CN100483846C - 带有光子带隙材料的多波束天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波束天线，包括：具有至少一个间隙的光子带隙材料；至少一个的周期性的缺陷从而在所述光子带隙材料的所述至少一个的带隙中产生至少一个的窄带宽；以及激励元件(40至43)，用于能在所述至少一个的窄带宽中接收电磁波。这些激励元件相互排列在该光子带隙材料的一个表面上产生部分重叠的辐射点(46至49)。

Description

带有光子带隙材料的多波束天线

技术领域

本发明涉及一种多波束天线，其包括：

—适用于电磁波的空间和频率滤波的PBG(光子带隙)材料，该PBG材料呈现至少一个的阻带并且形成一个发射中和/或接收中辐射的外表面，

—该PBG材料的至少一个的周期性缺陷为在该PBG材料的所述至少一个的阻带内形成至少一个的窄通带，以及

—适用于在由所述至少一个的缺陷形成的所述至少一个的窄通带内发射和/或接收电磁波的激励部件。

背景技术

多波束天线多用于空间应用中并且尤其用于用来向地球表面发送信息和/或从地球表面接收信息的对地静止卫星。为此它们包括数个各生成一个彼此隔开的电磁波束的辐射元件。这些辐射元件例如位于一个形成电磁波束的反射器的抛物面的焦点附近，该抛物面和该多波束天线安装在对地静止卫星上。该抛物面用于把每个波束引导到地球表面的对应区中，由多波束天线的一条波束照射的每个地球表面区通常称为覆盖区。这样，每个覆盖区和一个辐射元件相对应。

目前，这些所使用的辐射元件用术语“嗽叭”称呼并且装备着这些嗽叭的多波束天线叫做嗽叭天线。每个嗽叭产生一个基本圆形的辐射点，该点形成发射中或接收中辐射的锥形波束的基点。以使辐射点彼此尽可能靠近的方式并排设置这些嗽叭。

图1A在端视图下示意地表示一个带有嗽叭的多波束天线，其中七个方块F1至F7表示七个彼此邻接设置的嗽叭的覆盖区。七个各内切在一个方块F1至F7的圆圈S1至S7代表相应嗽叭产生的辐射点(radiating spot)。图1A的天线放在一个用来向法国领土发送信息的对地静止卫星的抛物面的焦点处。

图1B表示-3分贝覆盖区C1至C7，它们各和图1A天线的一个辐射点对应.每个圆圈的中心对应地面上的一个接收到的功率为最大的点。每个圆圈的周线定界一个其中地面上接收到的功率大于圆中心接收到的最大功率的一半的区域。尽管辐射点S1至S7实际上是邻接的，它们产生互相分离的-3分贝覆盖区。位于各-3分贝覆盖区之间的区段称为接收空区。从而每个接收空区对应于地面上其中接收到功率小于最大接收到功率一半的区域。在这些接收空区中，接收到的功率可能变成是对于使地面接收器能正常操作是不充足的。

为了解决该接收空区问题，已经提出使多波束天线的辐射点互相重叠。在图2A中示出这种含有数个重叠的辐射点的多波束天线的一具体端视图。在该图中，只表示二个辐射点SR1和SR2。每个辐射点是由七个独立并且相互不同的辐射源产生的。辐射点SR1是由并排彼此邻接设置的辐射源SdR1至SdR7形成的。辐射点SR2是由辐射源SdR1、SdR2、SdR3和SdR7以及辐射源SdR8至SdR10产生的。辐射源SdR1至SdR7能在第一工作频率下工作，从而形成一个在该第一频率上基平均匀的第一电磁波束。辐射源SdR1至SdR3以及SdR7至SdR10能在第二工作频率下工作，从而形成一个在该第二工作频率下基本均匀的第二电磁波束。因此，辐射源SdR1至SdR3以及SdR7适应于同时在该第一和第二工作频率下工作。该第一和第二工作频率彼此不同，从而限制所产生的第一和第二波束之间的干扰。

这样，在这种多波束天线中，诸如辐射源SdR1至SdR3的一些辐射源都在形成辐射点SR1和辐射点SR2上使用，从而产生这二个辐射点SR1和SR2的重叠。图2B中表示由给出重叠辐射点的多波束天线形成的-3分贝覆盖区的示意排列。这种天线能明显地减小接收空区或者甚至使它们消失。但是，部分地由于辐射点是用数个独立并且彼此不同的辐射源形成的而且至少一部分辐射源还用于形成其它辐射点这一事实，控制这种多波束天线要比控制常规嗽叭天线更复杂。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种更简单的带有重叠辐射点的多波束天线弥补该缺点。

