KR940002704B1 - 베인 튜닝에 의한 슬롯형 안테나 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

베인 튜닝에 의한 슬롯형 안테나

제1도는 본 발명에 따라 구성된 안테나를 제2도에 도시된 바와 같이, 선 I-I을 따라 부분적으로 절단하여 도시한 평면도.

제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 절취하여 도시한 안테나의 단면도.

제3도는 제1도의 선 3-3를 따라 절취하여 도시한 안테나의 단면도.

제4도는 제1도의 선 4-4를 따라 절취하여 도시한 안테나의 단면도.

제5도는 제1도의 안테나의 2개의 인접한 열의 슬롯형 복사 애퍼츄어를 도시하고, 전자기파 에너지의 전파 경로내에 삽입된 베인에 의해 유도되는 복사선의 굴곡 경로를 도시한 도면.

제6도는 전자 복사 비임을 생성하기 위해 마이크로파 출력에 의해 활성화되는 제1도의 안테나를 도시하는 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 어레이 안테나 26,50 : 도파관

28,54 : 상부의 넓은벽 30,56 : 하부의 넓은벽

32,34 : 측벽 36 : 전방벽

38 : 후방 벽 40 : 슬롯

46 : 파 발사대 48,48A : 베인

58 : 결합 슬롯 64 : 마이크로파원

70,78 : 로드 72,80 : 단부 벽

74 : 비임 84 : 전기적 도전성 벽

본 발명은 공통선형 슬롯 라디에이터(colinea slot radiators)의 라인 어레이에 관한 것으로, 더 자세히 말하자면 도파관 또는 공동(cavity)의 공통의 넓은 벽으로부터 직립된 한 셋트의 핀형 베인(fin-shaped vanes)들에 의해 제어되는 전자기파의 여기 (excitation) 및 위상 정합(phasing)을 갖는 복수의 평행열의 슬롯 라디에이터 어레이에 관한 것이다.

도파관의 벽을 따라 엇갈린 선내에 배치된 슬롯 라디에이터 어레이는 전자기파 에너지 비임을 발생시키는데 자주 사용된다. 슬롯 라디에이터로 구성된 어레이 안테나(array antenna)의 전형적인 예로서, 안테나는 단면이 직사각형의 도파관인데, 넓은벽의 폭이 좁은 벽의 높이의 2배이고, 슬롯이 넓은벽들 중 하나의 벽을 관총하여 형성한다. 또한, 안테나는 행 및 열로 정렬된 슬롯 라디에이터의 2차원적 어레이를 제공하기 위해 나란히 정렬된 슬롯형 도파관으로 구성된다. 이 안테나에 대한 설명을 쉽게 하자면, 슬롯 라디에이터의 열은 종방향, 즉 도파관에서의 전자기파 에너지의 전파 방향으로 배향되고, 슬롯 라디에이터의 행은 도파관내에서의 전파 방향에 대해 횡방향으로 배향된다. 단일 도파관으로 구성된 안테나는 부채꼴 비임을 발생하고, 나란히 정렬된 복수의 도파관으로 구성된 안테나는 열에 대해 평행인 면과 행에 대해 평행 직교면내에 양호하게 정해진 지향성을 갖는 비임을 생성한다.

슬롯 라디에이터를 사용하는 안테나는 도파관의 넓은벽의 중심선에 대해 각을 이루는 슬롯을 가질 수 있고, 또는 도파관의 넓은벽의 중심선에 평행으로 정렬되지만, 한 측면과 다른 측면상에서 교대로 상기 중심선으로부터 오프셋팅될 수 있는 슬롯을 가질 수 있다. 바람직한 선형 편파(linear polarzation), 및 전체 안테나의 복사 애퍼츄어의 바람직한 조명 기능을 얻기 위해서, 안테나의 바람직한 구성은 모든 슬롯이 서로 평행하게 구성되고 평행한 열내에 공통선형으로 정렬되는 것이다. 공통선형은 불필요한 격자 로브(grating lobes) 또는 제 2차 비임을 제거한다.

다양한 슬롯 라디에이터로부터 복사들 사이의 동상 관계는, 복수의 도파관을 포함하는 평면에 직각 방향으로 조정된 넓은 면의 비임을 발생하기 위해 사용된다. 여기에서, 라디에이터의 행 및 열의 2차원적 어레이를 포함하는 안테나는 중요한 관심 대상이다. 동상 관계를 얻는 한 방법은 한 도파관 파장(guide wavelllength)의 공간을 갖도록 슬롯 라디에이터를 배치하는 것이다. 그러나, 그러한 공간은 안테나의 지향성 패턴으로 격자 로브를 도입하기에 충분히 크고, 따라서 슬롯 라디에이터들 사이에 전형적으로 도파관 파장의 1/2의 작은 공간을 사용하는 것이 때때로 바람직하다.

