KR940002705B1 - 격자 로브들을 제거하기 위해 경사에 의해 오프셋되는 슬롯 라디에이터를 갖는 어레이 안테나 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

격자 로브들을 제거하기 위해 경사에 의해 오프셋되는 슬롯 라디에이터를 갖는 어레이 안테나

제1도는 본 발명에 따라 구성된 본 발명의 넓은-벽형 도파관을 포함하는 안테나를 제2도의 선1-1을 따라 부분적으로 단면화하여 도시한 평면도.

제2도는 제1도 및 제4도의 선 2-2를 따라 절단된 안테나의 단면도.

제3도는 제1도의 선 3-3을 따라 절단된 안테나의 단면도.

제4도는 안테나의 도파관의 부분을 도시한 도면인 제3도의 안테나의 단면도를 부분적으로 확대하여 도시한 도면.

제5도는 제2도와 평형하고 이로부터 오프셋된 도면인 제4도의 선 5-5를 따라 절단된 도파관의 상부의 넓은 벽의 확대 부분 단면도.

제6도는 제2도와 평행하고 이로부터 오프셋된 도면인 제4도의 선 6-6을 따라 절단된 도파관의 상부의 넓은 벽의 확대 부분 단면도.

제7도는 제1도의 선 7-7을 따라 절단된 안테나의 단면도.

제8도는 도파관 내의 TE파의 자계의 회전 경로들 상에 중첩된 도면으로 슬롯의 출력 포트에 대하여 입력 포트가 확대된 변위를 갖는 슬롯 어레이를 도시한 상부의 넓은 벽의 일부분을 도식적으로 나타낸 평면도.

제9도는 행 및 열로 배열된 슬롯으로 부터의 복사에 의해 제공된 비임을 전송하는 안테나의 형태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 안테나 22 : 행

24 : 열 26,58,72 : 도파관

28 : 상부의 넓은 벽 30 : 하부의 넓은 벽

32 : 우측 벽 34 : 좌측 벽

36 : 전방 벽 38 : 후방 벽

40 : 종 방향 슬롯 46 : 통로

48,68 : 입력 포트 50 : 출력 포트

56 : 발사대 66 : 단부 벽

70 : 외부 소오스 74 : 결합 슬롯

76 : 전자기 에너지 비임 80 : 로드

82 : 도전성 벽

본 발명은 슬롯 라디에이터(slot radiator)들의 어레이에 의해 형성된 넓은 측면 비임 안테나(broadside beam antenna)로서, 특히 도파관 내의 전자기파를 결합시키기 위하여 슬롯의 입·출력 포트들을 접속하는 통로를 교번되는 형태로 경사지게 함으로써 전자기파의 위상을 맞추는 도파관의 넓은 벽의 두꺼운 판으로 연장되는 슬롯 라디에이터의 다수 열로 이루어진 어레이에 관한 것이다.

도파관의 벽을 따라 직선으로 배열된 슬롯 라디에이터의 어레이는 전자기파 에너리(electromagnetic Power)의 비임을 발생시키기 위해 빈번히 사용된다. 슬롯 라디에이터들로 구성된 어레이 안테나의 전형적인 예로서, 안테나는 넓은 벽의 폭이 좁은 벽의 높이의 약 2배이고, 슬롯들이 넓은 벽들 중 한 벽에 형성되는 직사각형 단면의 도파관을 포함한다. 또한, 안테나는 행 및 열로 배열된 슬롯 라디에이터의 2차원 어레이를 제공하기 위해 나란히 배열된 다수의 슬롯형 도파관들로 구성된다. 안테나에 대한 설명을 쉽게하기 위해, 슬롯 라디에이터의 열은 전자기파 에너지의 전파방향인 도파관에 대해 종 방향으로 배향된다고 간주하며, 슬롯 라디에이터의 행은 도파관에 대해 횡방향으로 배열된다고 간주한다. 단일 도파관으로 구성된 안테나는 팬 비임(fan beam)을 발생시키고, 다수의 나란히 배열된 도파관으로 구성된 안테나는 2차원적으로 양호하게 형성된 지향성을 가지는 비임을 발생시킨다.

슬롯 라디에이터를 사용하는 안테나는 도파관의 넓은 벽의 중심선에 대해 각을 두고 굽어지도록 배열된 슬롯을 가질 수도 있고, 도파관의 넓은 벽의 중심선과 평행하게 배열된 슬롯을 가질 수도 있다. 바람직한 선형 편과(linear polarizstion) 및 전체 안테나의 복사 개구(aperture)의 바람직한 조사(illumination) 기능을 얻기 위해서는, 안테나가 모든 슬롯들이 서로 평행하게 배열되도록 구성되는 것이 중요하다.

다양한 슬롯 라디에이터로부터의 복사파들 간의 통상 관계(cophasal relationship)는 다수의 도파관을 포함하는 평면에 대해 수직으로 향하는 넓은 측면의 비임을 발생시키기 위해 이용된다. 여기에서, 열 방향으로 배향된 슬롯을 갖는 라디에이터의 행 및 열로 구성된 2차원 어레이를 포함하는 안테나는 중요한 관심의 대상이다. 동상 관계를 얻기 위한 한 방법은 각각의 도파관의 넓은 벽의 중심선을 따라 교번되는 오프셋 형태로 슬롯 라디에이터들을 위치시키는 것이다. 슬롯 라디에이터들을 횡 방향으로 오프셋팅시킴으로써 각각의 도파관 내의 전자기파의 종 방향 자계 성분의 비-제로 값을 결합시킬 수 있다. 도파관 내의 전파 방향을 따라 관내 파장의 1/2의 간격으로, 오프셋을 교번(alternation)시킴으로써 복사 계(field)에 있어서의 일정한 위상을 얻도록 자계 위상의 주기적 변화를 보상한다. 도파관은 통상 위상으로 공급되어 TE10 모드로 동작한다. 슬롯 라디에이터들의 오프셋팅이 교번되는 간격 및 패턴이 각 도파관내에서 동일하므로, 복사된 비임이 과잉 격자 로브(exessive grating lobes)들을 가지지 않도록 복사 비임을 양호하게 제어할 수 있게 된다.

