전파와 Near field and Far field

Daisy Kim·2023년 9월 15일

안테나

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전파(radio wave, EM wave)

전파란 무엇인가. 전파는 전자기파(EM Wave)이라고도 불린다. 이때 전기장(E)과 자기장(B)은 서로 90도 각도를 유지하며 교차하며 나아간다. 전기장과 자기장 모두 특정 주파수를 가지고 진동하고, 전기장과 자기장에 수직인 방향을 따라 이동한다.

이 전파는 자유공간(free space)에서는 빛의 속도 c를 가지고 이동한다.
"멕스웰의 방정식"에 따르면 서로에 의해 서로가 재생성 되며 나아가지만, 이동할 수록 점점 그 세기가 약해진다.

전파의 특징- 편파(polarization)

전파의 중요한 특징 중 하나는 바로 편파(polarization)가 있다. 전파가 특정 주파수를 가지고 진동 할때, 지표면과의 상대적인 방향이 어떻게 되는지를 나타낸다.
이때 편파의 방향은 자기장과 전기장 중 "전기장"의 방향으로 정의한다.

안테나마다 다른 편파 방향을 가지기 때문에, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 편파 방향을 잘 맞춰주어야 한다.

수직편파(vertically polarization)

안테나에서 나온 전기장이 지구 표면과 수직 방향으로 진동하면 수직편파라고 한다.

수평편파(horizontally polarization)

안테나에서 나온 전기장이 지구 표면과 평행하게 진동하면 수평편파라고 한다.

전파의 Near field와 Far field

전파가 이동할 때에, 안테나 근처영역을 near field 이고 먼 영역을 far field라고 한다.

안테나에서 전파가 전송될 때 안테나 근처에서는 전기장과 자기장 성분 중 하나가 다른 성분에 비해 크고 일정 거리 이후에 일반적으로 알고 있는 전파 형태를 띄며 이동하게 된다.

이 때 near field는 일반적으로 reactive, radiative 라는 두 영역으로 나뉘고,

reactive(non-radiative)영역에서는 아직 방사는 일어나지 않아서 전자기파 형타라기 보다는 전자기장으로 존재한다.
안테나 종류에 따라서 near field에서 전기장과 자기장 중 하나가 우세할 수 있는데, 일반적인 안테나는 안테나 근처에서 자기장 성분이 전기장 성분보다 더 크고, 멀어짐에 따라서 자기장과 전기장의 영향이 비슷해진다. Near field에서는 일반적인 전자파 이론이 아니라 전기장 또는 자기장 이론이 적용된다.

radiative 영역부터는 점점 전자기파로 방사되기 시작하며, far field에서 부터는 실제 대부분 우리가 사용하는 전파의 형태를 가지고 있다고 볼 수 있다.

전파의 source인 안테나에 가까운 곳에서는 spherical wave 모양이지만, 멀어질수록 plane wave가 된다. 그래서 먼 영역에서는 plane wave를 가정하기 때문에, 전자기파가 서로 진폭이 일정하고, 위상이 같고 서로에게 수직인 방향으로 전파된다.

near field를 나타내는 기준이 어디인가?

near field를 나타내는 정확한 기준이 궁금해 찾아보았다. 정확한 정의는 없지만 보통 $\lambda/2\pi$ 보다 작은 거리를 near field, 그 이상의 영역을 far field라고 부른다고 한다.

$\lambda/2\pi = 0.159\lambda$

예를들어,
$f= 1GHz$ 이면,
$\lambda = c/f = 3*10^8 /10^9 = 0.3$
$\lambda/2\pi = 0.159λ = 0.159(0.3) = 0.0477$

$f= 10GHz$ 이면,
$\lambda = 3$
$\lambda/2\pi = 0.159λ = 0.159(0.3) = 0.477$

https://www.electronicdesign.com/markets/energy/article/21801976/whats-the-difference-between-em-near-field-and-far-field

레이더에서의 near field 기준은 어디인가?

레이더에서의 기준은 어떻게 될까.
MIMO 레이더에서는 Antenna array 에 따른 near field 기준이 있다.

레이더에서 near field의 기준은 $10\lambda$ 인 지점을 기준으로 보통 나타내고(?)

또 antenna apeature 사이즈 D를 기준으로 다음과 같이 나타낸다.

$R_1 (reactive\, near-field \,region) = 0.62\sqrt{D^3/\lambda}$
$R_2 (radiating\, near-field \,(Fresnel)\,region)= \frac{2 · D^2 }{\lambda}$
$D = geometric\,dimension$
$λ = wavelength$

far field에서는 거리에 따라서 path loss가 1/r 만큼 떨어지게 되는데, near field에서는 그것이 적용되지 않고 다른 영향을 가진다.

Far field 영역을 때때로 Fraunhofer region, near field 영역을 때때로 Fresnel region 이라고 한다. Fresnel region은 interactive한 region인데, energy를 방출하고 흡수한다. $\frac{2 · D^2 }{\lambda}$ 에 가까운 이 영역의 경계를 Rayleigh- region이라고 한다.