KR100284501B1 - 전자레인지의 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트론에서 발생된 전자파를 적어도 세 개 이상의 슬롯이 형성된 방형 도파관을 통해 원편파로 방사하도록 한 전자레인지의 슬롯 안테나에 관한 것이다.

개시된 본 발명은, 가속 고전압에 의해 발진하는 마그네트론에서 발생된 전자파를 음식물이 가열·조리되는 캐비티 내로 안내하는 도파관과, 이 도파관의 캐비티와의 접촉면에 전자파가 진행하는 방향으로 형성된 제1 슬롯과, 이 제1 슬롯에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 형성된 제2 슬롯과, 제1 슬롯과 제2 슬롯과의 사이에 소정의 각도로 형성된 제3 슬롯을 포함하며,

이에 따라, 슬롯을 자유롭게 설계할 수 있고 도파관의 크기를 쉽게 축소할 수 있어서 슬롯 안테나와 캐비티와의 결합 시에 결합 자유도가 높아 지며, 도파관에 다수의 슬롯이 형성되므로 슬롯에 걸리는 전류가 최소화되어 전류 손실에 의해 슬롯 주위가 변색될 우려가 배제되는 이점이 있다.

Description

전자레인지의 슬롯 안테나{Slot antenna for microwave oven}

본 발명은 전자레인지의 슬롯 안테나(Slot antenna)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마그네트론에서 발생된 전자파를 적어도 세 개 이상의 슬롯이 형성된 방형 도파관(Waveguide)을 통해 원편파로 방사하도록 한 전자레인지의 슬롯 안테나에 관한 것이다.

주지와 같이, 전자레인지는 대전력 전자파 에너지를 이용하는 조리기기로서, 자극의 자계에 의해 공동 공진기 내에서 전자가 회전 운동을 하여 그 에너지를 발진 출력하는 마그네트론으로부터 마이크로파를 얻고 있다.

도 1은 상기와 같이 마그네트론이 적용된 일반적인 전자레인지의 구성도이고, 도 2는 슬롯 안테나의 구조도로서, 마그네트론(1)에 가속용 전압, 예컨대 4.2㎸가 인가되면 안테나에서 매우 높은 주파수, 예컨대 2.45㎓의 에너지를 발생시키며, 이 전자파가 슬롯 안테나(2)의 방형 도파관(2a)을 거쳐 슬롯(2b)을 통해 캐비티(3) 내의 조리실로 안내·방사되어 음식물(4)이 가열·조리되고, 이와 아울러 턴테이블(5)이 회전되어 음식물(4)이 균일하게 조리되도록 한다.

한편, 전자레인지의 성능을 평가하는데 있어서 가장 기준이 되는 것은 음식물을 얼마만큼 균일하게 조리할 수 있는 가, 즉 균일가열 성능으로 단언할 수 있다.

그런데, 마그네트론에서 발생되는 전자파는 근본적으로 진행방향에 대해 편파면이 일정한 직선편파이므로, 이러한 경우에 음식물의 균일가열 성능을 높이는데 있어서는 캐비티 내의 전자파 간섭 효과로 인한 제약이 따른다.

상기 직선편파는 전자계가 일정한 방향으로 향하는 편파면이 시간적으로 일정한 전자파를 말하고 있다. 즉 전자파의 간섭으로 인하여 전자파가 강한 부분(hot point)과 약한 부분(weak point)이 발생하고, 이와 같은 조건에 따라 균일가열 성능을 높이는 데 있어서는 한계가 있는 것이다.

따라서, 근래에는 직선편파와는 달리 전계의 편파면이 전파의 진행방향에 대하여 시간에 따라 회전하는 원편파가 적용된 전자레인지가 다수 안출되고 제품화되는 추세이다.

본 출원인은 대한민국 특허출원 98년 제12150호와 98년 제28215호 및 98년 제28216호에서 상기와 같은 원편파를 방사하는 전자레인지의 슬롯 안테나를 제안한 바 있다.