그러나, 슬롯의 n개의 열 및 다수의 행들을 갖는 단일의 넓은 벽을 갖고 있는 TEn,o 직사각형 도파관이 다수의 평행한 슬롯형 도파관 대신에 사용되는 경우에, 각각의 열 내의 파 성분들간의 관계는 변화한다. 한 열 내의 파 성분의 위상은 인접한 열의 파 성분과 180°의 위상차를 보인다. 이러한 파 성분들 간의 위상차를 보상하기 위해, 한 열의 오프셋 슬롯 라디에이터의 패턴은 인접한 열의 오프셋 슬롯 라디에이터의 패턴과 반전되어야 한다.

상술한 오프셋 슬롯 라디에이터의 반전 패턴의 배열은 바람직한 비임 이외에 과잉 격자 로드들을 발생시킨다는 문제점이 있다. 격자 로브들이 제거되지 않을 경우, 안테나 이득의 결과적인 손실로 인해서 단일의 넓은-벽형 도파관을 안테나로서 사용할 수 없게 된다.

그러나, 안테나의 제조를 용이하게 하고, 안테나의 전체 중량을 줄이기 위해, 넓은 벽이 슬롯 라디에이터의 다수 열을 TEn, o 모드로 동작하는 넓은 도파관의 단일의 넓은 벽 내에 형성하기에 충분한 폭을 갖는 단일의 도파관 안테나를 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 나란히 결합된 n개의 각각의 도파관을 갖는 안테나를 구성할 필요성이 없게 된다.

평행한 열 및 평행한 행의 배열로 배치된 슬롯 라디에이터의 어레이를 포함하는 안테나에 의해 상기한 문제점은 해결되고, 다른 장점도 제공된다. 모든 슬롯 라디에이터는 직사각형 단면을 갖고 있는 넓은 도파관의 단일 상부의 넓은 벽 내에 형성된다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 슬롯 라디에이터들은 서로 평행하고, 각 슬롯의 종 방향 길이는 열과 평행하게 배향된다. 도파관은 고차 TE 파(Transverse Electric Wave) TEn.o 직사각형 도파관 모드(여기서, n은 임의의 정수임)에 의해 여기된다.

본 발명에 따르면, 상부의 넓은 벽은 증가된 두께로 구성되는데 본 발명의 양호한 실시예에서는 자유 공간 파장의 약 1/8과 동일한 두께가 사용된다. 이 두께는 자유 공간 파장의 약 1/2인 슬롯 길이의 1/4이지만, 자유 공간 파장의 약 1/20인 슬롯의 폭보다 크다. 상부의 넓은 벽의 증가된 두께로 인해, 슬롯은 도파관의 내부로부터 도파관의 외부로 향하는 3차원적 통로로서 생각될 수 있는데, 이 슬롯은 통로의 반대 단부들에 입력 포트 및 출력 포트를 갖는다. 슬롯의 입력 포트는 상부의 넓은 벽의 내부 표면에 존재하고, 슬롯의 출력 포트는 상부의 넓은 벽의 외부 표면에 존재한다. 우측 또는 좌측으로 슬롯 통로를 경사지게 함으로써, 입력 포트가 출력 포트의 우측 또는 좌측으로 변위되도록 배치된다.

TEn,o 전자기파가 도파관 내에 존재하는 경우에, 각각의 슬롯들의 출력 포트는 전계가 최대 값을 가지는 n개의 라인중 1개의 라인에 정확히 배치된다. 그러므로, 모든 슬롯의 출력 포트의 중심은 그 열 내의 모든 다른 슬롯과 일직선으로 배치된다. 외부에서는 전혀 오프셋되지 않은 것처럼 보인다. 슬롯의 출력 포트의 위치에서는 도파관 모드와 슬롯간에 전자기 에너지를 결합하기 위한 슬롯의 측면과 평행한 종 방향 자계 성분이 전혀 존재하지 않는다. 그러나, 슬롯의 출력 포트 위치의 우측 또는 좌측으로 슬롯의 입력 포트를 변위시킴으로써, 입력 포트는 종 방향 자계 성분이 비-제로 값을 갖는 위치에 배치된다. 그러므로, 슬롯의 출력 포트에 대하여 입력 포트를 변위시킴으로써, 이 슬롯은 도파관의 외부로부터 에너지를 복사하기 위하여 도파관 내의 파로부터 전자기 에너지를 결합할 수 있게 된다. 슬롯의 출력 포트에 대하여 슬롯의 입력 포트를 변위시키면 입력 및 출력 포트를 접속하는 슬롯 통로가 경사지게 된다.

자기 벡터의 방향이 슬롯의 위치에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향이라는 것을 인식해야 한다. 다양한 슬롯들로부터 동일 위상을 갖는 전자기파를 복사하기 위해, 자계 벡터의 방향 차를 보상할 필요가 있다. 이는 1개의 슬롯 통로가 좌측으로 경사지고, 다음 슬롯 통로가 우측으로 경사지도록 슬롯 통로의 경사를 교번시킴으로써 달성된다. 슬롯 통로들을 교번하여 경사지게 하는 것은 행 내의 연속 슬롯 및 열 내의 연속 슬롯에 동일하게 적용된다. 그러므로, 다양한 슬롯들의 입력 포트는 넓은 측면의 복사를 달성하기 위해 균일하게 위상 정합된(uniformly phased) 파를 복사하도록 동일 위상인 전자기파를 결합한다.

