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KR102224626B1 - 도파관 슬롯 어레이 안테나 - Google Patents

도파관 슬롯 어레이 안테나 Download PDF

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Publication number
KR102224626B1
KR102224626B1 KR1020190163000A KR20190163000A KR102224626B1 KR 102224626 B1 KR102224626 B1 KR 102224626B1 KR 1020190163000 A KR1020190163000 A KR 1020190163000A KR 20190163000 A KR20190163000 A KR 20190163000A KR 102224626 B1 KR102224626 B1 KR 102224626B1
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KR
South Korea
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waveguide
slot
slots
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interval
Prior art date
Application number
KR1020190163000A
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English (en)
Inventor
이재곤
박상현
Original Assignee
경남대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
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    • H01Q21/005—Slotted waveguides arrays
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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

도파관 슬롯 어레이 안테나가 개시된다. 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나는, 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍을 포함하는 제1 도파관 및 상기 길이 방향을 기준으로 상기 제1 간격으로 형성되며, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되는 하나 이상의 제2 슬롯 쌍을 포함하는 제2 도파관을 포함한다.

Description

도파관 슬롯 어레이 안테나{WAVEGUIDE SLOT ARRAY ANTENNA}
개시되는 실시예들은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중편파 방사가 가능한 도파관 슬롯 어레이 안테나와 관련된다.
기존의 레이더, 군사위성용 이중편파 고이득 안테나는 사각 도파관형 2차원 구조의 슬롯 어레이 안테나를 이용하여 설계되었다. 사각 도파관형 2차원 구조의 슬롯 어레이 안테나는 구조적으로 간단하다는 장점이 있지만, 넓은 면적으로 설계되어야 하는 단점이 있다. 이때, 부분 H 평면(partial H-Plane)형 도파관을 이용하여 2차원 구조의 슬롯 어레이 안테나를 설계하면, 초소형 면적을 가지는 안테나를 설계함으로써 상술한 단점을 보완할 수 있다.
그러나, 현재까지의 부분 H 평면형 도파관을 이용한 2차원 구조의 슬롯 어레이 안테나는 단일편파 방사만 가능하다. 또한, 기존에는 이중편파 방사를 위해 적층 구조의 급전부가 필요하기 때문에, 안테나의 면적뿐만 아니라 높이도 커지게 되는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2003-0031585호 (2003.04.23. 공개)
개시되는 실시예들은 두 가지 방향의 슬롯을 이용하여 이중편파 방사가 가능한 도파관 슬롯 어레이 안테나를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나는, 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍을 포함하는 제1 도파관 및 상기 길이 방향을 기준으로 상기 제1 간격으로 형성되며, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되는 하나 이상의 제2 슬롯 쌍을 포함하는 제2 도파관을 포함한다.
상기 제1 간격은, λg이고, 상기 제2 간격은, 0.5λg이며, 상기 λg는, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관에서 전파되는 전기장의 파장일 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 및 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍은, 각각 길이 방향으로 형성된 길이 방향 슬롯 및 상기 길이 방향에 수직하는 폭 방향으로 형성된 폭 방향 슬롯을 포함할 수 있다.
상기 길이 방향 슬롯과 상기 폭 방향 슬롯은 'L' 자형으로 형성될 수 있다.
상기 길이 방향 슬롯 및 상기 폭 방향 슬롯 각각의 길이는 λ0이고, 상기 λ0는, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관의 외부로 방사되는 전기장의 파장일 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍에 포함된 길이 방향 슬롯은, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍 중 하나에 포함된 길이 방향 슬롯의 위치와 상기 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되고, 상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍에 포함된 폭 방향 슬롯은, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍 중 하나에 포함된 폭 방향 슬롯의 위치와 상기 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다.
개시되는 실시예들에 따르면, 길이 방향을 기준으로 제1 도파관에 포함된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 각각이 제2 도파관에 포함된 하나 이상의 제2 슬롯 쌍 중 하나와 특정 간격만큼 이격된 위치에 형성되도록 함으로써, 제1 슬롯 쌍과 제2 슬롯 쌍 사이의 간격이 반파장이 되도록 형성되어 안테나에서 발생되는 사이드 로브 레벨(side lobe level)을 최소화시킬 수 있다.
또한, 부분 H 평면(partial H-Plane)형 도파관을 이용한 초소형 이중편파 고이득 평판 안테나가 개발되면, 국방산업에 활용할 수 있는 레이더에 적용할 수 있고, 5G 이동통신, 위성통신 등 다양한 애플리케이션에 확장이 가능하므로 차세대 어레이 안테나 기술 저변을 확대할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나의 사시도
도 2는 일 실시예에 따른 2차원 구조의 도파관 슬롯 어레이 안테나의 사시도
도 3은 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나의 반사 계수를 나타낸 그래프