그러나, 1/2 도파관 파장의 공간은 도파관을 따라 전파되는 파가 1/2 도파관 파장의 간격을 통해 전파되는 동안에 180°의 위상 전이가 일어나기 때문에, 문제를 발생시킨다. 그러므로, 동상 관계의 필요성은 라디에이터를 1/2 도파관 파장으로 간격을 두어야하는 요구와 모순된다. 1/2 도파관 파장의 간격에도 불구하고, 전형적으로, 동상의 결과는 도파관 내의 에너지에 있어서 슬롯 결합이 이루어지도록 사용되는 슬롯의 배치 방향을 교대로 배치하으로써 얻어진다.

또한, 안테나의 제조를 쉽게하고, 안테나의 전체 중량을 감소시키기 위해, 단일의 넓은벽내에 복수의 슬롯 라디에이터열을 형성하기 위해 충분한 폭의 넓은 벽을 갖는 단일 도파관의 안테나를 구성하는 것이 좋다. 이것은 복수의 개별 도파관을 구성해야하는 필요성을 제거한다. 그러나, 단일의 넓은벽내에 복수의 슬롯 라디에이터열을 구성하도록 제한하는 것은 또 다른 문제점, 즉 모든 어레이 형내에 있는 연속 슬롯 라디에이터가 위상이 180°로 다른 복사로 여기된다는 문제점이 발생한다. 따라서 동상 관계는 이루어지지 않는다.

평행한 행 및 평행한 열이 정렬되어 배치된 슬롯 라디에이터의 어레이로 구성된 안테나는 상기한 문제점을 해결하고 또한 다른 장점을 제공한다. 모든 슬롯 라디에이터는 직사각형 단면을 갖는 넓은 도파관 또는 공동의 단일의 넓은벽내의 상부에 형성된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 라디에이터의 슬롯은 서로 평행이고, 각 슬롯의 길이방향(longitudial dimension)은 열에 평행하게 배향된다. 도파관은 횡전기파(transerverse electric wave) TEn, o(n은 임의의 정수)에 의해 여기된다. 관련된 각 슬롯 라디에이터는 도파관의 하부의 넓은벽으로부터 직립한 핀형 공진 베인(fin-like resonant vane)과 결합된다. 베인은 저부의 넓은벽으로부터 상부의 넓은벽쪽으로 일부 연장되지만, 상부의 넓은벽과 접촉되지는 않는다. 이것은 넓은 도파관의 하부의 넓은벽 및 측벽상의 베인의 조립체가 단일 조립체로 주조되거나 밀링될 수 있기 때문에 제조가 용이하게 된다. 상기 조립체를 완성하기 위해서 그 내부에 복사 슬롯을 갖는 상부의 넓은벽을 측벽 및 단부벽상에 단순히 배치함으로써 제품이 완성된다.

핀형 베인의 정렬은 도파관을 통해 연장되는 가상 도파관(imaginary waveguides)의 어레이를 참조하면 최상의 방법으로 설명될 수 있다. 이 어레이에 있어서, 가상 도파관 각각은 넓은벽의 폭이 측벽 높이의 거의 2배가 되는 종횡비를 갖는 비교적 좁은 도파관이다. 가상 도파관은 서로 인접하여 있고, TEn, o 특성때문에 전계의 크기가 0이 되는 곳인 가상 측벽에 의해 분리된다. 모든 베인은 서로 평행하게 정렬된다. 각각의 가상 도파관 내에서 베인은 슬롯 라디에이터의 위치에 배치되고, 도파관의 중심선과 수직으로 배향되며, 각 가상 도파관의 중심 수직면에 대해서 교대로 배치된다. 각 가상 도파관에 있어서, 베인은 가상 측벽으로부터 수직으로 연장되는데, 각 가장 도파관의 측벽들 사이의 길이의 약 1/3정도 연장된다. 하부의 넓은벽에서 상부의 넓은벽까지의 베인이 연장되는 길이는 2개의 넓은벽들 사이의 거리의 약 80%이다. 슬롯 라디에이터의 각 열에 있어서, 술롯은 1.2 도파관 파장만큼 중심에서 떨어져 배치된다.

