专利名称：使用光子带隙材料的多频带天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多频带天线，其包括-一种适合于在电磁波的空间和频率方面滤波的PBG材料(光子带隙)，该PBG材料显现出至少一个阻带，并形成一层在发射和/或接收中辐射的外表面，-至少一个PBG材料的周期的缺陷，以至于在该PBG材料的所述至少一个阻带之内产生至少一个窄通带，以及-一个适合于在由所述至少一个缺陷产生的所述至少一个窄通带之内发射和/或接收电磁波的激励设备。
背景技术：
与其它类型的天线，例如反射器型、透镜型或喇叭形天线相比，PBG材料的天线表现出减小的覆盖区的优势。
在以C.N.R.S.(法国国家科研中心)的为申请人的第2 801 428号公开的专利申请FR 99 14521中特别描述了这种PBG材料的天线。该专利精确描述了一种显现出单个缺陷(形成一个泄漏谐振腔)的PBG材料的实施例。而且，尽管没有明确描述这种变化的实施例，该专利仍然展望了从PBG材料创建多频带天线的可能性。特别地，该专利指出在PBG材料中创建的缺陷使得在该PBG材料的一个更宽阻带之内产生一个窄通带成为可能。因此，为了创建多频带天线，必须在PBG材料中创建多个缺陷，以便在该PBG材料的同一阻带之内创建多个窄通带。这是该专利申请FR 99 14521的第10页第23至25行中所指出的。
在此重申，多频带天线指的是一种适合于工作在多个不同的、互相区别的工作频率的天线。而且该多频带天线在每个工作频率中显现出相同的辐射图案和相同的辐射极化。
特别是考虑到多缺陷PBG材料设计的困难，依照专利申请FR 9914521教导的多频带天线的结构被证实为比较复杂。
发明内容
本发明目标在于通过提出一种构造更为简单的、由PBG材料制成的多频带天线来弥补这一缺点。
因此本发明的对象也是一种例如在上文中描述的多频带天线，其特征在于-所述激励设备适合于同时工作在至少第一和第二不同的工作频率上；-所述第一和第二工作频率分别位于第一和第二窄通带之内并互相区别，并且所述第一和第二窄通带是由PBG材料周期的同一缺陷产生的。
特别地，发现了PBG材料的同一个缺陷产生了中心分别在多个相互不同频率的多个窄通带。因此，为了构造一个多频带天线而无须构造一个多缺陷PBG材料的天线，从而简化了这种天线的结构。
根据依照本发明的一种多频带天线的特征之一-产生所述第一和第二窄通带的PBG材料的周期缺陷形成了一个显现出在垂直于所述外辐射表面方向的恒定高度的泄漏谐振腔，并且调整所述高度以便在PBG材料的所述至少一个阻带之内放置所述第一和第二窄通带，-调整所述腔的高度，以便在PBG材料的同一个阻带之内放置所述第一和第二窄通带，-所述PBG材料显现出第一和第二相互间隔的、不相交的阻带，并且调整所述腔的高度以便在PBG材料的第一和第二阻带之内分别放置所述第一和第二窄通带，-所述第一窄通带的中心基本上位于基频上，而所述第二窄通带的中心基本上位于该基频的整数倍上，
-所述腔显现出一族由基频及其谐波形成的谐振频率，对每个该族的谐振频率来说，所述腔的谐振模式和所述天线的辐射图案是相同的，并且第一和第二工作频率在其各自的窄通带中分别对应于同一族的频率，-所述腔显现出各自由基频及其谐波形成的至少两族谐振频率，对同一族的每个谐振频率来说所述谐振模式和所述天线的辐射图案是相同的，并且不同于其它族的谐振频率的那些图，并且所述第一和第二工作频率在其各自的窄通带中分别对应于属于不同族的频率，-所述激励设备能够在第一工作频率发射电磁波，其极化不同于在第二工作频率发射的电磁波，-所述激励设备包括至少一个适合于在第一和第二工作频率同时发射和/或接收电磁波的相同激励单元，-所述激励设备包括各自适合于发射和/或接收电磁波的第一和第二激励单元，并且所述第一激励单元适合于工作在第一工作频率，而所述第二激励单元适合于工作在第二工作频率，-每个激励单元能够在所述外表面分别产生第一和第二互不相接的辐射斑，这些辐射斑的每一个代表在天线发射和/或接收中辐射的电磁波束的源，-所述泄漏谐振腔是平行六面体的形状。
