단거리 통신에 라디오파가 선호되는 이유

왜 원거리 및 근거리 전송에 라디오파가 선택되는가?

소개

석기 시대에는 정보가 도보나 말, 낙타 같은 짐승을 통해 전달되었습니다. 정보 전달 속도는 매우 느렸습니다. 도보로 수백 마일 떨어진 곳에 정보 하나를 전달하는 데 며칠에서 몇 달이 걸렸습니다.

짐승을 이용하면 약간 빨라졌고, 21세기 과학 기술 시대로 넘어오면서 번개 같은 속도로 정보 전달이 가능해졌습니다. 방에 앉아 전화번호를 누르면 수백만 마일 떨어진 친구와 즉시 연결됩니다. 우리가 입력해 보내는 메시지, 휴대전화로 나누는 대화는 모두 전자기파(EM wave)를 통해 전달됩니다.

전자기파(EM 파)에는 여러 종류가 있지만 여기서는 라디오파에 집중하겠습니다. 라디오파가 무엇인지, 어떻게 전파되는지, 어떻게 검출하는지, 간단한 라디오 수신기 제작법까지 알아보겠습니다. 먼저 몇 가지 기초를 살펴보겠습니다.

전자기파(EM WAVE)

전자기파(EM 파)는 전기 방전이나 번개로부터 발생하는 전자기 복사의 한 형태입니다. 모든 전기 방전은 라디오파와 파장이 가까운 EM 파를 생성할 수 있습니다.

전자기 복사는 파동성을 가집니다. 즉, EM 파는 전파, 회절, 굴절 등이 가능합니다. EM 파는 간섭을 받습니다. 즉, 동일하거나 근접한 주파수의 EM 파가 경로를 가로지르면 간섭을 겪습니다. EM 파는 저주파·긴 파장의 라디오파부터 고주파·짧은 파장의 감마선까지 범위가 넓으며, 감마선이 가장 높은 에너지를 가집니다.

라디오파(RADIO WAVE)

라디오파는 전자기 복사의 한 형태입니다. 저주파로 약 150kHz~100MHz 범위에 있습니다.

발진기(OSCILLATORS)

라디오를 통한 데이터 전송 이해를 위해 발진기 이야기를 해야 합니다. 발진기는 기계적 발진기와 전기적 발진기 두 종류가 있으나 여기서는 전기적 발진기만 다룹니다. 커패시터와 코일을 연결하면 전기적 발진기 또는 진동자를 만들 수 있습니다.

커패시터에 전하를 공급하면 시스템이 발진합니다. 에너지는 커패시터 극판 사이와 코일의 자기장 형태로 번갈아 저장됩니다. 에너지는 코일에서 커패시터로, 커패시터에서 코일로, 다시 코일로 왕복 이동하며 시스템이 발진합니다.

에너지 흐름에는 전류 흐름이 수반됩니다. 전류 흐름으로 인해 시스템 에너지의 일부가 커패시터, 코일, 연결선에서 내부 에너지로 변환됩니다.

라디오 송신기(RADIO TRANSMITTER)

전기 방전 시 라디오 주파수의 전자기 복사가 발생합니다. 번개 시 라디오에서 지직거리는 소리가 나는 것은 번개가 만든 라디오파와 인근 방송국의 전파 간 간섭 때문입니다. 집 주변의 작은 스파크도 라디오에서 잡음으로 들릴 수 있습니다.

스파크는 대전류를 흐르는 스위치를 켜고 끌 때 발생합니다. 밥솥/냉장고의 온도조절 스위치 스파크, 전자종 접점 스파크 등은 모두 라디오가 감지하는 EM 파를 생성합니다. 초기 라디오 송신기는 스파크 발생 원리로 동작했습니다. 현대 송신기는 다르게 동작하며 여러 섹션으로 구성됩니다.

발진기(Oscillator): 커패시터와 코일로 구성. 수 kHz~MHz 주파수로 발진하도록 부품 선정. 안테나나 에어리얼에 연결하면 와이어에 진동 전기장이 생성됩니다.
피드백 증폭기(Feedback Amplifier): 에너지 손실 때문에 발진기가 안테나에 에너지를 공급하려면 손실분을 보상할 에너지가 필요합니다. 발진기에 공급되는 에너지는 발진기와 공진해야 합니다. 이를 위해 발진 전류의 미세한 일부를 발진기에서 분리해(나머지는 안테나로) 증폭기에 입력합니다. 증폭기 출력은 큰 발진 전류로, 발진기와 같은 주파수입니다. 이 큰 전류를 다시 발진기에 공급하여 회로가 지속적으로 발진하도록 합니다.

