구술면접-전자기파의 송수신

라디오 수신의 원리 - 2005학년도 수시 2학기 한양대 기출 문항)

 

아래 그림은 라디오, TV, 휴대전화 등에서 전자기파를 수신하는 장치의 회로도이다.

 

 

 

 

전자기파는 안테나를 통해 2차 회로의 전류 신호로 바뀌고 이 때 전류는 다양한 주파수의 전자기파 신호를 모두 갖는다. 2차 회로의 전류 신호는 두 코일 L1과 L2를 통해 1차 회로의 전류 신호로 바뀐다. 이 때 2차 회로의 전류 신호 중 선택된 주파수가 1차 회로의 전류 신호 중 선택된 주파수가 1차 회로의 전류신호로 바뀐다.

 

안테나는 도체이며 1차 회로의 공진 주파수

 

 

이다.

 

 

1) 전자기파 신호가 안테나를 통해 2차 회로의 전류 신호로 바뀌는 물리적 과정을 설명하시오.

 

2) 2차 회로의 전류 신호가 1차 회로의 전류 신호로 바뀌는 물리적 과정을 설명하시오.

 

3) 장치가 수신하는 전자기파의 주파수를 구하고, 이 주파수를 선택해 수신하는 이유를 설명하시오.

 

 

 

 

 

예시 답안

 

1) 전자기파는 전기장과 자기장이 직각을 유지한 채 진동하며 진동 방향에 수직한 방향으로 진행하는 파동입니다. 도체로 이뤄진 안테나를 전자기파의 진행방향과 수직으로 놓고 전기장의 진동 방향과 나란하게 설치합니다. 그러면 전자기파가 진행함에 따라 도체 내부에선 전기장의 방향을 따라 전기가 대전되고 회로를 따라 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 2차 회로를 흐르는 전류는 전자기파에 존재하는 전기장의 진동 특성을 그대로 복사한 형태를 띱니다.

 

2) 2차 회로와 1차 회로는 코일 두 개를 같은 철심 주위에 감은 형태로 연결됩니다. 2차 회로에선 안테나를 통해 받아들인 전류신호가 흐르며 이 전류가 코일을 흐를 때 코일 내부 즉 철심에 자기장을 형성합니다. 이 자기장은 철심을 따라 1차 회로와 연결된 코일에 걸리면 2차 회로의 전류신호는 시간에 따라 진폭이 변합니다. 그러므로 철심에 형성된 자기장의 세기도 전류 변화를 따라 변하며 결국 1차 회로의 코일 내부를 흐르는 자기장의 세기도 변하게 됩니다.

 

코일 내부의 자기장이 변하면 전자기 유도현상에 의해 코일에 정전기력이 유도되는데 그 방향은 코일 내부의 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 일어납니다. 이렇게 유도된 정전기력은 1차 회로에 새로운 전류 신호를 만들어 줍니다.

 

 

3) 1차 회로에 유도된 전류는 맨 처음 안테나를 통해 전달된 전자기파의 신호와 거의 동일한 진동 특성을 띠게 됩니다. 즉 여러 가지 방송 신호가 각자 고유한 주파수에 실려 있으므로 그 중 특정 주파수만을 뽑아내면 특정 방송을 수신할 수 있습니다. 1차 회로는 그림에서 보듯이 코일과 축전기로 이뤄져 있어 고유 주파수를 갖고 있습니다. 즉 특정 주파수의 신호만이 1차 회로를 흐를 수 있습니다. 공진주파수는

 

 

이므로 결국 f1의 주파수를 갖는 방송만을 수신할 수 있습니다.

 

LC 회로에서 L과 C는 각각 공급한 전류에 위상이 90°빠른 전류와 90° 느린 전류를 유도합니다. 즉 공급한 전류의 위상이 바뀌게 돼 그 크기는 감소할 수 밖에 없는데 이 감소량이 최소가 될 때는 L과 C의 임피던스의 크기가 같아져서 서로 상쇄된 위상 변화를 일으키지 않은 경우입니다.

 

즉 L의 임피던스가 ωL이고 C의 임피던스가 1/ωC이므로 ωL = 1/ωC 를 만족하는 ω(=2πf)를 구하면

 

 

이 되며 이 주파수를 갖는 전류신호는 세기를 유지하며 회로를 흐릅니다.