각 가상 도파관에 있어서, 베인을 교대로 배치하면 가상 도파관의 중앙 수직면 주위에 전자기파의 전파경로가 벽쪽으로 편향된다. 전파 경로를 교대로 오프셋팅함으로써 각 열내의 슬롯이 1/2 도파관 파장만큼만 떨어져 있다는 사실과 관련하여 위상 교번을 상쇄시키는 각 슬롯 라디에이터에서 여기 위상이 반전된다. 그 결과, 단일 열내의 모든 슬롯 라디에이터가 동상으로 여기(cophasal excitation)된다. 2개의 인접한 가상 도파관과 관련하여, 하나의 가상 도파관의 베인의 어레이는 다른 도파관 내의 베인 어레이의 거울 대칭(mirror image)이다. 이것은, TEn, o 도파관 모드가 가장 도파관의 기본적인 특성인 교번한다는 사실과 관련되는 위상 교번을 상쇄하기 위해서 슬롯 라디에이터의 각 행 내의 연속 슬롯 라디에이터의 위상 여기의 교번을 일으킨다. 그 결과, 모든 슬롯 라디에이터는 연속적으로 동상 여기를 발생시킨다. 바람직한 안테나는 1/2 도파관 파장만큼 간격을 두고, 행 및 열로 정렬된 슬롯 라디에이터를 가지며 모든 슬롯으로부터의 동상 복사(cophasal radiation)가 이루어진다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 상세하게 설명하겠다.

제1도 내지 제4도를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 안테나(20)이 도시되어 있는데, 안테나(20)은 직사각형 어레이내에 정렬되어 한 셋트의 행(22) 및 열(24)에 의해 정해진 장소에 배치된 복수 소자의 평면 어레이를 갖는다. 행(22) 및 열(24)는 제1도에서 점선으로 표시된다. 이 안테나(20)은 공동 또는 넓은 도파관(26) 형태의 마이크로파 구조로 되어 있다. 도파관(26)은 상부의 넓은 벽(28), 하부의 넓은 벽(30), 우측 벽(32), 좌측 벽(34), 전방 벽(36), 및 후방 벽(38)로 구성된다. 넓은 벽(28 및 30)은 서로 평행하게 배치되고, 서로 떨어져 있으며, 측벽(32 및 34), 전방 벽 (36) 및 후방 벽 (38)에 의해 주변 연부에서 함께 연결된다. "상부" 및 "하부"란 용어는 제2도 및 제3도의 단면도에서 안테나의 설명을 용이하게 하기 위해 사용되는데, 안테나(20)의 바람직한 방향이 있음을 의미하지는 않으며, 안테나는 어떤 방향에서도 작동될 수 있다. 마찬가지로. "우측" 및 "좌측"이란 용어도 제1도의 도면에서 안테나 부품과 관련하여 사용되고, 안테나(20)의 바람직한 방향이 있음을 의미하지는 않는다.

넓은벽(28 및 30), 측벽(32 및 34), 전방 벽(36) 및 후방 벽(38)은 각각 바람직하게는 전기적으로 도전성인 황동 또는 알루미늄과 같은 금속 물질로 형성되는데, 이렇게하여 공동 또는 도파관이라고도 볼 수 있는 완전히 밀폐된 공간이 만들어진다. 마이크로파 에너지가 전방 벽(36)에서 인가되고 각 복사 소자로부터 방출된다는 사실에 비추어보면, 안테나의 마이크로파 구조는 도파관(26)으로서 기술된다. 도파관(26)에 대한 2개의 실시예가 있는데, 한 실시예는 반사파의 발생을 방지하기 위해서(후술하는 바와 같이) 종단부를 갖고 있으며, 다른 실시에는 가변 정재파비의 정재파를 사용하며, 반전 방향으로 파를 반사시키기 위해 짧은 단부 벽을 갖는다.

각 복사 소자는 얇고 넓은벽(28)의 상부 내에 애퍼츄어로 형성되고, 각 애퍼츄어는 길이와 폭을 가지는 세로방향 슬롯(40)으로 구성되는데, 슬롯(40)의 길이는 슬롯(40)의 폭보다 상당히 길다. 각 슬롯(40)의 세로길이는 열(24)의 방향과 평행하게 배향된다. 각 슬롯(40)의 중심은 행(22) 및 열(24)의 점선을 교차시킴으로써 정해지는 정사각형의 셀(cell)의 중심에 표시된다.