通过阅读下述的仅以举例方式给出的描述，同时参照附图，将能够更好地理解本发明，其中附图包括-图1是依照本发明的一种多频带天线的示意图；-图2是表示图1的天线的传输系数的图；-图3A和3B是图1的天线的辐射方向示意图；-图4是依照本发明的一种多频带天线的第二实施例的示意图；以及-图5是表示图4的天线的传输系数的图。
具体实施例方式
图1表示一种多频带天线140，其包括一种光子带隙材料142或PBG材料和一个电磁波反射器金属平面144。
在此重申，PBG材料是一种具有吸收某些频率范围这一属性的材料，以至于它显现出一个或多个抑制电磁波的任何传输的阻带。
PBG材料通常由具有可变介电常数和/或磁导率的电介质的周期阵列组成。
通过在这种几何和/或无线电电子周期中引入中断(该中断也称为缺陷)，使产生一个吸收缺陷并因而在PBG材料的阻带中创建一个窄通带成为可能。在这些条件下，PBG材料称为缺陷PBG材料。
关于这种显现出单个缺陷的天线的详细描述，读者可以有益地参考法国专利申请FR 99 14521(2 801 428)，特别是关于图6所描述的实施例。
在上述引用的专利申请中已经详细描述了天线140的一般配置，这里将只详细描述该天线140所特有的特征。
在此选择PBG材料142以显现出最宽的可能阻带B。图2的图示中表示了该阻带B，显示了作为电磁波频率的函数的缺陷PBG材料142的以分贝表示的传输系数轮廓。该传输系数表示发射的电磁能量相对于接收的电磁能量的比率。这里，PBG材料的阻带B从5GHz延伸到17GHz。
PBG材料142包括沿着垂直于反射器平面144方向的一个平电介质层的堆叠。例如，这里该堆叠由两个由第一电介质材料，例如氧化铝构成的层150、152，以及由两个由另一电介质材料，例如空气构成的层154和156组成。在层150和152之间插入层154，同时在层152和反射器平面144之间插入层156。层150放置在所述堆叠远离反射器平面144的另一端，并显现出与层154接触的内表面和与内表面相对的外表面158。该外表面158形成了在发射和/或接收中天线的辐射表面。
层150至156与反射器平面144平行。
层156的高度大于层154的高度，因而形成PBG材料的电介质材料堆叠的几何周期的单个中断。因此在本实施例中，PBG材料142显现出单个缺陷。这里，层156在垂直于反射器平面144的方向上形成了恒定高度H的泄漏平行六面体谐振腔。
所述腔156产生了一个中心约在基频f0的窄通带BP1(图2)。高度H决定了频率f0，并因此决定了在阻带B之内的窄通带BP1的位置。这里，f0基本上等于7GHz。
应当注意所述的同一缺陷或腔156也产生了中心基本为频率f0整数倍的其它窄通带。迄今，并未观察到这些其它的窄通带，因为它们位于阻带B之外。特别地，在这种类型的已知天线中，阻带并不足够宽，并且频率f0基本上位于阻带的中间。
因此在本实施例中，选择高度H以便通带BP1充分地偏离中心，这样中心在基本等于f0两倍的频率f1的通带BP2(图2)也位于同一阻带B之内。这里，f1基本上等于14GHz。
如上所述的平行六面体谐振腔，以已知的方式，显现出多族谐振频率。每族谐振频率由基频及其谐波或基频的整数倍形成。同一族中的每个谐振频率激励所述腔的相同谐振模式。通过术语谐振模式TM0、TM1、...、TMi，这些谐振模式是已知的。在1987年Dunod出版社出版的F.Cardiol的《Electromagnétisme，traité d’Electricité，d’Electronique et d’Electrotechnique》文档中更加详细地描述了这些谐振模式。每个谐振模式TMi可以由接近于基频fmi的电磁波激励或激活。这些频率fmi或其谐波出现在每个窄通带BP1和BP2中。
