Beaming internet from the middle of the woods using an extra-large, pizza-sized satellite dish placed on top of your house up to a satellite orbiting 550 kilometers outside Earth’s atmosphere, well, let’s be honest, is technologically mind-blowing.

What’s even crazier is that the Starlink satellites move incredibly fast, around 27,000 kilometers per hour, and data is being sent back and forth between them at hundreds of megabits per second, all while the dish and satellite are continuously angling or steering the beam of data pointed directly between them.

On top of that, the dish switches between different satellites every four or so minutes because they move out of the dish’s field of view rather quickly. If you have no clue as to how this is possible, stick around because we’re going to dive into the multiple key technologies which enable satellite internet to magically work.

First, we’ll explore inside the satellite dish and see how it generates a beam of data that is able to reach space.

Second, we’ll see how this dish continuously steers the beam so that it points directly at a satellite moving across the sky. And third, we’ll dive into what exactly the dish and satellite are sending inside the beam that results in your ability to stream five HD movies or shows simultaneously.

This video is quite long as it’s full of in-depth details.

We recommend watching it first at 1.25 times speed, and then a second time at one and a half speed to understand it as a complete technology. So, stick around, and let’s jump right in.

First, let’s start by clarifying the difference between a television satellite dish such as this one, and the Starlink ground dish, which Elon Musk dubbed Dishy McFlatface or Dishy for short.

TV dishes use a parabolic reflector to focus the electromagnetic waves which are the TV signals sent from broadcast satellites orbiting the Earth at an altitude of 35 thousand kilometers.

TV satellite dishes only receive TV signals from space; they can’t send data. Dishy, however, both sends and receives internet data from a Starlink satellite orbiting 550 kilometers away.

While the Starlink satellite is 60 times closer than TV satellites, it’s still an incredible distance to wirelessly send a signal, and thus the beams between Dishy and the Starlink satellite need to be focused into tight, powerful beams that are continuously angled or steered to point at one another.

Compare this to TV broadcast signals, which come from a satellite the size of a van, and whose signals propagate in a wide fan that covers land masses larger than North America.

Table-size Starlink satellites, however, need to be in a low Earth orbit to provide for 20-millisecond latencies, which is critical for smoothly playing internet games or surfing the web, and as a result, their coverage is much smaller.

Thus, 10,000 or more Starlink satellites, all orbiting at incredibly fast speeds in a low Earth orbit, are required to provide satellite internet to the entire Earth.

Let’s now open up Dishy McFlatface. At the back, we have a pair of motors and an ethernet cable that connects to the router.

Note that these motors don’t continuously move Dishy to point directly at the Starlink satellite; they’re used only for initial setup to get the dish pointed in the proper general direction.

Opening up Dishy, we find an aluminum structural backplate, and on the other side, we find a massive printed circuit board or PCB. One side has 640 small microchips and 20 larger microchips organized in a pattern with very intricate traces fanning out from the larger to smaller microchips, along with additional chips including the main CPU and GPS module on the edge of the PCB.

On the other side are 1,400-ish copper circles with a grid of squares between the circles.

On the next layer, there’s a rubber honeycomb pattern with small, notched copper circles, and behind that, we find another honeycomb pattern and then the front side of Dishy.

So, what are we looking at? Well, in essence, we have 1,280 antennas arranged in a hexagonal honeycomb pattern, with each stack of copper circles being a single antenna controlled by the microchips on the PCB.

This massive array works together in what’s called a phased array in order to send and receive electromagnetic waves that are angled to and from a Starlink satellite orbiting 550 kilometers above.

Let’s zoom in and see how a single antenna operates.

Here we have an aperture coupled patch antenna composed of 6 layers, most of which are inside the PCB. It looks very different from the antenna of an old-school radio, and is honestly, incredibly complicated, so let’s simplify it.

We’ll remove a few of the layers for now, and step through the basic principles of how we generate an electromagnetic wave that propagates out from this antenna.

To start, at the bottom we have a microstrip transmission line feed coming from one of the small microchips. This transmission line feed is just a copper PCB trace or wire that abruptly ends under the antenna stack.

We send a 12 Gigahertz high-frequency voltage or signal to the feed wire which is a voltage that goes up and down in a sinusoidal fashion, going from positive to negative and back to positive once every 83 picoseconds, 12 billion times a second, or 12 Gigahertz.

Note that high-frequency electricity works differently from direct current or low frequency 50 or 60-hertz household electricity.

For example, above the copper feed wire, we have a copper circle with notches cut into it called an antenna patch.

With DC or low-frequency alternating current, there wouldn’t be much happening because the patch is isolated, but with a high-frequency signal, the power sent to the feed wire is coupled or sent to the patch.

