專利名稱：帶有具有濾波涂層的諧振器的天線和包括該天線的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有裝配有濾波涂層的諧振器的天線、及結(jié)合此 天線的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
已知天線被設(shè)計(jì)為以工作頻率fT發(fā)射或接收電磁波。這些天線可
以包括由以下各項(xiàng)形成的第 一諧振器
- 反射器，其反射垂直于此反射器傳播的頻率為fr的所有電磁
波，
- 部分反射壁，頻率為fT的電磁波通過該部分反射壁，此壁反
射嚴(yán)格地小于100%且大于80%的垂直于此壁傳播的頻率為 fr的電萬茲波，
- 腔體，其在一側(cè)由所述反射器的上表面限定界限，且在另一 側(cè)由所述部分反射壁的下表面限定界限，以及
一用于所述腔體的至少一個(gè)激勵(lì)探測器，其適合于在所述反射
器處接收或向其此腔體中注射頻率為fT的電磁波。 這里應(yīng)記住的是壁或反射器的反射系數(shù)取決于入射角、電磁波的 頻率和此電磁波的極化。這里，對(duì)于以下情況給出所述壁或反射器的
反射率值
- 電磁波的頻率等于工作頻率fT，
- 入射角是零，即電磁波垂直于壁或反射器傳播，以及
- 被考慮在內(nèi)的極化是所述激勵(lì)探測器輻射或接收的電磁場的 極化。
例如，在以號(hào)碼FR 99 14521提交的專利申請中，在具有缺陷的 PBG (光子帶隙)的天線的特定情況下描述了此類天線。這些天線具有降低的空間要求和很強(qiáng)的方向性。因此這些天線的 輻射圖具有一個(gè)重要主瓣和多個(gè)旁瓣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)在于減小所述旁瓣的重要性和尺寸。
因此本發(fā)明的目的是一種天線，其中所述笫 一諧振器包括覆蓋所 述腔體內(nèi)的反射器的大部分上表面的濾波涂層，此濾波涂層適合于消
除沿平行于反射器的上表面的方向傳播的頻率為fr的電磁波，但不消 除沿垂直于反射器的上表面的方向傳播的頻率為fV的電磁波。
在以上天線中，所述涂層防止沿平行于反射器的方向的導(dǎo)行模式 的建立。這樣做的效果是顯著改善了天線的性能。
此天線的實(shí)施例可以包括以下特性中的一個(gè)或多個(gè)
一 濾波涂層形成PBG材料，該P(yáng)BG材料至少包括在電容率和/ 或磁導(dǎo)率和/或傳導(dǎo)率方面不同且僅沿著一個(gè)或多個(gè)平行于
反射器的上表面的方向以規(guī)則間隔交替地布置的第一和第二 物質(zhì)，所述規(guī)則間隔是第一物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長 M的函數(shù)，以消除平行于反射器的上表面?zhèn)鞑サ念l率為fT的 電磁波；
- 形成所述濾波涂層的第一物質(zhì)與填充所述腔體的物質(zhì)相同；
- 形成所述涂層的第二物質(zhì)與形成所述反射器的上表面的物質(zhì) 相同；
- 所述第二物質(zhì)形成立柱(stud)，其最大寬度沿垂直于所述 反射器的上表面的方向延伸，這些立柱沿著非共線且平行于 所述反射器的上表面的兩個(gè)方向以規(guī)則間隔分布在此上表面 上，所述最大寬度嚴(yán)格地小于、/2，其中、是笫一物質(zhì)中頻 率為fT的電磁波的波長；
- 所述反射器的上表面和所述部分反射壁的下表面相互分離高 度hn高度Jn是常數(shù)且嚴(yán)格地小于或等于W2，其中^是填 充所述腔體的物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長；
7- 所述部分反射壁是由多個(gè)平行金屬條構(gòu)成的格柵，兩個(gè)相鄰
平行條之間的最短距離嚴(yán)格地小于X3/2，其中^是空氣中頻 率為iV的電磁波的波長；
- 所述部分反射壁是PBG材料，該P(yáng)BG材料至少包括在電容 率和/或磁導(dǎo)率和/或傳導(dǎo)率方面不同且僅沿著垂直于反射器 的上表面的方向交替地布置的至少兩種物質(zhì)，這兩種物質(zhì)之 一與填充腔體的物質(zhì)相同；
- 所述天線包括含有以下各項(xiàng)的第二諧振器
-輻射壁，頻率為fV的電磁波通過該輻射壁，且其具有輻射 外表面，此輻射壁反射嚴(yán)格地小于100%且大于80%的垂直 于此輻射壁傳播的頻率為fT的電磁波，該輻射壁的反射率嚴(yán) 格地小于所述部分反射壁的反射率，
-泄漏諧振腔，其在一側(cè)由所述輻射壁的下表面限定界限， 且在另一側(cè)由所述第一諧振器的部分反射壁的上表面限定界
限，所述輻射壁與所述部分反射壁相互分離高度h2，高度h2
是常數(shù)且小于或等于2i4/2+X4/20，其中、是填充所述泄漏諧 振腔的物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波長；
- 所述天線在所述第一諧振器中包括多個(gè)激勵(lì)探測器，每個(gè)引 起所述部分反射壁的上表面上的激勵(lì)貼片(patch)的形成， 每個(gè)激勵(lì)貼片又在所述輻射壁的輻射面上產(chǎn)生輻射貼片，每 個(gè)激勵(lì)貼片和輻射貼片被分別定義為所述部分反射壁和輻射 壁的上表面的區(qū)域，位于此表面的由此探測器發(fā)射的電磁場 的強(qiáng)度最大的一個(gè)點(diǎn)周圍，并包括此表面的由此探測器發(fā)射 的電磁場的強(qiáng)度大于或等于此最大強(qiáng)度一半的所有點(diǎn)，并且 其中，兩個(gè)相鄰激勵(lì)探測器之間的間隔距離被選擇為足夠小 而使由這些探測器產(chǎn)生的輻射貼片部分重疊；