도파관(26)을 도시하는데 있어서, 제3도에 도시된 바와 같이, 수직 점선(42와 44)사이, 또는 선(44)와 우측 벽(32)사이의 열(24)의 종단면도를 고려하는 것이 편리하다. 열(24)의 종단면도와 관련하여, 열내의 밀폐된 도파관(26) 부분은 넓은벽이 측벽의 단면적의 약 2배의 단면적을 갖는 약 2×1(종횡비)의 직사각형 도파관의 단면적을 갖는다. 복수의 열(24)을 고려할 때, 넓은벽(28 및 30)은 측벽(32 및 34)보다 단면적이 상당히 크다. 도파관(26)의 단면의 이러한 구성은 도파관(26)의 모드의 차수가 열의 수와 일치하는 횡전(TE) 전자기파의 고차의 직사각형 도파관 모드를 유지하도록 한다. 예로서, 열 5,10 또는 다른 정수일 수 있는데, 제1도 내지 제4도에 도시된 실시예는 6개의 열(24) 및 6개의 행(22)을 갖추고 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 전자기파 전방벽(36)에서 후방 벽(38)까지 모든 슬롯(40)을 지나는 도파관(26)내에서 진행하는 TE_6.0파를 발사하기 위해 전방벽(36)에 위치한 고차 모드 파 발사대(46)을 경유하여 인가된다. 또한, 본 발명의 중요한 특징에 따르면, 안테나(20)은 전파로부터의 전자기파 에너지가 각 슬롯(40)에 바람직하게 결합되도록 연속적인 경로를 따라 전파시키기 위해 도파관(26)내의 전자기파를 조정하기 위한, 하부의 넓은벽(30)상에 배치되고 각 슬롯(40)의 셀내에 위치한 한 셋트의 베인(48)을 포함한다. 각 베인(48)은 하부의 넓은벽(30)에서 직립하여 상부의 넓은벽 (28)을 향해 약간 연장된 금속 박막으로 형성된다. 각각의 베인(48)은 평면 형태이고 전방 벽(36)과 평행하게 배치된다. 각각의 베인(48)은 열(24)의 폭의 약 1/3 길이만큼 열(24)의 단부에서 횡방향으로 연장된다. 제1도의 열에서 도시된 바와 같이, 각각의 열(24)내의 베인(48)의 위치는 한 열씩 엇갈려서 베인(48)의 어레이가 제1도의 다음 열에서 도시된 바와 같이 베인(48)의 어레이와 반전된다. 한 열에서 다음 열까지 베인(48)의 어레이가 반전된 결과, 인접한 열의 베인(48)은 서로 인접하여 측벽(32 및 34)에 위치한 베인의 2배의 폭을 갖는 베인을 제공한다. 인접한 열(24)의 베인의 인접에 의해 제공되는 더 넓은 구성을 갖는 베인은 범레(48A)로 제1도 및 제3도에 도시된다. 제1도에서, 상부의 넓은벽(28)의 일부분은 베인(48A)의 넓은 구성을 보여주기 위해 절단되어 도시된다.

발사대(45)은 직사각형의 단면을 갖고 도파관(50)의 측벽 역할을 하는 상기 전방벽(36)으로 형성된 도파관(50) 및 이 전방벽(36)에 대향하는 제 2측벽(52)로 구성된다. 도파관(50)은 벽(36 및 52)에 의해 연결되는 상부 및 하부의 넓은 벽(54 및 56)을 포함한다. 각각의 넓은벽(54 및 56)의 길이 치수는 도파관(50)의 단면이 약 2×1의 가로세로비가 되도록 각각의 벽(36 및 52)의 길이치수 약 2배이다. 결합 슬롯(58)은 전방벽(36)내에 위치하는데, 각 결합 슬롯은 길이 및 폭을 갖는 직선형으로 배치되어 있고 길이가 폭보다 여러배 더 크다. 결합슬롯(58)은 그 측면이 넓은벽(54 및 56)에 평행하도록 배향되고, 이 결합 슬롯(58)은 넓은 벽(54 및 56)사이의 중간에 위치한다. 슬롯(58)은 도파관(50)을 중심간격이 세로 방향으로 1/2 도파관 파장만큼 일정하게 떨어져 있다. 도파관(50)은, 제2도에 도시된 바와 같이, TE_1.0모드인 전자기파로 에너지화 되는데, TE_1.0모드는 전계가 넓은벽(54 및 56)에 직각이다. 각각의 슬롯(58)을 통해 결합되는 전계는 제2도에 도시된 바와 같이, 넓은벽(28 및 30)에 직각으로 배치되는 전계를 갖도록 도파관(26)내에 상기 TE파(transverse electric wave)를 유도한다. 안테나(20) 및 발사대(46)의 실제 면적은 안테나(20)으로부터 복사될 전자기파 에너지 주파수에 따라 선택된다. 예를 들면, 9개의 행 및 10개의 열로 정렬된 90개의 슬롯의 실험적인 모델은 9.2㎓(9.2×10⁹헤르쯔)의 정재파 모드로 성공적으로 작동된다.

