专利名称：宽频带或多频带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用被称为PFB材料的光子禁带材料制成的用于微波的宽频带或多频带天线。
背景技术：
已经提出采用PFB材料来实现微波天线。
参照涉及现有技术的图1a，那种天线主要包括一反射器平面、设置在反射器平面附近的馈点或发送/接收辐射元以及至少两种层叠在反射器平面和发送/接收馈点上的介电材料的组件。所使用的介电材料其介电常数或磁导率不同，并且这样形成的组件构成了PFB材料。
参照图1b，回想起PFB材料是这样一种材料，即，该材料具有过滤(吸收)特定频率范围，即防止在上述频率范围中的任何传送的特性。在这些条件下，该材料被称为光子禁带(PFB)材料。
如图1b所示，PFB材料通常通过周期性布置介电常数和/或磁导率不同的介质而构成。
通过在这种几何的和/或无线电周期性中引入中断(这种中断也被称为“缺陷”，并且可以通过去掉“重要”元件来获得)，可以形成一种吸收缺陷，由此在PFB材料的禁带中产生通带。在这些条件下，PFB材料被称为一种有缺陷PFB材料。
关于这种天线的更详细的说明，可以参看于2001年5月25日以公开号No.2801428公开的法国专利申请99/14521。
这种天线是令人满意的。
然而，特别是因为其结构，用这种天线能够实现的通带相对较窄并且对于6dB的衰减而言不会超过中心频率的4％至5％。
发明内容
本发明的一个目的在于克服现有技术的有缺陷PFB材料天线的上述缺点和限制。
具体地说，本发明的一个目的在于实现一种其通带得到明显提高或被细分成多个通带的有缺陷PFB材料型宽频带天线。
本发明的另一个目的还在于在没有添加任何分散或吸收元件的情况下通过破坏规律性或通过使实现更加复杂来完成一种结构简单的宽频带天线。
本发明的宽频带天线其特征在于，它包括构成反射器的至少一个平面和设置在所述构成反射器的平面附近的至少一个发送/接收馈点。另外，通过与反射器构成平面和馈点基本上重叠地设置的有缺陷PFB材料元件来形成一组件。形成该组件的每个有缺陷PFB材料元件基本上为平面并且与构成反射器的平面平行，而且沿着与所述元件的反射器构成平面垂直的方向的介电常数、磁导率和/或厚度这些特性中的至少一个在一个有缺陷PFB材料元件中明显不同于另一个有缺陷PFB材料元件，从而由反射器构成平面和有缺陷PFB材料元件的组件形成的单元形成了一个泄漏的谐振腔。
本发明的宽频带天线具体应用在制作适用于移动无线电话以及在光谱的可见或不可见部分中的光通信领域中的微波天线。
通过阅读说明书同时结合以下附图将更好地理解本发明的宽频带或多频带天线的结构和操作方法，在这些附图中，图1a和1b涉及
图1a为现有技术中的宽频带或多频带天线的透视图；图1b为现有技术中的宽频带或多频带天线的剖视图；图2a为根据本发明的宽频带或多频带天线的说明性透视图；图2b为图2a中所示本发明的宽频带或多频带天线在剖面P上的剖视图；
图3a为在与图2a中所示一样的相同剖面P上的说明性剖视图，并且显示出与图2a或2b中所示天线等同的天线；图3b一曲线图，用来在作为频率的函数的传输系数上对在上述法国专利申请No.2801428中所示的现有技术天线(曲线A)和如图2a、2b或3a中所示的构成本发明主题的天线(曲线B)进行比较；图4为一曲线图，显示出在图2a、2b和3a中所示本发明实施方案中构成本发明的宽频带或多频带天线的泄漏谐振腔中所产生的波形；图5示出了根据本发明的天线实现的天线阵列。
具体实施例方式
下面将参照图2a和2b以及以下附图对本发明的宽频带或多频带天线进行更详细的说明。
参照图2a，本发明的宽频带天线包括至少一个由R表示的反射器构成平面，所述平面可以由例如金属片材构成。