How exactly does this happen? Well, as mentioned earlier, a 12 Gigahertz signal is applied to the copper feed wire. When the voltage is at the bottom of its sinusoidal, or trough, we have a concentration of electrons pushed to the end of the feed wire thus creating a zone of negative charge which corresponds to the maximum negative voltage.

This concentration of electrons on the tip of the wire repels all electrons away, including the electrons on the top of the patch, and as a result, these electrons are pushed to the other side of the circular patch.

Thus, one side of the patch becomes positively charged, while the other becomes negatively charged, thereby creating electric fields between the patch and feed wire like so.

However, when we reverse the voltage to the copper feed wire 42 picoseconds later, we have a concentration of positive charges, or a lack of electrons at the end of the wire, and thus the electrons in the patch flow to the other side.

The voltage in the patch is flipped, and the direction of the electric fields are also flipped.

Because the feed wire voltage oscillates back and forth, 42 picoseconds between one peak and trough, the electric fields in the patch will also oscillate as the electrons, or current, flows back and forth.

If we pause the oscillation, we can see some of these electric field vectors, or arrows, from the patch, are vertical, and because they are equal and opposite, they cancel out.

However, other electric fields are horizontal in the same plane of the patch and are called fringing fields. These fringing fields are in the same direction and thus they add to each other, resulting in a combined electric field pointing in this direction.

At the same time, electrons flowing from one side of the disk to the other, which is an electric current, generate a magnetic field with a strength and direction, or vector, perpendicular to the fringing electric field vector.

As a result, we have an electric field pointing one way, and a magnetic field pointing perpendicular to that.

Let’s move forward in time to where the voltage on the feedline becomes positive, and now, we’re at the peak of the sinusoid, 42 picoseconds later.

The charge concentrations, or voltage, as well as the current, is all flipped, and thus the electric and magnetic fields point in the opposite directions.

Electric and magnetic fields propagate in all directions, and by creating these oscillating fields, we’ve generated an electromagnetic wave which travels in the direction perpendicular to both the electric and magnetic field vectors.

Because the two sets of field vectors are not all in the same plane, but rather are curved, the propagating electromagnetic wave travels outwards in an expanding shell or balloon-like fashion, kind of like a light bulb on the ceiling.

Let’s simplify the visual so we only see the peak and trough or top and bottom of each wave, and note
that the trough is just a vector pointed in the opposite direction.

Additionally, the strengths
of these field vectors directly relate back to the voltage and signal that we originally sent
to the copper microstrip feed wire at the bottom of the stack.

Which means, if we want to make
these electric and magnetic fields stronger, we just have to increase the voltage sent to the
feedline.

It's like a dimmer on a light switch: more power equals a brighter light.

Thus far, we've been talking about this aperture-coupled patch antenna as transmitting;
however, it can also be used for receiving a signal.

In this microchip, called a front-end
module, we switch the antenna from transmit to receive and turn off the 12 Gigahertz signal.
When an electromagnetic wave from the satellite is directed towards Dishy, the electric fields
from this incoming signal will influence the electrons in the copper patch, thus generating
an oscillating flow of electrons.

This received high-frequency signal is then coupled to the
feedline where it's sent to the front-end module chip, which amplifies the signal.

Thus, these
antennas can be used to both transmit and receive electromagnetic waves, but not at the same time.

Two quick things to note. First, as seen earlier, this antenna has many more layers and is more
complicated than we've discussed.

For example, here are two circular patches. The bottom is
used to transmit at 13 Gigahertz while the top to receive at 11.7 Gigahertz.

Additionally,
there are two H slots and two feed wires to support circular polarization, a reflective plane
in the back, and also, there are multiple features for isolating the operation of one antenna from
the adjacent antennas.

We've included these and many more details in the creator's comments, which
you can find in the English Canadian subtitles.

The second note is that there are electromagnetic
waves of all different frequencies from thousands of different sources passing through
every point on Earth, whether it be visible light from the sun, radio waves from radio or cell towers, or TV signals from satellites or towers.

Therefore, in order to block out all other frequencies of electromagnetic waves, these antenna patches are designed with very exact dimensions so that they receive and transmit only a very narrow range of frequencies, and all the other frequencies outside this range are essentially ignored by the antenna.

Let’s move on and see how a single antenna can be combined with others in order to amplify the beam to reach outer space.

This single antenna is only a centimeter or so in diameter, and using only it would be like turning on and off one light bulb and trying to see it from the International Space Station.

What we need is a way to make the light a few thousand times brighter, and then focus all the electromagnetic waves into a single powerful beam. Enter the massive Mr. McFlatface PCB, 55 centimeters wide, with a total of 1,280 identical antennas in a hexagonal array.

The technique of combining all the antennas’ power together is called beamforming.