상기한 출원 명세서에 제시된 슬롯 안테나의 구조는, 방형 도파관에 형성된 두 개의 슬롯에 의한 두 편파, 즉 제1 슬롯에 의한 수평편파와 제2 슬롯에 의한 수직편파와의 합성으로 원편파가 형성되어 캐비티 내로 방사된다.

이와 같이 캐비티 내로 방사되는 원편파의 전계 방향은 시간에 따라 주기적으로 그 분포를 달리하므로 캐비티 내에서의 반사각 역시 계속해서 바뀌게 되어 보다 넓은 범위에 걸쳐 전자파가 흩뿌려지므로 음식물이 고르게 가열된다.

전술한 바와 같이 원편파를 형성하는 전자레인지의 슬롯 안테나는 방형 도파관에 수평 방향과 수직 방향으로 두 개의 슬롯이 형성됨을 알 수 있다.

그런데, 상기와 같은 슬롯 안테나를 전자레인지에 적용하면 음식물의 균일가열 성능은 크게 향상되나, 슬롯의 설계 자유도가 높지 못하며 도파관의 크기를 축소시키기 어려워 슬롯 안테나와 캐비티와의 결합 시에 결합 자유도가 그리 높지 않았다.

또한, 슬롯에 걸리는 강한 전류의 흐름으로 전류 손실이 열로 변하여, 경우에 따라서는 슬롯 주위가 변색되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 미비점을 보완하기 위한 전자레인지의 슬롯 안테나로서, 마그네트론에서 발생된 전자파를 적어도 세 개 이상의 슬롯이 형성된 방형 도파관을 통해 원편파로 방사함으로써,

첫째: 슬롯을 자유롭게 설계 가능하게 하고,

둘째: 도파관의 크기를 축소하기 쉽도록 하며,

셋째: 슬롯에 걸리는 전류가 최소화되도록 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 전자레인지의 구성도이고,

도 2는 도 1에 도시된 슬롯 안테나의 구조도이며,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 3b는 정면도이며, 도 3c는 전자파의 페이서도이고,

도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 슬롯 안테나에서 발생되는 전자파의 페이서도이며,

도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 슬롯 안테나에서 발생되는 전자파의 편파 특성을 결정하는 인자들을 표시한 도면이고,

도 6은 종래 기술에 의한 직선편파와 본 발명에 의한 원편파의 시간에 따른 전계 방향을 나타낸 도면이며,

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 7b는 정면도이며, 도 7c는 전자파의 페이서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200 : 슬롯 안테나101,201 : 방형 도파관

102,202 : 제1 수평슬롯103,203 : 제2 수평슬롯

104,204 : 제1 수직슬롯205 : 제2 수직슬롯

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자레인지의 슬롯 안테나는, 가속 고전압에 의해 발진하는 마그네트론에서 발생된 전자파를 이용하여 캐비티 내의 음식물을 가열·조리하는 전자레인지에 있어서:

(1) 상기 전자파를 상기 캐비티 내로 안내하는 도파관;

(2) 상기 도파관의 상기 캐비티와의 접촉면에 상기 전자파가 진행하는 방향으로 형성된 제1 슬롯;

(3) 상기 제1 슬롯에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 형성된 제2 슬롯;

(4) 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯과의 사이에 소정의 각도로 형성된 제3 슬롯을 포함한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 슬롯에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 형성된 제4 슬롯을 더 포함한 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 제3 슬롯은 상기 제1 슬롯의 중심축에 대해 직각으로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 제3 슬롯은 상기 제1 슬롯의 중심축에 대해 45°내지 135°의 범위 내에서 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 제3 슬롯의 중심은 상기 제1 슬롯의 길이 범위 내에 위치된 것을 특징으로 한다.

이와 같이하면, 제1 슬롯 및 제2 슬롯을 통해 방사되는 전자파의 합성으로 수평편파가 발생되며, 제3 슬롯을 통해 방사되는 수직편파와의 전체 합성 또는 제3 슬롯 및 제4 슬롯을 통해 방사되는 전자파의 합성으로 발생된 수직편파와의 전체 합성으로 원편파 또는 타원편파가 형성되어 캐비티 내로 방사됨을 알 수 있다.