- 每個(gè)激勵(lì)探測器具有用于注射和/或接收頻率為fr的電磁波 的表面，該表面的最大寬度大于或等于注射表面和/或接 收表面上的電磁波的功率分布具有功率最大的一個(gè)點(diǎn)，此點(diǎn)遠(yuǎn)離此表面的周界，并且功率沿著從此點(diǎn)到周界的直線連續(xù) 下降而與在此表面的平面中考慮的直線方向無關(guān)，^是填充
第一諧振器的腔體的物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長；
- 由以下關(guān)系式給出所述高度h2:
其中
- n是使得獲得最小的正高度Ii2的正整數(shù)或負(fù)整數(shù)，
-化是在頻率為fr的入射電磁波與在第一諧振器的部分反 射壁的上表面上反射之后的反射波之間引入的相移，
-(P2是在頻率為fV的入射電磁波與在輻射壁的下表面上反 射之后的反射波之間引入的相移，
- ^是填充泄漏諧振腔體的物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波
長；
- 所述反射器的上表面與所述部分反射壁的下表面相互分離高
度h，高度1^是常數(shù)且嚴(yán)格地小于或等于、/2,其中^是填 充所述第一諧振器的腔體的物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波
長；
- 所述第一諧振器的腔體形成波導(dǎo)，其具有傳播模式EL或 MT!的截止頻率fe和漸近值C，在該漸近值以上不能建立任 何傳播模式EMT，并且其中頻率fr小于或等于頻率&并大 于或等于漸進(jìn)值C。
所述天線的實(shí)施例還具有以下優(yōu)點(diǎn)
- 使用PBG材料來形成濾波涂層使得可以提高天線的方向性，
- 將形成濾波涂層的PBG材料的物質(zhì)之一選擇為與填充所述 腔體的物質(zhì)相同避免了所述腔體與所述濾波涂層之間的分界 面處的反射，
- 將濾波涂層的物質(zhì)之一選擇為與形成所述反射器的上表面的 物質(zhì)相同使得可以有效地消除在所述反射器的表面上傳播的
頻率為fT的表面波，- 將高度h選擇為小于或等于k2/2的效果是頻率fT小于基本傳播模式EL和ML的截止頻率，這防止這些導(dǎo)行傳播模式的出現(xiàn)，并且其效果是在不引起天線錯(cuò)位的情況下提高天線的方向性，
- 使用格柵來形成所述部分反射壁限制天線的空間要求并簡化其設(shè)計(jì)，
- 使用PBG材料來形成部分反射壁提高天線的方向性，
- 使用第一諧振器作為第二諧振器的激勵(lì)源使得可以在不用由于用于將電磁場引入此腔體中的開口或金屬部分的存在而改變所述泄漏諧振腔的壁的反射率情況下激勵(lì)此第二諧振腔，
- 使輻射貼片重疊使得可以實(shí)現(xiàn)其中不同的射束被交織的多射束天線，
- 使用其最大寬度大于或等于頻率為fT的電磁波的波長的激勵(lì)探測器使得可以提高天線或天線的每個(gè)射束的方向性和增益；而且，當(dāng)在包括第一和第二諧振腔的天線中使用這些激勵(lì)探測器時(shí)，這使得可以在保持未改變的部分反射壁的上表面的反射率的同時(shí)獲得上述優(yōu)點(diǎn)，
- 選擇如以上公式所定義地高度h2使得可以提高天線的方向性，
- 將高度lh選擇為嚴(yán)格地小于12/2使得可以避免使激勵(lì)貼片重疊，以及
- 將工作頻率fT選擇為小于或等于截止頻率fe且大于或等于值C使得可以非常靈敏地提高所述天線的方向性。
本發(fā)明的另一目的是一種用于發(fā)射或接收電磁波的系統(tǒng)，包括
- 聚焦裝置，其能夠使系統(tǒng)發(fā)射或接收的電磁波聚焦到焦點(diǎn)上，
以及
- 上述天線，其被放置在此焦點(diǎn)上。
在以上系統(tǒng)中，權(quán)利要求的天線的使用使得可以通過照亮聚焦裝置的最大可能表面、同時(shí)降低由于超過此聚焦裝置的輪廓的溢流引起的損耗來提高此系統(tǒng)的效率。


通過閱讀作為非限制性示例給出并參考附圖的以下說明，將更好
地理解本發(fā)明，在附圖中
- 圖l是扁平波導(dǎo)的示意圖，
- 圖2是圖1的波導(dǎo)的導(dǎo)行(guided)傳播模式的散布圖，
- 圖3是裝配有基于PBG材料實(shí)現(xiàn)的濾波涂層的天線的笫一實(shí)施例的示意性透視圖
- 圖4是圖3的天線的導(dǎo)行傳播模式的散布圖，
- 圖5是裝配有濾波涂層的天線的第二實(shí)施例的示意性透視圖，
- 圖6、 7和8分別是裝配有濾波涂層的天線的第三、第四和第五實(shí)施例的示意圖，
- 圖9是示出作為工作頻率fT的函數(shù)的圖5和6的天線的方向性發(fā)展的圖表，
- 圖10和11是沒有濾波涂層的天線的輻射圖，
- 圖12和13是圖5的天線的輻射圖，一圖14和15是圖6的天線的輻射圖，
- 圖16是交織多射束天線的示意性透視圖，
- 圖17是圖16的天線的導(dǎo)行傳播模式的散布圖的示意圖，
- 圖18是用于朝著地面發(fā)射交織射束的系統(tǒng)的示意圖，以及
- 圖19是裝配有濾波涂層的圓柱形天線的示意性透視剖面圖。在這些圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件。