이는 넓은 도파관의 하부벽, 측벽들 및 단부벽으로 된 조립체가 단일의 조립체로서 주조(cast)되거나 가공될 수 있어 제조를 용이하게 한다. 제조는 상술한 조립체를 완성하기 위해 측벽 및 단부벽 상에 복사 슬롯을 갖는 상부의 넓은 벽을 단순히 배치함으로써 완성된다.

본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징은 첨부한 도면과 관련하여 아래의 상세한 설명에 기술되어 있다.

제1도 내지 제3도를 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 안테나(20)이 도시되어 있는데, 이 안테나(20)은 직사각형 어레이들로 배열되고 한 셋트의 행(22) 및 열(24)에 의해 정해진 장소에 배치된 복사 소자의 평면 어레이를 갖는다. 행(22) 및 열(24)는 제1도에서 점선으로 표시된다. 안테나(20)은 공동(cavity) 또는 넓은 도파관(26) 형태를 갖고 있는 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 이루어진다. 넓은 벽(28 및 30)은 서로 평행하게 배치되고 서로 떨어져 배치되어 있으며, 측벽(32 및 34)와 전방 벽(36) 및 후방 벽(38)에 의해 주변 연부에서 서로 연결된다. "상부" 및 "하부"란 용어는 제2도 및 제3도의 단면도에서 안테나의 설명을 용이하게 하기 위해 사용되는데, 어떤 바람직한 배향으로 작동될 수 있는 안테나(20)의 양호한 배향을 의히마지는 않는다. 마찬가지로, "우측" 및 "좌측"이란 용어도 안테나 부품을 제1도의 도면과 관련시키기 위하여 사용되고, 안테나(20)의 어떤 양호한 배향을 의미하지는 않는다. 또한, 안테나(20)은 복사 비임을 발생시키고 전송하는 것에 의해 설명되는데, 안테나의 동작은 상대적이므로 이 설명이 복사 비임의 수신시에도 적용된다는 점을 이해하여야 한다.

넓은 벽(28 및 30), 측벽(32 및 34), 전방 벽(36) 및 후방 벽(38)은 양호하게 황동(brass) 또, 알루미늄과 같은 금속인, 전지적으로 도전상인 물질로 각각 형성되는데, 이 물질은 공통 또는 도파관으로서 생각될 수 있는 전체적으로 밀폐된 공간을 생성한다. 마이크로파 에너지가 전방 벽(36)에서 인가되어 각 복사 소자로부터 추출된다는 점을 참작하여, 안테나의 마이크로파 구조는 도파관(26)으로서 설명된다. 도파관(26)의 2개의 실시예가 있는데, 한 실시에는 반사파의 발샹을 방지하기 위해서 진행파(travelling wave)를 사용하고(후에 설명하는 바와 같이) 종단부(termination)을 갖고 있으며, 다른 실시예는 반대 방향으로 파를 반사시키기 위해 변화하는 정재파 비(standing-wave ratio)를 갖는 정재파(standing wave)를 사용하고 단락용(shorting) 단부 벽을 갖는다.

각 복사 소자는 상부의 넓은 벽(28)내에 개구로써 형성되는데 각 개구는 소정의 길이와 폭을 갖는 종 방향 슬롯(40)으로써 구성되고, 슬롯(40)의 길이는 슬롯(40)의 폭보다 몇배 더 같다. 각 슬롯(40)의 종 방향길이는 열(24)의 방향과 평행하게 배향된다. 각 슬롯(40)의 중심은 행(22) 및 열(24)의 점선을 교차시킴으로써 정해진 정사각형 또는 직사각헝의 중심에 표시된다.

도파관(26)을 설명함에 있어서, 제3도에 도시된 바와 같이, 수직 점선(42 및 44) 사이, 또는 선(44)와 우측 측벽(32) 사이의 열(24)이 종면도를 고려하는 것이 편리하다. 열(24)의 종면도와 관련하여, 열내에 밀폐된 도파관(26) 부분은 넓은 벽이 측벽의 횡단면적의 약 2배인 약 2×1(종횡비)의 직사각형 도파관의 횡단면적을 갖는다. 다수의 열(24)이 있으므로, 넓은 벽(28 및 30)은 측벽(32 및 34)보다 횡단면적이 몇배 더 크다. 도파관(26)의 이러한 횡단면 구성으로 인해 도파관(26)은 모드의 차수가 열의 수와 동일하게 되는 TE 파(Transverse Electric Wave) 직사각형 도파관 모드의 고차 모드를 유지할 수 있게 된다. 예로서, 5, 10 또는 약 100개의 열이 있을 수 있는데 ; 제1도 내지 제3도에 도시된 실시에는 6개의 열(24) 및 6개의 행(22)를 갖추고 있다. 도파관(26)의 여러가지 모양 및 슬롯(40)의 배향의 이해를 쉽게 하기 위해, 제1도의 우측 열과 하부로부터 3번째 행의 교차부에 배치된 슬롯(40) 중의 한 슬롯은 슬롯(40A)로 표시하였는데, 이 슬롯은 제1도 내지 제6도 및 제8도에 나타난다.

