(2) Basic Radio Principles

Basic Radio Principles

 

전파는 주파수의 특성을 가진 전자파이다. 파동은 많은 힘을 잃지 않고도 공간(대기 안팎)을 통해 먼 거리를 이동한다. 안테나는 전류를 전파로 변환한다. 이로 인해 전파는 공간을 통해 수신 안테나까지 이동할 수 있다. 수신 안테나는 수신기가 사용할 수 있도록 전파를 다시 전류로 변환한다.

 

How Radio Waves Propagate

 

전파에 대한 전도성이나 저항력은 모든 물질에 대해 다양하다. 지구 자체는 전파에 대한 가장 큰 저항 장치 역할을 한다. 지면 근처를 이동하는 복사 에너지는 지면에 전압을 유도한다. 지면이 파장으로부터 에너지를 빼내기 때문이다. 이로 인해 안테나로부터의 거리가 커질수록 파동의 강도가 감소된다. 나무, 건물, 그리고 광물은 그 강도에 다양한 정도로 영향을 미친다. 대기 상층부의 복사 에너지도 마찬가지로 영향을 받는다. 왜냐하면 복사 에너지가 공기, 물, 그리고 먼지 분자에 의해 흡수되기 때문이다. 전파의 특성은 신호 주파수, 그리고 장비의 설계∙용도∙한계에 따라 달라진다.

 

Ground Wave

 

ground wave는 지구의 표면을 가로질러 이동한다. ground wave의 경로는 지구 표면과 전리층(이는 ground wave가 우주로 나가는 것을 막음)으로 둘러싸인 터널 안에 있다고 상상하면 된다. 일반적으로 주파수가 낮을수록 신호가 더 멀리 이동한다.

 

ground wave는 항법 목적으로 사용할 수 있다. 왜냐하면 ground wave는 항상 같은 경로를 따라 안정적이게, 그리고 예측 가능하게 이동하며 너무 많은 외부 요인의 영향을 받지 않기 때문이다. ground wave 주파수의 범위는 대략 100Hz부터 약 1,000kHz(1MHz)이다. 비록 이를 초과하는 ground wave가 있기는 하지만(최대 30MHz까지) 이러한 높은 주파수의 ground wave는 매우 짧은 거리에서 에너지를 잃는다.

 

Sky Wave

 

1~30MHz의 주파수를 가진 sky wave는 장거리에 유용하다. 왜냐하면 이러한 주파수는 전리층에 의해 굴절되어 신호가 높은 하늘로부터 지구로 보내져 먼 거리까지 수신되기 때문이다. [그림 9-1] 항공기의 HF(high frequency) 라디오는 50~100와트의 전력만을 사용하여 바다를 건너 메시지를 전송할 수 있다. sky wave를 생성하는 주파수는 항법에 사용되지 않는다. 왜냐하면 송신기에서 수신기까지의 신호 경로가 매우 가변적이기 때문이다. 파장은 전리층에서 굴절되는데 전리층은 항상 변화한다. 왜냐하면 태양 복사가 전리층에 도달하는 양이 달라지기 때문이다(밤/낮 및 계절의 변화, 흑점 활동, 등등). 따라서 sky wave는 항법 목적에 대해서는 신뢰할 수 없다.

 

sky wave(HF)는 항공 교신 목적을 위해선 약 80에서 90% 신뢰할 수 있다. HF는 더욱 신뢰할 수 있는 위성 통신으로 점점 대체되고 있다.

 

Space Wave

 

전리층을 통과할 수 있는 경우 15MHz 이상의 전파(최대 몇몇 GHz까지)는 space wave로 간주된다. 대부분의 항법 시스템은 신호가 space wave로 전파되는 상태에서 작동한다. 100MHz를 초과하는 주파수에는 ground wave나 sky wave가 거의 없다. space wave의 항법 신호는 전리층에 도달하기 전에 사용된다(단, GPS 제외). 따라서 전리층으로 인한 전파 오류의 영향이 미미하다. 전리층 통과로 인한 GPS 오류는 상당하기 때문에 GPS receiver system에 의해 수정된다.

 

space wave에는 단단한 물체에 반사되는 또 다른 특징이 있다. 따라서 송신기와 수신기 사이에 물체가 있다면 전파가 차단될 수 있다. VOR(very high omnidirectional range) 시스템에서 발생하는 site/terrain error, 그리고 propeller/rotor modulation error는 이러한 반사에 의해 발생한다. ILS course 왜곡 또한 이러한 현상의 결과이다. 이 때문에 ILS critical areas의 구축이 필요하게 되었다.

 

일반적으로 space waves는 “가시선”을 수신할 수 있다. 그러나 이 파장의 낮은 주파수는 가시선 바깥에서 약간 “굴절”한다. 108에서 118MHz의 VOR 신호는 962에서 1213MHz의 DME(distance measuring equipment)보다 낮은 주파수이다. 따라서 항공기가 VOR/DME station의 “가시선 바깥”을 비행할 경우 보통 DME가 먼저 기능을 정지한다.

 

Disturbances to Radio Wave Reception

 

정전기는 전파를 왜곡시켜서 통신 및 항법 신호의 정상적인 수신을 방해한다. 저주파 공중 장비(예를 들어 ADF-automatic direction finder, LORAN – LOng RAnge Navigation)들은 특히 정전기 교란의 대상이 된다. VHF(very high frequency)와 UHF(ultra-high frequency) 주파수들을 사용하면 방전 잡음의 영향을 피할 수 있다. 항법, 혹은 교신 무선 주파수에서 들리는 통신 소음은 항법 계기화면과의 간섭에 대한 경고일 수 있다. 강수 공전(P-static)으로 인해 발생하는 문제들 중 일부는 다음과 같다:

 

• VHF 교신의 완전한 상실.

• 잘못된 나침반 지시.

• 한쪽 날개를 낮춘 상태로 비행(autopilot 사용 도중).

• 높은 톤의 끼익 하는 소리가 오디오에서 들림.

• 오디오에서 모터보트 소리가 들림.

• 모든 avionics의 상실.

• VLF(very-low frequency) 시스템이 작동하지 않음.

• 불규칙한 계기 지시.

• 라디오 전송 및 수신 약화.

• 코로나 방전.