안테나 설계
L13 - 원편파 안테나 (Circularly Polarized
Antenna)
I. 이론
1. 안테나의 편파
- 안테나의 편파 (polarization): 안테나에서 방사된 전기장의 거동
- 선형편파
(linear polarization): 전기장 벡터가 직선상에서 왕복, 수직편파, 수평편파, 45° 경사편파
- 원편파: 전기장 벡터의 방향이 1초에 주파수 만큼 회전
- 편파 정합: 안테나 간 편파가 일치해야만 안테나 간 전력 전달이 잘된다.
편파정합이 된 경우: 수직편파 대 수직편파, 우원편파 대 우원편파
편파정합이 안된 경우: 수직편파 대 수평편파, 우원편파 대 좌원편파
2. 선형 편파
- 안테나에서 방사된 전기장 벡터를 분석하기 위해 지역적 직각 좌표계 설정
+z 축: 전파가 진행하는 방향
A, B: 전기장의 x, y 성분 진폭
그림: 선형편파 전기장 벡터 궤적
2. 원편파 (CP, circular polarization)
ㅇ 원편파 용도:
- 두 안테나 간 편파를 일치시키기 곤란한 경우: UHF 대역 RFID 안테나, GPS 안테나
- 위성통신 안테나: 전파의 편파가 이온층을 통과하면서 회전되기 때문에 원편파 사용
ㅇ 원편파 방향
- 편파의 회전방향: 진행방향을 엄지로 설정, 나머지 손가락은 전기장 벡터 방향
- 우원편파: 오른손 나머지 손가락의 회전방향과 전기장 회전방향 일치
- 좌원편파: 왼손 나머지 손가락의 회전방향과 전기장 회전방향 일치
ㅇ 원편파 방정식
- 좌원편파
(LHCP, left-hand circular polarization)
- 우원편파 (RHCP,
right-hand circular polarization)
그림: +z 방향으로 전파가 진행할 경우 우원편파와 좌원편파
3. 편파타원 (Polarization Ellipse)
ㅇ 타원편파 (EP, elliptic polarization)
- 전기장 벡터 종단의 회전 궤적을 타원편파로 표현 가능
- 일반적인 편파를 표현하기 위해 편파타원을 사용
그림: 편파타원
[Schreier, 2008, IEEE]
: To be used in Stokes parameter definition
: Orientation angle
A discontinuity of π/2
exists when 
.
δ > 0 : Left-hand polarization
δ < 0 : Right-hand polarization
: Ellipticity angle
: Semi-major axis
: Semi-minor axis
: Axial ratio (축비)
: Ellipticity or eccentricity
: Wave properties
: Polarization ellipse
- 편파회전 방향: 전파의 진행방향 = + z 방향
RHCP if 
LHCP if 
4. 축비 (AR, axial ratio)
- 편파궤적 타원에서 장축의 길이를 단축의 길이로 나눈 값
: axial ratio
- 축비 대역폭: 축비가 3 dB 이하인 주파수 범위
- 선형편파 안테나의 축비: ∞
5. 편파 손실계수 (PLF, Polarization Loss
Factor)
ㅇ 편파벡터 (polarization vector): 안테나 송신 시 정규화한 전기장 벡터: 크기 1
- 수신 시 편파벡터: 송신 시 편파벡터의 conjugate (공액 복소수)
ㅇ 편파 손실계수
- 안테나 1 편파벡터 (송신 시): 
- 안테나 2 편파벡터 (송신 시): 
E1: 안테나 1의 전기장 벡터 (송신 시)
E2: 안테나 2의 전기장 벡터 (송신 시)
- 안테나 1의 편파벡터 (송신 시):
- 입사파의 편파벡터: 
6. 원편파 안테나의 종류
- 교차 다이폴: 90° 위상차 급전
- 패치 안테나
- 헬리컬 안테나
- 스파이럴 안테나
- 개구면 안테나 + 편파기
II. 원편파 안테나 사례
그림: GNSS용 backfire resonant quarifilar
helix antenna [Orban Microwave], GPS L1 (1575.42 MHZ) & L2 (1227.6 MHz)