제5도는 제3도에서의 2개의 우측열, 즉 점선(44)와 측벽(32)사이에, 및 2개의 점선(42 및 44)사이에 진행하는 전자기파의 부분을 도식적으로 도시한 것이다. 고차의 TE파 발생에서 공지된 바와 같이, 전계는 도파관(26)을 전자기파 에너지를 전파 방향에 수직 방향에서 볼때 주기적으로 0이 된다. 제3도와 관련하여, 전계가 0이 되는 곳은 각각 우측벽(32), 선(44), 및 선(42)이다. 추가적으로 전계가 0이 되는 곳은 열(24)의 연속하는 열사이의 경계이다. 따라서, 각 열(24)를 따라서 전자기파 에너지의 전파(傳播)를 분석해 보면, 열(24)를 나타내는 점선을 따라서 전기적으로 도전성의 가상 측벽을 삽입할 수 있다. 이것은 제5도에서 도시되어 있는데, 선(60 및 62)는 이 가상 측벽을 나타낸다. 전자기파 에너지는 적절한 마이크로파원(64)에 의해 제공되고, 도파관(26)을 따라서 고차의 TE파를 발사하는 발사대(46)에 결합된다. 제5도에 도시된 도파관(26)의 일부분을 참조하면, 발사대(46)의 전자기파 에너지는 파(66 및 68)의 점선으로 표시되는 연속적인 경로를 따라서 진행하는 2개의 분리파(66 및 68)로 표시된다. 굴곡된 경로는 베인(48) 때문에 생성된다.

도파관을 따라서 전자기파 에너지를 전파하는 직선 경로로부터 파(66 또는 68)과 같은 전자기파를 평향시키는데 있어서 베인(48)의 작용은, 레이몬드 탱(Raymond Tang)저 「다양하게 결합하는 슬롯과 이의 직선 어레이에의 응용(A Slot With Variable coupling and its Application to a Linear Array)」이란 제목으로 안테나 및 전파에 대한 IRE 보고서(1960년 1월)에 게재된 논문중 특허 97쪽의 제1도에 기재되어 있는 바와 같이 파를 편향시키기 위해 베인보다는 슬롯을 포함하는 구조를 참조하여 이해될 수 있다. 여기에서, 길이 방향이 애퍼츄어의 복사 소자는 직사각형 도파관의 넓은 벽에 배치된다. 공지된 바와 같이, 도파관 밖으로 복사하기 위해 슬롯을 통해 관내에 유도된 파로부터의 전자기파 에너지는 결합하는 것은 전자기파 자계의 세로 성분과 슬롯의 세로 측면과의 상호 작용에 의해 달성된다. 많은 안테나 어레이의 복사 소자에 있어서, 슬롯형 라디에이터 소자와 같은 복사 소자의 최적의 배치는 넓은벽의 중심선상에 슬롯형 애퍼츄러를 일직선으로 배치함으로써 얻어진다. 그러나, 이 위치에서는 자계의 가로 성분만이 존재하여 슬롯형 애퍼츄어를 통해 전자기파 에너지의 바람직한 결합이 발생하지 않는다. 전기 탱의 논문에서, 조리개(iris)는 도파관 내의 슬롯형 애퍼츄어가 위치한 곳 슬롯형 애퍼츄어가 위치한 곳에서 형성되고, 더욱이 조리개는 도파관의 중심면으로부터 오프셋팅된다. 그 결과 전자기파의 평향을 발생시켜 슬롯을 통하여 파로부터 전자기파 에너지를 결합하여 도파관의 외부에 복사시키는 슬롯형 애퍼츄어에 자계의 세로 성분이 존재한다.

파의 편향에 대한 개념은 본 발명에서 사용된다. 그러나, 마이크로파 구조의 조리개 대신에, 본 발명의 전자기파를 평향시키기 위해 베인의 마이크로파 구조를 사용한다. 자게의 세로 성분이 0인 조건은 TE_1.0모드의 여기에 의해 여기된 2×1의 직사각형 도파관내의 중앙 수직면을 따라서만 존재한다는 점에 유의해야 한다. 더욱이, 슬롯을 한 측벽쪽으로 비스듬히 배치하면, 넓은벽내의 세로 방향 슬롯을 통하여 전자기파 에너지를 성공적으로 결합하기 위한 적절한 세로 방향의 자게 성분이 존재한다. 그러나, 어레이 안테나의 복사 소자에 대한 최적의 배치가 요구되는 경우와 같이, 슬롯이 도파관의 중앙 수직면을 따라 슬롯의 위치를 유지하고자 하는 경우, 본 발명의 구조는 원하는 세로 방향의 자계 성분이 슬롯과 나란하도록 통상의 경로로부터 파를 평향시키기 위해 사용되어야 한다.

