지 못하고 완전반사(total reflection)하게 된다

 http://www.rfdh.com/bas_rf/emwave.htm

  1.3 회절

     - 전파의 파장보다 넓은 투과 불가능한 물체의 가장자리에서 발생

     - 전파가 투과 불가능한 물체의 가장자리를 만나면 다른 방향으로 진행

http://www.rfdh.com/bas_rf/emwave.htm

  1.4 산란

     - 산란이란 전자기파가 진행하다가 만난 물체 표면에서 구조특성에 따라 사방으로 전자기파가 흩어지는 현상을 의미

     - 장애물의 크기가 신호의 파장과 비슷하거나 작으면 산란이 발생, 신호가 장애물을 지나면서 몇  개의 약화된 신호로 흩어지게 됨

 http://www.rfdh.com/bas_rf/emwave.htm

 

2. 회절의 원리(호이겐스의 원리) 및 특성

  - 파면의 각 지점들이 구면파를 발생시키는 파원이 되고, 무수히 많이 생기는 이 구면파가 겹쳐서 만드는 그 포락선이 다음 파면을 형성->호이겐스의 원리

        

http://scienceorc.net/science/senghwal/081.html

                         (a) 구면파     (b) 평면파           <출처> http://lsgn.com.ne.kr/padong/hoygen.htm

  - 전파의 회절현상은 호이겐스의 원리에 의해 설명, 회절현상으로 장애물 뒤편(음영지역 수신점)까지 전파가 전파됨

http://pages.uoregon.edu/stanm/PHYS152SUMMER2011/LECTURES3and4-WAVES.html

 

  - 사용주파수가 낮을수록 사용파장이 길수록 회절효과가 높음

  - 장애물이 뾰족할수록 회절효과와 이득이 높아짐

http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=0Pvip&articleno=14

3. 회절로 일어나는 현상

 3.1 프레넬 존

     - 전계강도가 장애물의 영향을 받아 변화하는 영역

    - 전파가 전력의 감쇠 없이 송신기에서 수신기에 도달하기 위해서는, 일정 크기의 공간이 필요

     - 필요한 공간은 안테나 사이의 최단 거리를 따라 형성되는 타원체이며, 이것을 프레넬존이라고 함

     - 프레넬존 내부에 장애요소가 있는 경우(전파통로와 장애물 사이 장애물이 가리지 않아도) 직접파와 회절파의 간섭에 의해 수신 전계 강도가 약화될 수 있으며 수신 감도가 약한 경우, 오류가 발생할 확률이 점차 증가

 <Prior knowledge>

프레넬 존이란?

     - 전파가 전력의 감쇠 없이 송신기에서 수신기에 도달하기 위해서는, 일정 크기의 공간이 필요

     - 한 공간의 에너지는 직선을 통해 수신기에 연결할 수 없습니다. 그것은 파도가 콘크리트 벽에 구멍 바늘의 크기를 통해 도착하기 어려운 것과 같은 원리

     - 필요한 공간은 안테나 사이의 최단 거리를 따라 형성되는 타원체이며, 이것을 프레넬존이라고 함

     - 프레넬존 내부에 장애요소가 있는 경우 수신 전계 강도가 약화될 수 있으며 수신 감도가 약한 경우, 오류가 발생할 확률이 점차 증가

첫번째 프레넬 존?

     - 첫번째 프레넬 존 내부 Radius의 60% 내에 장애물이 없는 한 자유공간에서의 손실과 같은 감쇄를 받음

To calculate Fresnel Zones for your Wireless Network, first establish the RF LoS (Line of Sight) which is the direct, straight line between the transmitter and receiver (or transceivers) antennas. The general equation for calculating the Fresnel Zone radius at any point P in between the endpoints of the wireless link can be shown by the following equation:

The radius of the Fresnel Zone is at its highest value (greatest distance) directly at the centre of the RF LoS and for the practical application of planning Wireless Networks, it is useful to know the maximum radius of the 1st Fresnel Zone.

Therefore the distances between Point A and B to P will be identical and by converting the wavelength value to signal frequency we can say the following:

Therefore if the values for frequency and total distance are converted to GHz and km respectively, the equation for the maximum radius of the 1st Fresnel Zone can be derived in the following manner

<참조>

http://www.radiosystek.com/ko/resources/fresnel-zone/

http://www.4gon.co.uk/solutions/technical_fresnel_zones.php

 3.2 산악회절파

    - 전파의 전파(傳播) 도중에 여러 산이 있을 때의 전파

    - 특히 초단파(VHF)나 마이크로파에서는 산이 있으면 음영(陰影) 손실 때문에 전계의 세기가 낮아진다. 그러나 산을 잘 이용하면 회절로 산이 없을 때의 전계의 세기보다 높은 전계의 세기를 얻게 된다.(일반적으로 장애물이 없어야 수신감도가 크지만 산악에 의한 회절이득으로 수신감도가 오히려 커지는 현상 발생)

 3.3 구면회절

      - 지구의 구 표면, 또는 보다 일반적으로 파장에 비해 아주 큰 둥근 형태로 된 장해물에 의한 회절로 인해 전파수평선을 너머 전파하는 현상. 

4. 회절이 무선통신에 미치는 영향

  가. 이득증가의 효과

     - 회절현상으로 원거리에서도 근거리보다 더 통신 품질이 우수한 수신 가능

     - 초단파대 전파의 초가시거리 통신을 수행, 페이딩이 적고 안정적임

  나. 경제적인 망 구축

     - 셀룰러 및 방송의 경우 회절현상에 의해 건물 뒷편 음영지역에서도 서비스가 가능한 것은 회절현상에 기인함(전파의 회절 성분이 없었으면 이동통신 대중화 불가능)

     - 전파의 회절 특성으로 기지국 및 중계기수를 줄일 수 있어 경제적인 망 구축을 할 수 있게 되었음

  다. 전파혼신의 문제 발생

     - 다만 회절 현상으로 인한 전파혼신의 문제가 발생할 수 있으므로 이를 고려해야 함

     - 산악회절에 의해 초가시거리 전파의 발생으로 타 통신에 영향을 줄 수 있으므로 통신망 설계 시 산악회절 현상을 고려해야 함