从而它的主题是一种上面所定义的天线，其特征在，

—激励部件适应于至少在第一和第二不同工作频率附近同时工作；

—激励部件包括不同的并且相互独立的第一和第二激励元件，各适应发射和/或接收电磁波，第一激励元件适应在第一工作频率上工作而第二激励元件适应在第二工作频率上工作；

—PBG材料的周期性缺陷或者每个周期性缺陷形成一个漏谐振腔，其在垂直于所述外部辐射表面的方向上呈现固定高度的漏谐振并且在平行于所述外部辐射表面的方向呈现确定的横向尺寸；

—第一和第二工作频率适于激励漏谐振腔的相同的谐振模式，该谐振模式是和腔的横向尺寸无关的以恒定方式建立的，从而在所述外表面上分别建立第一和第二辐射点，每个辐射点代表在发射中和/或接收中由该天线辐射的一个电磁波束的源；

—每个辐射点呈现一个其位置取决于产生它的激励元件的位置并且其表面积大于产生它的该激励元件的表面积的几何中心，以及

—把第一和第二激励元件彼此设置成使第一和第二辐射点并排地并且部分重叠地配置在PBG材料的外表面上。

在上面所说明的多波束天线中，每个激励元件产生单个辐射点，该点形成位于电磁波束的源处的基点或横截面。从而，在这一点上，该天线和其中一个嗽叭产生单个辐射点的常规嗽叭天线类似。从而该天线的控制类似常规嗽叭天线的控制。此外，把激励元件设置成使辐射点重叠。从而该天线显示这样的优点，即它是带有重叠辐射点的多波束天线但相对于嗽叭多波束天线不增加激励元件的控制复杂性。

依据本发明一种多波束天线的其它特征包括：

—每个辐射点基本是圆形的，其几何中心对应于发射和/或接收功率的最大点，其圆周对应于其发射和/或接收功率为该中心处发射和/或接收最大功率的一个分数，而在一个平行于该外表面的平面中两个激励元件的几何中心的间隔距离严格小于第一激励元件产生的辐射点的半径加上第二激励元件产生的辐射点的半径，

—每个辐射点的几何中心位于一条垂直于所述外辐射表面并穿过产生该辐射点的激励元件的几何中心的线上；

—第一和第二激励元件位于同一个腔内，

—第一和第二工作频率位于该同一个腔产生的同一个窄通带内，

—第一和第二激励元件各位于不同的谐振腔内，并且第一和第二工作频率各适于激励一个和它们各自的腔的横向尺寸无关的谐振模式，

—一个反射器面和该PBG材料关联，该反射器面被变形以形成所述不同的腔，

—该腔或者每个腔为平行六面体形。

附图说明

通过阅读下面只作为例子给出的说明并且参照附图可以更好地理解本发明，附图中：

图1A、1B、2A和2B表示已知的多波束天线以及产生的覆盖区；

图3是依据本发明的多波束天线的透视图；

图4表示图3天线的传输系数；

图5表示图3天线的辐射图；

图6表示依据本发明的多波束天线的第二实施例；

图7表示图6天线的传输系数；

图8表示依据本发明的多波束天线的第三实施例；

图9示意依据本发明的半圆柱天线。

具体实施方式

图3表示多波束天线4。天线4是用与反射电磁波的金属面22关联的光子带隙材料20或PBG材料形成的。

PBG材料是已知的并且PBG材料例如材料20的设计例如在专利申请FR 99 14521中说明。从而本文只详细地说明相对于现有技术的天线4的特殊特性。

回想PBG材料是一种具有吸收某个频率段的性质的材料，即其在上述频率段中禁止任何传输。这些频率段形成所谓的阻带。

在图4中示出材料20的阻带B。图4给出一条表示作为发射或接收的电磁波的频率的函数、以分贝为单位的传输系数的变化曲线。该传输系数是用相对于PBG材料的一面上接收的能量从该材料的另一面发送的能量表示的。在材料20的情况下，阻带B或吸收带B大致从7吉赫延伸到17吉赫。