另外，在反射器平面R的附近设有至少一个由ER表示的发送/接收辐射元。作为非限定性实施例，辐射元ER例如可以由辐射偶极子、辐射槽或者辐射片或探针构成。在图2a所示的实施方案中，只显示出一个辐射元ER，但是应该理解的是，本发明的宽频带天线可以具有多个辐射元ER(在该图中未示出)。
另外，并且如图2a所示那样，本发明的宽频带或多频带天线包括层叠地设置在构成反射器R的平面和辐射元ER的平面上的有缺陷PFB材料元件的组件。术语“有缺陷PFB材料元件的组件”用来指代由例如用LD表示的介电材料片材或结构构成的多个元件，所述元件形成组或图案，沿着与反射器的平面垂直的方向堆叠并且通过一些其它介电材料例如空气、氧化铝等片层彼此分开。
每个介电材料片材LD基本上为平面，并且每个有缺陷PFB材料元件与构成反射器R的平面平行。另外，根据本发明的宽频带天线的一个特别有利的特征，沿着与构成反射器R并且由e表示的平面垂直的方向的磁导率、介电常数和/或厚度这些特性中的至少一个在一个有缺陷PFB材料元件中基本上不同于另一个有缺陷PFB材料元件。
在这些条件下，由反射器构成平面R和有缺陷PFB材料元件的组件形成的单元在下面说明书中所述的条件下形成泄漏的谐振腔。
具体地说，参照图2a和图2b，每个介电材料片材LD在下面说明书中所述的条件下所具有的介电常数、磁导率或厚度e的数值从一个有缺陷PFB材料元件到另一个是不同的。
图2b为穿过图2a中所示本发明的宽频带天线的在图2a中的剖面P上的剖视图。
在这些条件下，λ′g表示在传播媒介由例如介电材料的材料构成时每块片材LD的载波无线电通信信号的波长，并且λg表示由在这些片材LD和有缺陷PFB材料元件之间的间隙导向的无线电信号的波长，即在非限定性实施方案中由图2a和图2b中所示的片材LD之间的空气层或氧化铝片层引导的无线电信号的波长。
在这些条件下，符号λg还表示在反射器形成平面R和被设置成面对着所述反射器平面的介电材料的第一片材LD之间传播的载波无线电通信信号的波长。
具体地说，在图2b中显示出用于识别构成本发明的宽频带天线的元件组的标准正交参考系。
在这些情况下，并且通过限定，使反射器平面R沿着方向Oz处于位置0处，并且这些片材LD沿着上述方向顺序叠置，而且所述剖面P平行于平面Ox、Oz。方向Oy垂直于上述平面Ox、Oz。
下面将参照图2 b在一种特别简单且简化的情况中对本发明的宽频带天线的一个特定的且非限定性的实施方案进行说明，其中有缺陷PFB材料元件的组件和材料片材LD例如由相同的介电材料片材构成，从而在这些情况下它们具有从一个介电材料片材到另一个片材以及从一个有缺陷PFB材料元件到另一个有缺陷PFB材料元件基本上相同的介电常数和磁导率特性。
在这些情况下，并且参照图2b，每个介电材料片材LD最好具有这样的厚度，即，构成了位于所述介电材料片材和反射器构成平面R之间的距离的离散数值中的非递减函数。
如图2b所示，形成该组件的每个介电材料片材与相邻的介质片材间隔开与λg/4相同的共同距离，其中λg表示与分隔每个介电材料片材LD的材料相关联的导向波长。例如，在图2a的实施方案中，λg表示与在介电材料片材LD之间的空气或氧化铝相关联的导向波长。
同样并且如图2 b中详细所示的一样，面对着反射器构成平面R并且与所述平面相邻的第一块介电材料片材LD设置在与所述平面R相距λg/2的距离处，其中λg同样表示与在第一个介电材料片材LD和反射器构成平面R之间的材料相关联的导向波长。按照如上的相同方式，λg因此表示在与图2a或2b相对应的非限定性实施方案中当信号在空气或氧化铝中传播时该无线电信号的导向波长。