ceramic patch antenna [Inpaq], cloverleaf or skew planar wheel antenna (5.8
GHz) for drone FPV video transmistion [reddit]
그림: FM 방송송출용 원편파 안테나. 위로부터 시계방향으로 ring-stub antenna, shun-fed slanted dipole, dual-dipole, four-dipole,
dual-arrowhead dipole flat-panel, four-dipole flat-panel, dual-dipole
cavity-backed panel, twisted-ring, mutli-arm helix [NAB Engineering Handbook]
그림: 아마추어 무선통신용 원편파 안테나. 교차 다이폴 야기 안테나 [DX Engineering], 나선 안테나 [Hobby RC], Lindenblad 안테나 [Amphenol Procom]
그림: Split-balun turnstile antenna [Ardu Pilot]
III. 실습
A. 편파정합 실습
자유공간에서
주파수: 1.15 GHz, 파장 λ = 261 mm
다이폴 1, 다이폴 2 치수: 도선 절반 길이 50 mm, 직경 5 mm, 급전 갭 10 mm
다이폴 1: 중심위치 
, 다이폴 도선 방향 = y 축 방향
다이폴 2: 중심위치 
다이폴 급전: discrete port, 50 Ω 내부 저항
1. 다이폴 2의 도선 방향 = y 축방향
a) 안테나 형상
b) 다이폴 1과 다이폴 2의 반사계수
|S11|
(dB), |S22| (dB): -40 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz, 같은 그래프에
c) 전달계수
|S21|
(dB): -40 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz
2. 다이폴 2의 도선 방향 = +y축 방향에서 +x축 방향으로 45º 회전
a) 안테나 형상
b) 전달계수
|S21|
(dB): -40 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz
3. 다이폴 2의 도선 방향 = x축 방향
a) 안테나 형상
b) 전달계수
|S21|
(dB): -200 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz
B. 원편파 안테나 실습
자유공간에서
주파수: 1.15 GHz, 파장 λ = 261 mm
다이폴 1, 다이폴 2 치수: 도선 절반 길이 50 mm, 직경 5 mm, 급전 갭 10 mm
다이폴 급전: discrete port, 50 Ω 내부 저항
다이폴 1: 중심위치 , 다이폴 도선 방향 = y 축 방향, 급전 전압 +y 방향이 양극, 전압 크기 1, 전압 위상 0º
다이폴 2: 중심위치 , 다이폴 도선 방향 = x 축 방향, 급전 전압 +x 방향이 양극, 전압 크기 1, 전압 위상 90º
1. 안테나 형상
2. 다이폴 1과 다이폴 2의 반사계수
|S11|
(dB), |S22| (dB): -40 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz, 같은 그래프에
3. 전달계수
|S21|
(dB): -40 dB to 0 dB, 0.9-1.3 GHz
4. 이득패턴
3D, GRHCP, 1.15 GHz
5. 이득패턴
3D, GLHCP, 1.15 GHz
6. 축비패턴
1D,
Cartesian, 0 dB to 20 dB, phi = 45º, theta = -180º to +180º
III. 실습 보고서
A. 편파정합 실습
1. 다이폴 2의 도선 방향 = y 축방향
a) 안테나 형상
b) 다이폴 1과 다이폴 2의 반사계수
c) 전달계수
2. 다이폴 2의 도선 방향 = +y축 방향에서 +x축 방향으로 45º 회전
a) 안테나 형상
b) 전달계수|S21| (dB)
3. 다이폴 2의 도선 방향 = x축 방향
a) 안테나 형상
b) 전달계수
B. 원편파 안테나 실습
1. 안테나 형상
2. 다이폴 1과 다이폴 2의 반사계수
3. 전달계수
4. 이득패턴 (RHCP)
5. 이득패턴 (LHCP)
6. 축비패턴
