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

1946년 미국 오하이오주립대학교 J. D. Kraus 교수가 고안한 안테나로서 접지판 위에 도체 나선을 설치하고 접지판과 나선 사이에 에너지를 급전하는 구조. 나선 1회전 길이와 나선 간격(pitch)이 파장보다 훨씬 작을 경우(0.1배 이하) 모노폴 모드로 동작하여 나선 중심축과 수직인 방향으로 최대 방사가 발생하며(normal mode helix, 수직모드 나선), 나선 1회전 길이가 1파장 부근일 경우 나선 중심축 방향(접지면과 반대방향)으로 최대 방사가 발생한다(axial mode helix, 축모드 나선).

수직모드 나선은 전기장이 나선 중심축과 평행하며 축을 중심으로 회전대칭적으로 방사한다. 축방향으로 방사가 일어나지 않는다(null, 영점). 축모드 나선의 경우 전기장이 나선의 회전방향과 동일하게 회전하는 원편파 전파를 방사한다. 축모드 나선의 방사패턴은 나선 중심축을 기준으로 회전대칭형이며 접지판 앞 쪽으로 이득이 크며 접지판 뒷쪽으로는 이득이 작다.

수직모드 나선은 모노폴의 길이를 축소하기 위해 사용되며 VHF/UHF 근거리 통신장치, 휴대형 무전기, 휴대 전화기,

수직모드 나선

총길이 5/8파장

나선간 커패시턴스에 의해 3/4파장에서 공진, 공진저항 50Ω 부근

수직모드 나선의 입력 임피던스는 접지판의 크기와 모양에 민감

이중도선(bifilar) 수직모드 나선

나선 모노폴

나선 다이폴

(c)

그림: 수직모드 나선 안테나 급전방법. (a) 병렬(shunt) 급전, (b) 직렬(series) 급전 [ARRL], (c) T형 급전 or tap feeding [US Pat]

I. 이론

1. 구조

1) 축모드 헬리컬 안테나

(a) (b)

그림: 수직모드 헬리컬 안테나. (a) UHF TV 방송용 수직모드 헬리컬 안테나, (b) 휴대전화용 안테나 [Wikipedia]

(a) (b)

그림: 축모드 헬리컬 안테나. (a) 위성통신용, (b) 위성추적용

ㅇ 1926년 동경제국대학의 Uda에 의해 발명되고 Yagi에 의해 영문으로 발표됨.

ㅇ 반파장 다이폴 뒤에 반사기(reflector), 앞에 다수의 도파기(director)를 설치하여 이득 증가

ㅇ 급전된 반파장 다이폴 주변에 급전되지 않은 반파장 다이폴을 기생소자(parasitic elements)를 설치하여 이득을 증가

ㅇ 기생소자: 직접 급전되지 않고 입사된 전자파(급전된 다이폴에 의한)에 의해 기생소자 전류가 유기되며 이 전류가 방사

ㅇ 구조

- 반사기(reflector) + 급전기(feeder, exciter, driver) + 지향기(director)

그림: 야기 안테나 구조

- 반사기: 1개 도선(길이 약 0.48파장) 또는 코너 반사기(wire 길이 0.6파장) 형태

- 급전기: 반파장 다이폴길이 약 0.46 파장, folded dipole (종이 클립형 다이폴), bowtie 안테나 사용

- 지향기: 갯수에 따라 이득 증가. 갯수가 증가함에 따라 이득 포화, 길이 약 0.40 파장

- 반사기와 급전기 간격: 약 0.20 파장

- 급전기와 지향기 간격: 0.075-0.40 파장 (설계에 따라 다름). 균일 간격 또는 비균일 간격 적용

- 지지대(boom)의 영향: 내구성을 위해 금속 사용, 지지대 사용여부에 따라 소자길이 조정, 지지대가 있을 때 반사기와 지향기 크기 증가

- 소자와 지지대의 절연: 비절연, 절연 모두 가능

- 소자 직경: 기계적 강도를 고려하여 설정. 소자 직경에 따라 소자 길이가 약간 달라진다.

ㅇ 기생소자

- 지향기와 반사기처럼 직접 급전되지 않고 급전기와의 상호결합(mutual coupling)에 의해 전류가 유도되는 소자를 기생소자(parasitic element)라 한다.

- 기생소자의 용도

이득 증대: 야기 안테나의 경우처럼 소자 간격과 소자 길이를 조정하여 급전소자의 전류와 기생소자의 전류의 방사가 합해져서 이득 증대

대역폭 증대: 급전소자 가까이 기생소자를 배치하여 급전소자의 동작 대역폭 증대. 보통 1-3개 또는 2개의 기생소자 사용하며 기생소자가 급전소자와는 다른 주파수에 공진하게 대역폭을 증가시킨다.

[1] V. Iyer et al., "Increasing the impedance bandwidth of dipole with monopole antennas with parasitic elements," EuCAP, 2016.