도 4 및 5는 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나의 방사 패턴을 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 이에 제한되지 않는다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 또한, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)는 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)을 포함한다.
이때, 도파관은 마이크로파 이상의 높은 주파수 대역에서 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로이다.
일 실시예에서, 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)은 부분 H 평면(partial H-plane)형 도파관일 수 있다.
부분 H 평면형 도파관은 내부에 H 평면과 평행한 방향으로 금속 격벽이 삽입된 것일 수 있다. 금속 격벽은 폭이 좁고, 도파관의 높이보다 낮게 형성된 것일 수 있다. 이때, 도파관의 길이 방향을 y축, 도파관의 폭 방향을 x축, 도파관의 높이 방향을 z축이라고 가정하면, H 평면은 y-z축을 기준으로 형성되는 평면일 수 있다.
부분 H 평면형 도파관은 기존의 구형(rectangular) 도파관과 비교하여 도파관의 단면적을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.
제1 도파관(110)은 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111)을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 간격은 λg일 수 있다. 이때, λg는 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)에서 전파되는 전기장의 파장이다.
슬롯은 도파관의 상단 면에 형성된 구멍이다.
제2 도파관(130)은 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성되며, 각각 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111) 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되는 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131)을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 슬롯 쌍(111) 및 제2 슬롯 쌍(131)은 각각 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향으로 형성된 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1) 및 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향에 수직하는 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 폭 방향으로 형성된 폭 방향 슬롯(111-1, 131-3)을 포함할 수 있다.
이때, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)은 슬롯의 길이가 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향으로 형성된 슬롯일 수 있다. 이 경우, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)은 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 폭 방향으로 전기장을 방사할 수 있다.
폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 슬롯의 길이가 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 폭 방향으로 형성된 슬롯일 수 있다. 이 경우, 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향으로 전기장을 방사할 수 있다.
예를 들어, 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 폭 방향을 x축, 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향을 y축 및 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 높이 방향을 z축이라 가정하면, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)은 y축 방향으로 형성된 슬롯이고, 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 x축 방향으로 형성된 슬롯일 수 있다. 이 경우, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)은 x축 방향으로 전기장을 방사하고, 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 y축 방향으로 전기장을 방사할 수 있다.
일 실시예에서, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1) 및 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3) 각각의 길이는 λ0일 수 있다. 이때, λ0는 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 외부로 방사되는 전기장의 파장이다.
또한, 일 실시예에서, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)과 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 'L' 자형으로 형성될 수 있다.
따라서, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)과 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)이 'L' 자형으로 형성됨으로써, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1) 및 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)에서 각각 x축 방향의 전기장 및 y축 방향의 전기장을 동시에 방사하여 이중편파 방사가 가능하다.
또한, 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3)은 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향을 기준으로 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 중앙 부분에 위치하고, 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)은 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 길이 방향을 기준으로 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 가장자리 부분에 위치할 수 있다.
이에 따라, 폭 방향 슬롯(111-3, 131-3) 및 길이 방향 슬롯(111-1, 131-1)을 상술한 예와 같이 위치시킴으로써, 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)의 상단 면에 흐르는 전류의 흐름에 대한 방해가 잘 일어나도록 하여 이중편파 방사가 원활하게 발생될 수 있다.
한편, 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131)은 각각 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111) 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성된다.