具體實(shí)施例方式
在本說明的剩余部分中，不會(huì)詳細(xì)描述本領(lǐng)域中的技術(shù)人員眾所周知的特性和功能。特別地，對(duì)于關(guān)于PBG材料的更多細(xì)節(jié)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以參考以號(hào)碼EP 1 145379公布的專利申請的原文。圖1示出扁平波導(dǎo)2，且圖2示出此波導(dǎo)2的散布圖。圖1和2是已知的，且在這里僅僅作為某些技術(shù)術(shù)語的定義提示而引入。
波導(dǎo)2由平行于由兩個(gè)正交方向X和Y定義的水平平面XY而延伸的反射器平面4形成。平面4反射100%的垂直于其表面?zhèn)鞑サ念l率為fT的電磁波。例如，用金屬來實(shí)現(xiàn)平面4。
將垂直于方向X和Y的方向表示為Z。
在平面4之上，布置有水平的部分反射壁6。"部分反射"在這里意指反射嚴(yán)格地小于100%且大于80%的垂直于此壁6的水平面之一傳播的頻率fT的電磁波的壁。壁6與反射器4相隔恒定高度h的空間8。例如，此空間填充空氣。沿Z方向測量高度h。
波狀箭頭IO表示在空間8中傳播的導(dǎo)行電磁波。這里，波的傳播方向平4于于方向Y。
虛線箭頭11表示經(jīng)由僅僅是部分反射的壁6從空間8逃逸的電磁波。
橫向維度、即垂直于傳播方向，被假設(shè)為在扁平波導(dǎo)的情況下是無窮大的。
圖2示出波導(dǎo)2的散布圖。常數(shù)p表示平行于反射器4傳播的模的傳播常數(shù)。
縱軸表示在空間8中傳播的電磁波的頻率。
在扁平波導(dǎo)中，只能將某些傳播模式建立為要傳播的波的頻率的函數(shù)。這些傳播模式在傳統(tǒng)上稱為術(shù)語模式ETn( n階橫向電)和MTn(n階橫向磁)的模式EMT (橫向電磁)，其中n是大于或等于零的整數(shù)。對(duì)于關(guān)于可能在扁平波導(dǎo)中建立的傳播模式的更多信息，可以參考涉及該主題的不同教程書。
在圖2中，通過原點(diǎn)的直線12表示在傳播模式是模式EMT的情況下用于導(dǎo)行波的每種頻率的常數(shù)(3的值。
曲線14表示在傳播模式是模式El或MTi的情況下用于導(dǎo)行波的每種可能頻率的常數(shù)p的值。
該曲線與稱為術(shù)語"截止頻率"的頻率fe的頻率軸相交。由以下關(guān)系式來定義模式EL和ML的截止頻率:
其中
- n是正整數(shù)或負(fù)整數(shù)，使得fc取其最小正非零值，
-qh是在頻率為&的入射電磁波與在反射器4上反射之后的反
射波之間引入的相移，-(P2是在頻率為fr的入射電磁波與在壁6上反射之后的反射波
之間引入的相移，
- c是空間8中的波的波速或相位速度。
根據(jù)散布圖，如果頻率fV嚴(yán)格地小于頻率fc,則導(dǎo)行波能夠只根據(jù)模式EMT在空間8內(nèi)傳播。
如果頻率fV大于或等于頻率fe，則導(dǎo)行波可以根據(jù)模式EMT、EL或ML在空間8內(nèi)傳播。
使得能夠?qū)崿F(xiàn)頻率為fi的電磁波沿一個(gè)傳播方向的傳播的這些模式在這里稱為導(dǎo)行模式。相反，不能實(shí)現(xiàn)電磁波傳播的空間8的那些激勵(lì)模式稱為衰減(evanescent)模式。衰減模式的特征在于這樣的事實(shí)，即導(dǎo)行波的振幅沿著傳播方向非?？斓販p小，因此此波不能傳播超過大于的距離，其中X是填充空間8的物質(zhì)中的頻率fT的電磁波的波長。
波導(dǎo)2的衰減模式對(duì)應(yīng)于電磁能量的最大值在已通過壁6后在空間中以輻射的形式消散的功能模式。
圖3示出被設(shè)計(jì)為發(fā)射或接收工作頻率為fT的電磁波的天線20。此天線20包括諧振器，該諧振器由以下各項(xiàng)形成
- 平面形式的反射器20，其平行于由正交方向X和Y定義的水平平面XY延伸，
- 部分反射壁，其沿著垂直于X和Y的Z方向被布置在反射器平面22之上，并平行于XY平面延伸。
反射器平面22被選擇為反射100%的垂直于此平面?zhèn)鞑サ念l率fT的電磁波。例如，反射器平面22以金屬實(shí)現(xiàn)，且可以連接到諸如地面等基準(zhǔn)電位。
壁24在這里祐 沒計(jì)為反射嚴(yán)格地小于100 %且大于80 %的沿垂直 于該壁的方向傳播的頻率fr的電/f茲波。為此，在本示例中，壁24是 PBG材料。PBG材料具有寬的非通帶B。當(dāng)非通帶B中的頻率的電 磁波撞擊此PBG材料時(shí)，其幾乎被整體反射。因此，在這里，形成壁 24的物質(zhì)被選擇為使得工作頻率fT在此PBG材料的非通帶中。
另外，為了能夠部分反射沿方向Z傳播的電磁波，形成壁24的 PBG材料具有沿Z方向的兩種物質(zhì)的至少一次周期性交替。為此，在 這里，通過沿Z方向疊加三扁層26、 28和30來形成壁24。這里，層 26和30在其電容率方面不同于層28。例如，用鋁來實(shí)現(xiàn)層26和30， 而用一層空氣來實(shí)現(xiàn)層26。三個(gè)層沿X和Y方向的尺度被選擇比波 長^大幾倍，其中、是空氣中的頻率fr的電磁波的波長。例如，層 26、 28和30的橫向尺度被選擇為比、大四倍。
因此，壁24具有面對(duì)反射器平面22的下表面32和與下表面32 相對(duì)的上表面34。