So how does it work? Well, let’s first see what happens when we have two simplified antennas spaced a short distance away. As mentioned before, one antenna generates an electromagnetic wave that propagates outwards in a balloon shape.

At every single point in space, there’s only one electric field vector with a strength and direction, and thus the two antennas’ oscillating electric field vectors combine together at all points in space.

In some areas, the electric fields from the antennas are pointing in the same direction with overlapping peaks, and thus add together via constructive interference, and in other locations, they’re opposite with one peak and one trough, and thus they cancel each other via destructive interference.

We can now see that the zone where they add together constructively is far tighter, or more focused, than a single antenna alone.

When we add even more antennas, the zone of constructive interference becomes even more focused in what is called a beam front.

Thus, by adding 1,280 antennas together, we can form a beam with so much intensity and directionality that it can reach outer space.

Now, you might be thinking that the strength of one antenna duplicated 1,280 times over would result in a combined power of, well, 1,280 times a single antenna, but you'd be mistaken. The effective power and range of the main beam from all these antennas combined is actually closer to 3,500 times that of a single antenna.

The quick explanation is that by having these patterns of constructive and destructive interference, it's as if we took a single antenna, multiplied it by 1,280, and then placed a whole bunch of mirrors around it and left only a single hole for the main beam to exit through.

The long explanation requires a ton of math and physics, so let's move on. Dishy McFlatface and the Starlink Satellites undoubtedly have some rather complicated science and engineering inside, and to fully comprehend it all, you have to be a multidisciplinary student.

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Now let’s continue exploring how a powerful beam can be continuously swept across the sky, and then how we fill it with hundreds of megabits of data every second.

As a quick refresher from before, here’s an array of 1280 antennas and we fed them all with the same 12 Gigahertz signal in order to create a laser-like beam propagating perpendicular to Dishy.

However, as mentioned earlier, we need to be able to angle this beam so that it points directly at the Starlink satellite zooming across the sky at 27,000 kilometers per hour.

Using the motors isn’t feasible because they would break within a month and aren’t accurate enough. So, the solution is to use what’s called phased array beam steering.

Let’s go back to our two-antenna example. Before we were feeding the same signal to the two antennas, and thus the antennas were in phase with one another.

Understanding phase is critical, so quickly: changing the height or amplitude of the signal is done by changing the power sent to the antenna, thus making the signal stronger or weaker.

The frequency is how many peaks and troughs, or wavelengths there are in one second, and changing the phase is shifting the signal left or right. Phase shifting is measured in degrees between 0 and 359, because, if we shift the signal 360 degrees, or one full wavelength, then we’re back at the beginning, exactly as if we were to loop around a circle.

For example, here’s a signal with a 45-degree phase shift, here’s another with a 180-degree shift, and then another with a 315-degree shift.

Your eyes can’t see differences in phase-shifted visible light, however, high-tech circuitry such as what’s inside Dishy is really good at detecting and working with phase shifts.

So then, how do we use phase shifting to angle the beam and have it point directly at the satellite? The solution is to phase shift the signal sent to one antenna with respect to the other antenna and, as a result, the timing of the peaks and troughs emitted from one antenna is different from the other.

These peaks and troughs propagate outwards, and the location of the constructive interference is now angled to the left with destructive interference everywhere else.

If we change the phase of the antennas again, the zone of constructive interference is angled to the right.

Therefore, by continuously changing the phase of the signals sent to the antennas, we can create a sweeping zone of constructive interference.

Let's bring in six more antennas and simplify the visual so that we only see a section of the peaks from each wave. Far away from the antennas, the waves join to form a wave front that is a planar wave, kind of like ocean waves crashing on a shoreline.

Just as before, by continuously changing the timing of when each wave peak is emitted by each antenna, we can change the angle at which the wave front is formed, essentially steering the beam in one direction or another.

And, if we bring in more antennas in a two-dimensional array, we can now steer the beam in any direction within a 100-degree field of view.

Let’s move back to view all 1280 antennas in Dishy. In order to know the exact angle the beam needs to be pointed or steered, we use the GPS coordinates of Dishy from this chip over here, along with the orbital position of the Starlink satellite which is known in Dishy’s software.

The software computes the exact set of 3D angles and the required phase shift for each of the antennas.

These phase shift results are then sent to the 20 larger chips called beamformers, and each beamformer coordinates between 32 smaller chips called front-end modules, each of which controls 2 antennas.

Every few microseconds, these computations are recalculated and disseminated to all the microchips in order to perfectly aim the beam at the satellite.

As a result, the beam can be steered anywhere in a 100-degree field of view. There are a few quick notes. First, the main beam, also called the main lobe looks like this.

However, constructive and destructive interference isn’t perfect, and as a result there are additional side lobes of lesser power.