2. 동작원리

1) 배열이론

ㅇ 안테나 배열: 2개 이상의 안테나를 공간 상에 배치하고 적절한 크기와 위상을 가지는 전류를 공급하여 특정 모양의 이득패턴 구현

- 종류: 선형배열, 원주배열(ring array), 펑면배열, 3차원 배열, 표면배열(conformal array)

- 배열 안테나 설계: 배열소자 개수, 배열소자 위치(격자점), 배열소자에 공급되는 전류(전압) 크기/위상 결정, 배열소자간 상호결합 효과 반영

ㅇ 안테나 배열 원거리 전기장 계산

- 원점에 있는 소자 A의 원거리 전기장

- 점 B에 있는 소자 B의 원거리 전기장

ㅇ 2소자 배열

- 원거리 특정 방향에서 두 배열소자의 전파가 합쳐지려면 그 방향으로 동일위상으로 방사해야 한다.

왼쪽 소자 위상: 0 (radian)

오른쪽 소자 위상: (radian)

2) 야기 안테나 동작원리

ㅇ 급전기+지향기 구조

급전기 전류:

지향기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합쳐짐

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 급전기와 지향기에 의한 패턴 형성

- 아래 그림과 같이 지향기와 급전기와의 간격과 지향기의 길이를 적절히 하면 지향기 전류의 위상을 필요한 값이 되게 할 수 있다.

- 위에서 설명한 이론에 의하면 급전기와 지향기 사이의 간격을 1/4파장으로 하고 지향기 전류 위상이 급전기 전류 위상보다 90º 작게 하면 된다.

- 아래 그림에서 급전기와 지향기 간격이 0.2λ일 때 지향기 길이기 0.40λ이면 지향기의 위상이 급전기의 위상보다 약 60도 작게 된다.

그림: 급전 다이폴과 평행한 기생 다이폴의 길이와 간격에 따른 기생 다이폴 전류 위상

- 아래 그림은 급전기와 지향기의 위상차에 의해 전방향으로 전파가 합쳐지고 후방향으로는 빼지는 것을 보인 것이다.

그림: 급전기와 지향기에 의한 패턴 형성

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 지향기 길이 0.42λ, 급전기-지향기 간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi가 5.5dBi로 증가된다.

ㅇ 반사기+급전기 구조

반사기 전류:

급전기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합쳐짐:

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐:

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 급전기와 지향기에 의한 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 반사기 길이 0.482λ, 급전기-반사기 간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi가 6.4dBi로 증가된다.

ㅇ 반사기+급전기+지향기 구조

반사기 전류:

급전기 전류:

지향기 전류:

- 앞쪽으로는 동일위상으로 전파가 합쳐짐:

- 뒤쪽으로는 역위상으로 전파가 빼짐:

- 임의 각도에서 전기장:

그림: 반사기+급전기+지향기 구조의 방사패턴. 급전기 길이 0.47λ, 반사기 길이 0.482λ, 지향기 길이 0.442λ 도선간 간격 0.20λ, 도선 직경 0.0085λ. 다이폴 단독 지향도 2.15dBi가 9.6dBi로 증가된다.

ㅇ 야기 안테나 동작원리 요약

- 급전기(exciter)에 전류 공급

- 지향기(director)를 타고 전파가 director 방향으로 진행

- Reflector는 전파가 director 반대 방향으로 향하는 것을 방지

그림: 급전기, 지향기, 반사기에 의한 패턴 형성

ㅇ 소자 상의 전류분포

- 반사기가 없고 급전기 1개, 지향기 19개인 경우

(a)

(b)

(c)

그림: 20-소자 야기 안테나의 전류분포. (a) 안테나 구조, (b) 소자 상 전류크기, (c) 소자상 전류위상

(출처: R. W. P. King, G. J. Fikioris, and R. B. Mack, Cylindrical Antennas and Arrays 2nd Ed, Cambridge University Press, 2002.

II. 야기 안테나 설계

1) 야기 안테나 설계방법

ㅇ 인터넷 온라인 설계 프로그램 사용:

K7MEM: http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/yagi_vhf.html

ㅇ 인터넷에서 무료 설계 프로그램을 구해서 사용:

Yagi Calculator v.2.6.10 by John Drew (VK5DJ), http://www.vk5dj.com/yagi.html

ㅇ 문헌 상의 설계 그래프와 표 사용

ㅇ 다른 사람의 설계 값 사용: 주파수 변경 → 치수를 주파수에 반비례하여 변경

ㅇ 최적화 설계: 기본 설계 = 기본형, 최적화 설계 = 주어진 길이의 야기 안테나에서 최적화 알고리즘을 적용하여 소자간격과 소자길이를 모두 다르게 조정. 기본형보다 이득 1-3dB 증대

2) 미국 NIST 연구소(구 NBS) 설계 데이터: P. P. Viezbicke(1976), NBS Tech Note 688

그림: 반사기+급전기 구조에서 도선간격에 따른 이득[Viezbicke]. S_R = 0.15λ. 도선직경 0.005λ

그림: 도선간격이 0.15λ로 균일할 경우 야기 안테나 소자 수에 따른 이득[Green]

ㅇ VK5DJ 야기 설계 프로그램에 의한 지향기 개수에 따른 이득: 반사기 1개, 급전기 1개, 지향기 가변

Number of elements 3 4 5 6 10 14 18 22 24 32 42

Gain(dBi) 6.9 8.6 9.9 11.0 13.9 15.7 16.9 17.9 18.2 19.4 20.4

E-plane BW(deg) 37 30.5 24

H-plane BW(deg) 41 33 24.5

표: 야기 안테나 설계치수[Viezbicke], 금속 지지대(boom)이 없는 경우.