下表面32與反射器22相隔恒定高度h,。因此在下表面32與反 射器22的上表面之間產(chǎn)生的空間形成腔體36。
在圖3中，僅僅示出壁24的一部分，以使腔體36的大部分內(nèi)部 可見。
激勵(lì)探測器38被布置在反射器33上的腔體36內(nèi)，或在反射器 22的平面中。在XY平面中，探測器38被近似布置在腔體36的中心 處。此探測器能夠在反射器22處接收或向腔體36中注射頻率為fr的 電磁波。
最后，天線20包括濾波涂層40,其覆蓋在腔體36內(nèi)的反射器22 的整個(gè)上表面。涂層40因此圍繞探測器38而不覆蓋它。
此涂層40由適合于在允許頻率&的電磁波沿方向Z傳播的同時(shí) 防止該電磁波沿平行于XY平面的方向傳播的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。為此，例如， 涂層40由沿XY的兩個(gè)非共線方向具有周期性的PBG材料實(shí)現(xiàn)。例 如，在以 碼FR99 14521提交的專利申請中定義了 PBG材料沿一個(gè)
14方向的周期性。
這里，涂層40具有沿方向X的周期性和沿方向Y的周期性。 在本實(shí)施例中，涂層40由沿方向X和Y以規(guī)則間隔p布置的垂 直立柱42形成。這些立柱由與用于反射器22的物質(zhì)相同的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)， 即在這里由金屬實(shí)現(xiàn)。形成涂層40的另一種物質(zhì)填充立柱42之間的 整個(gè)間隔。此另一種物質(zhì)在這里是空氣，即與填充腔體36的物質(zhì)相同 的物質(zhì)。
間隔p的長度被選擇為波長Xa的函數(shù)，以過濾沿方向X和Y傳 播的頻率為fV的電/P茲波。為此，通常，間隔p的長度小于、/2且優(yōu)選 地在、/4與、/2之間。
立柱42沿方向Z的高度hp必須嚴(yán)格地小于高度lu。例如，在這 里，高度hp被選擇為嚴(yán)格地小于、/2且優(yōu)選地等于、/4加或減15% 。
在這里，立柱42的橫向截面、即平行于XY平面的截面是方形。 此^f黃向截面的最大寬度一皮選擇為小于la/8。
最后，使用關(guān)系式(1)來選擇高度lh,以便截止頻率fe等于或
略大于頻率fT。通常，在這里布置為頻率fi與頻率fe的比在0.85與1之間。
圖4示出天線20的散布(dispersion )圖。
如在圖2中一樣，曲線50和52表示分別根據(jù)模式EMT和模式 El或ML的導(dǎo)行波的頻率，其為傳播常數(shù)p的函數(shù)。
由于涂層50的存在，隨著常數(shù)p增大，曲線50接近于由水平虛 線54表示的漸進(jìn)值C。此漸進(jìn)值C與高度h!無關(guān)。
在這里，腔體36的高度h被選擇為使得頻率fr在頻率fe與值C 之間。在這些條件下，應(yīng)了解的是當(dāng)由頻率為fr的磁場來激勵(lì)腔體36 時(shí)，在腔體36內(nèi)不會(huì)建立任何導(dǎo)行模式。因此，僅出現(xiàn)衰減模式，且 由探測器38引入腔體36中的電磁場的能量在已通過壁24之后幾乎唯 獨(dú)以輻射的形式消散。這樣做的效果是天線20的方向性相對(duì)于相同但 沒有諸如涂層40的濾波涂層的天線的提高。
圖5示出天線60,除壁24被部分反射器62取代之外，其與天線20相同。
在這里不使用PBG材料、而是使用由相互平行地沿著平行于XY 平面的平面延伸的金屬條形成的格柵62。更精確地說，在這里，格柵 62包括一方面以規(guī)則間隔m布置且全部平行于方向X延伸的條66和 另一方面以規(guī)則間隔m沿方向Y相互平行地布置的條68。間隔m的 長度,皮選擇為嚴(yán)格地小于Xa/2，以便此格柵62部分地反射沿Z方向傳 4番的頻率為fr的電》茲波。優(yōu)選地，m小于、/4。
以與天線20相同的方式，腔體36的高度&被選擇為使得截止頻 率fe略大于頻率fT。在這些情況下，天線60的功能類似于天線20的 功能。
圖6示出天線70 ，除腔體36通過側(cè)壁72與天線的外面絕緣之外， 其與天線60相同。在圖6中，只示出整體地圍繞腔體36的壁72的一 部分，以使腔體36的內(nèi)部可見。
壁72沿著方向Z從反射器22延伸到格柵62的下表面。例如， 在這里，壁72由反射所有頻率為fT的電磁波的金屬物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。
圖7示出天線80，除格柵62被格柵82取代之外，其與天線70 相同。除已省略條68之外，格柵82與格柵62相同。此類格柵82形 成僅用于具有給定極化的頻率為fr的電磁波的部分反射壁。對(duì)于具有 與此不同的極化的電磁波，格柵82形成透明壁，該透明壁不反射或僅 略微反射具有不同極化的頻率為fi的電磁波。因此，格柵82使得可 以對(duì)發(fā)射或接收的波執(zhí)行極化濾波。
圖8示出天線90,除壁72被壁92取代之外，其與天線70相同。 更精確地說，壁92與壁72相同，除其包括可以改善天線性能的褶皺 94之外。這些褶鈹94被以與可以找到的某些類型的波導(dǎo)的方式相同 的方式設(shè)計(jì)。例如，在以下文獻(xiàn)中描述了這些褶皺的設(shè)計(jì)。
Antenna theory, Analysis and design (天線理論，分析和設(shè)計(jì))— Constantine A. Balanis — John Wiley.