阻带B的位置和宽度只取决于PBG材料的性质和特性。

PBG材料通常包括可变介电常数和/或导磁率的介电的周期性阵列。这样，材料20是用二块用第一磁材料例如铝做成的片30、32以及二个用第二磁材料例如空气构成的片34、36组成的。片34插在片30和32之间，而片36插在片32和反射器面22之间。片30设置在这堆片的一端上。图中示出其背面和片34接触的外表面38。表面38形成发射中和/或接收中的辐射表面。

在一种已知方式，在该几何和/或无线电周期中引入断裂能造成吸收的缺陷并且从而在PBG材料的阻带内形成窄的通带，其中这种断裂也称为缺陷。在这样的状态下该材料称为带有缺陷的PBG材料。

这里，通过选择片36的高度或厚度H大于片34的厚度形成几何周期性中的断裂。在一种已知的并使形成的窄通带E(图4)大致位于阻带B中间的方式下，高度H由下面的关系定义：

$H=0.5\×\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r\×{\mathrm{\μ}}_r}$

其中

λ是和通带E的中间频率对应的波长，

ε_r是空气的相对介电常数，以及

μ_r是空气的相对导磁率。

这里，中间频率f_m大致等于12吉赫。

片36形成一个漏平行六面体谐振腔，该腔的高度H是固定的而它的横向尺寸由PBG材料20以及反射器22的横向尺寸定义。片30和32以及反射器面22是矩形的并且横向尺寸相同。这里，按使它比用下面的经验公式定义的半径R大几倍的方式选择这些横向尺寸：

$G_{\mathrm{dB}}\≥20\log \frac{\mathrm{\π\φ}}{\mathrm{\λ}}-2.5---\left(1\right)$

其中：

G_dB是该天线按分贝的期望增益，

φ＝2R，

λ是和中间频率f_m对应的波长。

作为例子，对于20分贝的增益，半径R大致等于2.15λ。

在已知方式下，诸如这样的平行六面体谐振腔存在数个谐振频率族。每个谐振频率族是由一个基频以及它的谐波或该基频的整数倍组成的。同一族中的每个谐振频率激励该腔的相同谐振模式。这些谐振模式记为TM₀、TM₁、...、TM₁、....在F.Cardiol的“Electromagnétisme，traitéd’Electricité，d’Electronique et d’Electrotechnique”，Ed.Dunod，1987，中更详细地说明谐振模式.

这里回想可以通过一批接近基频f_m0的激励频率激励谐振模式TM₀。以类似的方式，可以通过一批接近基频f_m1的激励频率激励各个模式TM₁。每个谐振模式对应该天线的一个具体辐射图并且对应一个在外表面38上形成的发射和/或接收辐射点。这里辐射点是外表面38上的含有全部其发射中和/或接收中的辐射功率大于或等于天线4从该外表面辐射的最大功率的点的区域。每个辐射点容许有一个和其辐射功率大致等于该最大辐射功率的点对应的几何中心。

在谐振模式TM₀的情况下，该辐射点内切于其直径φ用式(1)给出的圆内。对于谐振模式TM₀，辐射图沿着垂直于外表面38并穿过该辐射点的几何中心的方向高度定向。在图5中示出对应于谐振模式TM₀的辐射图。

各个频率f_mi位于窄通带E内。

最后，在腔36中于反射器面22上并排地设置四个激励元件40至43。在本文说明的该例中，这些激励元件的几何中心位于一个菱形的四个角，其四条边的尺寸严格小于2R。

每个激励元件适于在一个和其它激励元件不同的工作频率f_Ti下发射和/或接收电磁波。这里，每个激励元件的频率f_Ti接近f_m0从而激励腔36的谐振模式TM₀。这些激励元件40至43链接到一个常规发生器/接收器45，后者用于通过各个激励元件把电信号转换成电磁波或者相反。

这些激励元件例如通过辐射偶极子、辐射槽、辐射板探头或辐射补片构成。每个辐射元件的横向脚印(覆盖区)(在一个平行于外表面38的平面中)严格小于它形成的辐射点的表面面积。

现说明操作图3天线的方式。

在发射下，通过发生器/接收器45激励的激励元件40发射工作频率f_T0下的电磁波并且激励腔36的谐振模式TM₀。其它辐射元件41至43例如同时通过发生器/接收器45激励并且分别在工作频率f_T1、f_T2和f_T3下类似工作。