본 발명의 중요한 특징과 관련하여, 제1도 내지 제6도를 참조하면, 상부의 넓은 벽(28)은 증가된 두께(D)로 구성되는데, 본 발명의 양호한 실시예에서는 자유 공간 파장의 약 1/8과 동일한 두께가 사용된다. 이 두께는 자유 공간 파장의 약 1/2인 슬롯(40)의 길이보다 실질적으로 적다. 이 두께는 자유 공간 파장의 약 1/20인 슬롯(40)의 폭보다 실제로 크다. 상부의 넓은 벽(28)의 증가된 두께로 인하여, 슬롯(40)은 도파관 내부로부터 도파관 외부로의 3차원적 통로 또는 마이크로파 에너지의 도관(conduit)으로 간주될 수 있다. 따라서, 슬롯(40)은 통로(46)과 이 통로(46)의 반대 단부들에 있는 입력 포트(48) 및 출력 포트(50)을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 슬롯(40)의 입력 포트(48)은 상부의 넓은 벽의 내부 표면(52)에 존재하고, 슬롯(40)의 출력 포트(50)은 상부의 넓은 벽(28)의 외부 표면(54)에 존재한다.

우측 또는 좌측으로 슬롯 통로(46)을 경사지게 함으로써, 입력 포트(48)은 출력 포트(50)의 우측 또는 좌측으로 변위될 수 있다. 우측 및 좌측 변위를 표시하기 위해, 슬롯(40)은 제8도에 도시한 바와 같이, 각각 문자(R 및 L)에 의해 식별할 수 있는데, 슬롯(40R)은 우측으로 변위된 입력 포트를 갖는 확대된 형태를 도시한 것이고, 슬롯(40L)은 좌측으로 변위된 입력 포트를 도시한 것이다. 상부의 넓은 벽(28)의 평면과 수직한 면에 대한 소정의 슬롯(40) 내의 통로(46)의 경사각(A)(제4도)는 19행×20열의 총 380 슬롯(40)으로 구성된 본 발명의 양호한 실시예에서 13°36'의 크기를 갖는다. 사용될 경사각(A)는 도파관(26) 내의 파로부터 슬롯(40)을 통해 결합될 에너지 량에 좌우되는데, 각도의 크기를 증가시키면 결합될 에너지 량이 증가된다. 행(22) 내의 연속 슬롯(40)의 출력 포트들(50) 사이의 중심 간격(B)(제3도)는 자유 공간 파장의 약 0.7배이다. 열(24)내의 연속 슬롯들(40)의 출력 포트들(50) 사이의 중심 간격(C)(제5도)는 관내 파장의 1/2배이다.

본 발명의 다른 특징과 관련하여 제1도 내지 제7도를 참조하면, 전자기 에너지는 모든 슬롯(40)을 통과하여 전방 벽(36)으로부터 후방 벽(38)으로 도파관(26) 내를 진행하는 TE_6.0파를 발사시키기 위한 전방 벽(36)에 배치된 고차-모드 파 발사대(wave launcher : 56)을 경유하여 인가된다. 발사대(56)은 직사각형 횡단면을 갖고 있고 도파관(58)의 측벽으로서 작용하는 상술한 전방 벽(36)으로 형성된 도파관(58) 및 벽(36)의 반대편에 있는 제 2측벽(60)을 포함한다. 도파관(58)은 벽(36 및 60)에 의해 결합된 상부 및 하부 넓은 벽(62 및 64)(제2도)를 포함한다. 도파관(58)은 4개의 벽(36,60,62 및 64) 사이로 연장되는 단부 벽(66)에 의해 폐쇄된다. 도파관(58)의 입력 포트(68)은 도파관(58)로 전자기파를 인가하기 위해 전자기 에너지의 외부 소오스(70)(제9도)와 접속된다. 소오스(70)은 예시적으로 도파관(72)에 의해 입력 포트(68)에 접속된다. 각각의 넓은 벽(62 및 64)의 횡 방향 길이는 도파관(58)의 횡단면에 대해 2×1 종횡비를 제공하기 위해 각각의 벽(36 및 60)의 횡방향 길이의 2배이다.

결합 슬롯(74)는 전방 벽 (36)에 배치되는데, 각각의 결합 슬롯(74)는 그 길이가 폭의 여러 배 큰 선형 형태를 취하고 있다. 결합 슬롯(74)는 그들의 측면이 넓은 벽 (62 및 64)과 평행하도록 배향되고, 넓은 벽(62 및 64) 사이의 중간에 배치된다. 결합 슬롯(74)는 도파관(58)을 따라 종 방향으로 그들 중심간의 거리가 관내 파장의 1/2만큼 떨어져 배치된다. 도파관(58)은 전계(E)가 제2도에 도시한 바와 같이 넓은 벽(62 및 64)와 수직이 되는 TE_1,0모드의 전자기파에 의해 에너지를 공급받는다. 각각의 슬롯(74)를 통해 결합된 전계는 제2도에 도시한 바와 같이 넓은 벽(28 및 30)과 수직으로 배치된 전계(E)를 갖는 도파관(26) 내의 상술한 TE 파를 유도한다. 안테나(20) 및 발사대(56)의 실제 치수는 안테나(20)으로부터 복사될 전자기 에너지의 주파수에 따라 선택된다.

발사대(56)의 도파관(58)에 있어서, 전계 벡터(E)의 방향은 제7도에 나타낸 바와 같이 1개의 결합 슬롯(74)로부터 그 다음의 결합 슬롯(74)로 그 위상이 교번된다. 이에 의해 도파관(26)내의 전계 방향이 교번되며, 이는 에너지 전파 방향에 대해 횡 방향으로 고차 모드 TE 파의 전계 방향이 교번된다는 특성을 나타낸다. 이 전계 방향의 교번은 안테나(26)의 각각의 행 및 각각의 열을 따라 연속적인 위치에 있는 슬롯(40)에서 반대 방향의 자계 벡터를 결합시키기 위해 제8도에서 상세히 설명되는 바와 같이 슬롯 통로의 경사를 교번시킴으로써 보상된다. 따라서, 모든 슬롯(40)으로부터의 복사파는 위상이 동일하다. 또한, 모든 슬롯(40)으로부터의 복사파는 모든 슬롯(40)이 평행하게 배열되어 있으므로 동일한 편파를 갖는다.