圖9示出兩個(gè)曲線100和102，其對(duì)應(yīng)于分別與頻率fr有關(guān)的天 線60和70的方向性的變化。圖9還示出曲線104，其指示與天線60相同、但沒有濾波涂層40的天線的方向性的發(fā)展。
在圖9的圖表中，橫軸表示頻率fT與截止頻率fc的比。縱軸表示
以分貝(dB)表示的最大方向性。曲線100、 102和104是使用相同 的探測器獲得的，所述探測器在這種情況下是在反射器22的平面中實(shí) 現(xiàn)的狹縫，并且頻率為fr的電磁波由該探測器引入腔體36中。
如可以在圖表中看到的那樣，天線60和70的方向性在頻率f"J、 于頻率fc時(shí)^L系統(tǒng)地改善。
圖10和11分別示出與天線60相同但沒有濾波涂層40的天線在 平面E和H中的輻射圖。
圖12和13分別示出頻率fV與頻率fe的比等于0.997的特定情況 下，天線60在平面E和H中的輻射圖。
最后，圖14和15示出頻率fr與頻率fc的比等于1.007的特定情 況下，天線70在平面E和H中的輻射圖。
在圖10至15的這些不同圖表中，橫軸的刻度單位為度且縱軸的 刻度單位為分貝(dB)。
如通過將圖12和13的圖表與圖IO和11的圖表相比較所示的那 樣，濾波涂層的存在使得可以在相當(dāng)程度上使天線的旁瓣衰減。
而且，如通過將圖14和15的圖表與圖10和11的圖表相比較所 示的那樣，即時(shí)頻率fT大于頻率fe，也發(fā)生旁瓣的衰減。
在前述實(shí)施例中，天線由單個(gè)諧振器形成。然而，疊加兩個(gè)諧振 器以產(chǎn)生其中輻射貼片部分重疊的多射束天線可能特別有利。此類天 線120在圖16中示出。
天線120由第一諧振器122和在其上面疊加的第二諧振器123形
成o
例如，諧振器122與天線20、 60、 70、 80或卯的諧振器中的任 何一個(gè)相同，除其包括多個(gè)激勵(lì)探測器之外。在這里，將假設(shè)諧振器 122與天線20的諧振器相同，其中探測器38被五個(gè)激勵(lì)探測器124 至128取代。
探測器124至128被選擇為其形成用于腔體36內(nèi)的電磁場的注射和接收的表面。每個(gè)注射或接收表面的最大寬度大于或等于、。更精 確地說，注射或接收表面上的電磁場的功率分布具有一個(gè)功率最大的 點(diǎn)，此點(diǎn)遠(yuǎn)離注射表面的周界。此注射表面的磁場的功率以這樣的方 式分布，即功率沿著從功率最大的點(diǎn)到此表面的周界的任意直線連續(xù) 下降。具有此類注射表面的探測器使得可以增加天線的方向性及其增
益。為此，例如，探測器124和128是喇叭形波導(dǎo)，其末端向在反射 器22的平面中實(shí)現(xiàn)的小孔中打開。例如，此類喇叭形波導(dǎo)是以C.N.R.S 之名以號(hào)碼06 08381在2006年9月25日提交的專利申請中描述的那 些。
這里，探測器124至128中的每一個(gè)以相互不同的各自頻率fTi 工作，以便這些探測器能夠在不相互干擾的情況下同時(shí)工作。這些頻 率fTi中的每一個(gè)被選擇為足夠接近于頻率fT，以便被設(shè)計(jì)為過濾頻率 為fr的電磁波的涂層40對(duì)于過濾頻率為fn的波同樣有效。為此，頻 率fTi與頻率fT的比在0.95與1.05之間。
為了筒化圖16，未示出濾波涂層40。
諧振器123沿方向Z被布置在諧振器122之上。此諧振器123由 輻射壁132和壁24形成。因此壁24同時(shí)形成諧振器122的上壁和諧 振器123的下壁。
壁132反射嚴(yán)格地小于100%且大于80%的垂直于此壁傳播的頻 率為fr的電磁波。優(yōu)選地，壁132的反射率嚴(yán)格地小于壁124的反射 率。
壁132平行于XY平面而延伸。壁132與壁24的上表面相隔恒定 高度h2。因此，在壁24與壁132之間產(chǎn)生腔體136。在本實(shí)施例中， 例如，腔體136填充空氣。
形成壁132的物質(zhì)可以是如關(guān)于圖3所描述的PBG材料或關(guān)于圖 5和7所描述的格柵。
高度h2被選擇為使得腔體136是泄漏諧振腔。為此，高度h2小 于、/2+^/20。優(yōu)選地，4吏用以下關(guān)系式來確定高度li2:<formula>formula see original document page 18</formula>其中
- n是使得可以獲得最小正高度h2的正整數(shù)或負(fù)整數(shù)，
- q^是頻率為fT的入射電磁波與在第一諧振腔的部分反射壁的 上表面上反射之后的反射波之間引入的相移，
- (P2是在頻率為fr的入射電磁波與在輻射壁的下表面上反射之 后的反射波之間引入的相移，
- 、是在填充泄漏諧振腔的物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長。 當(dāng)由關(guān)系式(2)來定義高度h2時(shí)，諧振器123的傳播模式El\
和ML的截止頻率fe2等于頻率fT。在這些條件下，諧振器123的增 益最大。
應(yīng)記住的是，相反，諧振器122的高度ln被選擇為使得傳播模式 EL或MTi的截止頻率、在這里稱為fu嚴(yán)格地大于頻率fT。
最后，與諧振器122相反，腔體136不具有過濾沿平行于XY平 面的任何方向傳播的電磁波的涂層。事實(shí)上，如在閱讀以下說明時(shí)理 解的那樣，在諧振器123中不需要此類濾波涂層。
圖17示出諧振器122和123的散布圖。在此圖17中，曲線150 和152分別對(duì)應(yīng)于對(duì)于諧振器122的圖4的曲線50和52。曲線154 和156示出分別根據(jù)模式EMT和ET1或MT1，導(dǎo)行波的頻率隨著傳 ^"常數(shù)(5的變化。曲線154和156具有與曲線12和14及扁平波導(dǎo)的 形狀近似相同的形狀。