이때, 일 실시예에서, 제2 간격은 0.5λg일 수 있다.
구체적으로, 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)은 각각 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111) 및 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131)을 포함하며, 길이 방향을 기준으로 제1 슬롯 쌍(111)과 제2 슬롯 쌍(131)은 서로 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111)과 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131)은 길이 방향을 기준으로 서로 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성됨으로써, 전체적으로 지그재그 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111)에 포함된 길이 방향 슬롯(111-1)은 각각 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131) 중 하나에 포함된 길이 방향 슬롯(131-1)의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111) 중 하나에 포함된 길이 방향 슬롯(111-1)은 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131) 중 하나에 포함된 길이 방향 슬롯(131-1)의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 제1 도파관(110)에 포함된 하나 이상의 길이 방향 슬롯(111-1)과 제2 도파관(130)에 포함된 하나 이상의 길이 방향 슬롯(131-1)은 길이 방향을 기준으로 서로 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성됨으로써, 전체적으로 지그재그 형태로 생성될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111)에 포함된 폭 방향 슬롯(111-3)은 각각 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131) 중 하나에 포함된 폭 방향 슬롯(131-3)의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111) 중 하나에 포함된 폭 방향 슬롯(111-3)은 길이 방향을 기준으로 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131) 중 하나에 포함된 폭 방향 슬롯(131-3)의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 제1 도파관(110)에 포함된 하나 이상의 폭 방향 슬롯(111-3)과 제2 도파관(130)에 포함된 하나 이상의 폭 방향 슬롯(131-3)은 길이 방향을 기준으로 서로 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성됨으로써, 전체적으로 지그재그 형태로 생성될 수 있다.
이에 따라, 하나 이상의 제1 슬롯 쌍(111)과 하나 이상의 제2 슬롯 쌍(131)은 길이 방향을 기준으로 서로 제2 간격만큼 이격된 형성됨으로써, 안테나에서 발생되는 사이드 로브 레벨(side lobe level)을 최소화시킬 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 2차원 구조의 도파관 슬롯 어레이 안테나(200)의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 2차원 구조의 도파관 슬롯 어레이 안테나(200)는 폭 방향을 기준으로 배치된 복수의 도파관 쌍을 포함한다.
이때, 복수의 도파관 쌍은 각각 도 1에 도시된 제1 도파관(110) 및 제2 도파관(130)을 포함할 수 있다.
복수의 도파관 쌍에 포함된 도파관들은 각각 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성되는 하나 이상의 슬롯 쌍을 포함할 수 있다.
이때, 각 도파관에 포함된 하나 이상의 슬롯 쌍은 각각 길이 방향 슬롯 및 폭 방향 슬롯을 포함할 수 있다.
또한, 각 도파관에 포함된 하나 이상의 슬롯 쌍은 각각 길이 방향을 기준으로 인접한 도파관에 포함된 하나 이상의 슬롯 쌍 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 따라서, 각 도파관에 포함된 하나 이상의 슬롯 쌍은 전체적으로 지그재그 형태로 형성될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나의 반사 계수를 나타낸 그래프이다.
도 3에서, 그래프의 가로축은 주파수를 의미하고, 그래프의 세로축은 반사 계수를 의미한다.
도 3을 참조하면, 동작 주파수인 11.5GHz에서 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)의 반사 계수가 -15.82dB이다.
따라서, 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)의 반사 특성이 좋다는 것을 확인할 수 있다.
도 4 및 5는 일 실시예에 따른 도파관 슬롯 어레이 안테나의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 4는 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)에서 x축 방향으로 방사되는 전기장의 방사 패턴을 나타낸 그래프이고, 도 5는 도파관 슬롯 어레이 안테나에서 y축 방향으로 방사되는 전기장의 방사 패턴을 나타낸 그래프이다. 이때, x축 방향은 도파관의 폭 방향을 의미하고, y축은 도파관의 길이 방향을 의미한다.
도 4 및 5에서, 그래프의 세로축은 이득을 의미하고, 그래프의 외각에 표시된 수치는 방사 각도를 의미한다. 또한, 실선은 y-z 평면으로 방사되는 전기장을 의미하고, 점선은 x-z 평면으로 방사되는 전기장을 의미한다.
도 4 및 5를 참조하면, 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)에서 x축 방향으로 방사되는 전기장의 방사 패턴과 y축으로 방사되는 전기장의 방사 패턴이 유사하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 제1 슬롯 쌍 및 제2 슬롯 쌍에 포함된 'L' 자형으로 형성된 길이 방향 슬롯 및 폭 방향 슬롯은 각각 유사한 방사 패턴의 전기장을 방사할 수 있다.
따라서, 도파관 슬롯 어레이 안테나(100)는 'L' 자형으로 형성된 길이 방향 슬롯 및 폭 방향 슬롯 각각에서 유사한 방사 패턴의 전기장을 방사함으로써, 이중편파 방사가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 중심으로 기술적 특징들을 설명하였다. 하지만, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한고, 권리 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 도파관 슬롯 어레이 안테나
110: 제1 도파관
111: 제1 슬롯 쌍
111-1: 제1 슬롯 쌍에 포함된 길이 방향 슬롯
111-3: 제1 슬롯 쌍에 포함된 폭 방향 슬롯
130: 제2 도파관
131: 제2 슬롯 쌍
131-1: 제2 슬롯 쌍에 포함된 길이 방향 슬롯
131-3: 제2 슬롯 쌍에 포함된 폭 방향 슬롯
200: 2차원 구조의 도파관 슬롯 어레이 안테나