每个谐振模式对应于天线140的一个特定的辐射图案或辐射形状。
通过举例，图3A和3B各自表示分别对应于谐振模式TM0和TM1的辐射图案或辐射形状。
这里，在垂直于反射器平面方向上的诸个层的特征，即，具体来讲它们的高度或各自的厚度，是依照专利申请FR 99 14521的教导而确定的。更精确地，确定这些特征，以便谐振模式TM0对应于沿着垂直于外表面158的发射和/或接收的有利方向的定向辐射。这里，在图3A中通过沿着垂直于表面158的方向延长的主瓣，来表示所述定向辐射。应当注意，在图3A中表示的辐射形状并不依赖于腔156的侧面尺寸，即在平行于反射器平面的平面中的所述腔的尺寸，如果这些侧面尺寸大于Φ，其中Φ由下述公式给出GdB≥201logπΦλ-2.5]]>(1)其中-GdB是希望天线具有的以分贝表示的增益，-Φ＝2R，-λ是对应于中频f0的波长。
通过举例，对于20dB的增益，半径R基本上等于2.15λ。
在另一方面，对应于高于谐振模式TM0的谐振模式的辐射形状作为所述腔156的侧面尺寸的函数而变化。这里，这些侧面尺寸被确定为，谐振模式TM1对应于在由穿过反射器平面144的平面限定的三维半空间中基本全向的辐射图案。
通过例如实验的方法，来确定使获得所需辐射形状成为可能的天线140的尺寸。
有利的是，在仿真天线140的软件的帮助下，这些实验包括确定对应于给定尺寸的辐射形状，进而包括改变这些尺寸直到获得所需的辐射图案。
最后，在此，天线140包括在腔156之内的平面144的表面上并排放置的两个激励单元160和162。这些激励单元160和162能够发射和/或接收频率分别为fT1和fT2的电磁波。频率fT1接近于频率fm0或其谐波之一。它位于窄通带BP1之内，以便激励腔156的谐振模式TM0。频率fT2接近于频率fm1或其谐波之一。它位于通带BP2之内，以便激励谐振模式TM1。
这些激励单元本身是已知的。例如，它们是能够将电信号转换成电磁波的贴片或平板天线、偶极或缝隙天线。出于此目的，将激励单元160和162链接到一个传统电信号的发生器/接收机164。
现在将描述关于图1所描述的多频带天线的操作模式。
在发射时，发生器/接收机164向一个或同时向两个激励单元160和162发射电信号。这些电信号被单元160转换成频率为fT1的电磁波，被单元162转换为频率为fT2的电磁波。频率为fT1和fT2的这些电磁波并不互相干涉，因为频率fT1和fT2是完全不同的。特别地，在此，频率fT1和fT2分别位于由宽度约为7GHz的吸收频率范围所隔开的窄通带中。而且，这些工作频率fT1和fT2分别位于阻带B之内的窄通带内，它们不会被PBG材料142吸收。
频率为fT1的电磁波激励腔156的谐振模式TM0，这增加了对于该频率来说是定向的天线140的辐射以及在表面158上形成的发射和/或接收中的辐射斑的出现。这里，辐射斑是包含所有这样的点的外表面的区域，其中在所述点的发射和/或接收中辐射的功率大于或等于由天线4从该外表面辐射的最大功率的一半。每个辐射斑容纳一个几何中心，其对应于辐射功率基本上等于最大辐射功率的点。
在谐振模式TM0的情况下，该辐射斑内切于一个直径Φ由公式(1)给出的圆。
频率为fT2的电磁波在其部分激励谐振模式TM1，这增加了以该频率fT2在半空间中的全向辐射以及在表面158上形成的发射和/或接收中的第二辐射斑的出现。
每个辐射斑对应于在电磁波的辐射波束的源的基底或横截面。
对于分隔适当距离的单元160、162来说，辐射斑是不相交的。
在接收时，只有外表面158接收的、并且频率位于通带BP1或通带BP2之内的电磁波，才传播到腔156那么远。