已经发现，对于谐振模式TM₀，辐射点以及对应的辐射图和腔36的横向尺寸无关。具体地，谐振模式TM₀只和各个片30至36的厚度以及材料性质有关，并且当腔36的横向尺寸各几倍地大于上面定义的半径R时TM₀是和这些横向尺寸无关地建立的。这样，可以同时彼此并排地建立数个谐振模式TM₀并且由此同时生成数个并排设置的辐射点。这就是激励元件40至43各在空间中的不同点激励相同谐振模式的出现的情况。随之，激励元件40对谐振模式TM₀的激励表现为出现基本圆形的辐射点46，点46的几何中心和元件40的几何中心是完全成垂直的。以类似的方式，元件41至43对谐振模式TM₀的激励表现为出现分别和这些元件的几何中心完全垂直的辐射点47至49。元件40的几何中心离元件41和43的几何中心的距离严格小于2R，辐射点46部分地与分别对应于辐射元件41及43的辐射点47及49重叠。出于同样原因，辐射点49部分地与辐射点46及48重叠，辐射点49部分地与辐射点49及47重叠，以及辐射点47部分地与辐射点46及48重叠。

每个辐射点对应于一个辐射电磁波束原点处的基点或横截面。这样，该天线以类似于已知带有重叠辐射点的多波束天线的方式操作。

该天线在接收中的操作方式追随对发射说明的操作。这样，例如，如果对辐射点46发射电磁波，点46在和点46对应的表面积上接收。如果接收的波的频率在窄通带E内，该波不被PBG材料20接收而是由激励元件40接收。激励元件接收的每个电磁波以电信号的形式发送到发生器/接收器45。

图6表示用PBG材料72做成的并且以电磁波反射器74为基础的天线70，而图7表示该天线的作为频率的函数的传输系数曲线。

PBG材料72例如和PBG材料20相同并且存在相同的阻带B(图7)。形成该PBG材料各个层已根据图3说明，具有相同的参照数字。

例如按把腔36分成二个高度不同的谐振腔76和78使反射器面22变形的方式形成反射器74。腔76的固定高度H₁例如是以在阻带B中于10吉赫频率附近配置一个窄通带E₁(图7)的方式确定的。类似地，谐振腔78的高度H₂例如是以在同一个阻带B中按14吉赫为中心配置一个窄通带E₂(图7)的方式确定的。这样，反射器74包括二个并排设置并且电气连接在一起的反射器半面80和82。反射器半面80平行于片32并且对片32的间距为高度H₁。半面82平行于片32并且对片32的间距为固定高度H₂。

最后，在腔76中设置激励元件84并在腔78中设置激励元件86。除了激励元件84能激励腔76的谐振模式TM₀而激励元件86能激励腔78的谐振模式TM₀之外，激励元件84、86例如和激励元件40至43相同。

在该实施例中，隔开激励元件84和86的几何中心的水平距离(平行于片32)严格地小于分别由元件84和86产生的二个辐射点的半径的和。

天线70的操作方式和图3中的天线的操作方式相同。但是，在本实施例中，激励元件84和86的工作频率位于各自的窄通带E₁、E₂中。这样，和图3中的天线4不同，这些激励元件的工作频率彼此隔开大的频率间隔，例如此例中4吉赫。在本实施例中，以能使用规定的工作频率的方式选择通带E₁、E₂的位置。

图8表示一个多波束天线100。除了辐射部件4的带有单个缺陷20的PBG材料用带有数个缺陷的PBG材料102替代之外，天线100类似于天线4。在图8中已经参照图4说明过的元件具有相同的参照数字。

天线100是在一个穿过一个垂直于反射器22的剖面的并且通过激励元件41和43的区段中表示的。

PBG材料包括二个相继的用第一介质材料做成的片组104和106。组104和106在垂直于反射器面22的方向上叠加。作为一种非限制性的例子，每个组104、106分别由平行于反射器面22的二个片110、112以及114、116组成。同一组中的每个片具有彼此相同的厚度。对于组106，每个片的厚度为e₂＝λ/2，其中λ表示PBG材料的缺陷形成的窄带的中间频率的波长。

组104的每个片的厚度为e₁＝λ/4。

厚度e₁和e₂的计算遵从法国专利99 145 21(2 801 428)中公开的讲授。

带有缺陷的PBG材料102的每个片之间放入一个第二介质材料例如空气的片。这些隔开片110、112、114和116的片的厚度等于λ/4。

第一片116设置成对着反射器面22并且通过厚度为λ/2的第二介质材料片和面22隔开，从而形成一个漏谐振平行六面体腔。每个介质材料片组中的介质材料片的序贯厚度e₁最好沿相继组104、106的方向为比率q的几何级数。