How does Starlink Satellite Internet Work?📡☄🖥

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스타링크 위성 인터넷은 지상 안테나(Dishy)와 저궤도 위성 간의 데이터 송수신을 통해 작동하며, 이는 좁고 강력한 빔을 사용하여 서로를 정확히 가리키도록 조정됩니다.

Dishy 내부에는 1,280개의 안테나가 위상 배열 방식으로 배치되어 전자기파를 송수신하며, 빔 포밍 기술을 통해 신호를 증폭시켜 우주 공간에 도달하게 합니다.

데이터 전송은 64QAM 방식을 사용하여 진폭과 위상의 다양한 조합으로 6비트 값을 인코딩하며, 이를 통해 초당 수백 메가비트의 데이터를 전송할 수 있습니다.

스타링크 위성 인터넷의 놀라운 기술

지구 밖 550km 궤도를 도는 위성과 통신하며 인터넷을 사용하는 스타링크는 **기술적으로 매우 놀라운 시스템**입니다. 특히 스타링크 위성이 시속 약 27,000km로 빠르게 움직이면서도 안테나와 위성이 데이터 빔을 서로에게 직접 향하도록 계속 각도를 조절하며 데이터를 초당 수백 메가비트로 송수신한다는 점은 더욱 경이롭습니다.

스타링크 안테나는 약 4분마다 다른 위성으로 전환해야 하는데, 이는 위성이 안테나 시야에서 빠르게 벗어나기 때문입니다. 이 비디오는 **위성 인터넷이 마법처럼 작동하게 하는 여러 핵심 기술**에 대해 자세히 설명합니다.

스타링크 지상 안테나 'Dishy'의 구조와 원리

스타링크 지상 안테나인 'Dishy McFlatface'는 기존 TV 위성 안테나와 근본적으로 다릅니다. TV 안테나가 35,000km 상공의 방송 위성에서 TV 신호를 수신하는 데만 사용되는 반면, Dishy는 550km 저궤도에 있는 스타링크 위성에서 **인터넷 데이터를 송수신하는 양방향 통신**을 가능하게 합니다.

Dishy는 초기 설정 시에만 모터를 사용하여 접시를 적절한 방향으로 맞추며, 실제로 내부에는 1,280개의 작은 안테나가 육각형 벌집 패턴으로 배열되어 있습니다. 이 안테나들은 **'위상 배열(Phased Array)' 방식으로 함께 작동하여** 550km 떨어진 스타링크 위성으로 전자기파를 보내고 받습니다.

각 안테나는 '조리개 결합 패치 안테나'로, 마이크로스트립 전송 라인 피드에서 오는 12GHz 고주파 전압을 받아 전자기파를 생성합니다. 전압의 변화에 따라 패치의 전자가 진동하며 전기장과 자기장이 형성되고, 이들이 서로 수직인 방향으로 전파되어 **전자기파가 바깥쪽으로 이동**하게 됩니다.

이러한 안테나는 전자기파를 송수신하는 데 모두 사용될 수 있지만 동시에 사용될 수는 없습니다. 또한, 이 안테나 패치들은 **매우 정확한 치수로 설계되어** 특정 주파수 범위의 전자기파만 수신하고 송신하며, 다른 주파수는 무시합니다.

총 1,280개의 안테나가 함께 작동하여 빔을 증폭시키는 기술을 **'빔 포밍(Beam Forming)'**이라고 합니다. 이 안테나들에서 나오는 전자기파는 공간의 모든 지점에서 결합되며, 특정 영역에서는 전기장이 같은 방향을 가리켜 보강 간섭을 일으키고, 다른 영역에서는 반대 방향을 가리켜 상쇄 간섭을 일으킵니다.

이러한 보강 간섭 영역은 **단일 안테나를 사용할 때보다 훨씬 좁고 집중되어 강력한 빔을 형성**합니다. 결과적으로 주 빔의 유효 전력과 범위는 단일 안테나의 약 3,500배에 달하게 됩니다.

스타링크 위성이 시속 27,000km로 빠르게 이동함에 따라 빔을 위성으로 직접 향하게 하기 위해서는 **'위상 배열 빔 조향(Phased Array Beam Steering)'** 기술이 사용됩니다. 이는 모터를 사용하는 것이 아니라, 각 안테나로 전송되는 신호의 위상(신호를 왼쪽이나 오른쪽으로 이동시키는 것)을 조절하여 빔의 각도를 변경하는 방식입니다.

Dishy의 GPS 좌표와 스타링크 위성의 궤도 위치를 기반으로 소프트웨어가 각 안테나에 필요한 위상 이동을 계산하고, 이 정보가 빔포머 칩을 통해 각 안테나에 전달됩니다. 이 계산은 몇 마이크로초마다 재계산되어 **빔이 100도 시야각 내에서 어느 방향으로든 완벽하게 조준될 수 있도록** 합니다.