그 결과, 슬롯을 자유롭게 설계할 수 있고 도파관의 크기를 쉽게 축소할 수 있어서 슬롯 안테나와 캐비티와의 결합 시에 결합 자유도가 높아 진다.

그리고, 도파관에 다수의 슬롯이 형성되므로 슬롯에 걸리는 전류가 최소화되어 전류 손실에 의해 슬롯 주위가 변색될 우려가 배제되는 이점이 있다.

본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 따른 전자레인지의 슬롯 안테나를 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 3b는 정면도이며, 도 3c는 전자파의 페이서도이다.

이에 도시된 슬롯 안테나(100)는, 마그네트론(도시 생략됨)으로부터 발생된 전자파를 캐비티(도시 생략됨) 내로 안내하는 방형 도파관(101)의 캐비티와의 접촉면에 전자파가 진행하는 방향으로 제1 수평슬롯(102)이 형성되며, 이 제1 수평슬롯(102)에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 제2 수평슬롯(103)이 형성되고, 제1 수평슬롯(102)과 제2 수평슬롯(103)과의 사이에 소정의 각도로 제1 수직슬롯(104)이 형성된다.

도면 중 미설명 부호 105는 마그네트론의 안테나와 삽입 결합되는 결합구이다.

이와 같이 구성된 상태에서 마그네트론으로부터 발생된 전자파가 슬롯 안테나(100) 내로 토출되면 방형 도파관(101)에 의해 안내되어 제1, 2 수평슬롯(102,103) 및 제1 수직슬롯(104)을 통해 캐비티 내로 방사되어 음식물을 가열·조리하게 된다.

이때, 방형 도파관(101)에 제1, 2 수평슬롯(102,103)을 전자파의 진행 방향과 평행하게 배열하고 제1 수직슬롯(104)을 직각 또는 임의 각으로 배열함으로써, 세 개의 슬롯(102,103,104)으로 토출되는 전자파는 평면파 간의 합성으로 원편파(또는 타원편파)가 형성되어 캐비티 내로 방사된다.

즉, 제1 수평슬롯(102)과 제2 수평슬롯(103)에서 토출되는 전자파의 합성으로 수평편파가 발생되고, 제1 수직슬롯(104)에서 토출되는 전자파가 수직편파로 발생되며, 수평편파와 수직편파의 전체 합성으로 원편파가 합성된다.

원편파는 종래 기술에서 언급한 바와 같이 직선편파와는 달리 전계의 편파면이 전파의 진행 방향에 대하여 시간에 따라 회전하는 전파로서, 캐비티 내로 방사되는 전자파가 원편파로 형성되면 전계의 방향이 시간에 따라 계속하여 바뀌므로 캐비티 내에서의 반사각 역시 계속하여 바뀌게 되어 보다 넓은 범위에 걸쳐 전파가 흩뿌려지게 되어 음식물을 고르게 가열할 수 있다.

이하에서는 원편파의 형성원리를 간략하게 설명하기로 한다.

먼저, 임의의 방향으로 진행하는 평면파는 그 진행 방향에 대해 수직한 면에서의 전자계 벡터의 합으로 나타낼 수 있다.

지금 Z축의 정(正)의 방향으로 진행하는 파를 가정하면 아래의 수학식 1과 수학식 2와 같은 두 개 파의 합성으로 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1과 수학식 2를 합성하면 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

위의 식에서 E₁과 E₂및 θ의 조건에 따라 여러 가지 형태의 평면파를 나타낼 수 있다.

만약, E₁= E₂= E₀, θ = 0 이면 아래의 수학식 4와 같이 표현되고,

이는 전계 벡터가 X축과 45°의 각을 이루고, 그 크기는 E = E₀cos(ωt)인 직선편파를 나타내며, 이를 페이서도로 나타내면 도 4a와 같다.

만약, E₁= E₂= E₀, θ = π/4 이면, 그 때의 전계 벡터의 크기 및 위상은 아래의 수학식 5와 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

위의 식을 보면 위상차 θ에 의해 전계의 벡터 방향이 시간에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전한다는 것을 알 수 있다.

