실습-07a 축모드 나선 안테나(Axial-mode Helical Antenna)

축모드 나선 안테나는 도선 나선(직경 0.32 파장, 간격 0.25 파장, 권선 수 1-30), 접지판(1 파장), 동축 급전선(50Ω)으로 구성된 안테나이다. 1946년 미국 오하이오주립대학교 J. D. Kraus 교수가 고안하였다. 원편파(전기장 벡터가 1초에 주파수 만큼 회전. 송수신 안테나의 편파를 일치시키기 어려운 경우에 사용)를 방사하며 구현할 수 있는 이득 범위는 6Bic(권선수 1-2)에서부터 20dBic (권선수 25-40)이다. 위성통신(이온층에 의한 전기장 방향 회전 때문에), 2.4/5.8GHz 무인기 통신신호의 지상수신 등에 사용한다.

I. 이론

helix(힐릭스) = 나선, spiral = 와선

1) 구조

- 축모드 나선 안테나의 구성: 급전선, 급전부, 나선

- 급전선: 50Ω 또는 75Ω 동축선

- 급전부: 동축선의 50/75Ω 임피던스를 나선 방사기의 150Ω로 변환하고 나선에 T₁ 모드를 여기시킴. 접지판(평판, cup/cavity)과 임피던스 정합부로 구성됨.

- 나선: 0.25파장 간격, 권선수 1-20

그림: 축모드 나선 안테나 구조[Kraus]

2) 동작원리

ㅇ 축방향 최대 방사원리

- 나선을 따라 전류가 흐르며 주변에 T₁ 모드 전기장과 자기장이 나선을 따라 전파됨.

- 나선을 따라 진행하는 전자파가 나선을 1회전(둘레 1파장) 진행하는 동안 위상이 지연되어 나선 축 방향으로 최대 방사가 일어나게 됨.

ㅇ 편파 회전원리

- 전류가 나선을 따라 진행하면서 전류의 방향의 회전

- 전류방향의 회전에 따라 방사된 전기자의 방향도 같은 방향으로 회전 → 원편파 방사

- 편파회전 방향: 나선의 회전방향과 동일

ㅇ 나선 상의 전류분포

그림: 나선 안테나 도선. α = 12.5º, N = 8, C = 1λ, d = 1.0mm, f = 3GHz, 종단 테이퍼 각도 θt = 12º, 테이퍼 부분 권선수 2 (Nakako, "Axial mode helical antennas," IEEE T-AP, 34(9), 1986.)

C 영역(처음 2회전 권선): 자유공간 위상속도로 진행. 급격히 감소

S 영역(3번째 권선 이후): 종단방사 모드. 전류크기 비교적 일정. 위상속도는 종단방향 이득이 최대가 되는 값을 가짐.

3) 특성

ㅇ 설계사례

- 설계 주파수: 2.4GHz, 파장 125mm

- 나선: 직경 D = 46mm(0.368파장), 간격 S = 30mm (0.24파장), 권선수 N = 3-17, 나선직경 d = 2mm

- 나선둘레 C = πD = 144.5mm = 1.156 파장, 피치각도 α = tan^-1(S/C) = 11.73º

- 접지판과 최하단 나선 중심과 간격 3mm(갭 2mm), 접지판 직경 125mm 두께 1mm

- 임피던스 정합부: 스트립 폭 6mm 두께 0.2mm, 접지판과 간격 시작 1.2mm 끝 3.0mm, 각도범위 90º

- 특성:

N = 17: 이득 16dBic, 빔폭 27º

그림: 2.4GHz 나선 안테나 설계 사례[VE2ZAZ]

ㅇ 특성변수

입력 반사계수

이득, 이득패턴: 주편파, 교차편파

빔폭: φ = 0º, φ = 90º

축비, 축비패턴

전후방비

동작 주파수 대역폭

II. 설계

1) 나선 설계

ㅇ 나선의 함수식

- 나선 상의 좌표: . 시작점

ㅇ 설계공식

(a) (b)

그림: 축모드 나선 안테나의 설계변수. (a) 나선의 변수, (b) 나선을 평면으로 펼친 경우[Kraus]

위 그림 (b)를 직경 D인 원통에 감으면 빗변 L이 나선이 된다. 따라서 pitch angle α는 나선 축에 수직인 평면과 나선의 교점에서 나선이 이 평면과 이루는 각도이다.

D: 나선 원통 직경. 도선 중심 기준

C: 나선 원통의 둘레 길이(원주)

S: 나선 권선 간격. 도선 중심 기준

L: 나선 1회 권선의 펼친 길이

d: 나선 도체 직경

α: 나선 권선각도(pitch angle)

A: 나선 안테나 길이

ㅇ 관계식

A = NS

ㅇ 설계공식

: 중심주파수에서

: 최적값 범위

A = NS : 안테나 길이 계산하여 이득곡선에 사용

N : 안테나 이득에 의해 결정

대역폭: 헬리컬 안테나는 다음 범위에서 동작

이득:

: Kraus 공식. 실제 이득보다 값 과다

: Emerson(1995) 공식. 비교적 정확

입력 저항:

방사패턴:

축비(AR; axial ratio):

빔폭:

: 3dB 빔폭(반치각)

: 제 1 영점간 각도

도선 직경:

: The wire diameter has no influence on the antenna characteristics

ㅇ 나선 길이에 따른 이득과 빔폭

- 이득을 증가시키고 빔폭을 감소시키기 위해 나선 권선수 증가

Max. gain vs. length, and diameter for max. gain against length

그림: 나선 길이에 따른 최적 나선반경(Rmax = D/2) 및 최적 이득(Gmax) [Emerson(1995, ARRL)]

그림: 축모드 나선 안테나의 빔폭. α = 12.5º[Kraus]

ㅇ 축모드 나선 안테나의 주파수 특성: 이론적 동작주파수 0.75f₀ - 1.28f₀

(a) (b)

그림: 축모드 나선 안테나의 주파수 특성. α = 14º, N = 6. (a) 방사패턴 특성. 실선 = 수직방향, 점선 = 수평방향. C/λ가 0.73-1.22인 범위에서 특성 양호. (b) 빔폭, (c) 축비, (d) VSWR

ㅇ 온라인 설계 프로그램

- Design World Online: http://www.designworldonline.com/calculators/helical-antenna-calculator/

- J. C. Oppens: http://jcoppens.com/ant/helix/calc.en.php

2) 접지판 설계

- 축모드 나선 안테나에서 접지판은 전후방비를 증가시키기 위한 것보다 동축선의 TEM 모드를 나선의 T₁ 모드로 변환하기 위함.

- 평판, 원통, 원뿔형이 주로 사용됨.

- 무게와 풍압을 줄일 필요가 있을 때 wire mesh 접지판 사용

- 최적 치수[Djordjevic]

평판형: 직경 1.5λ

원통형: 직경 1λ, 높이 0.25λ

원뿔형: 아래 직경 0.75λ, 윗 직경 2.5λ, 높이 0.5λ

그림: 축모드 나선 안테나의 접지판. (a) 평판형, (b) 원통형, (c) 원뿔형[Kraus]

ㅇ 설계 사례[Djordjevic]

- 주파수 1.7GHz (파장 176.5mm)

- Helix: A = 684mm = 3.88λ, D = 56mm (0.317λ), α = 13.5º, d = 0.6mm (0.0034λ) → C = πD = 175.9mm (0.997λ), S = C tanα = 42.2mm(0.239λ), N = A/S = 16.2