给定对于频率fT1的天线140的辐射图案的方向，只有频率为fT1并且基本上垂直于外表面158的电磁波才被发射到激励单元160那么远。相反，对于频率fT2，给定天线140在半空间中实际上是全向的，在外表面上频率为fT2的电磁波的接收方向实际上是任意的。
在腔156之内，激励单元160将频率为fT1的电磁波转换成发射给发生器/接收机164的电信号。激励单元162以相同的方法来处理频率为fT2的电磁波。
因此，天线140显现出多功能天线的特征，即适合于运转在两个不同的频率上，并且对每个工作频率来说有特定的辐射图案。这里，天线140对于工作频率fT1来说是定向的，对于频率fT2来说在半空间中是全向的。
图4表示一种多频带天线170的第二实施例，其包括一种与电磁波反射器金属平面174有关的PBG材料172。
在该实施例中，放置所述PBG材料以显现出由电磁波不被吸收的宽频带互相间隔的多个阻带。
图5表示所述天线140的传输系数的轮廓以及，特别地，同一PBG材料172的两个阻带B1和B2。阻带B1中心位于频率f0，阻带B2中心位于f0的整数倍，在此为2f0。
显现出多个阻带的PBG材料是已知的，这里将不描述产生这些阻带的所述材料172的配置。
与PBG材料142相似，PBG材料172包括一个形成具有恒定高度G的谐振平行六面腔180的几何特征的周期中断。
这里，确定高度G为产生基本上在阻带B1中间的窄通带E1和基本上在阻带B2中间的通带E2。这里，通带E1中心位于基本上等于13GHz的基频f0。窄通带E2中心位于等于基频f0整数倍的频率f1。该频率f1在这里基本上等于26GHz。
最后，例如，在腔180内的反射器平面174上放置单个激励单元190。该激励单元190能够发射和/或接收工作频率为fT1和fT2的电磁波。这些频率fT1和fT2都能够激励腔180的同一谐振模式，在此例如谐振模式TM0，以便对于这些频率中的每一个显现出实际上相同的辐射图案。然而，这些频率fT1和fT2分别位于通带E1和E2中。
在该实施例中，激励单元190是矩形贴片或平板天线，配备了链接到电信号的发生器/接收机196的两个端口192、194。端口192、194能够激励所述激励单元190的两个极化，最好是两个相互正交的极化。这里，端口192和194用于接收和/发射频率分别为fT1和fT2的信号。
与天线140相似，所述天线170利用同一缺陷产生多个中心位于基频的整数倍频率的窄通带这一事实。然而，在该实施例中，单个激励单元用于同时工作在两个工作频率fT1和fT2。而且，在该实施例中，在频率fT1和fT2发射的电磁波以相互正交的方式被极化，以便限制在这两个工作频率之间的干涉。
所述天线170的操作模式是基于对天线140进行的描述。
这里描述的天线170是多频带天线，即适合于工作在多个不同频率，但对每个工作频率，显现出相同的辐射图案。
作为一种变体，使用适合于同时工作在频率fT1和fT2的单个激励单元，来代替天线140的激励单元160和162。所述单个激励单元，例如，与激励单元190相同。相反地，作为变化的，使用两个分别适合于工作在频率fT1和fT2的不同的并且相互独立的激励单元，来代替天线170的激励单元190。这两个激励单元，例如与激励单元160和162相同。
权利要求
1.一种多频带天线，其包括-一种适合于在电磁波的空间和频率方面滤波的PBG材料(142；172)(光子带隙)，该PBG材料显现出至少一个阻带，并形成一层在发射和/或接收中辐射的外表面(38；158)，-至少一个所述PBG材料的周期的缺陷(156；180)，以至于在所述PBG材料的所述至少一个阻带之内产生至少一个窄通带，以及-一个适合于在由所述至少一个缺陷产生的所述至少一个窄通带之内发射和/或接收电磁波的激励设备(160、162；190)，其特征在于-所述激励设备适合于同时工作在至少第一和第二不同的工作频率上；-所述第一和第二工作频率分别位于第一和第二窄通带之内并互相区别，以及-所述第一和第二窄通带是由所述PBG材料(142、172)的周期的同一缺陷(156、180)产生的。