데이터 전송 방식: 진폭 및 위상 변조

Dishy와 스타링크 위성은 고주파 정현파 형태의 전자기파를 보내지만, 이 신호의 진폭(강도)과 위상(각도)을 변경한 다음, **각기 다른 진폭과 위상 조합에 6비트 이진수 값을 할당하여 데이터(심볼)를 인코딩**합니다.

이러한 기술을 **64QAM(직교 진폭 변조)**이라고 하며, 64개의 다른 진폭과 위상 순열을 통해 초당 수억 비트의 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 데이터 스트림은 다운로드와 업로드 간에 공유되며, 대기 시간을 줄이기 위해 시간 슬롯이 분산됩니다.

스타링크 시스템의 스케일과 실제 작동 방식

스타링크 시스템은 매우 광대한 스케일로 작동합니다. Dishy와 위성 사이의 거리가 550km이므로 **약 2,200만 개의 파장이 존재**합니다. 또한, 전자기파가 Dishy에서 위성에 도달하는 데는 약 2밀리초밖에 걸리지 않아 매우 빠른 통신이 가능합니다.

Dishy는 전자기파를 방출하는 것 외에도 수신 모드에 있는 경우가 더 많으며, 전자기파를 수신하는 과정과 물리학은 방출하는 것과 유사하게 **반대 방향으로 작동**합니다.

스타링크 위성 인터넷이 기존 TV 위성 안테나와 근본적으로 다른 점은 무엇이며, 이러한 차이가 기술 작동 방식에 어떤 영향을 미치나요?

Dishy McFlatface 안테나 내부의 1,280개 안테나가 어떻게 빔 포밍 기술을 사용하여 강력하고 집중된 인터넷 빔을 생성하고, 이 빔이 우주 공간에 도달할 수 있는 원리는 무엇인가요?

스타링크 시스템이 위상 배열 빔 조향 기술을 사용하여 시속 27,000km로 움직이는 위성을 정확하게 추적하는 방식은 무엇이며, 이 기술이 기존 모터 방식보다 유리한 점은 무엇인가요?

Dishy와 스타링크 위성 간에 데이터가 전송될 때 64QAM(직교 진폭 변조) 기술이 어떻게 6비트 값을 인코딩하여 초당 수백 메가비트의 데이터를 처리할 수 있게 하는지 설명해 주세요.

스타링크 위성 인터넷 시스템에서 안테나, 위성, 그리고 데이터 전송 방식이 통합되어 사용자에게 빠르고 원활한 인터넷 경험을 제공하는 전반적인 과정을 요약해 주세요.

집 위에 피자 크기의 커다란 위성 안테나를 놓고 550km 떨어진 지구 밖 궤도를 도는 위성으로 인터넷을 쏘아 보낸다는 것은 정말이지 기술적으로 놀라운 일입니다.

더욱 놀라운 것은 스타링크 위성이 시속 약 27,000km로 엄청나게 빠른 속도로 움직이고, 안테나와 위성이 데이터 빔을 서로에게 직접 향하도록 계속 각도를 조절하거나 방향을 전환하는 동시에 데이터가 초당 수백 메가비트로 위성 간에 송수신된다는 점입니다.

게다가 안테나는 약 4분마다 다른 위성으로 전환하는데, 위성이 안테나의 시야에서 매우 빠르게 벗어나기 때문입니다. 이것이 어떻게 가능한지 전혀 감이 안 오신다면, 위성 인터넷이 마법처럼 작동하도록 하는 여러 핵심 기술에 대해 자세히 알아볼 것이니 계속 시청해 주세요.

먼저 위성 안테나 내부를 살펴보고 어떻게 우주에 도달할 수 있는 데이터 빔을 생성하는지 알아보겠습니다.

둘째, 이 안테나가 하늘을 가로지르는 위성을 직접 가리키도록 빔을 계속 조종하는 방법을 알아볼 것입니다. 셋째, 안테나와 위성이 빔 내부에서 정확히 무엇을 보내고 있는지 자세히 알아보고, 이를 통해 5개의 HD 영화나 쇼를 동시에 스트리밍할 수 있게 되는 이유를 알아보겠습니다.

이 비디오는 자세한 내용이 많아 꽤 깁니다.

완전한 기술로 이해하려면 먼저 1.25배속으로 시청한 다음 1.5배속으로 다시 시청하는 것이 좋습니다. 그러니 계속 시청하시고 바로 시작해 보겠습니다.

먼저, 이 TV 위성 안테나와 일론 머스크가 'Dishy McFlatface' 또는 줄여서 'Dishy'라고 부른 스타링크 지상 안테나의 차이점을 명확히 하는 것으로 시작하겠습니다.