파 발사대(46)을 갖는 안테나(20)과 같은 안테나의 제조를 용이하게 하기 위해서, 모든 마이크로파 구조의 성분이 하부의 넓은벽에만 고정되고, 또한 가능하면 1개 이상의 측벽에 고정되는 것이 바람직하다. 그러나, 슬롯형 애퍼츄어가 아닌 이러한 성분은 상부의 넓은벽에는 제공되지 않는다. 안테나(20)을 형성하는 성분의 조립체가 일체화된 구조로서 쉽게 성형되어 가공될 수 있으며, 그 후 상부의 넓은벽이 단순히 조립체의 덮개에 옮겨져 위치하는 방식이기 때문에 이러한 마이크로파 성분의 정렬은 제조를 용이하게 해준다. 마이크로파 성분이 상부 및 하부의 넓은벽 모두에 고정되어야 하는 마이크로파 구조를 제조하는 것은 상당히 어렵다. 이와 관련하여 보통 전기적 및 물리적으로 상부 및 하부의 넓은벽과 접촉하고 있는 조리개의 일부분을 가지고 조립되기 때문에 전자기파 전파의 주요 모드로 작동하는 직사각형 도파관 내의 공지 조리개(reaonant irises)를 조립하는 것이 어렵다는 점에 유의하여야 한다. 본 발명의 하부의 넓은벽에 위치하면서 상부의 넓은벽으로 일부분만 연장된 베인을 사용함으로써 이러한 조립의 어려움을 해결한다. 본 발명의 이론이 다른 구성을 갖는 도파관 뿐만 아니라, 외부면에서의 요동이 도파관 내에서 전반사에 의해 전파되는 전자기파를 편향시키는데 사용될 수 있는 고체 유전체 슬랩(solid dielectric slab)의 도파관에까지도 적용된다는 점에 유의하여야한다.

슬롯(40)의 각각의 길이는 자유 공간 파장의 약 1/2이다. 슬롯(40)은 열(24)를 따라 중심 간의 거리가 도파관 파장의 1/2 정도되는 공간을 갖는 일정한 간격을 두고 떨어져 있다. 슬롯(40)은 행(22)를 따라 중심거리가 자유 공간 파장의 약 0.7배의 간격으로 떨어져 있다. 발사대(46)의 도파관(50)내에서, 전계 벡터(E)의 방향은 제4도에서 도시된 바와 같이, 결합 슬롯(58)중의 한 슬롯에서 결합 슬롯(58)의 다음 슬롯까지 위상이 교번된다. 이것은, 전자기파 에너지의 전파 방향에 수직인 방향에서 고차 모드의 TE파의 전계방향으로 바뀌는 특성으로서 도파관(26)내의 방향의 변화를 일으킨다. 이러한 전계 방향의 변화는, 제5도에서 도시된 2개의 가상 도파관의 슬롯(40)에서 대향 방향의 자계 벡터를 결합하도록 제5도에 도시된 바와 같이 슬롯(40)에 대해 베인(48)을 고정시킴으로써 보상된다. 이렇게 하여 선(60 및 62)로 둘러싸인 제5도의 제1가상 도파관에 있어서, 파(68)은 도면의 좌측에서 제1슬롯(40)위로 지나고, 반면에 벽(32)와 선(60)사이에 경계 지워진 제2가상 도파관에서의 파(66)의 경로는 도면의 좌측 단부에서 제1슬롯(40) 아래로 지난다. 따라서, 모든 슬롯(40)으로부터의 복사는 동상이다. 또한, 모든 슬롯(40)으로부터의 복사는 모든 슬롯(40)의 평행한 배치로 인해 동일한 편파(polarization)를 갖는다.

상기 살펴본 바와 같이, 도파관(26)은 정재파 모드 또는 진행파 모드로 작동될 수 있다. 진행파 모드에서, 종단 모드(terminating load : 70)은, 후방 벽(38)에 위치하여 슬롯(40)에 의해 도파관으로부터 결합되지 않은 전방으로 전파되는 전자기파의 에너지를 흡수한다. 전방으로 전파되는 전자기파는 후방벽(38)에 인접한 마지막 행의 슬롯(40)에서 보다 발사대(46)에 인접한 첫번재 행의 슬롯(40)에서 더 강하다. 그러므로, 첫번재 행의 슬롯(40)의 크기에 비해 마지막 행의 슬롯(40)을 크게하고(도면에 도시되지 않음), 또한 마지막 행의 슬롯으로부터 결합되는 전자기파 에너지의 양을 증대시키기 위해 첫번재 행의 베인(48)의 치수에 비해 마지막 행의 베인(48)의 횡당 치수를 연장하는 것이 바람직하다. 이렇게 하여, 모든 슬롯은 동일한 양의 전자기파 에너지를 복사한다.