Claims (6)

  1. 길이 방향을 기준으로 제1 간격으로 형성된 하나 이상의 제1 슬롯 쌍을 포함하는 제1 도파관;
    상기 길이 방향을 기준으로 상기 제1 간격으로 형성되며, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 중 하나의 위치와 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되는 하나 이상의 제2 슬롯 쌍을 포함하는 제2 도파관; 및
    상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관 내에서 상기 제1 슬롯 쌍 및 상기 제2 슬롯 쌍이 형성된 평면과 각각 수직하게 삽입되고, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관의 높이보다 낮게 형성되는 금속 격벽을 포함하고,
    상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍 및 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍은, 각각 길이 방향으로 형성된 길이 방향 슬롯 및 상기 길이 방향에 수직하는 폭 방향으로 형성된 폭 방향 슬롯을 포함하며,
    상기 길이 방향 슬롯은 상기 길이 방향을 기준으로 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관의 가장자리 부분에 위치하고, 상기 폭 방향 슬롯은 상기 길이 방향을 기준으로 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관의 중앙 부분에 위치하며,
    상기 제1 간격은, λg이고, 상기 제2 간격은, 0.5λg이며, 상기 λg는, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관에서 전파되는 전기장의 파장이고,
    상기 길이 방향 슬롯 및 상기 폭 방향 슬롯 각각의 길이는 λ0이고, 상기 λ0는, 상기 제1 도파관 및 상기 제2 도파관의 외부로 방사되는 전기장의 파장인, 도파관 슬롯 어레이 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍에 포함된 길이 방향 슬롯은, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍 중 하나에 포함된 길이 방향 슬롯의 위치와 상기 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되고,
    상기 하나 이상의 제1 슬롯 쌍에 포함된 폭 방향 슬롯은, 각각 상기 길이 방향을 기준으로 상기 하나 이상의 제2 슬롯 쌍 중 하나에 포함된 폭 방향 슬롯의 위치와 상기 제2 간격만큼 이격된 위치에 형성되는 도파관 슬롯 어레이 안테나.
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