한편, 방형 도파관(101)에서 발생되는 전자파의 편파 특성은 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같은 제1 수평슬롯(102)과 제2 수평슬롯(103) 및 제1 수직슬롯(104)의 배치 상태에 따라 변화된다.

이와 같은 인자들은, 제1 수평슬롯의 길이(L1), 제2 수평슬롯의 길이(L2), 제1 수평슬롯의 폭(W1), 제2 수평슬롯의 폭(W2), 제1 수직슬롯의 길이(L3), 제1 수직슬롯의 폭(W3), 제1 수평슬롯과 제1 수직슬롯과의 간격(G1), 제2 수평슬롯과 제1 수직슬롯과의 간격(G2), 제1 수직슬롯의 위치(P), 제1 수직슬롯의 각도(α)가 있으며, 이들 인자의 조합에 따라 직선편파(수평편파, 수직편파) 성분의 크기와 위상차, 임피던스 등을 조절할 수 있고, 마그네트론과 방형 도파관(101) 및 캐비티 사이의 정합도 조절이 가능하다.

여기서, 도 5b의 경우에는 제1 수직슬롯(104)의 중심선이 제1 수평슬롯(102)과 제2 수평슬롯(103)의 양단부를 벗어나지 않아야 하며, 그 기울기는 보통 30°이내로 설계되어 제1 수직슬롯(104)은 제1 수평슬롯(102)의 중심축에 대해 45°내지 135°의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.

일 예로서, 제1 수평슬롯의 길이(L1)는 공진 길이보다 짧게(L1 ＜ λ/4)하고, 제2 수평슬롯의 길이(L2)는 공진 길이보다 길게(L2 ＞ λ/4)하며, 제1 수직슬롯의 길이(L3)는 공진 길이(L3 ≒ λ/4)로 하면서 제1, 2 수평슬롯()과는 수직으로 설계하면, 도 3c에 도시된 바와 같이 제1 수직슬롯(104)의 위상은 y축 방향으로 서고, 제1 수평슬롯(102)과 제2 수평슬롯(103)과의 벡터합으로 표현되는 위상은 x축 방향으로 서게 되어, 수직편파와 수평편파의 위상차를 조절할 수 있다.

이때, 위상차가 90°이고 크기를 같게 조절하면 원편파를 얻을 수 있고, 수직편파와 수평편파의 크기가 차이가 나고 위상차가 90°가 아닌 임의 값을 갖도록 조절하면 타원편파를 얻을 수 있다.

이와 같이 합성된 원편파를 페이서로 표시하면 도 4b와 같이 도시되며, 시간에 따라 전계의 방향이 x-y 평면상에서 회전하여 계속 변하는 것을 알 수 있다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 원편파 (가)는 직선편파 (나)와는 달리 전계의 편파면이 전파의 진행 방향에 대하여 시간에 따라 2π의 주기로 회전된다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 슬롯 안테나의 사시도이고, 도 7b는 정면도이며, 도 7c는 전자파의 페이서도이다.

이에 도시된 슬롯 안테나(200)는, 마그네트론(도시 생략됨)으로부터 발생된 전자파를 캐비티(도시 생략됨) 내로 안내하는 방형 도파관(201)의 캐비티와의 접촉면에 전자파가 진행하는 방향으로 제1 수평슬롯(202)이 형성되며, 이 제1 수평슬롯(202)에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 제2 수평슬롯(203)이 형성되고, 제1 수평슬롯(202)과 제2 수평슬롯(203)과의 사이에 소정의 각도로 제1 수직슬롯(204)이 형성되며, 제1 수직슬롯(204)에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 제2 수직슬롯(205)이 형성된다.

도면 중 미설명 부호 206은 마그네트론의 안테나와 삽입 결합되는 결합구이다.