另外，从图2b中可以清楚地看出，为了构成上述的泄漏谐振腔，多个连续的介电材料片材LD具有相同的厚度，该厚度基本上等于与介电材料相关联的导向波长的几分之一，以便构成一组连续的介电材料片材。可以由此看出，谐振腔由多个连续的介电材料片材组构成，每组由有缺陷PFB材料元件构成，各个组通过其有缺陷区域相互联接以构成所得到的泄漏谐振腔。
因此，在图2b中，具体地说，λ′g表示在每个介电材料片材LD中传播的载波无线电通信信号的波长。
另外，尤其在图2b中可以看出，分别由标号G1和G2表示并且沿着与构成反射器R的平面垂直的方向即沿着方向Oz叠置的两个连续的介电材料片材组由介电材料片材构成，即，这些介电材料片材的厚度作为每个上述组的叠加秩的函数地增加。
因此，在图2b还有图2a中，片材的每一组G1和G2以非限定性实施例的方式显示出，并且分别由具有相同厚度e1和e2的两个平行片材构成。
对于介电材料片材组G1，该组由具有相同厚度e1＝λ′g/4的片材构成，而对于介电材料片材组G2，构成组G2的每个片材由厚度为e2＝λ′g/2的相同介电材料片材构成。
最后，在优选实施方案中，构成每个介电材料片材组Gi的介电材料片材LD的厚度ei沿连续的组Gi重叠的方向成比率为q的几何级数。
在图2b的非限定性实施方案中，重叠组的个数等于2以便避免使该图过于拥挤，并且将几何级数的比率也取作2。这些数值不具有限定性。
另外并且以非限定性的方式，有缺陷PFB材料元件的组件可以由一种周期性重复的结构形成，该结构其材料片材的磁导率、介电常数和厚度这些特性沿着一个、两个或三个方向、垂直方向以及与构成反射器的平面平行的一个或两个方向变化，如在下面的说明中所述的那样。
因此，要理解的是，组Gi的重叠构成了一种其磁导率、介电常数和厚度ei这些特征不同的重复图案，并且所述重复可以是周期性的。
下面将参照图3a对其结构与图2a和2b中所示的结构不同并且满足根据本发明的宽频带或多频带天线的准则的天线进行更详细的说明，然而该结构在无线电方面具有操作的等同模式。
在图3a中所示本发明的宽频带或多频带天线的结构从准备观察开始实现，由此因为在金属反射器表面附近的电场的金属反射原理，在反射器构成平面R附近的电场幅度基本上为零。
因此，如图3a所示，通过删除反射器构成平面R并且用是对称的另一个有缺陷PFB材料元件的组件来将其代替，可获得本发明的宽频带或多频带天线结构，因为上述的对称性，构成有缺陷PFB材料元件的对称的另一个组件的介电材料片材在图3a中由LDs表示。该对称性自然延及辐射元ER或成组的发送/接收辐射元ER并且延及占据着所删除的反射器构成平面R的位置的中间平面。
为此，并且因为围绕着上述位置的对称性，与图2b类似，根据情况，介电材料片材LDs的另一组件的组由G1s或G2s表示。
图3b为以dB表示的传输系数的曲线图，该传输系数是频率的函数，该图用来对图2a、2b或3b中所示本发明的宽频带天线(曲线B)和在上述法国专利申请No.2801428中所述的现有技术天线(曲线A)进行比较。
通过将上述曲线进行比较可以看出，当应用本发明的天线结构时，通带具有较大的增加。
因此，在以非限定性实施例进行说明并且其它方面保持相同的情况下，对于针对14兆赫兹(GHz)的中心频率为6dB的衰减，可以看出，在应用本发明的宽频带天线结构时，通带在相同频率下并且对于6dB的衰减而言为当应用普通类型的天线结构时的相应带宽的至少两倍。
最后，图4显示出在应用本发明的例如图3a所示宽频带天线时所获得的波形，上述波由在构成上述结构的介电材料片材之间的各个区域中的电场幅值 还有所述电场的实部数值 表示。
当然要理解的是，因为电场幅值在z＝0处基本上为零的条件，与采用如图2a或2b所示本发明的宽频带或多频带天线相对应的波形仅对应于图4的上部，其中尺寸z大于0。
因此可以看出，本发明的宽频带或多频带天线结构从几何观点看是对称的，但是从关于尺寸z＝0的电场分布的观点看是不对称的。
