헬리컬 안테나

헬리컬 안테나(Helical antenna)는 나선 형태로 감긴 하나 이상의 전도성 와이어로 구성된 안테나이다. 가장 일반적인 유형인 하나의 나선형 와이어로 만들어진 헬리컬 안테나는 모노파일러(monofilar)라고 불리며, 두 개 또는 네 개의 와이어가 나선형으로 감긴 안테나는 각각 바이파일러(bifilar) 또는 쿼드리파일러(quadrifilar)라고 불린다.

플루뫼르-보두, 프랑스에 있는 위성 추적 및 획득 안테나로 사용되는 4개의 축 모드 헬리컬 안테나 배열

축 모드 헬리컬 안테나:

• (B) 중앙 지지대
• (C) 동축 케이블 급전선
• (E) 나선형 절연 지지대
• (R) 반사경 접지면
• (S) 나선형 복사 와이어

대부분의 경우, 지향성 헬리컬 안테나는 접지면 위에 설치되는 반면, 무지향성 설계는 그렇지 않을 수도 있다. 급전선은 나선형의 하단과 접지면 사이에 연결된다. 헬리컬 안테나는 정상 모드 또는 축 모드의 두 가지 주요 모드 중 하나로 작동할 수 있다.

정상 모드 또는 광각(broadside) 헬리컬 안테나에서 안테나의 직경과 피치는 파장에 비해 작다. 이 안테나는 전기적으로 짧은 다이폴 또는 모노폴과 유사하게 작동하며, ⁠1/4⁠ 파장 수직 안테나와 동일하며, 이들 안테나와 유사한 방사 패턴은 무지향성이며, 나선형 축에 직각으로 최대 방사를 보인다. 모노파일러 설계의 경우 방사는 나선형 축과 평행한 선형 편파된다. 이들은 휴대용 및 차량 장착형 양방향 라디오용 소형 안테나로 사용되며, 더 큰 규모에서는 UHF 텔레비전 방송 안테나로 사용된다. 바이파일러 또는 쿼드리파일러 구현에서는 광각 원편파 방사를 실현할 수 있다.

축 모드 또는 말단 방사(end-fire) 헬리컬 안테나에서 나선형의 직경과 피치는 파장과 비슷하다. 이 안테나는 안테나 축을 따라 나선형 끝에서 빔을 방사하는 지향성 안테나로 기능한다. 원편파 전파를 방사한다. 이것들은 위성 통신에 사용된다. 축 모드 작동은 물리학자 존 D. 크라우스가 발견했다.^[1]

정상 모드 헬리컬

나선형의 둘레가 파장보다 훨씬 작고 피치(연속적인 턴 사이의 축 방향 거리)가 1/4 파장보다 훨씬 작으면 이 안테나를 정상 모드 헬릭스라고 한다. 이 안테나는 모노폴 안테나와 유사하게 작동하며, 안테나 축에 수직인 모든 방향으로 동일한 전력을 방사하는 무지향성 방사 패턴을 가진다. 그러나 나선형 모양으로 추가되는 유도계수 때문에 이 안테나는 유도성 부하 모노폴처럼 작동한다. 공명 주파수에서 1/4 파장보다 짧다. 따라서 정상 모드 헬릭스는 풀 사이즈 1/4 파장 모노폴이 너무 클 응용 분야에서 중앙 또는 베이스 로드된 휩 안테나의 대안으로 전기적으로 짧은 모노폴로 사용될 수 있다. 다른 전기적으로 짧은 안테나와 마찬가지로 헬릭스의 이득은 풀 사이즈 안테나보다 작아서 통신 범위도 짧다. 이들의 소형 크기 덕분에 헬리컬은 HF, VHF, UHF 대역에서 이동식 및 휴대용 통신 장비용 안테나로 유용하다.

일반적인 정상 모드 헬리컬 안테나 형태는 휴대용 라디오에 사용되는 "러버 덕 안테나"이다. 안테나에서 고무 슬리브를 제거한 휴대용 양방향 라디오.