이와 같이하면, 제1 수평슬롯(202) 및 제2 수평슬롯(203)을 통해 방사되는 전자파의 합성으로 수평편파가 발생되고, 제1 수직슬롯(204) 및 제2 수직슬롯(205)을 통해 방사되는 전자파의 합성으로 수직편파가 발생되며, 도 4c에 도시된 바와 같이 수평편파의 위상은 x축으로 서고 수직편파의 위상은 y축으로 서게 되어, 전술한 원편파 형성원리에 따라 수평편파와 수직편파와의 전체 합성으로 원편파 또는 타원편파가 형성되어 캐비티 내로 방사된다.

여기서, 제2 수직슬롯(205)은 제1 수직슬롯(204)의 경우와 동일하게 그 기울기는 직각 또는 보통 30°이내로 설계되어 제1 수평슬롯(202)의 중심축에 대해 45°내지 135°의 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 전자파의 편파 특성은 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예와 동일하게 제1 수평슬롯(202)과 제2 수평슬롯(203) 및 제1 수직슬롯(204)의 배치 상태에 따라 변화됨은 물론이고 제2 수직슬롯(205)의 배치 상태에 따라서도 변화된다.

또한, 이와 같은 배치 상태에 따른 여러 가지 인자들의 조합에 따라 직선편파(수평편파, 수직편파) 성분의 크기와 위상차, 임피던스 등을 조절할 수 있고, 마그네트론과 방형 도파관(201) 및 캐비티 사이의 정합도 조절이 가능하다.

한편, 비교 예로서 종래의 기술, 즉 다시 말해서 방형 도파관에 수평 방향과 수직 방향으로 형성된 두 개의 슬롯을 통해 원편파를 형성하는 것과는 달리, 본 발명에 따른 슬롯 안테나는 방형 도파관에 수평 방향으로 형성된 두 개의 슬롯을 통해 수평편파가 발생되며 수직 방향으로 형성된 적어도 하나 이상의 슬롯을 통해 수직편파가 발생되어 수평편파와 수직편파와의 전체 합성으로 원편파가 형성됨을 알 수 있다.

이 결과에서, 본 발명에 의하면 슬롯을 자유롭게 설계할 수 있고 도파관의 크기를 쉽게 축소할 수 있어서 슬롯 안테나와 캐비티와의 결합 시에 결합 자유도가 높아 지며, 도파관에 다수의 슬롯이 형성되므로 슬롯에 걸리는 전류가 최소화되어 전류 손실에 의해 슬롯 주위가 변색될 우려가 배제되는 것이다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 슬롯을 자유롭게 설계할 수 있고 도파관의 크기를 쉽게 축소할 수 있어서 슬롯 안테나와 캐비티와의 결합 시에 결합 자유도가 높아 지며, 도파관에 다수의 슬롯이 형성되므로 슬롯에 걸리는 전류가 최소화되어 전류 손실에 의해 슬롯 주위가 변색될 우려가 배제되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 가속 고전압에 의해 발진하는 마그네트론에서 발생된 전자파를 이용하여 캐비티 내의 음식물을 가열·조리하는 전자레인지에 있어서:

   (1) 상기 전자파를 상기 캐비티 내로 안내하는 도파관;

   (2) 상기 도파관의 상기 캐비티와의 접촉면에 상기 전자파가 진행하는 방향으로 형성된 제1 슬롯;

   (3) 상기 제1 슬롯에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 형성된 제2 슬롯;

   (4) 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯과의 사이에 소정의 각도로 형성된 제3 슬롯을 포함한 것을 특징으로 한 전자레인지의 슬롯 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 슬롯에서 소정거리로 이격되어 동일 방향으로 형성된 제4 슬롯을 더 포함한 것을 특징으로 한 전자레인지의 슬롯 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제3 슬롯은 상기 제1 슬롯의 중심축에 대해 직각으로 형성된 것을 특징으로 한 전자레인지의 슬롯 안테나.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제3 슬롯은 상기 제1 슬롯의 중심축에 대해 45°내지 135°의 범위 내에서 형성된 것을 특징으로 한 전자레인지의 슬롯 안테나.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제3 슬롯의 중심은 상기 제1 슬롯의 길이 범위 내에 위치된 것을 특징으로 한 전자레인지의 슬롯 안테나.