在此圖中，諧振器122和123的模式ET1或MT1的截止頻率分 別稱為fd和fe2。曲線150隨著常數(shù)P的增大而接近的近似值在這里 稱為d。應(yīng)記住的是，由于腔體36內(nèi)的濾波涂層40的存在，此曲線 150接近至d，小于頻率fr。另一方面，曲線154隨著常數(shù)p的增大 不接近漸進(jìn)值，因?yàn)榍惑w136不具有濾波涂層。
頻率fn接近于頻率fT，頻率fT本身在這里近似等于頻率fe2。在 這些條件下，通過圖17的圖可理解頻率為fn的電磁場在第一諧振腔 122中只激勵(lì)衰減傳播模式，因?yàn)檫@些頻率fri每個(gè)大于至d且嚴(yán)格 地小于fd。因此，被引入腔體36中的電磁場的幾乎全部能量由壁24的上表面輻射。此輻射的效果是在探測器124至128中的每一個(gè)的垂 直線上出現(xiàn)激勵(lì)貼片。對(duì)應(yīng)于探測器124至128的激勵(lì)貼片在圖16 中示出，并分別具有參考標(biāo)號(hào)160至164。激勵(lì)貼片被定義為由圍繞 此表面的一個(gè)點(diǎn)的壁24的上表面34的所有點(diǎn)形成，在該點(diǎn)，發(fā)射的 電磁場的強(qiáng)度最大，并且包括此表面的由此探測器發(fā)射的電磁場的強(qiáng) 度大于或等于此最大強(qiáng)度一半的所有點(diǎn)。
因此，這些貼片160至164向腔體136中注射頻率為fn的^茲場， 且因此每個(gè)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)探測器的功能。然而，相對(duì)于圖16所描述的布置 使得可以向腔體136中注射不同頻率的電磁場，而不會(huì)從而改變壁24 的上表面的反射率。事實(shí)上，在壁24的上表面中沒有實(shí)現(xiàn)開口，且沒 有向腔體136中引入投射輻射元件。在這些條件下，由于不存在可能 衍射被注射到腔體136中的電磁場的元素或粗糙度，所以不能激勵(lì)諧 振腔123的模式EMT。另外，由于頻率fn幾乎等于頻率fc2,所以在 腔體136中也不出現(xiàn)導(dǎo)行模式ET1或MT1。在這些條件下，由壁132 的上表面輻射被引入到腔體136中的電磁能。這樣做的效果是在此上 表面上出現(xiàn)每個(gè)激勵(lì)貼片的垂直線上的輻射貼片。在圖16中，示出分 別對(duì)應(yīng)于激勵(lì)貼片160至164的輻射貼片166至170。與激勵(lì)貼片類 似地定義這些輻射貼片，即它們將壁132的上表面的發(fā)射電磁場的強(qiáng) 度大于或等于最大發(fā)射強(qiáng)度一半的所有點(diǎn)分組。
這里，為了形成其射束交織的多射束天線，探測124至128的相 互定位被選擇為使得每個(gè)輻射貼片與由另一個(gè)探測器形成的至少一個(gè) 其它輻射貼片重疊。因此兩個(gè)探測器之間的距離嚴(yán)格地小于其各自輻 射貼片的半徑的和。優(yōu)選地，在平行于XY平面的平面中測量的探測 器之間的距離被選擇為使得激勵(lì)貼片160至164不重疊，而另一方面 輻射貼片166至170部分重疊。
天線120相當(dāng)特別地意圖安裝在例如無線電通信衛(wèi)星中。
圖18示出用于在對(duì)地同步衛(wèi)星上發(fā)射電磁波的系統(tǒng)180。此系統(tǒng) 180包括用于將射束聚焦到地面182上的裝置。例如，所述聚焦裝置 是拋物面184。系統(tǒng)180還包括被放置在此拋物面184的焦點(diǎn)處的天線120。
在這些條件下，使輻射貼片在壁132的上表面上交織的效果是在 地面上出現(xiàn)交織的覆蓋區(qū)186至190。該覆蓋區(qū)因此而部分重疊，這 避免在兩個(gè)覆蓋區(qū)之間出現(xiàn)死區(qū)，例如，在該死區(qū)中將不可能經(jīng)由對(duì) 地同步衛(wèi)星來建立無線電通信。
圖19示出圓柱形天線200，其類似于天線20，除了已使形成天線 20的不同平面彎曲直至它們自己接近于形成圓形橫截面的圓柱形表 面而不是扁平表面以外。
在這里，天線200具有繞沿方向Z延伸的旋轉(zhuǎn)軸201的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。
天線200包4舌
- 反射器202，其能夠反射垂直于其表面?zhèn)鞑サ乃须姶挪ǎ?br> - 濾波涂層204,其被布置在反射器202的表面上，
- 部分反射壁206，其圍繞反射器202和涂層204，
- 腔體208，其在一側(cè)由壁206的內(nèi)表面限定界限且在另一側(cè) 由反射器202的外表面限定界限。
在這里，反射器202是例如沿軸201延伸的金屬的圓形橫截面的 圓柱棒。
在這里，涂層54由圍繞反射器202并沿著方向Z以規(guī)則間隔p 布置的連續(xù)的電介質(zhì)圓柱212形成。沿方向Z的間隔p的長度小于Xa/2 且優(yōu)選地等于X4/2。此類涂層204形成PBG材料，其適合于消除沿方 向Z傳播的電磁波，但不消除沿徑向傳播的電磁波。
在這里，例如，腔體208充滿空氣。
壁206是例如沿徑向具有至少一個(gè)周期的電介質(zhì)PBG材料。
壁206的內(nèi)表面與反射器202相隔恒定距離R1()與關(guān)于高度hl
所描述的類似地選擇距離RlB
與關(guān)于立柱42的高度hp所述類似地選擇圓環(huán)212的半徑。 最后，適合于注射并接收頻率為fT的電磁場的激勵(lì)探測器214被
放置在腔體208內(nèi)并且在反射器202附近。天線200的功能類似于上文所述，除其主輻射瓣是環(huán)形的之外。