정재파 모드에 있어서, 로드(70)은 사용되지 않고, 대신에 후방 벽(38)이 전자기파에 단락 회로를 형성하기 위해 마지막 행의 슬롯(40)의 중심을 지나서 도파관 파장의 1/4(또는 1/4 파장의 홀수배) 떨어져 위치한다. 이렇게 해서, 전방으로 전파하는 전자기파의 일부분은, 모든 전자기파 에너지가 슬롯(40)을 통해 도파관(26) 외부의 공간으로 복사되는 가변 정재파비를 갖는 정재파를 생성하기 위해서 후방 벽(38)으로부터 반사된다. 최대 정재파비는 후방 벽(38)에서 이루어지고, 슬롯(40)을 통과하면서 파로부터 전자기파 에너지가 추출됨으로써 전방 벽(36)에 가까운 도파관(26)의 부분으로 갈수록 정재파비의 값은 강하한다. 안테나(20)의 구조는 공동의 구조와 비슷한 데, 공동 구조는 모든 슬롯(40) 및 모든 베인(48)은 동일한 공동의 구조와 비슷한 데, 공동 구조는 모든 슬롯(40) 및 모든 베인(48)은 동일한 크기로 제조될 수 있어 모든 슬롯(40)은 동일한 양의 전자기파 에너지를 복사한다. 마지막 행의 슬롯(40)으로부터 후방 벽(38)을 적절하게 배치하는 것은 조절가능한 단부벽(72)로 제5도에 도시되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예의 구성에 있어서, 후방벽(38)의 적절한 위치가 확인된 후, 후방 벽(38)은 마지막 행(22)의 슬롯(40)으로부터 일정한 위치에서 구성된다.

그러나, 제6도에 도시된 바와 같이, 전자기파 에너지 비임(74)를 실제로 복사하는 경우에, 흔히 슬롯의 크기 및 베인의 연장이 비임(74)의 형태를 만드는데 유용한 바람직한 진폭 테이퍼(amplotude taper)를 발생시키도록 선택되는 진폭 테이퍼를 만드는 것이 바람직하다는 것을 인식해야 한다. 비임(74)는 안테나(20) 상부의 넓은벽 (28)부터 일제히 복사된다. 예를 들어, 도파관(76)을 사용하여 안테나(20)에 소오스(64)를 결합시키면 소오스(64)가 넓은 면에서 나오는 비임이 소오스(64)에 의해 방해받지 않는 적절한 장소에 위치되도록 한다.

발사대(46)의 구조에 있어서도 진행파 모드 또는 정재파 모드를 사용하는 작동 모드를 선택할 수 있다. 정재파 모드의 경우에는 종단 로드(78)은 도파관(50)의 단부 벽 (80)의 전방에 배치되고, 단부 벽 (80)은 벽(36 및 52)사이 및 넓은 벽(54 및 56) 사이로 연장된다. 그러므로, 도파관(50)의 입력 포트(82)에서 소오스(64)로부터 입력된 전자기파 에너지는 단부 벽(80)을 향해 도파관(50)을 따라 전파되는데, 대부분의 전자기파 에너지는 슬롯(58)을 통해 도파관(26)내로 결합되며, 반면에 나머지 에너지는 로드(78)에서 흡수된다.

또 다른 작동 모드에서, 로드(78)은 제거되고, 단부 벽(80)은 전자기파를 반사시켜서 입력포트(82)를 향하도록 마지막 결합 슬롯(58)의 중심을 지나 도파관 파장의 1/4 파장(또는 1/4 파장의 홀수배 떨어진 위치)에 배치된다. 이렇게 하면, 단부 벽 (80) 근처의 도파관(50)의 단부에서 최대 정제파비를 갖는 정재파를 발생시키고, 결합 슬롯(58)을 통과하는 파로부터 전자기파 에너지를 추출해냄으로써 입력 포트(82)에 가까운 도파관(50)의 부분으로 갈수록 정재파비의 값은 강하한다.

제 1행(22)의 슬롯(40)은 전방 벽(36)으로부터 최소한 도파관 파장의 1/4, 양호하게는 도파관 파장의 1/2 거리만큼 떨어져 있는데, 이렇게 하여 각각의 결합 슬롯(58)로부터의 복사기 고차 모드의 TE파를 발생시키도록 하는 결합이 가능하다. 만약 필요한 경우, 전기적으로 도전성을 갖는 벽(84)의 짧은 구간(제1도 및 제2도에서 점선으로 도시)이 인접한 열(24)들 사이의 접촉 영역에서 사용될 수 있는데, 벽(84)는 전방 벽(36)으로부터 후방 벽(38)쪽으로 도파관 파장의 1/2 길이만큼 외부로 연장되고, 높이는 하부의 넓은벽(30)에서 상부의 넓은 벽(28)까지 연장된다. 필요한 경에는 벽(84)는 고차 모드의 TE파를 형성하기 위해 발사대(46)내로 통합될 수도 있다 ; 그러나, 발사대(46)의 우수한 성능은 벽(84)를 사용하지 않은 안테나(20)의 시험적인 모델에서 얻어졌다.