2.权利要求1中所陈述的天线，其特征在于产生所述第一和第二窄通带的PBG材料(142、172)的所述周期缺陷形成了一个泄漏谐振腔，其显现出在垂直于所述外辐射表面(158)方向的恒定高度，以及调整所述高度以便在PBG材料的所述至少一个阻带之内放置所述第一和第二窄通带。
3.权利要求2中所陈述的天线，其特征在于调整所述腔(156)的高度，以便在PBG材料(156)的同一个阻带之内放置所述第一和第二窄通带。
4.权利要求2中所陈述的天线，其特征在于所述PBG材料(172)显现出第一和第二相互间隔的不相交的阻带，以及调整所述腔的高度以便在PBG材料(172)的第一和第二阻带之内分别放置所述第一和第二窄通带。
5.权利要求1至4的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述第一窄通带的中心基本上位于基频上，而所述第二窄通带的中心基本上位于所述基频的整数倍上。
6.权利要求1至5的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述腔显现出由基频及其谐波形成的一族谐振频率，对该族的每个谐振频率来说所述腔的谐振模式和所述天线的辐射图案是相同的，以及所述第一和第二工作频率在其各自的窄通带中分别对应于同一族的频率。
7.权利要求1至6的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述腔显现出各自由基频及其谐波形成的至少两族谐振频率，对同一族的每个谐振频率来说所述谐振模式和所述天线的辐射图案是相同的、并且不同于其它族的谐振频率的那些，以及所述第一和第二工作频率在其各自的窄通带中分别对应于属于不同族的频率。
8.权利要求1至7的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述激励设备(190)能够在第一工作频率发射电磁波，其极化不同于在第二工作频率发射的电磁波。
9.权利要求1至8的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述激励设备包括至少一个适合于在第一和第二工作频率同时发射和/或接收电磁波的相同激励单元(190)。
10.权利要求1至8的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述激励设备包括各自适合于发射和/或接收电磁波的第一和第二激励单元(160、162)，以及所述第一激励单元(160)适合于工作在第一工作频率，而所述第二激励单元(162)适合于工作在第二工作频率。
11.权利要求10中所陈述的天线，其特征在于每个所述激励单元能够在所述外表面分别产生第一和第二互不相交的辐射斑，这些辐射斑的每一个代表在天线发射和/或接收中辐射的电磁波束的源。
12.权利要求1至11的任意一条中所陈述的天线，其特征在于所述泄漏谐振腔是平行六面体的形状。
全文摘要
本发明关注于一种多频带天线，其包括一种有至少一个带隙的光子带隙材料(142)，该带隙材料的单个周期缺陷(156)以便在所述带隙材料的所述至少一个带隙之内产生多个窄带宽，以及一个能够在窄带宽之内发射和/或接收电磁波的激励设备(160、162)。
文档编号H01Q19/17GK1706074SQ200380101923
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月23日 优先权日2002年10月24日
发明者马奇·泰弗诺, 雷吉斯·尚塔拉, 伯纳德·杰考, 鲁多维克·莱热, 蒂埃里·莫内迪耶, 帕特里克·迪蒙 申请人:国家科研中心, 国家空间研究中心