변조기(MODULATOR)

송신기가 발진기와 피드백 증폭기만 있으면 일정한 주파수와 진폭의 연속적인 라디오파만 생성할 수 있습니다. 변조기가 주파수(FM)를 변조합니다.

라디오 송신기에서 음성 주파수 기전력을 변조기에 입력합니다. 반송파도 변조기에 입력됩니다. 변조기는 음성 주파수 기전력 파형을 따라 반송파 진폭을 변조합니다(AM). 진폭 변조된 반송파는 안테나로 전달됩니다.

라디오파 검출(RADIO WAVE DETECTION)

어떤 이유로 라디오파는 포물면 반사기에 반사되어 수 마일 떨어진 수신국으로 향합니다. 반사기는 통신 위성 송수신과 통신 시스템용 마이크로파 무선 링크에 사용됩니다.

전자기 복사가 금속 물체에 도달하면 미세한 전류가 발생합니다. 안테나는 라디오파를 포착하는 역할을 합니다. 안테나는 도달하는 모든 인근 전송 전류를 전달합니다. 그대로 들으면 수많은 소리파가 섞여 명확한 소리를 들을 수 없습니다.

특정 방송국의 명확한 소리를 듣기 위해 라디오 수신기는 특정 채널에 튜닝합니다. 수신기는 다음으로 구성됩니다.

튜너(Tuner): 주로 커패시터-코일 회로로 구성. 커패시턴스를 조절하여 발진 주파수를 원하는 방송국 주파수와 일치시킵니다.
정류기(Rectifier): 커패시터 양단에 이어폰을 연결해도 소리가 안 들립니다. 주파수(150kHz 이상)가 귀가 감지할 수 있는 범위를 벗어나기 때문입니다. 정류기가 소리를 선명하게 들리게 해줍니다.
증폭기(Amplifier): 전류를 증폭하여 스피커에서도 들을 수 있게 합니다.

간단한 라디오 수신기 제작 방법

간단한 라디오 수신기를 제작하려면 다음 단계를 따르세요.

안테나, 다이오드, 접지 케이블, 튜너를 직렬 연결하고 가변 커패시터를 코일에 병렬 연결하세요. 안테나는 길이 25m 절연선으로 가능합니다.
금속 스트립을 땅에 묻고 어스 와이어를 연결하세요. 토양이 건조하면 물을 주어 습윤하게 만드세요.
페라이트 막대에 절연선 약 80회 감아 코일을 만드세요. 페라이트 막대가 코일 특성을 향상시킵니다.
수백 피코파라드(pF) 가변 커패시터를 사용하세요. 구하기 힘들면 10pF~470pF 고정 커패시터로 대체 가능합니다.
다이오드는 OA91(게르마늄 다이오드) 사용. 다른 게르마늄 다이오드도 가능합니다.
결과가 없으면 40회 감기로 시도해 보세요. 그래도 안 되면 인근 송신국 출력이 약해서일 수 있습니다.

인근 송신국이 강한데도 안 되면 안심하세요. 증폭기를 회로에 추가하면 됩니다. 위 회로도처럼 연결하세요. 이것이 간단한 라디오입니다. 라디오 신호는 에너지가 가장 낮아 한 번에 대용량 데이터를 전송할 수 없습니다. 대부분 오디오 전송에 적합하므로 지연 없이 근거리/로컬 전송에 적합합니다.

왜 라디오파가 원거리/근거리 전송에 선택되는가?

다른 EM 파가 왜 근거리 전송에 사용되지 않고 원거리 신호 전송에 쓰이지 않는지 궁금할 수 있습니다. 라디오파는 마이크로파와 달리 가열 효과가 없습니다.

저주파 라디오파는 회절되어 언덕 뒤쪽 사람도 신호를 수신할 수 있습니다. 다른 EM 파와 달리 라디오파 수신기는 송신기 정면에 있지 않아도 신호를 수신할 수 있습니다.

저주파 라디오의 회절 능력 덕분에 언덕 뒤에서도 신호 수신이 가능합니다. 중계국을 이용해 신호 품질을 개선합니다. 다른 EM 파는 쉽게 회절되지 않습니다.