나선형에 의해 제공되는 로딩은 안테나가 물리적으로 1/4 파장의 전기적 길이보다 짧을 수 있게 한다. 이는 예를 들어 27 MHz의 ⁠ 1 /4⁠ 파장 안테나가 2.7 m (110 인치; 8.9 피트) 길이로 이동 통신 애플리케이션에는 물리적으로 매우 부적합하다는 것을 의미한다. 헬리컬의 축소된 크기는 신호 성능의 약간의 감소만으로 훨씬 더 작은 물리적 크기로 동일한 방사 패턴을 제공한다.

직선 도체 대신 나선형 도체를 사용하는 효과는 매칭 임피던스가 공칭 50 Ω에서 25~35 Ω의 베이스 임피던스로 변경된다는 것이다. 연결 급전선이 작동 주파수에서 ⁠ 1 /2⁠ 파장의 전기적 등가물인 한, 이는 일반적인 50 Ω 전송선로와의 작동이나 매칭에 불리해 보이지 않는다.

이동용 HF 헬리컬

이동 통신에 사용되는 또 다른 유형의 예는 일정한 간격의 턴을 가진 것으로, 하나 이상의 다른 선형 권선이 단일 형틀에 감겨 특정 공명 주파수에서 복사 요소에 대한 전기 용량과 유도계수 사이의 효율적인 균형을 제공하도록 간격을 둔다. 이 유형의 많은 예가 27 MHz CB 라디오에 광범위하게 사용되었으며, 1960년대 후반 미국과 호주에서 다양한 디자인이 시작되었다. 현재까지 수백만 개의 이러한 '헬리컬 안테나'가 주로 이동 차량용으로 대량 생산되었으며, 1970년대부터 1980년대 후반까지 CB 라디오 붐 시기에 생산 정점에 도달하여 전 세계적으로 사용되었다.

1954년, 정상 모드 헬리컬 UHF TV 방송 안테나

수동 플러그인 탭이 있는 다중 주파수 버전은 1MHz에서 30MHz까지의 전체 HF 스펙트럼에 걸쳐 주파수 범위를 가지는 다중 대역 단측파대 변조 (SSB) HF 통신에서 핵심 역할을 해왔으며, 육상 이동, 해상 및 항공 대역에 전용 및 할당된 주파수에 맞게 조정된 2개에서 6개의 전용 주파수 탭 지점을 가진다. 최근 이러한 안테나는 전자적으로 조정되는 안테나 매칭 장치로 대체되었다. 대부분의 예는 구리선으로 감겨 있었고 유리 섬유 막대를 형틀로 사용했다. 일반적으로 유연하거나 단단한 라디에이터는 PVC 또는 폴리올레핀 열 수축 튜브로 덮여 있어 완성된 이동 안테나에 탄력 있고 견고한 방수 덮개를 제공한다. 유리 섬유 막대는 일반적으로 황동 피팅에 접착되거나 압착된 후 차량 지붕, 가드 또는 불바 마운트에 부착된 절연 베이스에 나사로 고정되었다. 이 장착은 효과적인 수직 방사 패턴을 위한 접지면 또는 반사기(차량에서 제공)를 제공했다.

이러한 인기 있는 디자인은 2018년 현재 여전히 일반적으로 사용되고 있으며, 호주에서 시작된 정회전 설계는 많은 공장 생산 자동차의 표준 FM 수신 안테나뿐만 아니라 기존의 기본적인 HF 및 VHF 이동 헬리컬 애프터마켓 스타일로 보편적으로 채택되었다. 광각 헬릭스의 또 다른 일반적인 용도는 대부분의 휴대용 VHF 및 UHF 라디오에서 볼 수 있는 소위 러버 덕 안테나에 있으며, 강철 또는 구리 도체를 복사 요소로 사용하고 일반적으로 BNC/TNC 스타일 또는 나사식 커넥터로 종단되어 빠르게 제거할 수 있다.