可以有許多其它實(shí)施例。例如，立柱42的橫向截面不必是方形。 其可以是矩形或圓柱形的、具有或沒有圓形橫截面。
已在PBG材料由至少兩種物質(zhì)形成的特定情況下描述了形成濾 波涂層的PBG材料，所述至少兩種物質(zhì)之一與用于反射器的物質(zhì)相 同，另一種與填充腔體的物質(zhì)相同。然而，這些物質(zhì)不一定分別與反 射器和腔體的那些相同。例如，可以用泡沫來取代與填充腔體的物質(zhì) 相同的物質(zhì)，所述泡沫的電容率接近于填充腔體的材料的電容率。
在沿方向X和Y的周期性相同的特殊情況下描述了形成涂層40 的PBG材料。作為變體，沿方向X和Y的周期性不同。而且，立柱 42以規(guī)則間隔分布的方向不必是正交的。例如，可以以三角形或六邊 形的角度布置不同的立柱。
用來形成部分反射壁的PBG材料可以具有沿多于兩個(gè)的非共線 方向以規(guī)則間隔布置的在其電容率方面不同的元素。在這些條件下， 將這些PBG材料稱為是多維的。
這里使用的PBG材料由至少兩種不同物質(zhì)形成。這兩種物質(zhì)在其 磁導(dǎo)率和/或電容率和/或傳導(dǎo)率方面相互不同。
可以將圖3、 6和8的實(shí)施例組合。例如，天線20可以具有類似 于側(cè)壁72或側(cè)壁92的側(cè)壁。
在包括多個(gè)激勵(lì)探測器的天線的情況下，當(dāng)每個(gè)探測器只注射或 接收具有與同一天線的其它探測器不同的極化的電磁場時(shí)，還可以獲 得這些不同探測器的同時(shí)運(yùn)行。
如果存在可能衍射被注射到腔體136中的電磁場的元素，則可以 在壁24的上表面上布置濾波涂層。例如，此濾波涂層則與濾波涂層 40相同。
所述激勵(lì)探測器可以是可能向腔體的內(nèi)部注射電磁場的任何類型 的探測器。例如，這些探測器可以是喇叭形圓錐體、貼片天線、狹縫 或其它天線或波導(dǎo)與腔體36或122之間的耦合隔膜。
反射器不一定由金屬實(shí)現(xiàn)。還可以由任何其它物質(zhì)或物質(zhì)的布置來實(shí)現(xiàn)，所述物質(zhì)在頻率fT的電磁波垂直于此諧振器的表面?zhèn)鞑r(shí)具 有實(shí)際為100%的此電磁波的反射率。
最后，如果期望不對(duì)準(zhǔn)天線，即其最大方向性不垂直于其輻射外 表面，則可以選擇高度hl或半徑Rl，使得截止頻率嚴(yán)格小于頻率汀。
最后，作為變體，省略諧振器122的濾波涂層，因此天線120的 諧振器都不包括諸如涂層40的濾波涂層。無論如何，天線120的功能 得到改善，因?yàn)橛杉?lì)貼片將磁場注射到第二諧振器123中，這不改 變壁24的上表面的反射率。
權(quán)利要求
1.一種被設(shè)計(jì)為發(fā)射或接收工作頻率為fT的電磁波的天線，該天線包括含有以下各項(xiàng)的第一諧振器(20；60；70；80；90；122)-反射器(22)，反射所有垂直于該反射器傳播的頻率為fT的電磁波，-部分反射壁(24)，頻率為fT的電磁波通過該部分反射壁，該部分反射壁反射嚴(yán)格地小于100％且大于80％的垂直于該壁傳播的頻率為fT的電磁波，-腔體(36)，其在一側(cè)由所述反射器的上表面限定界限，且在另一側(cè)由所述部分反射壁的下表面限定界限，以及-用于所述腔體的至少一個(gè)激勵(lì)探測器(38；124～128)，適合于在所述反射器處接收或向該腔體中注射頻率為fT的電磁波，其特征在于所述第一諧振器包括覆蓋腔體內(nèi)的反射器的大部分上表面的濾波涂層(40)，該濾波涂層適合于消除所有沿平行于反射器的上表面的方向傳播的頻率為fT的電磁波，但不消除所有沿垂直于反射器的上表面的方向傳播的頻率為fT的電磁波，并且在于所述濾波涂層(40)形成PBG(光子帶隙)材料，該P(yáng)BG材料至少包括在電容率和/或磁導(dǎo)率和/或傳導(dǎo)率方面不同且僅沿著一個(gè)或多個(gè)與反射器的上表面平行的方向以規(guī)則間隔交替地布置的第一物質(zhì)和第二物質(zhì)，所述規(guī)則間隔是在第一物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波長λ1的函數(shù)，以消除平行于反射器的上表面?zhèn)鞑サ念l率為fT的電磁波。
2. 如權(quán)利要求1所述的天線，其中，形成濾波涂層(40)的第一物質(zhì)與填充所述腔體的物質(zhì)相同。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的天線，其中，形成涂層(40)的第二物質(zhì)與形成所述反射器的上表面的物質(zhì)相同。
4. 如權(quán)利要求3所述的天線，其中，所述第二物質(zhì)形成立柱(42 ),該立柱的最大寬度沿著垂直于所述反射器(22)的上表面的方向延伸，這些立柱沿著非共線且平行于所述反射器的上表面的兩個(gè)方向以規(guī)則間隔分布在該上表面上，所述最大寬度嚴(yán)格地小于、/2,其中、是在第一物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長。
5. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，所述反射器的上表面和所述部分反射壁的下表面相互分離高度ln,高度h是常數(shù)且嚴(yán)格地小于或等于人2/2，其中X2是在填充所述腔體的物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波長。
6. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，所述部分反射壁是由多個(gè)平行金屬條構(gòu)成的格柵(62)，兩個(gè)相鄰平行條之間的最短距離嚴(yán)格地小于13/2，其中^是在空氣中頻率為fr的電磁波的波長。
7. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的天線，其中，所述部分反射壁是PBG材料，該P(yáng)BG材料至少包括至少兩種物質(zhì)(26、 28、 40 )，這些物質(zhì)在電容率和/或磁導(dǎo)率和/或傳導(dǎo)率方面不同且至少沿著垂直于反射器的上表面的方向交替地布置，這兩種物質(zhì)之一與填充腔體的物質(zhì)相同。
8. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，所述天線包括含有以下各項(xiàng)的第二諧振器(123):- 輻射壁(132),頻率為fT的電磁波通過該輻射壁，且其具有輻射外表面，該輻射壁反射嚴(yán)格地小于100°/。且大于80%的垂直于該輻射壁傳播的頻率為fT的電磁波，- 泄漏諧振腔(136),其在一側(cè)由所述輻射壁的下表面限定界限，且在另一側(cè)由第一諧振器的部分反射壁(24)的上表面限定界限，所述輻射壁與所述部分反射壁相互分離高度h2，高度h2是常數(shù)且小于或等于X4/2+X4/20，其中^是在填充所述泄漏諧振腔的物質(zhì)中頻率為fr的電磁波的波長。
9. 如權(quán)利要求8所述的天線，其中，所述天線在所述第一諧振器(122)中包括多個(gè)激勵(lì)探測器(124- 128),每個(gè)激勵(lì)探測器引起所述部分反射壁的上表面上的激勵(lì)貼片(160- 164)的形成，每個(gè)激勵(lì)貼片又在所述輻射壁的輻射面上產(chǎn)生輻射貼片(166- 170),每個(gè)激勵(lì)貼片和輻射貼片被分別定義為所述部分反射壁(24)的上表面和輻射壁(132)的區(qū)域，該區(qū)域位于該表面的由該探測器發(fā)射的電磁場的強(qiáng)度最大的點(diǎn)周圍，并包括該表面的由該探測器發(fā)射的電磁場的強(qiáng)度大于或等于該最大強(qiáng)度一半的所有點(diǎn)，并且其中，兩個(gè)相鄰激勵(lì)探測器之間的間隔距離被選擇為足夠小以使得由這些探測器產(chǎn)生的各輻射貼片部分重疊。
10. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，每個(gè)激勵(lì)探測器(124~ 128)具有用于注射和/或接收頻率為fi的電》茲波的表面，該表面的最大寬度大于或等于X2，電磁波在注射表面和/或接收表面上的功率分布具有一個(gè)功率最大的點(diǎn)，該點(diǎn)遠(yuǎn)離該表面的周界，并且功率沿著從該點(diǎn)到周界的直線連續(xù)下降而與在該表面的平面中考慮的直線的方向無關(guān)，^是在填充第一諧振器的腔體的物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波長。
11. 如權(quán)利要求8至10中的任一項(xiàng)所述的天線，其中，由以下關(guān)系式給出所迷高度h2: <formula>formula see original document page 4</formula>- n是使得獲得最小的正高度h2的正整數(shù)或負(fù)整數(shù)，- t是在頻率為fT的入射電磁波與在第一諧振器的部分反其中:射壁的上表面上反射之后的反射波之間引入的相移，- (P2是在頻率為fT的入射電磁波與在輻射壁的下表面上反射之后的反射波之間引入的相移，-人4是在填充泄漏諧振腔體的物質(zhì)中頻率為fT的電磁波的波長。
12. 如權(quán)利要求11所述的天線，其中，所述反射器(22)的上表面與所述部分反射壁(24)的下表面相互分離高度&，高度ln是常數(shù)且嚴(yán)格地小于或等于12/2，其中^是在填充所述第一諧振器的物質(zhì)中頻率為fr的電/f茲波的波長。
13. 如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的天線，其中，所述第一諧振器的腔體(36 )形成波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有傳播模式ET\或MR的截止頻率fc和漸進(jìn)值C，在該漸近值C以上不能再建立任何傳播模式EMT,并且其中頻率fr小于或等于頻率fe并大于漸進(jìn)值C。
14. 一種用于發(fā)射或接收電磁波的系統(tǒng)，包括-聚焦裝置(184)，能夠使所述系統(tǒng)發(fā)射或接收的電磁波聚焦到焦點(diǎn)上，以及-被放置在該焦點(diǎn)上的用于發(fā)射或接收電磁波的天線(120)，其特征在于該天線是根據(jù)權(quán)利要求9所述的天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于發(fā)射或接收工作頻率為f_T的電磁波的天線，包括具有濾波涂層(40)的諧振器，該濾波涂層(40)覆蓋腔體(36)內(nèi)的反射器(22)的大部分上表面，該濾波涂層(40)適合于消除所所有沿平行于反射器的上表面的方向傳播的頻率為f_T的電磁波，但不消除所有沿垂直于反射器的上表面的方向傳播的頻率為f_T的電磁波。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK101682123SQ200880015662
公開日2010年3月24日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月29日
發(fā)明者C·曼蒂爾, P·迪蒙, 伯納德·杰考, 蒂埃里·莫內(nèi)迪耶, 雷吉斯·尚塔拉, 馬奇·泰弗諾 申請人:國家科研中心;國家空間研究中心;利摩日大學(xué)