그림: 도선 직경에 따른 야기 안테나 도선 길이 보정

그림: 금속 지지대 직경에 따른 야기 안테나 도선 길이 보정

3) 기존 설계 데이터

그림: Folded dipole에 의해 급전된 야기 안테나. 최대 이득 12dBi[Kraus and Marhefka(2010)]

III. 야기 안테나 사례

그림: Astron 220-6 6소자 야기 안테나. 215-225MHz 9dBi

그림: RFI YB815 700-850MHz 15dBi. 급전기로 루프 안테나 사용

그림: 17개의 지향기, 4개 와이어 코너 반사기를 이용한 야기 안테나

그림: 광대역 급전기와 지향기를 사용한 야기 안테나. Xtreme Signal HDB91X, 450-900MHz, 13.5-23dBi, F/B 21-27.5dB, V60º H60º, 51 x 222 x 52cm

그림: 광대역 야기 안테나. MaxMost Moxa OnCell 5004 5104 HSPA 800-1900MHz, 18dBi

그림: 이중대역 야기 안테나. Cushcraft A270-10S, VHF 144-148MHz, UHF 430-450MHz, 10dBd

그림: HF 대역 3소자 야기 안테나 Antenna Amplifiers PA14-3-6, 14-14.35MHz, 7.2dBi (free space), 11.7dBi (20m above ground)

그림: 다중 대역 야기 SP7GXP의 7중대역 야기 안테나. 7, 10, 14, 18, 21, 24, 28MHz; 14-28MHz 3소자, 7-10MHz 2소자, 이득: 3.9dBd @ 7MHz, 4.1dBd @ 10MHz, 8.0-8.5dBd @ 14-28MHz

III. 실습: (a), (b), ...는 보고서에 삽입 항목

1. Thin-wire Yagi

1) 안테나 치수 결정

- K7MEM 야기 안테나 설계 프로그램에 접속하여 아래와 같이 설정

http://www.k7mem.com/Electronic_Notebook/antennas/yagi_vhf.html

- 주파수: 700MHz

- 이득: 12dBd = 12+2.15 = 14.15dBi

- Reflector spacing: 0.20 (DL6WU)

- Director element spacing: DL6WU spacing

- Boom type: Non-metallic boom

- Boom diameter: 0mm

- Driven element diameter: 8mm

- Parasitic element diameter: 8mm

- Design/Example Viewing: Metric

위와 같이 설정 후 [View The Design] 클릭하여 다음 그림과 같은 결과를 얻는다.

Boom은 비금속 직경 0mm로 하였기 때문에 존재하지 않는다(그림에는 있지만).

(a) 700MHz 12dBd 야기 안테나 설계결과 제시

급전 다이폴 길이 대 파장: 200.6/428.6 = 0.467

급전 다이폴 길이대 직경비: 200.6/8 = 25

- 특성해석: CST Microwave Studio 사용

(b) 700MHz 12dBd 야기 안테나 형상 제시

- 좌표축: 야기 안테나 축 = z 축, 도선 축 = x 축과 평향

- 도선을 PEC 원통(내부가 꽉 찬)으로 하여 위에서 설계한 야기 안테나의 형상 생성

- 급전기 중간 급전용 간격: 8mm 제거 (도선 직경과 동일)

(c) 반사계수 그래프 제시

- 400-1100MHz: -30dB to 0dB

(d) 700MHz에서 Gabs 전계면 패턴 그래프 제시: phi = 0º, theta = 변수

- Polar plot: -35dB to 15dB

(e) 700MHz에서 Gabs 자계면 패턴 그래프 제시: phi = 0º, theta = 변수

- Polar plot: -35dB to 15dB

(f) 700MHz에서 특성분석: 다음을 기록

- 최대이득

- 전계면 빔폭

- 자계면 빔폭

- 전후방비

(g) 주파수에 따른 이득 도시

- 400-1000MHz: 50MHz 간격으로, 수직축 0-20dBi 범위

2. Thick-wire Yagi

Thin-wire Yagi 안테나의 도선 직경을 8mm에서 16mm로 증가. 급전기 다이폴 갭은 8mm 그대로

(a) 반사계수 그래프 제시

- 400-1100MHz: -30dB to 0dB

(b) 주파수에 따른 이득 도시

- 400-1000MHz: 50MHz 간격으로, 수직축 0-20dBi 범위