슬롯 안테나

슬롯 안테나(slot antenna)는 일반적으로 평평한 판인 금속 표면에 하나 이상의 구멍 또는 슬롯이 잘려 있는 형태이다.^[1] 판이 인가된 무선주파수 전류에 의해 안테나로 급전될 때, 슬롯은 다이폴 안테나와 유사한 방식으로 전자기파를 방출한다. 슬롯의 모양과 크기, 그리고 구동 주파수가 방사 패턴을 결정한다. 슬롯 안테나는 일반적으로 극초단파 및 마이크로파 주파수에서 사용되며, 이 주파수에서는 파장이 충분히 작아 판과 슬롯이 편리하게 작다. 이러한 주파수에서 전파는 종종 도파관에 의해 전달되며, 안테나는 도파관의 슬롯으로 구성된다. 이를 슬롯형 도파관 안테나(slotted waveguide antenna)라고 한다. 여러 개의 슬롯은 지향성 안테나 배열 안테나 역할을 하며 좁은 부채꼴 모양의 마이크로파 빔을 방출할 수 있다. 이것은 연구용 표준 실험실 마이크로파 소스, UHF 텔레비전 송신 안테나, 미사일 및 항공기 안테나, 셀룰러 기지국용 섹터 안테나, 특히 해상 레이더 안테나에 사용된다. 슬롯 안테나의 주요 장점은 크기, 설계 단순성, 그리고 도파관 또는 PC 보드 기술을 사용하여 대량 생산에 편리하게 적용할 수 있다는 것이다.

선박의 X-밴드 슬롯형 도파관 해상 레이더 안테나, 8~12 GHz. 안테나는 좁은 수직 부채꼴 모양의 마이크로파 빔을 방출하며, 회전할 때마다 선박 주변의 360° 수면 전체를 스캔한다.

플라스틱 레이돔의 일부를 제거한 유사한 해상 레이더 안테나의 단면으로, 도파관의 슬롯을 보여준다.

슬롯형 안테나를 사용하는 Kh-35 대함 미사일의 미사일 시커.

구조

슬롯형 배열 UHF 텔레비전 방송 안테나

1946년 H. G. 부커가 보여주었듯이, 광학의 바비네의 원리에 따르면 금속판 또는 도파관의 슬롯은 슬롯과 동일한 모양의 급전 막대 안테나와 동일한 방사 패턴을 가지며, 전기장 및 자기장 방향이 서로 교환된다. 안테나는 전기 다이폴 대신 자기 다이폴이다. 자기장은 슬롯의 긴 축에 평행하고 전기장은 수직이다. 따라서 슬롯의 방사 패턴은 다이폴 안테나와 같은 막대 요소 안테나에 사용되는 잘 알려진 동일한 방정식으로 계산할 수 있다. 파동은 슬롯 축에 수직으로 선형 편파된다. 파장 길이까지의 슬롯은 표면에 수직으로 최대 방사선을 갖는 단일 주 로브를 가진다.

도파관에 여러 개의 평행 슬롯으로 구성된 안테나는 널리 사용되는 배열 안테나이다. 이들은 해당 선형 다이폴 안테나 배열과 유사한 방사 패턴을 가지지만, 슬롯은 도파관 표면의 한쪽에만 방사할 수 있다. 즉, 주변 공간의 180°이다. 널리 사용되는 두 가지 유형이 있다.

종방향 슬롯형 도파관 안테나

슬롯의 축이 도파관의 축에 평행한다. 이것은 콜리니어 안테나 배열과 유사한 방사 패턴을 가지며, 일반적으로 수직으로 장착된다. 방사 패턴은 슬롯 앞의 180° 방위각에 걸쳐 안테나에 수직인 수평면에서 거의 무지향성이지만 수직면에서는 좁고, 슬롯 수의 두 배마다 수직 이득이 약 3 dB 증가한다. 방사선은 수평으로 편파된다. UHF 텔레비전 방송국용 수직 무지향성 송신 안테나에 사용된다. 방송용으로는 원통형 또는 반원형 도파관이 여러 측면에 여러 개의 슬롯 열을 잘라내어 360° 무지향성 방사 패턴을 제공한다.

횡방향 슬롯형 도파관 안테나

슬롯은 도파관 축에 거의 수직이지만 작은 각도로 기울어져 있으며, 번갈아 가며 슬롯이 반대 각도로 기울어져 있다. 이것은 안테나에 수직인 평면에서 다이폴 패턴을 방사하고, 안테나 평면에서 매우 날카로운 빔을 방사한다. 가장 큰 용도는 마이크로파 해상 레이더 안테나이다. 안테나는 수직 축을 중심으로 안테나를 회전시키는 기계식 구동 장치에 수평으로 장착되어, 매 회전마다 선박 주변 수면의 수평선까지 안테나의 수직 부채꼴 빔을 360° 스캔한다. 빔의 넓은 수직 확산은 악천후에도 선박과 안테나 축이 파도에 의해 넓은 각도로 흔들리더라도 레이더 빔이 수면을 놓치지 않도록 보장한다.

역사

슬롯 안테나는 EMI에서 근무하던 앨런 블럼라인이 1938년에 발명했다. 그는 수평 편파, 무지향성 수평 방사 패턴 및 좁은 수직 방사 패턴을 갖는 VHF 텔레비전 방송용 실용적인 유형의 안테나를 만들기 위해 이를 발명했다.^[2][3]

지표 탐색 레이더에 사용되기 전에는 포물선형 세그먼트 반사경 또는 "치즈 안테나"를 사용했다. 슬롯형 도파관 안테나는 제2차 세계 대전 중 맥길 대학교와 캐나다 국립 연구 위원회가 수행한 협력 레이더 연구의 결과였다.^[4] 맥길 대학교의 공동 발명가인 W.H. 왓슨과 어니스트 윌못 곱틸은 1951년에 "마이크로파용 지향성 안테나"로 묘사된 이 장치에 대한 미국 특허를 받았다.^[5]

2.4GHz용 슬롯형 도파관 안테나.

기타 용도

관련 응용 분야에서, 소위 누설 도파관은 특정 고속철도 응용 분야에서 철도 차량 위치를 결정하는 데에도 사용된다. 이들은 주로 열차가 역에서 정차할 때 정확한 열차 위치를 결정하여 출입문 위치가 승강장의 대기 지점 또는 두 번째 안전문(제공되는 경우)과 올바르게 정렬되도록 하는 데 사용된다.

같이 보기

• 마이크로파 복사계 (주노) (슬롯 배열 안테나를 가짐)
• RIMFAX (화성 탐사선 레이더는 슬롯 안테나 디자인을 가짐)