通常，根据如在当前说明书中所述的本发明的宽频带或多频带天线结构并不局限于例如参照图2a、2b和3a所述的实施方案。然而这些结构显示出沿着例如在图2b或3b中所示方向Oz的图案重复的单个方向，但是当然可以沿着在例如图2b、3a或4中所示的坐标系的方向Oy和Ox中的两个方向或者甚至沿着三个方向发生重复。
最后，在介电材料片材LD之间的空气层可以由一些其它类型的介电片材代替，或者合适的话，它们可以由具有同样沿在图2a、2b、3a或4中所示的方向x或y以及沿着方向z重复的图案的材料片材代替。
同样，构成叠置图案或组的有缺陷PFB材料元件可以包括由例如金属或磁性材料制成的片材或元件。
这是为什么在上述附图中标准正交参考系被写为Oxyz、Ozxy、Oyzx以便考虑沿着一个、两个或三个方向形成的重复图案的原因。
对于沿着一个、两个或三个方向实现重复图案或者在相对于反射器平面具有单向、双向或三向周期性的结构的组合中，可以参考上述法国专利申请No.2801428，并且尤其分别参照其图3、4和5。对于每个上述相应的结构引入缺陷包括从中心区域分别去除一片层、一排或两排。
另外，为了制作本发明的多频带天线，将有缺陷PFB材料元件的组件构造成具有组Gi的重复性结构，其中介电常数、磁导率和/或厚度这些特性基本上不连续。引入这种不连续性可通过在有缺陷PFB材料元件的缺陷区之间的相互联接产生多个不相交的通带。
最后，本发明的天线结构使得能够实现一天线阵列。如图5所示，所得到的天线阵列包括如上所述的本发明天线，其中多个发送/接收元件ERj，k周期性地分布在反射器平面R附近。辐射元ERj，k可以相同。阵列的尺寸和辐射元沿着其两个分布方向的个数J，K被选择为该阵列的应用或使用的函数。这种阵列应用在点对点和点对多点的通信系统中。
上面对新颖的宽频带或多频带天线结构进行了说明，如上所述该天线结构具有在通带方面尤为有利的特性，同时保留了现有技术天线结构的辐射特性和紧凑性特性。
具体地说，本发明的宽频带或多频带天线结构形成了一泄漏空腔，其操作频率主要由有缺陷PFB材料元件的布置的叠置尺寸来确定。所获得的结果已经表明与上述现有技术设备相比其通带加倍。
本发明的宽频带或多频带天线结构使其能够在采用PFB材料来制造辐射设备上消除其中一个限制。
权利要求
1.一种宽频带或多频带天线，它包括一反射器构成平面以及位于所述反射器构成平面附近的至少一个发送/接收辐射元，所述天线其特征在于，它还包括由有缺陷PFB材料元件构成的一组件，它基本上重叠地设置在所述反射器构成平面和所述辐射元上，每个基本上为平面的有缺陷PFB材料元件平行于所述反射器构成平面，并且沿着与该元件的所述反射器构成平面垂直的方向的磁导率、介电常数和/或厚度这些特性中的至少一个从一个有缺陷PFB材料元件到另一个有缺陷PFB材料元件彼此明显不同，由反射器构成平面形成的组件和由有缺陷PFB材料元件构成的组件形成一泄漏的谐振腔。
2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述组件由有缺陷PFB材料元件构成，每个元件具有这样一种结构，即，沿着与所述反射器构成平面垂直的方向在其磁导率、介电常数和厚度这些特性方面是周期性的。
3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述组件由有缺陷PFB材料元件构成，每个元件具有这样一种结构，即，沿着至少两个方向即与所述反射器构成平面垂直的方向和与所述反射器构成平面平行的方向在其磁导率、介电常数和厚度这些特性方面是周期性的。