제8도는 내부에 슬롯(40)을 갖는 상부의 넓은 벽(28)의 일부분을 도시한 것이다. 슬롯(40)의 어레이상에 중첩되어, 제8도는 도파관(26) 내에서 진행하는 전자기파의 일부분을 도식적으로 나타낸 것으로서, 에너지 흐름의 방향은 화살표(P)에 의해 나타낸다. 진행하는 TE 파의 전파 특성뿐만 아니라 정재 TE 파의 전계 및 자계의 구성에서 널리 공지된 바와 같이, 전계 라인들은 도파관(26)(제2도)의 상부 및 하부의 넓은 벽들에 대해 수직으로 향하는데, 전계 벡터의 방향은 도파관(26)의 열(24)(제1도)를 따라 관내 파장의 1/2마다 반전된다. TE 파의 고차 모드에서, 전계 벡터의 교번 구성은 도파관(26)의 각각의 행(22)를 따라서도 방향이 교번된다. 자계(H)는 전계를 일주한다. 자계 라인들의 일주(encirclements)는 제8도에 원들로 개략적으로 나타내었는데, 실제로는 그 경로들이 보다 복잡하다. 제8도에 도시한 자계의 표시는 정재파를 기초로 하였지만, 이 표시는 진행하는 전자기파의 경우에도 본 발명의 동작을 설명하는데 적용된다.

제1도의 행(22) 및 열(24)에 의해 정해진 셀들내의 슬롯(40)의 위치는 최대 세기의 전계의 위치와 일치하므로, 자계의 일주 중심과도 일치한다 그러므로, 제8도의 표시에서, 자계(H)의 원들은 각각의 슬롯(40R 및 40L)의 각각의 출력 포트(50)를 중심으로 하여 도시된다. 슬롯(40R 및 40L)이 열방향 및 행방향 모두를 따라서 그 경사가 교번된다는 것을 인지해야 한다. 또한, 자계의 시계 또는 반시계 일주 방향은 슬롯 출력 포트(50)의 위치에 따라 교번된다.

각각의 출력 포트(50)의 중심선을 따라, 자계의 방향이 중심선을 횡단한다는 것을 인지해야 한다. 그러므로, 자계로부터 각 슬롯들로의 전자기 에너지의 결합이 약간 존재하거나 전혀 존재하지 않는다. 이러한 결합은 슬롯의 길이 방향과 평행한 자계 성분을 제공함으로써 획득된다.

본 발명에 따르면, 각각의 슬롯들은 슬롯(40R)의 경우에 우측으로, 슬롯(40L)의 경우에 좌측으로 슬롯의 입력 포트(48)을 변위시키도록 경사진 통로(46)을 갖추고 있다. 슬롯 입력 포트(48)의 변위는 슬롯 입력 포트(48)을 자계의 일주가 슬롯의 길이 방향에 평행한 자계 성분을 제공하는 위치로 옮긴다. 이는 상부의 넓은 벽(28)(제2도 및 제3도)의 내부 표면(52)과 역시 상부의 넓은 벽(28)의 내주 표면(52)에 배치된 슬롯 입력 포트(48)에서의 자계로부터 전자기 에너지를 결합시킨다. 그러나, 슬롯 입력 포트(48)의 변위는 상부의 넓은 벽(28)의 외부 표면(54)상의 어레이에 보유된 슬롯 출력 포트(50)의 위치에 영향을 미치지 않는데, 이 어레이는 제1도에 도시되었다.

제9도에 도시된 비임(76)과 같이, 넓은 도파관(26)의 정규 어레이의 위치들로부터 슬롯 출력 포트를 오프셋팅시킴으로써 발생되는 4개의 격자 비임들이 없는 바람직한 2차원적 지향성 패턴을 갖는 비임을 얻기 위해 슬롯 출력 포트(50)을 어레이 내에 일정하게 배치시키는 것이 중요하다. 그러므로, 슬롯 통로(46)을 경사지게 함으로써, 본 발명은 슬롯 입력 포트(48)의 길이 방향과 평행한 자계의 성분에 의해 전자기 에너지를 슬롯 내에 결합하고, 또한 제 2차 비임으로서 공지된 바람직하지 못한 "격자 로브들"의 발생을 방지하기 위하여 슬롯 출력 포트(50)를 정규 어레이 위치에 보유하는 목적을 달성한다.

본 발명의 목적은 각각의 슬롯 출력 포트(50)에 의해 방출된 복사파가 동일한 위상을 갖도록 하는 것이다. 각각의 슬롯 출력 포트로부터 발산되는 전계의 방향이 각각의 슬롯 출력 포트(50)의 종방향으로 횡단한다는 것을 인지해야 한다. 출력된 전계의 방향은 자계의 일주가 시계 방향인지 또는 반시계 방향인지에 따라 좌우된다. 자계의 일주 방향이 교번되기 때문에 자계의 교번하는 일주 방향을 보상하는 방식으로 자계로부터의 에너지를 결합할 필요가 있다. 이는 제8도에 도시한 바와 같이 우측 또는 좌측으로 슬롯 통로(46)의 경사를 교번함으로써 달성된다. 경사의 교번은 제1도 및 제8도에 도시된 슬롯 어레이의 열 내의 연속하는 슬롯들 및 행 내의 연속하는 슬롯들에서 발생한다. 제8도에 도시된 바와 같이, 예시적인 방법에 의해, 자기 벡터는 각각의 슬롯 입력 포트(48)이 동일한 편파의 전자기파에 의해 여기되도록(도면의 배향에 대해) 하향 방향으로 각각의 슬롯 입력 포트(48)를 지나 진행하는 것으로 도시되었다. 제8도에서의 슬롯 출력 포트(50)으로부터의 슬롯 입력 포트(48)의 변위는 개략적인 표시를 용이하게 하기 위해 확대되었다. 실제의 물리적 구성은 제2도 내지 제6도에 기술된 구성에 가깝다.

