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

rotor drone magazine

인덕터 계산

http://hamwaves.com/antennas/inductance.html

축모드 헬리컬 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

1) 구조

- 축모드 헬리컬 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

2) 동작원리

- 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.

3) 특성

- 설계 주파수: 2.4GHz, 파장 125mm

- 나선: 직경 40mm(0.32파장), 간격 30mm (0.24파장), 접지판과 최하단 나선 간격 3mm, 나선직경 1mm, 접지판 직경 120mm 두께 1mm

- 특성: 이득 22.6dB, 반사계수 -8dB 이하 @ 1.9-2.9GHz (이론적 동작주파수 0.75f₀ - 1.28f₀ = 1.80-3.07GHz

File:Helical Antenna S11.png

그림: 축모드 나선 안테나의 특성. (a) 이득패턴, (b) 반사계수(120Ω source impeance) [Open EMS]

- 접지판 직경은 최소 0.5 파장 이상

- 접지판은 후방방사를 줄이기 위한 것이 아니라 축 방향 고이득을 위한 T1

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

http://jcoppens.com/ant/helix/calc.en.php

ㅇ 임피던스 정합

헬리컬 안테나의 임피던스는 중심주파수에서 150Ω이므로 50Ω 동축선의 임피던스로 변환 필요

방법 1: Tapered strip 사용

(a) (b)

그림: 헬리컬 안테나 임피던스 정합 구조. (a) Tapered strip, (b) Tape helix, (c) Parallel strip, (d) Wire gap

II. 설계

1) 급전

- 동축선만으로 급전: Munk, "A helical launcher for the helical antenna," IEEE T-AP, 1968.

: helix circumference (in the same plane)

D : helix diameter

L : length of one-turn helix

A = NS : axial length of the helical antenna

: pitch angle

N : number of turns

H = NS : total height

: circumference, 52% bandwidth

Input resistance:

: The wire diameter has no influence on the antenna characteristics

ㅇ 임피던스 정합

그림: C = λ, S = 0.225λ

(e)

그림: Two-loop ground plane helical antenna. Loop 1과 loop 2 간격 1/3-1/2 파장[Kraus]

ㅇ 접지판 설계

- 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

- 접지판: 무한 접지판, 사각 접지판(1.5λ × 1.5λ, 최적값[Djordjevic]), 원통 접지판(직경 1λ, 높이 0.25λ; 최적), 원뿔 접지판(아래 직경 0.75λ, 윗 직경 2.5λ, 높이 0.5λ; 최적)

- 나선 안테나 정상동작 주파수: 1.7/1.33 = 1.28GHz, 1.7/0.78 = 2.18GHz

그림: 접지판 종류에 따른 헬리컬 안테나 이득[Djordjevic(2007)]

그림: α = 12.8º인 경우 헬리컬 안테나의 주파수 (또는 C/λ) 따른 이득. 실선 = 공식, 점선 = 측정

그림: α = 12.5º인 경우 헬리컬 안테나 길이(파장 대비)에 따른 빔폭

(a) 방사패턴 특성. 실선 = 수직방향, 점선 = 수평방향. C/λ가 0.73-1.22인 범위에서 특성 양호

(b)

(c)

(d)

그림: 6회전 헬리컬 안테나의 주파수에 따른 [Kraus]

ㅇ 플라스틱 지지대 영향

- 동작 주파수가 아래로 이동

ㅇ Helix mode

T₀ 모드: C/λ << 1인 경우. N개 권선(NC ≈ λ)마다 전기장의 방향이 반대로 된다. 수직모드 헬리컬 안테나가 동작하는 모드. 축방향 파동속도가 로 감소

T₁ 모드: 권선 1/2마다 전기장의 방향이 바뀐다. 1 권선 진행하는 동안 360º 위상지연 (주파수가 변하더라도 C 가 0.73-1.22 파장 범위에서는 자동으로 360º 조절됨.) 전파속도는 벡터가 권선 접선방향이며 속도벡터 중 축방향 성분은 Hansen-Woodyard 조건 만족(축방향으로 이득이 최대가 되기 위한 권선간 위상변화 조건). 축 모드 헬리컬 안테나가 동작하는 모드

T₂ 모드: 권선 1/4마다 전기장의 방향이 바뀐다.

T₃ 모드: 권선 1/6마다 전기장의 방향이 바뀐다.

- 나선 상의 불연속이 없으면 T₁ 모드는 광대역에 걸쳐 헬리컬 안테나가 동작하게 함.

- 급전부(feed)의 불연속과 종단부(helix end)에서의 반사로 인해 나선에 고차모드가 여기되어 광대역 동작을 방해함.

(a) (b)

그림: 축모드 헬리컬 안테나의 방사패턴. . (a) N = 1 (P = 1.416), (b) N = 5 (P = 1.416) [Milligan]

ㅇ 배열이론에 의한 축모드 헬리컬 안테나 해석

- 축모드 헬리컬 안테나를 권선 간격으로 배열된 선형배열 안테나로 모델링

: array factor, uniformly spaced, equally-excited

δ : 소자(권선)간 위상차

: 축방향으로 이득이 최대가 되기 위한 조건 (Hansen-Woodyard criterion)

β : 나선을 따라 진행하는 파동(전류)의 위상속도

k : 진공에서의 평면파의 위상속도

그림: 배열이론에 의한 종단방사(endfire) 안테나의 길이에 따른 지향도 [Milligan]. P = 1: ordinary endfire array, Hansen-Woodyard criterion: 직경이 0인 소자의 지향도. 헬리컬 안테나(T₁ 모드)와 유전체봉 안테나(HE₁₁ 모드)는 직경이 0보다 크므로 Hansen-Woodyard 배열보다 높은 지향도를 가진다.