此外，在所说明的该实施例中，作为非限制性的例子，叠加的组数为2以便不使该图过度复杂，并且类似地把几何级比率取成等于2。这些值不是限制性的。

这种具有不同磁导率、介电常数以及厚度e₁特征的PGB材料组的叠加增加在该PGB材料的同一阻带内形成的窄通带的宽度。这样，把辐射元件40至43的工作频率选择成要比图3实施例隔得更开。

辐射部件100的操作方式直接遵照天线4的操作方式。

作为一种变化，每个激励元件发射或接收的辐射极化成和相邻的激励元件使用不同的方向。每个激励元件的极化垂直于相邻激励元件的极化是有好处的。由此可限制相邻激励元件的干扰和耦合。

作为一种变化，同一个激励元件适用于相继地或者同时地在数个不同的工作频率上操作。这种元件能形成其中在不同波长上实现发射和接收的覆盖区。这种激励元件还适应实现频率切换。

Claims (8)

1.一种多波束天线，包括：

—适用于电磁波的空间和频率滤波的光子带隙材料，即PBG材料(20，142，172)，该PBG材料呈现至少一个阻带并且形成一个在发射中和/或接收中的辐射外表面(38，158)，

—PBG材料的至少一个周期性缺陷(36，76，78，150，180)以在该PBG材料的所述至少一个阻带内形成至少一个的窄通带，以及

—适用于在由所述至少一个周期性缺陷形成的所述至少一个的窄通带内发射和/或接收电磁波的激励部件(40至43，84，86，160，162，190)，

其特征在于：

—激励部件适应于至少在第一和第二不同工作频率附近同时工作；

—激励部件包括不同的并且相互独立的各适应发射和/或接收电磁波的第一和第二激励元件(40至43，84，86)，第一激励元件适于在第一工作频率上工作而第二激励元件适于在第二工作频率上工作；

—PBG材料的周期性缺陷或者每个周期性缺陷形成一个漏谐振腔(36，76，78)，该腔在垂直于所述辐射外表面(38)的方向上呈现固定高度并且平行于所述辐射外表面呈现确定的横向尺寸；

—第一和第二工作频率适于激励漏谐振腔(36，76，78)的相同的谐振模式，该谐振模式是和腔的横向尺寸无关的以相同方式建立的，从而在所述外表面上分别建立第一和第二辐射点(46至49)，每个辐射点代表在发射中和/或接收中由该天线辐射的一个电磁波束的源；

—每个辐射点(46-49)呈现一个位置取决于产生它的激励元件的位置的几何中心，并且每个辐射点(46-49)的表面积大于产生它的该激励元件的表面积；以及

—第一和第二激励元件(40至43，84，86)被彼此相对地设置，使得第一和第二辐射点(46至49)并排地并且部分重叠地配置在PBG材料的外表面(38)上。

2.如权利要求1所述的天线，特征在于，

—每个辐射点(46至49)基本是圆形的，其几何中心对应于发射和/或接收功率的最大点，其圆周对应于其发射和/或接收功率为该中心处发射和/或接收最大功率的一个分数，以及

—在一个平行于该外表面的平面中两个激励元件(40至43，84，86)的几何中心的间隔距离严格小于第一激励元件产生的辐射点的半径加上第二激励元件产生的辐射点的半径。

3.如权利要求1或2所述的天线，将特征在于，每个辐射点(46至49)的几何中心位于一条垂直于所述辐射外表面(38)并穿过产生该辐射点的激励元件(40至43)的几何中心的线上。

4.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，第一和第二激励元件(40至43)位于同一个腔(36)内。

5.如权利要求4所述的天线，特征在于，第一和第二工作频率位于该同一个腔(36)产生的同一个窄通带内。

6.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，第一和第二激励元件(84，86)各位于不同的谐振腔(76，78)内，并且第一和第二工作频率各适于激励一个和它们各自的腔的横向尺寸无关的谐振模式。

7.如权利要求6所述的天线，特征在于，它包括一个和PBG材料(72)关联的电磁辐射反射器面(74)，该反射器面被变形以形成所述不同的腔。

8.如权利要求1或2所述的天线，特征在于，该腔或者每个腔为平行六面体形。

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