제1도에 도시한 바와 같이, 슬롯(40)의 여기가 열 방향으로 에너지를 전달하도록 발사된 파를 사용함으로써 이루어진다는 것을 인지해야 한다. 그러나, 본 발명은 또한 넓은 도파관이 열 및 행의 방향 모두로 배향된 슬롯들을 갖는 경우에도 응용될 수 있다. 행의 방향으로 배향된 슬롯은 별도의 파 발사대를 필요로 한다. 실질적으로, 이러한 2개의 직교파들을 병행으로 발생시킬 경우, 상으로 이루어진 발사대를 사용하는 것이 필요한데, 이러한 것으로는 1987년 12월 29일에 케니쓰 씨. 켈리(Kenneth C. Kelly)에게 허여된 미합중국 특허 제4,716,415에 기술된 바와 같은 안테나의 4개의 측면 각각을 따라 배치된 발사대가 있다. 그러나, 2개의 파들의 에너지 전파 방향이 서로 직교하며 행과 평행한 한 셋트의 슬롯과 열과 평행한 한 슬롯의 슬롯들이 직고 관계를 가지므로 2개의 파들 사이에 및 2셋트의 슬롯의 복사파들 사이에 상호 작용이 반드시 존재하지는 않는다. 각각의 슬롯 셋트에 있어서, 이 슬롯 통로들은 제1도에 도시한 단일의 발사대를 갖는 단일의 파의 경우에 상기에서 제시된 바와 같이 경사진다. 직교 슬롯들의 2셋트가 사용될 경우에는, 이 슬롯들은 미합중국 특허 제4,716,415호에 기술된 바와 같은 반복하는 4각형으로 배열된다.

파 발사대(56)을 갖는 안테나(20)과 같은 안테나의 제조를 용이하게 하기 위해, 상부 및 하부의 넓은 벽들에 고정되는 소정의 마이크로파 구조 부품들을 피하는 것이 바람직하다. 슬롯형 개구 이외의 부품들은 상부의 넓은 벽 상에 제공되지 않아야 한다. 마이크로파 부품들의 이러한 배열은 안테나(20)을 형성하는 부품들의 조립체가 단일한 유니트형 구조로 용이하게 성형되고 가공된 후 상부의 넓은 벽이 이곳으로 단순히 이동되어 조립체의 커버 형식으로 배치되기 때문에 제조를 용이하게 한다. 마이크로파 부품이 상부 및 하부의 넓은 벽에 고정되어야 하는 마이크로파 구조물을 제조하는 것은 더욱 어렵다. 본 발명에 따르면 이러한 구성상의 어려움을 방지할 수 있다. 여기에는, 상부 및 하부의 넓은 벽들 모두를 상호 접속하는 도파관(26)의 내부 공간에 배치된 마이크로파 부품이 전혀 존재하지 않는다. 파로부터 결합된 신호에 대해 바람직한 위상 및 편파를 발생시키기 위해 전자기파의 특정 부분을 선택하는 것은 두꺼운 상부의 넓은 벽 내의 슬롯 통로를 경사지게 함으로써만 달성된다. 본 발명의 이론이 다른 구성의 도파관 뿐만 아니라 슬롯 통로가 도파관의 외부 표면으로부터 돌출되는 경사진 베인(도시안됨)이 되는 고체 유전체 슬랩(slab)으로 구성된 도파관에도 응용된다는 것을 인식해야 한다.

이미 달려진 바와 같이, 도파관(26)은 정재파 모드 또는 진행파 모드로 동작될 수 있다. 진행파 모드에서, 종단 로드(terminating load : 78, 제1도, 제2도, 제3도)은 슬롯(40)에 의해 도파관으로부터 결합되지 않는 전방으로 전파되는 전자기파의 에너지를 흡수하기 위해 후방 벽(38)에 배치된다. 전방으로 전파되는 전자기파는 후방 벽 (38)에 인접한 마지막 행의 슬롯(40)에서 보다 발사대(56)에 인접한 첫번째 행의 슬롯(40)에서 더 강하다. 그러므로, 첫번째 행의 슬롯(40)의 크기에 비하며 마지막 행의 슬롯(40)을 확대하고(도면에는 도시되지 않음), 또한 마지막 행의 슬롯으로부터 결합된 에너지 량을 증대시키도록 슬롯 입력 포트(48)과 슬롯 출력 포트(50)사이의 변위를 증가시키기 위하여 마지막 행의 슬롯 통로를 연장하는 것이 바람직하다. 이렇게하여, 모든 슬롯은 동일한 에너지 량을 복사한다.