TV 안테나는 포물선 반사경을 사용하여 35,000km 고도에서 지구를 도는 방송 위성에서 전송되는 TV 신호인 전자기파를 집중시킵니다.

TV 위성 안테나는 우주에서 TV 신호만 수신할 수 있으며 데이터를 보낼 수 없습니다. 그러나 Dishy는 550km 떨어진 궤도를 도는 스타링크 위성에서 인터넷 데이터를 송수신합니다.

스타링크 위성이 TV 위성보다 60배 더 가깝지만, 여전히 무선으로 신호를 보내기에는 엄청난 거리이며, 따라서 Dishy와 스타링크 위성 간의 빔은 서로를 가리키도록 계속 각도를 조절하거나 조종되는 강력하고 좁은 빔으로 집중되어야 합니다.

이것을 밴 크기의 위성에서 오는 TV 방송 신호와 비교해 보면, 이 신호는 북미보다 더 큰 육지를 커버하는 넓은 팬 모양으로 전파됩니다.

그러나 테이블 크기의 스타링크 위성은 20밀리초의 지연 시간을 제공하기 위해 저궤도에 있어야 하는데, 이는 인터넷 게임을 원활하게 하거나 웹 서핑을 하는 데 매우 중요하며, 결과적으로 커버리지가 훨씬 작습니다.

따라서 10,000개 이상의 스타링크 위성이 모두 저궤도에서 엄청나게 빠른 속도로 회전해야 전 세계에 위성 인터넷을 제공할 수 있습니다.

이제 Dishy McFlatface를 열어 보겠습니다. 뒤쪽에는 한 쌍의 모터와 라우터에 연결되는 이더넷 케이블이 있습니다.

이 모터는 Dishy를 계속 움직여 스타링크 위성을 직접 가리키는 데 사용되지 않고, 접시가 적절한 일반 방향을 가리키도록 초기 설정에만 사용됩니다.

Dishy를 열면 알루미늄 구조 백플레이트가 있고, 다른 쪽에는 거대한 인쇄 회로 기판 또는 PCB가 있습니다. 한쪽 면에는 640개의 작은 마이크로칩과 20개의 더 큰 마이크로칩이 패턴으로 배열되어 있고, 더 큰 마이크로칩에서 더 작은 마이크로칩으로 매우 복잡한 트레이스가 뻗어 있으며, PCB 가장자리에는 메인 CPU 및 GPS 모듈을 포함한 추가 칩이 있습니다.

다른 쪽에는 원 사이에 사각형 격자가 있는 1,400개 정도의 구리 원이 있습니다.

다음 레이어에는 작은 노치형 구리 원이 있는 고무 벌집 패턴이 있고, 그 뒤에는 또 다른 벌집 패턴과 Dishy의 앞면이 있습니다.

그래서 우리는 무엇을 보고 있는 걸까요? 본질적으로 우리는 육각형 벌집 패턴으로 배열된 1,280개의 안테나를 가지고 있으며, 각 구리 원 스택은 PCB의 마이크로칩에 의해 제어되는 단일 안테나입니다.

이 거대한 배열은 위에서 550km 떨어진 곳을 도는 스타링크 위성으로 기울어진 전자기파를 보내고 받기 위해 위상 배열이라고 하는 방식으로 함께 작동합니다.

확대해서 단일 안테나가 어떻게 작동하는지 살펴봅시다.

여기에는 6개의 레이어로 구성된 조리개 결합 패치 안테나가 있는데, 대부분 PCB 내부에 있습니다. 구식 라디오의 안테나와는 매우 다르게 보이며 솔직히 엄청나게 복잡하므로 단순화해 보겠습니다.

이제 몇 개의 레이어를 제거하고 이 안테나에서 전파되는 전자기파를 생성하는 기본 원리를 살펴보겠습니다.

먼저 하단에는 작은 마이크로칩 중 하나에서 오는 마이크로스트립 전송 라인 피드가 있습니다. 이 전송 라인 피드는 안테나 스택 아래에서 갑자기 끝나는 구리 PCB 트레이스 또는 전선입니다.

12GHz 고주파 전압 또는 신호를 피드 와이어로 보냅니다. 이 전압은 사인 곡선 방식으로 위아래로 움직이며 83피코초마다 한 번씩 양수에서 음수로, 다시 양수로 이동합니다. 즉, 1초에 120억 번 또는 12GHz로 움직입니다.

고주파 전기는 직류 또는 저주파 50 또는 60Hz 가정용 전기와 다르게 작동합니다.

예를 들어 구리 피드 와이어 위에는 안테나 패치라고 하는 노치가 있는 구리 원이 있습니다.

