🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

동작 원리 자세히 보기

• 도파관: 전파가 다니는 금속 관 — 속이 빈 금속 관 안에서 전파는 벽에 반사되며 나아갑니다. 그런데 관의 넓은 쪽 폭이 파장의 절반보다 좁으면 전파가 아예 지나가지 못합니다(차단). 그래서 도파관은 크기에 따라 일정 주파수 이상만 통과시키는 필터 역할도 하며, 주파수마다 크기가 다릅니다. 22 GHz용 표준 직사각형 도파관의 단면은 약 11 × 4 mm, 129 GHz용은 약 2 × 1 mm로 이쑤시개 굵기 정도입니다.
• 왜 나팔 모양일까 — 좁은 도파관 끝을 그대로 공기 중에 열어 두면, 관 속과 바깥 공간의 성질(임피던스)이 갑자기 달라져 전파 일부가 되튕깁니다 (안테나의 전파 송신 편의 임피던스 정합 참고). 나팔처럼 천천히 넓어지는 혼은 이 변화를 완만한 '경사로'로 바꿔 줍니다. 또 혼도 하나의 안테나라서, 입구가 클수록 좁은 방향만 보고 작을수록 넓게 봅니다(반사경의 '파장 ÷ 지름' 관계와 같습니다).
• 주름진 혼(corrugated horn) — 혼 안쪽 벽에 깊이가 파장의 약 4분의 1인 홈을 촘촘히 새기면, 벽을 따라 흐르는 전류가 억제되어 빔이 둥글고 좌우·위아래가 대칭이 되며, 부엽과 원치 않는 편파 성분(교차편파)도 줄어듭니다. 그래서 전파망원경과 위성 접시의 피드 혼으로 널리 쓰입니다.
• '스필오버'라는 말의 정확한 뜻 — 안테나 공학에서 스필오버(넘침)는 보통 혼의 빔이 너무 넓어 반사경 테두리 밖으로 넘쳐흐르는 부분을 가리키며, 넘친 부분이 따뜻한 땅을 보게 되어 잡음이 늘어납니다. 반대로 빔이 너무 좁아 반사경 가장자리를 덜 비추면 접시 일부를 놀리게 되는데, 이를 '조사(照射) 효율' 손실이라고 부릅니다. 반사경 가장자리 세기를 중심보다 약 10 dB 낮추는 테이퍼가 두 손실의 균형점으로, 이때 둘을 합친 효율이 약 80 % 안팎입니다.
• KVN의 네 갈래 길: 준광학계 — KVN은 부경에서 내려온 전파 한 줄기를, 주파수에 따라 통과와 반사가 갈리는 판(이색성 저역통과 필터) 3장과 거울로 넷으로 나누어 22·43·86·129 GHz용 피드 혼 각각으로 보냅니다. 네 피드 혼이 하늘의 같은 점을 보도록 정밀하게 정렬해야 네 주파수를 동시에 관측할 수 있습니다. 새로 만든 KVN 수신기는 피드 혼·직교모드변환기(OMT)·저잡음 증폭기를 20 K(약 영하 253 ℃) 이하의 진공 용기 안에 함께 넣어 잡음을 줄입니다.

혼 안테나와 도파관의 발전사

비유로 설명하기

• 피드 혼은 "병에 물을 옮겨 담을 때 쓰는 깔때기"와 같습니다. 넓은 입구로 받은 물(전파)을 좁은 병목(도파관)으로 넘치지 않게 흘려보냅니다. 깔때기가 너무 좁으면 받을 물을 놓치고, 너무 넓으면 엉뚱한 곳의 물까지 받게 됩니다.
• 도파관의 차단은 "큰 공은 좁은 관에 들어가지 못하는 것"에 비유할 수 있습니다. 파장이 관 폭의 2배보다 긴 전파는 관 속으로 나아가지 못합니다.

자주 하는 오해

• "나팔 모양이라 확성기처럼 전파를 크게 키운다" — 피드 혼은 신호를 증폭하지 않습니다. 확성기의 나팔도 소리를 만드는 것이 아니라 공기와 '정합'을 잘 시켜 에너지를 효율적으로 전달하는 것이며, 피드 혼도 같은 원리입니다.
• "피드 혼은 반사경의 부속품일 뿐이다" — 피드 혼은 그 자체로 완전한 안테나입니다. 혼만으로도 전파를 받을 수 있으며, 실제로 우주배경복사와 21 cm선은 혼 안테나만으로 처음 발견되었습니다.

함께 해 볼 질문·활동

• 두꺼운 종이를 말아 원뿔 모양 깔때기를 만들고, 좁은 쪽을 입에 대고 말할 때와 그냥 말할 때 소리가 얼마나 멀리 또렷하게 가는지 비교하기 (귀에 대고 크게 소리 지르지는 마세요)
• 집이나 학교의 위성방송 접시 앞에 달린 뭉툭한 수신부(LNB)를 관찰하기. 그 안에 작은 피드 혼과 저잡음 증폭기가 들어 있습니다. 접시 지름과 수신부의 위치를 전파망원경 사진과 비교해 보세요.