원편파는 관측 방향에 수직인 두 직교 전계 성분이 같은 진폭과 ±90° 위상차를 가질 때 형성됩니다. 축 모드 헬리컬 안테나에서는 권선을 따라 분포한 전류의 방사가 이러한 장을 만듭니다. 반드시 두 개의 독립적인 직교 암을 가진다는 뜻은 아닙니다.
입체 헬릭스와 평면 스파이럴
나선형이라는 말은 입체적으로 감은 헬릭스와 평면 스파이럴에 모두 쓰일 수 있습니다. 모양과 급전 방식이 다릅니다. 여기서는 축 방향으로 주로 방사하는 헬릭스를 중심으로 설명합니다.
작은 정상 모드 헬릭스가 같은 축 방향 빔과 원편파를 갖는 것은 아닙니다. 선을 감았다는 사실만으로 패턴과 편파가 결정되지 않습니다.
축 방향에서 방사가 합쳐지는 과정
권선을 따라 흐르는 전류는 위치별 위상을 가지며 관측점까지의 전파 위상도 더해집니다. 적절한 형상에서는 각 부분의 기여가 축 근처에서 합쳐져 두 직교 성분이 비슷한 진폭과 직교 위상을 갖습니다.
고전적인 축 모드 설계에서는 한 바퀴 둘레가 자유공간 파장 정도라는 기준이 있습니다. 그러나 지름, 피치, 권수, 도체, 급전과 반사판을 함께 설계해야 합니다.
1.5 GHz의 자유공간 파장은 약 200 mm입니다. 둘레를 λ로 가정하면 지름은 약 64 mm입니다. 이는 초기 치수의 기준이며 완성 설계나 대역 보장은 아닙니다.
임의의 3～5회 권선이 1～10 GHz 전체에서 같은 원편파를 만들지는 않습니다. 권선의 위상을 단순히 90°×정수로 두는 조건만으로도 설계를 결정할 수 없습니다.
축비를 해석하는 방법
전계 타원의 장축과 단축 진폭을 Emax, Emin이라 하면 AR = Emax/Emin, ARdB = 20 log10 AR입니다. 이상적인 원편파는 0 dB입니다.
3 dB는 일부 사양의 한계로 사용되며, 이때 축 진폭비는 약 1.413입니다. 3 dB 자체가 완전한 원편파는 아닙니다. 같은 주파수와 관측각에서 비교합니다.
축 위에서 양호해도 빔 전체가 같은 축비를 갖지는 않습니다. 진폭 불균형과 90°에서 벗어난 위상 모두 타원화의 원인이 됩니다.
우선회와 좌선회
권선 방향은 축 모드의 편파와 관계하지만 RHCP/LHCP 표기는 관측 방향의 규약을 맞춰야 합니다. 반대쪽에서 보면 회전의 모습이 달라집니다.
본체를 축 주위로 90° 돌리는 것만으로 우선회가 좌선회로 바뀌지는 않습니다. 필요한 구조나 여기 조건을 바꾸고 실제 장을 확인합니다.
측정 방법과 한계
입력 포트의 VNA 측정만으로 축비를 얻을 수 없습니다. 직교 복소 전계 성분 또는 적절히 교정된 기준 안테나를 사용해 편파를 평가합니다.
회전하는 선형 편파 프로브의 최대·최소 수신값은 적절한 조건에서 축비를 평가할 수 있지만, 그 두 값만으로 회전 방향은 결정하지 못합니다. 반사, 위치와 프로브 편파 순도도 확인합니다.
혼을 일률적으로 57° 기울이는 브루스터각 시험이 모든 헬릭스의 원편파를 증명하는 절차는 아닙니다.
지지재와 제조 편차
지지재의 유전율, 손실과 열팽창은 전기 길이와 형상에 영향을 줍니다. 폴리아마이드라는 이름만으로 특정 주파수와 온도의 값을 정하지 말고 실제 등급과 조건을 확인합니다.
공차와 온도 시험은 설계 민감도에서 정합니다. 모든 제품에 같은 선경 또는 Invar 지지를 필수로 적용하지 않습니다. 재질 변경 뒤에는 정합뿐 아니라 축비와 패턴도 다시 확인합니다.
위성 용도에서 확인할 사항
대역, 편파 방향, 각도 범위, 이득과 환경 조건을 정합니다. 위성용 원편파 안테나에는 패치 등 다른 구조도 있으므로 GPS의 고정 비율이 헬릭스라는 주장을 근거 없이 쓰지 않습니다.