DC 또는 저주파 교류에서는 패치가 절연되어 있기 때문에 별다른 변화가 없지만 고주파 신호에서는 피드 와이어로 전송되는 전력이 패치로 결합되거나 전송됩니다.

정확히 어떻게 이런 일이 일어날까요? 앞서 언급했듯이 12GHz 신호가 구리 피드 와이어에 적용됩니다. 전압이 사인 곡선의 맨 아래 또는 최저점에 있을 때 피드 와이어 끝으로 밀려나는 전자가 집중되어 최대 음수 전압에 해당하는 음전하 영역이 생성됩니다.

와이어 끝에 전자가 집중되면 패치 상단의 전자를 포함하여 모든 전자가 밀려나고 결과적으로 이 전자는 원형 패치의 다른 쪽으로 밀려납니다.

따라서 패치의 한쪽은 양전하를 띠고 다른 쪽은 음전하를 띠게 되어 패치와 피드 와이어 사이에 다음과 같은 전기장이 생성됩니다.

그러나 42피코초 후에 구리 피드 와이어에 대한 전압을 반전시키면 와이어 끝에 양전하가 집중되거나 전자가 부족하게 되어 패치의 전자가 다른 쪽으로 흐릅니다.

패치의 전압이 뒤집히고 전기장의 방향도 뒤집힙니다.

피드 와이어 전압이 한 피크와 최저점 사이에서 42피코초 간격으로 앞뒤로 진동하기 때문에 패치의 전기장도 전자 또는 전류가 앞뒤로 흐르면서 진동합니다.

진동을 멈추면 패치에서 나오는 전기장 벡터, 즉 화살표 중 일부가 수직인 것을 볼 수 있는데, 이는 크기가 같고 반대 방향이므로 서로 상쇄됩니다.

그러나 다른 전기장은 패치의 동일한 평면에서 수평 방향으로 향하고 있으며, 이를 프린징 필드라고 합니다. 이러한 프린징 필드는 같은 방향에 있으므로 서로 더해져서 이 방향으로 향하는 결합된 전기장을 생성합니다.

동시에 디스크의 한쪽에서 다른 쪽으로 흐르는 전자는 전류가 되어 프린징 전기장 벡터에 수직인 강도와 방향, 즉 벡터를 갖는 자기장을 생성합니다.

결과적으로 한쪽 방향을 가리키는 전기장과 그에 수직인 방향을 가리키는 자기장이 있습니다.

시간을 앞으로 돌려 피드라인의 전압이 양수가 되는 시점, 즉 42피코초 후 정점에 도달한 시점을 보겠습니다.

전하 농도 또는 전압과 전류가 모두 뒤집히므로 전기장과 자기장은 반대 방향을 가리킵니다.

전기장과 자기장은 모든 방향으로 전파되며, 이러한 진동장을 생성함으로써 전기장 및 자기장 벡터 모두에 수직인 방향으로 이동하는 전자기파를 생성했습니다.

두 세트의 장 벡터가 모두 동일 평면에 있는 것이 아니라 곡선으로 되어 있기 때문에 전파되는 전자기파는 천장의 전구처럼 팽창하는 껍질 또는 풍선과 같은 방식으로 바깥쪽으로 이동합니다.

각 파동의 정점과 골, 즉 상단과 하단만 보이도록 시각적 효과를 단순화하고, 골은 반대 방향을 가리키는 벡터일 뿐이라는 점에 주목하세요.

또한 이러한 장 벡터의 강도는 스택 하단의 구리 마이크로스트립 피드 와이어로 원래 보냈던 전압 및 신호와 직접적인 관련이 있습니다.

즉, 이러한 전기장과 자기장을 더 강하게 만들려면 피드라인으로 보내는 전압을 높이기만 하면 됩니다.

조명 스위치의 조광기와 같습니다. 전력이 높을수록 빛이 밝아집니다.

지금까지 이 개구 결합 패치 안테나에 대해 전송에 대해 이야기했지만 신호를 수신하는 데에도 사용할 수 있습니다.

프런트 엔드 모듈이라고 불리는 이 마이크로칩에서 우리는 안테나를 송신에서 수신으로 전환하고 12GHz 신호를 끕니다. 위성에서 오는 전자기파가 Dishy를 향할 때, 이 들어오는 신호의 전기장이 구리 패치의 전자에 영향을 미쳐 전자의 진동 흐름을 생성합니다.

이렇게 수신된 고주파 신호는 피드라인으로 연결되어 프런트 엔드 모듈 칩으로 전송되고, 여기서 신호가 증폭됩니다.

따라서 이러한 안테나는 전자기파를 송수신하는 데 모두 사용할 수 있지만, 동시에 사용할 수는 없습니다.

