장애물에서의 신호 전파 특성: 굴절, 회절, 통과
1. 문제
"무선 신호가 장애물에 부딪혔을 때 발생하는 굴절, 회절, 통과 현상을 설명하시오."
2. 답안
무선 신호(전자기파)는 전파되는 과정에서 건물, 산, 나무, 벽 등 다양한 장애물과 만나게 된다. 이때, 신호는 굴절(Refraction), 회절(Diffraction), 통과(Penetration) 등의 다양한 물리적 현상을 겪으며 진행하게 된다.
✅ 1) 굴절(Refraction, 屈折)
(1) 개념
굴절은 전파가 서로 다른 매질(공기, 물, 유리 등)을 통과할 때 진행 방향이 휘어지는 현상을 의미한다.
- 굴절률(refractive index)이 다른 두 매질을 지날 때, 파장의 속도가 변화하며 신호의 경로가 바뀜.
- 공기 중 습도, 기온 변화에 의해서도 전파가 굴절될 수 있음.
(2) 원리
- 스넬의 법칙(Snell’s Law):
- 매질 1과 매질 2의 굴절률을 각각 n₁, n₂, 입사각을 θ₁, 굴절각을 θ₂라 할 때:
n₁ sin(θ₁) = n₂ sin(θ₂)
- 매질 1과 매질 2의 굴절률을 각각 n₁, n₂, 입사각을 θ₁, 굴절각을 θ₂라 할 때:
- 굴절률이 높은 매질로 갈수록 신호는 굴절되며 진행 방향이 휘어짐.
(3) 예시
- 대기 굴절: 기온 변화로 인해 무선 신호가 굴절되어 멀리까지 전파되는 현상(초단파 VHF/UHF 이상에서 발생)
- 바다 위에서 전파가 멀리까지 전달되는 경우
비유:
- 수영장에서 물속에 손을 넣으면 손이 휘어 보이는 현상과 유사함.
✅ 2) 회절(Diffraction, 回折)
(1) 개념
회절은 전파가 장애물의 가장자리나 작은 틈을 지나면서 방향을 바꾸어 퍼지는 현상이다.
- 장애물이 있지만 신호가 직진하는 대신 휘어져 뒤쪽까지 전달됨.
- 장애물 크기가 신호의 파장보다 작을수록 회절 효과가 강해짐.
(2) 원리
- 프레넬 영역(Fresnel Zone): 장애물에 의해 전파가 차단되지 않고 진행할 수 있는 공간.
- 호이겐스 원리(Huygens' Principle): 파동의 각 점은 새로운 파동을 만들어내며 전파됨.
(3) 예시
- 라디오 신호가 건물 뒤편에서도 들리는 현상
- AM 라디오(중파, 300m~1km 파장)가 산 뒤쪽에서도 잘 수신되는 이유
비유:
- 바닷가 방파제에 부딪힌 파도가 방파제 뒤쪽으로 돌아 들어오는 현상과 비슷함.
✅ 3) 통과(Penetration, 透過)
(1) 개념
통과는 전파가 장애물을 직접 뚫고 지나가는 현상을 의미한다.
- 매질에 따라 신호 감쇠(손실)가 발생하지만, 일부 전파는 그대로 진행할 수 있음.
- 주파수가 낮을수록(파장이 길수록) 통과 성능이 좋음.
(2) 원리
- 전파의 주파수(파장)가 낮을수록 통과율이 높음.
- 낮은 주파수(AM/FM 라디오, VHF)는 건물 내부로 잘 침투함.
- 높은 주파수(5G mmWave, Wi-Fi 6GHz)는 벽을 거의 통과하지 못함.
- 장애물의 두께와 재질에 따라 신호 감쇠가 달라짐.
- 금속은 전파를 반사시켜 통과가 거의 불가능함.
- 콘크리트는 신호를 일부 흡수하면서 감쇠 발생.
- 유리는 비교적 신호를 잘 통과시킴.
(3) 예시
- AM/FM 라디오가 실내에서도 들리는 이유 (AM: 1km 파장, FM: 3m 파장)
- 5G mmWave(밀리미터파)가 건물 내부로 잘 전달되지 않는 이유
비유:
- 투명한 유리는 빛을 통과시키지만, 금속판은 빛을 완전히 차단하는 것과 비슷함.
3. 비교 분석
| 구분 | 정의 | 특징 | 파장 의존성 | 예시 |
|---|---|---|---|---|
| 굴절 (Refraction) | 매질 변화로 인해 신호가 휘어지는 현상 | 기온, 습도 변화에 따라 발생 | 파장과 관계없이 발생 가능 | 대기 굴절, 신호가 멀리까지 전달됨 |
| 회절 (Diffraction) | 장애물 가장자리에서 신호가 휘어지는 현상 | 장애물 뒤쪽까지 신호 전달 | 파장이 길수록 강함 | AM 라디오, 산 뒤편에서도 신호 도달 |
| 통과 (Penetration) | 신호가 장애물을 뚫고 지나가는 현상 | 재질과 주파수에 따라 감쇠율 다름 | 파장이 길수록 잘 통과 | FM 라디오(건물 내부), Wi-Fi(벽 통과) |
4. 현재 상황 및 향후 전망
✅ (1) 5G 및 차세대 네트워크에서의 영향
- 5G mmWave(밀리미터파, 24GHz 이상)는 통과 성능이 낮고 회절도 잘 안됨 → 장애물 많은 도심에서 소형 기지국(Small Cell) 필요
- 저주파수 5G(700MHz~3.5GHz)는 건물 내부에서도 잘 통과 → 실내 커버리지 확보 가능
- 회절과 굴절을 고려한 메타물질 안테나, 빔포밍 기술 개발 중
✅ (2) 미래 기술 적용
- 위성 인터넷(스타링크, OneWeb): 대기 굴절을 고려한 최적화 전송 경로 연구 중
- 스마트 빌딩 및 IoT: 벽 투과성이 높은 저주파 대역 활용
- 6G 네트워크: 테라헤르츠(THz) 주파수 대역 연구 진행 → 장애물 회절, 통과 극복 기술 필요
5. 어린이 버전 설명
-
굴절(Refraction)이 뭐야?
→ 물속에서 수영하는 친구를 보면 몸이 휘어 보이는 것처럼, 신호도 매질이 바뀌면 방향이 휘어진단다! -
회절(Diffraction)은?
→ 장애물이 있어도 소리가 돌아서 들리는 것처럼, 전파도 장애물 뒤쪽까지 휘어질 수 있어! -
통과(Penetration)는?
→ 햇빛이 유리창을 통과하듯이, 전파도 어떤 재질은 뚫고 지나갈 수 있어!
6. 결론
무선 통신에서 신호가 장애물과 만나면 굴절, 회절, 통과 현상이 발생하며, 주파수와 장애물 특성에 따라 신호의 전파 방식이 달라진다.
- 저주파(AM, FM, VHF)는 회절과 통과가 잘되어 실내, 산 뒤에서도 수신 가능
- 고주파(5G mmWave, Wi-Fi 6GHz)는 장애물에 막혀 회절과 통과가 어려움
- 미래 6G, 위성 통신에서는 전파 특성을 최적화하는 기술 개발이 필요
이러한 특성을 이해하면 5G, Wi-Fi, 라디오, 위성 통신 등 다양한 무선 기술을 더 효과적으로 활용할 수 있다.