정재파 모드에 있어서, 로드(78)은 사용되지 않고, 대신에 후방 벽(38)의 위치는 전자기파의 단락 회로를 형성하기 위해 마지막 행의 슬롯(40)의 중심을 지나서 관내 파장의 1/4(또는 1/4 파장의 홀수배) 정도 떨어져 배치된다. 그러므로, 전방으로 전파되는 전자기파의 일부분은 후방 벽(38)로부터 후방으로 다시 반사되어, 모든 출력이 슬롯(40)을 통해 도파관(26) 외부의 공간으로 복사되는 변화하는 정재파 비를 가지는 정재파를 생성하게 된다. 최대 정재파 비는 후방 벽(38)에서 발생하는데, 이 정재파 비는 슬롯(40)을 통해 파로부터 에너지를 얻어내기 때문에 전방 벽(36)에 인접한 도파관(26) 부분으로 갈수록 그 값이 강하된다. 안테나(20)의 구조는 모든 슬롯(40)이 동일한 크기로 제조될 수 있고 모든 슬롯(40)이 동일한 양의 전자기 에너지를 복사하는 공동의 구조와 유사하다.

그러나, 제9도에 도시된 바와 같이, 전자기 에너지의 비임(76)을 복사하기 위한 실제 경우에 있어서는 비임(76)을 성형하는데 유용한 원하는 진폭 테이퍼를 형성하기 위해 슬롯(40)의 크기 및 슬롯 통로(46)의 경사를 선택할 수 있는 진폭 테이퍼(amplitude taper)를 사용하는 것이 종종 바람직하다. 비임(76)은 안테나(20)의 상부의 넓은 벽(28)으로부터 넓은 측면으로 복사된다. 예를들어, 도파관(72)을 사용하여 소오스(70)를 안테나(20)에 결합함으로써 넓은 측면 비임(76)이 소오스(70)에 의해 방해받지 않는 편리한 장소에 소오스(70)을 배치시킬 수 있다.

발사대(56)의 구조에 있어서, 동작 모드의 선택이 또한 가능하다 즉, 진행파 모드 또는 정재파 모드를 사용하는 것이다. 진행파 모드의 경우에 있어서, 종단 로드(80)은 도파관(58)의 단부벽(66)의 전방에 배치되고, 단부벽(66)은 벽(36 및 60)사이, 및 넓은 벽(62 및 64) 사이로 연장된다. 그러므로, 도파관(58)의 입력 포트(68)에서 소오스(70)으로부터 입력된 에너지는 도파관(58) 아래로 단부벽(66)을 향해 전파되는데, 대부분의 에너지는 슬롯(74)를 통해 도파관(26)내로 결합되며, 나머지 에너지는 로드(80)에서 흡수된다. 다른 한가지 동작 모드에 있어서는, 로드(80)은 제거되고, 단부벽(66)은 입력 포트(68)을 향해 후방으로 전자기파를 반사시키기 위해 마지막 결합 슬롯(74)의 중심을 지나 관내 파장의 1/4(또는 1/4 파장의 홀수 배)쯤 떨어져 배치된다. 이는 단부벽(66)에 인접한 도파관(58)의 단부에서 최대 정재파 비를 갖는 정재파를 발생시키고, 정재파 비는 결합 슬롯(74)을 통해 파로부터 출력을 얻기 때문에 입력 포트(68)에 인접한 도파관(58)의 부분으로 갈수록 그 값이 떨어진다.

첫번째 행(22)의 슬롯(40)은 전방 벽(36)으로 부터 최소한 관내 파장의 1/4, 되도록이면 관내 파장의 1/2정도의 길이만큼 떨어져 있는데, 이는 각각의 결합 슬롯(74)로부터의 복사파가 결합하여 고차 모드의 TE파를 발생시키도록 해준다. 만약 필요할 경우(제1도 및 제2도에서 점선으로 도시된), 전기적으로 도전성인 벽(82)의 짧은 부분이 열(24)의 인접한 열 사이의 접촉 영역에 사용될 수 있다. 벽(82)는 관내 파장의 1/2만큼 전방 벽(36)으로부터 후방 벽(38)을 향해 외부로 연장된다. 벽(82)는 하부의 넓은 벽(30)에서 상부의 넓은 벽(28)까지의 높이로 연장되고, 벽들(30 및 36)에 고정되지만 상부의 넓은 벽(28)에는 고정되지 않는다. 벽(82)는 필요하다면, 고차 모드의 TE 파를 형성하기 위한 발사대(56)에 결합될 수 있다 ; 그러나, 벽(82)를 사용하지 않는 안테나(20)의 시험적인 모델로도 발사대(46)의 우수한 성능을 얻을 수 있었다.

본 발명의 상기 실시예는 단지 설명하기 위한 것에 불과하고, 본 기술 분야에 숙련된 자에 의해 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위에서 정해진 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