두 가지 참고 사항이 있습니다. 첫째, 앞서 보았듯이 이 안테나는 훨씬 더 많은 레이어를 가지고 있으며 우리가 논의한 것보다 더 복잡합니다.

예를 들어, 여기 두 개의 원형 패치가 있습니다. 아래쪽은 13GHz에서 송신하는 데 사용되고 위쪽은 11.7GHz에서 수신하는 데 사용됩니다.

또한 원형 편파를 지원하기 위한 두 개의 H 슬롯과 두 개의 피드 와이어, 후면에 반사판이 있으며, 인접한 안테나의 작동을 분리하기 위한 여러 기능도 있습니다.

이러한 내용과 더 많은 세부 사항을 제작자 댓글에 포함했으며, 이는 영어 캐나다어 자막에서 확인할 수 있습니다.

두 번째 참고 사항은 태양의 가시광선, 라디오 또는 셀 타워의 전파, 위성 또는 타워의 TV 신호 등 지구상의 모든 지점을 통과하는 수천 개의 다양한 소스에서 발생하는 다양한 주파수의 전자기파가 있다는 것입니다.

따라서 다른 모든 주파수의 전자기파를 차단하기 위해 이러한 안테나 패치는 매우 정확한 치수로 설계되어 매우 좁은 범위의 주파수만 수신하고 송신하며, 이 범위 밖의 다른 모든 주파수는 안테나에서 기본적으로 무시됩니다.

이제 단일 안테나를 다른 안테나와 결합하여 빔을 증폭시켜 우주 공간에 도달하는 방법을 알아봅시다.

이 단일 안테나는 지름이 약 1cm에 불과하며, 이것만 사용하면 전구를 하나 켰다가 끄는 것과 같고 국제 우주 정거장에서 보려고 하는 것과 같습니다.

우리가 필요한 것은 빛을 수천 배 더 밝게 만들고 모든 전자기파를 하나의 강력한 빔으로 집중시키는 방법입니다. 총 1,280개의 동일한 안테나가 육각형 배열로 배열된, 폭 55cm의 거대한 Mr. McFlatface PCB가 있습니다.

모든 안테나의 전력을 합치는 기술을 빔 포밍이라고 합니다.

그렇다면 어떻게 작동할까요? 먼저 간단한 안테나 두 개가 짧은 거리를 두고 떨어져 있을 때 어떤 일이 일어나는지 살펴봅시다. 앞서 언급했듯이, 하나의 안테나는 전자기파를 생성하여 풍선 모양으로 바깥쪽으로 전파합니다.

공간의 모든 단일 지점에는 강도와 방향을 가진 단 하나의 전기장 벡터만 존재하므로, 두 안테나의 진동하는 전기장 벡터는 공간의 모든 지점에서 함께 결합됩니다.

어떤 영역에서는 안테나에서 나오는 전기장이 같은 방향을 가리키며 피크가 겹쳐 건설적인 간섭을 통해 서로 더해지고, 다른 위치에서는 하나의 피크와 하나의 골이 있는 반대 방향을 가리키므로 파괴적인 간섭을 통해 서로 상쇄됩니다.

이제 건설적으로 더해지는 영역이 단일 안테나만 사용할 때보다 훨씬 더 좁고 집중되어 있다는 것을 알 수 있습니다.

더 많은 안테나를 추가하면 건설적인 간섭 영역이 빔 전면이라고 하는 곳에서 훨씬 더 집중됩니다.

따라서 1,280개의 안테나를 함께 추가하면 매우 강렬하고 방향성이 뛰어나 우주 공간에 도달할 수 있는 빔을 형성할 수 있습니다.

이제 안테나 하나의 강도를 1,280배 복제하면 안테나 하나의 전력이 1,280배 합쳐진 결과가 나올 것이라고 생각할 수 있지만, 오해입니다. 이러한 모든 안테나에서 나오는 주 빔의 유효 전력과 범위는 실제로 단일 안테나의 3,500배에 가깝습니다.

간단히 설명하자면, 이러한 건설적 및 파괴적 간섭 패턴을 갖는 것은 마치 단일 안테나를 가져와서 1,280을 곱한 다음 그 주위에 거울을 많이 놓고 주 빔이 빠져나갈 수 있는 단일 구멍만 남겨둔 것과 같습니다.

자세한 설명은 엄청난 양의 수학과 물리학을 필요로 하므로 다음으로 넘어가겠습니다. Dishy McFlatface와 Starlink 위성 내부에는 의심할 여지 없이 다소 복잡한 과학과 엔지니어링이 있으며, 이 모든 것을 완전히 이해하려면 다학제 학생이 되어야 합니다.

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How does Starlink Satellite Internet Work?📡☄🖥

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