베인(48)의 각각의 구조에 있어서, 베인은 유도성 소자로서 작용하고, 베인의 상부와 상부의 넓은벽(28)의 하부면 사이의 공간은 용량성 소자로서 작용한다는 점을 유의해야 한다. 도파관(26)을 전기적 등가 회로의 견지에서 보면 용량성 및 유도성 소자는 병렬이다. 그러므로, 전자기파의 주파수로 공진되도록 인덕턴스 및 커패시턴스의 값을 선택하면 유도성 및 용량성 소자의 결합 임피던스는 실제로 도파관(26)의 무부하상태를 제공하여 전자기파가 베인(48)에 의한 부하의 영향을 전혀 받지 않고 전파될 수 있다. 이 효과만이 굴곡 전파 경로를 도입한다. 따라서, 위상 전이 및 감쇠(attenuation)를 도입하는 관점에서 보면, 베인(48)은 전자기파의 전파 특성에 대해 본질적으로 어떠한 영향도 미치지 않는 것으로 간주될 수 있다. 베인(48)의 유일한 효과는 전자기파를 슬롯(40)에 결합시키는 것을 향상시키기 위해 전자기파의 전파 경로를 오프세트시킨다는 점에 유익한 효과가 있다.

본 발명의 상기 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하고, 본 기술 분야의 당업자에 의해 다양한 변형이 가능하다는 점을 이해하여야 한다. 발명은 본원에 개시된 실시예에만 한정되지 않으며 첨부된 특허청구 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

1. 각각의 길이 방향 모서리를 따라 결합되는 대향하는 제1 및 제2넓은벽 및 대향하는 제1 및 제2측벽을 갖는 직사각형 단면의 속이 빈 도파관 ; 상기 제1넓은벽에 제공된 복사 슬롯 행렬 ; 및 상기 제2넓은벽 상에 제공되고, 상기 도파관의 내부에서 도파관의 높이 방향을 따라서 도파관 내부 높이의 일부분만 연장되는 복수의 베인을 포함하고, 상기 넓은벽과 상기 측벽은 도전 물질로 구성되어 상기 도파관이 길이 방향을 따라 상기 도파관을 전자기파의 전파를 유지시키고, 상기 행렬은 상기 도파관의 길이 방향과 평행한 방향으로 배향되어 있는 복수의 상기 슬롯의 행의 수 M과 복수의 상기 슬롯의 열의 수 N으로써 정의되고 상기 각 슬롯을 상기 도파관의 길이 방향과 조정행한 길이 방향으로 배향되어 있고, 상기 베인은 상기 슬롯의 각 열에 대해 교번 형태로 구성되어, 어느 한 열의 연속하는 행에 대응하는 상기 연속적인 베인이 그 열의 상기 연속적인 행을 차지하는 상기 슬롯의 대향 측상에 배치되고, 상기 각 베인은 상기 도파관의 상기 측멱을 가로 질러 배열된 평면에 놓여 있고, 상기 넓은벽의 폭은 상기 측벽의 높이보다 N배 이상이고, 상기 베인은 상기 슬롯을 통과하는 상기 전자기파의 결합을 향상시키기 위하여 상기 슬롯의 각 열을 따라 상기 전자기파의 굴곡된 전파 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
2. 제1항에 있어서, 전자기파 에너지를 상기 베인을 지나 상기 도파관의 제2단부를 향하도록 해주는 상기 도파관의 제2단부에 배치된 파 발사대를 더 포함하고, 상기 파 발사대는 상기 도파관을 통하여 전파하기 위하여 상기 전자기파를 발사하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 전자기파는 고차 모드이고, 모드 차수는 상기 슬롯열의 수 N과 동일한 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
4. 제1항에 있어서, 상기 각 베인은 하부 및 상부 모서리를 갖고, 상기 하부 모서리는 상기 제 2넓은벽에 부착되어 있고, 상기 상부 모서리는 상기 제1넓은벽으로부터 공간적으로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
5. 제1항에 있어서, 상기 각 슬롯열의 슬롯은 상호 공통 선형 관계를 갖도록 배열되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
6. 제4항에 있어서, 상기 각 베인은 얇은 금속 시트(sheet)로 구성된 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
7. 제1항에 있어서, 상기 복사 슬롯 행렬의 연속적인 열에 대응되는 상기 베인의 교번 형태가 반전되어, 연속적인 열에 대응되는 상기 베인 형태가 상호 거울 대칭인 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
8. 제7항에 있어서, 상기 파 발사대는 상기 연속적인 열 사이의 상기 전자기파에 180°의 위상 변이를 유도하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
9. 제7항에 있어서, 상기 연속적인 열에 대응되는 상기 베인이 상호 인접하고 있는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
10. 제9항에 있어서, 상기 각 베인은 대응 슬롯을 이등분하는 평면상에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.

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