1. 내부의 전자기 에너지의 전파 방향으로 그 길이 방향으로 연장되는 제1 및 제2 2개의 대향하는 넓은 벽들 및 2개의 대향하는 측벽들을 구비하는 직사각형 횡단면의 도파관, 및 상기 제 1의 넓은 벽에 배치되고 행 및 열로 상기 제 1의 넓은 벽을 따라 배열되는 복사 소자들의 셋트를 포함하며, 상기 2개의 넓은 벽들이 밀폐된 공간을 정하기 위해 서로 떨어져 배치되고 상기 2개의 측벽들과 결합되며, 상기 넓은 벽들이 마이크로파 전자기 에너지의 TE 파 고차 모드를 유지하도록 측벽들의 높이 보다 여러 배 큰 폭을 가지며, 상기 열은 상기 측벽과 평행하고 상기 파들의 전계가 피크 값을 갖는 위치에 있으며, 상기 복사 소자들 각각이 상기 밀폐된 공간과 통하는 상기 도파관의 내부 표면상에 배치된 입력 포트 및 상기 내부 표면에 대향하는상기기 도파관의 외부 표면상에 있는 출력 포트를 구비하며, 상기 각각의 열 내에서, 상기 복사 소자들 각각의 출력 포트가 열의 중심선상에 배치되고, 상기 복사 소자들 각각의 입력 포트가 열의 중심선으로부터 변위된 오프셋 위치에 배치되며, 상기 각각의 열 내에서, 위치 어레이의 오프셋 위치가 교번되도록, 상기 연속적인 오프셋 위치들이 상기 내부 표면을 따른 변위에 의해 상기 열 중심선으로부터 상기 열 중심선의 우측 및 좌측으로 그 변위가 교번되며, 상기 연속적인 열에서, 공통 편파 및 위상을 갖고 있는 각각의 복사 소자로부터 복사된 신호를 출력하도록 상기 파의 자계 성분을 상기 도파관의 모든 복사 소자에 결합시키기 위해 연속적인 상기 복사 소자들의 입력 포트의 오프셋 위치가 교번되는 복사 소자의 행을 제공하기 위해 위치 어레이가 반전되는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 제1항에 있어서, 전자기 에너지를 상기 복사 소자를 지나 상기 도파관의 제1단부에 대향하는 상기 도파관의 제2단부쪽으로 향하게 하기 위해 상기 도파관의 제1단부에 배치되고, 모드의 차수가 상기 복사 소자의 열 수와 동일하게 되는 고차 모드의 전자기파를 발사하는 파 발사대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 복사 소자 각각이 상기 제1의 넓은 벽 내에 슬롯형 개구로서 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 복사 소자 각각의 슬롯형 개구가 단일 슬롯으로 구성되며, 상기 복사 소자 모두의 단일 슬롯들이 서로 평행한 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 발사대가 연속적인 열들 사이에서 상기 파에 대해 180°의 위상 편이(shift)를 발생시키고, 슬롯형 개구의 상기 슬롯들이 상기 측벽들과 평행한 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제3항에 있어서, 상기 제1의 넓은 벽이 상기 파의 자유 공간 파장의 약 1/16 내지 1/4의 범위 내에 있는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1의 넓은 벽의 깊이가 상기 파의 자유 공간 파장의 약 1/8인 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 제7항에 있어서, 상기 각각의 복사 소자들 내에 입력 포트와 출력 포트를 접속하는 실린더형 통로가 존재하는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제8항에 있어서, 상기 실린더형 통로가 경사진 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 제8항에 있어서, 상기 열들 각각에 배치된 복사 소자들의 실린더형 통로가 공통면으로 경사진 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 제4항에 있어서, 상기 복사 소자들의 슬롯 각각이 상기 파의 자유 공간 파장의 약 1/2의 길이를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 안테나.
12. 제11항에 있어서, 상기 슬롯 각각이 자유 공간 파장의 약 1/2의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
13. 제9항에 있어서, 상기 복사 소자들의 슬롯 각각이 상기 파의 자유 공간 파장의 약 1/2의 길이를 갖고 상기 슬롯 각각이 자유 공간 파장의 약 1/20의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 복사 소자들 내에 상기 출력 포트를 정하는 상기 도파관의 상기 외부 표면상에 상기 통로의 개방부가 존재하고, 상기 입력 포트를 정하는 상기 도파관의 상기 내부 표면상에 상기 통로의 개방부가 존재하는 것을 특징으로 하는 안테나.
15. 내부의 전자기 에너지의 전파 방향으로 그 길이 방향으로 연장되는 제1 및 제2 2개의 대향하는 넓은 벽들 및 2개의 대향하는 측벽들을 구비하는 직사각형 횡단면의 도파관, 및 상기 제1의 넓은 벽에 배치되고 행 및 열로 상기 제1의 넓은 벽을 따라 배열되는 복사 소자들의 셋트를 포함하며, 상기 2개의 넓은 벽들이 밀폐된 공간을 정하기 위해 서로 떨어져 배치되고 상기 2개의 측벽들과 결합되며, 상기 도파관이 TE 파를 유지하며, 상기 열은 상기 파의 전계가 피크 값을 갖는 위치에 있으며, 상기 복사 소자들 각각이 상기 밀폐된 공간과 통하는 상기 도파관의 내부표면상에 배치된 입력 포트 및 상기 내부 표면에 대향하는 상기 도파관의 외부 표면상에 있는 출력 포트를 구비하며, 상기 복사 소자들 각각의 출력 포트가 열의 중심선 상에 배치되고, 상기 복사 소자들 각각의 입력 포트가 열의 중심선으로부터 변위된 오프셋 위치에 배치되고, 위치 어레이의 오프셋 위치가 교번되도록, 상기 연속적인 오프셋 위치들이 상기 내부 표면을 따른 변위에 의해 상기 열 중심선으로부터 상기 열 중심선의 우측 및 좌측으로 그 변위가 교번되는 것을 특징으로 하는 안테나.
16. 제15항에 있어서, 상기 복사 소자들 각각이 상기 제1의 넓은 벽 내에 슬롯형 개구로서 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1의 넓은 벽이 상기 파의 자유 공간 파장의 약1/16 내지 1/4의 범위 내에 있는 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1의 넓은 벽의 깊이가 상기 파의 자유 공간 파장의 약 1/8인 것을 특징으로 하는 안테나.
19. 제18항에 있어서, 상기 각각의 복사 소자들 내에 입력 포트와 출력 포트를 접속하는 실린더형 통로가 존재하는 것을 특징으로 하는 안테나.
20. 제19항에 있어서, 상기 복사 소자들 각각의 실린더형 통로들이 평행한 면으로 경사지는 것을 특징으로 하는 안테나.

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