헬리컬 방송 안테나

특수 정상 모드 헬리컬 안테나(사진 참조)는 VHF 및 UHF 대역의 텔레비전 방송국에서 송신 안테나로 사용된다.^[2]:{{{1}}} 이들은 스탠드오프 절연체 위에 장착된 관형 강철 기둥 주위에 나선형 도체로 구성된다. 요소는 중앙에서 연결된 두 개의 동일한 길이의 나선형, 즉 오른손 나선형과 왼손 나선형으로 구성된다.^[2]:{{{1}}} 막대와 그 아래 기둥 표면은 전파를 기둥에 수직으로 방사하는 누설 전송선로 역할을 한다. 안테나는 하단에서 급전되며, 다른 정상 모드 헬리컬과 달리 진행파 안테나로 작동하며, 에너지가 방사됨에 따라 전류의 진폭이 샤프트 위로 감소한다. 상단에서는 전류가 40 dB 감소하므로 반사가 거의 없다. 수직으로 방사하려면 각 턴의 길이가 파장의 배수여야 하며, 대부분의 안테나에서는 2파장이다. 안테나는 대역폭이 6-7%에 불과하므로 다른 주파수에 맞게 조정할 수 있도록 요소가 여러 개의 수직 "베이"로 나뉘며, 각 베이 사이에 위상 조정 "칼라"가 있어 타워 길이를 따라 위상을 일정하게 유지한다.

축 모드 헬리컬

미국 일리노이주 스캇 공군기지에 있는 말단 방사 헬리컬 위성 통신 안테나. 위성 통신 시스템은 위성 안테나가 공간에서 어떤 각도로든 향하더라도 전송에 영향을 미치지 않으므로 종종 원편파 전파를 사용하며, 축 모드(말단 방사) 헬리컬 안테나는 지상 안테나로 자주 사용된다.

1961년 텔스타 1 통신 위성의 쿼드리파일러 헬리컬 명령 안테나(상단)

무선랜 통신용 축 모드 헬리컬 안테나, 작동 주파수는 약 2.45 GHz

헬릭스 원주가 작동 파장에 가까울 때 안테나는 축 모드로 작동한다. 이는 비공명 진행파 안테나 모드로, 정상파 대신 전류 및 전압 파동이 송신 안테나에서는 급전점에서 헬릭스를 따라 위로, 수신 안테나에서는 헬릭스를 따라 급전점 방향으로 한 방향으로 이동한다. 안테나 축에 수직인 선형 편파파를 방사하는 대신, 안테나 끝에서 축을 따라 원편파 전파 빔을 방사한다. 방사 패턴의 주엽은 헬릭스 축을 따라 양쪽 끝에 있다. 지향성 안테나에서는 한 방향으로의 방사만 필요하므로 헬릭스의 다른 쪽 끝은 평평한 금속판 또는 스크린 반사기로 마감되어 파동을 앞으로 반사한다.

무선 전송에서 원형 편광은 동물 추적 및 우주선 통신과 같이 송수신 안테나의 상대적 방향을 쉽게 제어할 수 없거나 신호의 편광이 변할 수 있는 경우에 자주 사용되므로, 말단 방사 헬리컬 안테나가 이러한 응용 분야에 자주 사용된다. 대형 헬릭스는 만들기도 어렵고 조향 및 조준하기도 번거롭기 때문에 이 설계는 일반적으로 VHF에서 마이크로파까지의 고주파 대역에서만 사용된다.

안테나의 헬릭스는 오른손 또는 왼손의 두 가지 방향으로 꼬일 수 있으며, 전자는 일반적인 코르크 마개의 형태와 같다. 첫 번째 그림의 4-헬릭스 배열은 왼손 헬릭스를 사용하고, 다른 모든 그림은 오른손 헬릭스를 보여준다. 축 모드 헬리컬 안테나에서 헬릭스의 꼬임 방향은 방출되는 파동의 편파를 결정한다. 원편파를 설명하는 두 가지 상호 비호환적인 관례가 사용되므로, 헬리컬 안테나의 오른손잡이 또는 왼손잡이와 방출되는 원편파 방사 유형 간의 관계는 종종 모호하게 설명되는 방식으로 나타난다. 그러나 J.D. Kraus (헬리컬 안테나의 발명가)는 "왼손 헬릭스는 왼손 원편파에 반응하고, 오른손 헬릭스는 오른손 원편파에 반응한다(IEEE 정의)"고 말한다.^[3] IEEE는 편파의 방향을 다음과 같이 정의한다.

