스타링크 안테나는 어떻게 인공위성과 통신할까

일론 머스크가 이끄는 우주 개발 기업인 스페이스X는 인공위성 1만 2,000개를 이용해 인터넷 액세스를 제공하는 서비스인 스타링크(Starlink)를 전개하고 있다. 전용 수신 안테나를 이용하면 도시나 시골 같은 수준 통신이 가능하게 된 서비스지만 실제로 상공을 날아다니는 인공위성과 어떻게 통신하고 있는지 궁금할 수 있다. 스타링크 통신은 어떻게 이뤄지고 있을까.

스타링크 인공위성은 상공 550km 저궤도를 돌고 있지만 이 속도는 2만 7,000km/h에 달한다. 초고속으로 이동하는 인공위성과 통신하는 건 세로 50cm, 가로 30cm, 무게 4.2kg인 안테나가 맡는다.

안테나가 전파를 양호하게 파악할 수 있는 범위는 100도로 한정되어 있으며 이 범위를 통과하는 인공위성과 양방향 통신을 실시하고 있다. 위성 1개와 통신할 수 있는 시간은 4분 밖에 없다. 위성 1개가 안테나 범위로부터 벗어날 때에는 다음 위성이 날아오기 때문에 문제가 없다. 안테나는 4분마다 통신하는 위성을 전환하고 수백Mbps 속도로 데이터를 송수신하고 있다.

하지만 상공 3만 5,000km에 있는 TV 방송을 담당하는 인공위성은 넓은 범위에 전파를 송신할 수 있는 반면 60분의 1 거리에 있는 스타링크 인공위성은 제한된 범위만 지원한다. 대량 데이터를 저지연으로 송수신하기 위해 이런 거리를 날고 있지만 인공위성과 안테나간 데이터를 송수신하려면 더 전파를 좁은 범위로 수렴시켜 각도를 붙여 전파가 똑바로 날아가야 한다. 각도 조절에 모터를 이용할 수 있지만 모터는 계속 움직이면 1개월 정도면 부서져 버린다. 2만 7,000km/h 속도로 날아가는 인공위성에 맞추기에는 정밀도 역시 불충분하다. 여기에서 사용하는 게 전파 위상을 이용한 방법이다.

스타링크 안테나 내부 구조를 보면 안테나 표면은 6개 층으로 나뉘어져 있다. 그 중 하나는 기판인데 기판 한쪽면에는 크고 작은 마이크로칩 660개가 있다. 또 기판 다른 면에는 작은 6각형 안테나 1,280개가 배치되어 있다.

이 안테나는 방사상으로 전자파를 생성할 수 있지만 1개 뿐이면 미약하고 상공 안테나에는 닿지 않는다. 하지만 안테나 1개를 서로 옆으로 해 동시에 전자파를 생성하는 것으로 특정 장소에선 같은 방향으로 향하는 신호 강도가 증가한다. 또 안테나가 발하는 전자파 위상이 같을 경우 신호는 특정 한 방향으로 향하지만 위상을 어긋나게 해 특정 방향 신호를 강화할 수 있다.

이런 방식으로 각 파 위상을 지속적으로 바꿔 파 각도를 조절하고 신호가 가장 강해지는 방향 각도를 자유롭게 바꿀 수 있다. 이에 따라 안테나 물리적 각도를 바꾸는 일 없이 상공 인공위성과 통신이 가능하게 된다고 한다.