4.如权利要求1至3中任一项所述的天线，其特征在于，所述组件由有缺陷PFB材料元件构成，每个元件具有这样一种结构，即，沿着三个方向即与所述反射器构成平面垂直的一个方向和与所述反射器构成平面平行的其它两个方向在其磁导率、介电常数和厚度这些特性方面是周期性的。
5.如权利要求2至4中任一项所述的天线，其特征在于，它包括由有缺陷PFB材料元件构成的组件，这些元件被布置成相对于所述反射器平面具有单向、双向或三向周期性的结构的组合形式。
6.如权利要求1至5中任一项所述的天线，其特征在于，每个有缺陷PFB材料元件由相同材料的片材构成，这些材料片材其介电常数和磁导率特性基本上相同，并且每个相同材料片材具有这样一个厚度，即是在所述片材距离所述反射器构成平面的距离的离散数值中的非递减函数。
7.如权利要求1至6中任一项所述的天线，其特征在于，形成所述有缺陷PFB材料元件的每个相同材料片材沿着与所述反射器平面垂直的方向与相邻片材间隔开基本上等于λg/4的共同距离，其中λg表示与分开所述相同材料片材的材料相关联的导向波长。
8.如权利要求1至7中任一项所述的天线，其特征在于，位于所述反射器构成平面附近的形成有缺陷PFB材料元件的第一片材设置在离所述平面的距离基本上等于λg/2的位置处，其中λg表示与使所述第一片材与所述反射器形成平面分开的材料相关联的导向波长。
9.如权利要求1至8中任一项所述的天线，其特征在于，多个连续的相同材料片材沿着与所述反射器平面垂直的方向具有相同的厚度，该厚度基本上等于与所述材料相关联的导向波长的几分之一，以便构成一组形成一有缺陷PFB材料元件的连续的相同材料片材，沿着与所述反射器构成平面垂直的方向叠置的两个连续的介电材料片材组由具有作为所述组的叠加秩的函数增加的厚度的介电材料片材构成。
10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，构成每组相同材料片材的相同材料片材的厚度沿着所述组的叠置方向成比率为q的几何级数。
11.如权利要求1至10中任一项所述的天线，其特征在于，所述反射器构成平面被去除并且由另一个由有缺陷PFB材料元件的组件代替，该另一组件关于所述至少一个发送/接收辐射元与由有缺陷PFB材料元件构成的所述组件和占据着所述被去除反射器构成平面的位置的媒介平面对称。
12.如权利要求3至11中任一项所述的天线，其特征在于，所述有缺陷PFB材料元件包括金属部分。
13.如权利要求1至12中任一项所述的天线，其特征在于，所述有缺陷PFB材料元件的组件具有一种组的重复结构，其中磁导率、介电常数和/或厚度这些特性基本上不连续，从而通过有缺陷PFB材料元件的有缺陷区的相互联接产生多个不相交的通带。
14.一种阵列天线，其特征在于，它包括如权利要求1至13中任一项所述的天线，所述天线包括在所述反射器平面附近周期性地分布的多个发送/接收辐射元。
全文摘要
本发明涉及一种用于微波的宽频带或多频带天线，它包括一反射器平面(R)和至少一个设置在反射器(R)附近的辐射元(ER)。有缺陷PFB材料元件的组件重叠在反射器平面(R)和辐射元(ER)上。每个有缺陷PFB材料元件基本上为平面，与反射器平面(R)平行，并且沿着与反射器平面(R)垂直的方向具有从一个有缺陷PFB材料元件到另一个相互不同的磁导率、介电常数和/或厚度中的至少一个特征。该组件形成一泄漏谐振腔。该天线可以应用于移动电话系统或光程传输。
文档编号H01Q15/00GK1557038SQ02818643
公开日2004年12月22日 申请日期2002年9月18日 优先权日2001年9月24日
发明者贝尔纳·让·伊夫·热科, 西里尔·谢普, 塞德里克·塞里耶, 马克·泰弗诺, 蒂埃里·莫内迪耶, 莫内迪耶, 谢普, 克 塞里耶, 泰弗诺, 贝尔纳 让 伊夫 热科 申请人:国家科学研究中心