"편파의 방향 또는 손잡이 방향은 관찰자가 전파 방향을 볼 때 회전 방향이 시계 방향(반시계 방향)이면 오른손(왼손)이라고 한다."^[4]

따라서 오른손 헬릭스는 오른손 편파 파동을 방사하며, 전파 방향을 볼 때 전기장 벡터가 시계 방향으로 회전한다.

헬리컬 안테나는 수평 또는 수직 편파와 같은 모든 종류의 선형 편광 신호를 수신할 수 있지만, 원편파 신호를 수신할 때는 수신 안테나의 손잡이 방향이 송신 안테나와 같아야 한다. 왼손 편파 안테나는 오른손 원편파 신호를 수신할 때 심각한 이득 손실을 겪으며 그 반대도 마찬가지이다.

헬릭스의 치수는 사용되는 전파의 파장 (λ)에 따라 결정되며, 이는 진동수에 따라 달라진다. 축 모드로 작동하려면 원주가 파장과 같아야 한다.^[5] 피치 각도는 13°여야 하며, 이는 원주의 0.23배의 피치 거리(각 턴 사이의 거리)를 의미한다. 즉, 코일 사이의 간격은 파장의 대략 1/4 (⁠ λ /4⁠)여야 한다. 헬릭스의 턴 수는 안테나의 지향성을 결정한다. 턴 수가 많을수록 양쪽 끝(또는 접지판을 사용할 경우 한쪽 끝)의 축 방향 이득이 향상되지만, 다른 방향의 이득은 감소한다. C < λ일 때 이득 방향이 끝이 아닌 측면으로 도넛 모양을 이루는 정상 모드로 더 많이 작동한다.

축 모드에서의 단자 온저항은 약 100~200 Ω 범위이다.^[6]:292

${\displaystyle Z\simeq 140\left({\frac {C}{\lambda }}\right)}$

여기서 C는 헬릭스의 원주이고 λ는 파장이다. 표준 50 또는 75 Ω 동축 케이블에 대한 임피던스 매칭 (C = λ일 때)은 종종 헬릭스와 접지판 사이의 임피던스 변환기 역할을 하는 1/4 파장 스트립라인 섹션으로 수행된다.

최대 지향성 이득은 대략 다음과 같다.^[7]

${\displaystyle {\text{Gain}}\simeq 15\left({\frac {C}{\lambda }}\right)^{2}\left({\frac {NS}{\lambda }}\right)}$

여기서 N은 턴 수이고 S는 턴 사이의 간격이다. 대부분의 설계는 C = λ 및 {{개행 금지|S = 0.23 C를 사용하므로 이득은 일반적으로 {{개행 금지|G = 3.45 N이다. 데시벨로 표현하면 이득은 ${\displaystyle G_{\text{dBi}}=10\log _{10}\left(3.45N\right)~.}$

반전력 빔폭은 다음과 같다.^[7]

${\displaystyle {\text{HPBW}}\simeq {\frac {52}{{\frac {C}{\lambda }}{\sqrt {\frac {NS}{\lambda }}}}}\ {\text{degrees}}}$

널점 사이의 빔폭은 다음과 같다.

${\displaystyle {\text{FNBW}}\simeq {\frac {115}{C}}{\sqrt {\frac {\lambda ^{3}}{NS}}}\ {\text{degrees}}}$

헬리컬 안테나의 이득은 반사기에 크게 좌우된다.^[8] 위의 고전적인 공식은 반사기가 원형 공진기(가장자리가 있는 원형 판) 형태이며 피치 각도가 이 유형의 반사기에 최적이라고 가정한다. 그럼에도 불구하고 이 공식들은 이득을 몇 dB 과대평가한다.^[9] 평평한 접지면에서 이득을 최대화하는 최적 피치는 3~10° 범위이며 와이어 반지름과 안테나 길이에 따라 달라진다.^[9]

같이 보기

• 텔스타