CN101073183A - 光子禁带天线的优化 - Google Patents

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阿里·卢齐耶
弗朗索瓦丝·勒博尔泽
阿内－克洛德·塔罗
库罗赫·马赫茹比
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Abstract

本发明涉及一种光子带隙天线。该天线包括：沿方向x、y的平面的辐射源10，以及由平行金属杆构成的光子带隙结构，该杆沿方向x以间隔周期ax重复nx次，并沿方向y以间隔周期ay重复ny次。从辐射源所见的杆的高度是递增的。本发明还能够控制天线在垂直平面中的辐射图案。

Description

光子禁带天线的优化
技术领域
本发明涉及一种光子带隙天线。
光子带隙结构(称为PBG结构)是禁止特定频率带宽的光波传播的周期性结构。该结构首先用于光领域，但是近年来，它们的应用扩展至其它频率范围。光子带隙结构特别用于如滤波器、天线的微波设备、或类似设备。
在光子带隙结构中，发现了使用金属元件的周期性分布的金属结构，以及介电元件的周期性分布、但也是金属介电结构。
本发明涉及使用金属元件(更具体地，完全导电并周期性设置的平行杆)的光子带隙结构。
背景技术
已经对使用金属元件(如，平行金属杆)的光子带隙天线进行了研究。因此，在Chin.Phys.Lett.Vol.19，no.6(2002)804中公开的由LinQien，FU-Jian，HE Sai-Ling，Zhang Jian-Wu所著的名为“Metal PhotonicBand Gap Resonant Antenna with High Directivity and High RadiationResistance”文章研究了由沿方向Z的无限长的平行金属杆形成的金属光子带隙谐振结构(MPBG)。
该文章更加具体地研究了谐振天线(MPBG)特定频率范围的方向性和辐射电阻，其中，该谐振天线(MPBG)包括线性辐射源天线和以通过平行金属杆形成的金属光子结构来构造的空穴，通过去除源天线周围的一些杆来获得该空穴。利用无限或假设为无限的金属杆来进行针对这种类型的光子带隙天线的研究。
发明内容
本发明涉及一种光子带隙天线，由有限长的金属杆实现，控制相对于接收辐射源的基板的杆的高度，从而控制垂直平面内的天线的辐射图案。
本发明涉及一种光子带隙(PBG)天线，包括：沿方向x、y的平面的辐射源，以及垂直于该平面的由平行金属杆构成的光子带隙结构，直径为d的杆沿方向x以间隔周期ax重复nx次，并沿方向y以间隔周期ay重复ny次，其特征在于，从辐射源所见的杆的高度是递增的。
根据优选实施例，选择源与最外部的杆之间的杆的高度大于kh/n，n等于从源所见的杆数，h是最外部杆的高度，以及k是在l与n之间变化的整数。
优选地，选择由源所见的第一金属杆的高度大于3×l，其中，l是辐射源的高度。以该值获得MPBG效应，即依据所给频率处的间隔周期获得带宽和带隙。
优选地，源与最外部杆之间的杆的高度符合单调递增函数。优选地。沿每个方向x或y，杆数相同。选择杆数，使得n≥3。然而，从源所见的杆数可以不同，这给出了具有不同值的个数nx和ny。
根据本发明的优选实施例，选择沿方向x和y的金属杆的再现间隔周期ax和ay相同。然而，这些间隔周期ax和ay可以不同。
根据本发明的实施例，以具有大于10-7的导电率的金属材料来制造杆，如铜(5.9.107S/m)、银(4.1.107S/m)、铝(3.5.107S/m)等。
另一方面，通过固定于形成地平面的基板上的偶极子或垂直单极子来构成所述源。所述源位于金属杆之一、或金属杆之间的位置上。
附图说明
在阅读不同优选实施例的描述时，本发明的其它特征和优点将变得更加显而易见，参照附图作出以下描述，其中：
图1图解性地示出了A处的光子带隙天线，其中，杆具有相同的长度h(h＝8l，其中，l是源的高度)；以及B处的沿三个轴x、y、z的辐射图案；
图2表示通过与分别在平面θ＝90°(a)和平面φ＝0°(b)中的单个偶极子的辐射图案进行比较的如图1所示的光子带隙天线的辐射图案，金属杆的高度是h＝4.5l，其中，l是源的高度；
图3是示出了根据工作频率和间隔周期变化的光子带隙天线的带宽和带隙的图示；
图4图解性地示出了根据本发明实施例的A处的光子带隙天线的3D视图和B处的光子带隙天线的顶视图；以及
图5示出了根据具有每种配置的仰角辐射图案和3D辐射图案的视图，具有不同高度的金属杆的光子带隙天线的三种配置。
具体实施方式
以下描述的示例是非限制性的图示实施例。这些实施例用于测试可行性和利用根据本发明的结构所获得的结果。然而，在实际的实施例中，单极子而非偶极子将会优选用于地平面，其中，杆本身也固定于所述平面上。
图1示出了由位于光子带隙(PBG)结构中间的双极子10构成的天线1，该结构由有限高度的金属杆11形成(称为MPBG结构)。金属杆由具有大于10-7的导电率的金属制成，如铜、银、铝等。
如图1所示，按照7个元件的7行来设置金属杆11，行和元件彼此间隔距离a，a给出了光子带隙结构的步长或间隔周期。
在图1示出的实施例中，MPBG结构具有方形图案的形式，其中，nx＝ny＝7，间隔周期ax＝ay＝a，沿方向x和y均相等。然而，本领域技术人员显而易见的是，还可以在本发明的框架内考虑具有沿方向x和y的不同的个数nx和ny和间隔周期ax和ay的MPBG结构。
限定了如图1A所示的天线以频率f0＝5.25GHz进行操作。在这种情况下，由位于结构中心的辐射元件或源10所见的杆数n等于n＝3，而间隔周期等于17.5mm，金属杆具有1mm直径和等于8×l的高度h，l是线源(即，偶极子)的高度。
图1B示出了根据三维的天线辐射的特征表面，而图2A和2B示出了沿平面θ＝90°和平面φ＝0°中的表面切割的单独的偶极子的辐射图案，以及在诸如图1A的MPBG结构中间的偶极子的辐射图案，但是金属杆高度h＝4.5*l，其中，l是源的高度。
辐射图案证实了通过由偶极子形成的天线的辐射图案上的MPBG结构所获得的效果。确实，金属PBG结构的出现使得在工作频率处出现0°，90°，180°和270°的辐射优选方向、以及在45 °，135°，225°，315°处的辐射最小值。
图3示出了根据金属PBG的间隔周期a，从源所见的n＝3的金属杆所构成的金属光子带隙结构的频带图案。这种类型的图示或列线图用于确定工作频率处的必须用于获得所需辐射的间隔周期a的值。
因此，通过使用图3的图示，可以看出，在f0＝5.25GHz的工作频率处，间隔周期a＝17.5mm。因此，位于按照间隔周期a＝17.5、由7×7根杆形成的金属PBG结构的中心处的源具有沿方向0°，90°，180°，270°的、根据带宽的频带特征的辐射旁瓣。这通过图1B和2的辐射图案示出。
参照图4和5，将给出金属光子带隙天线的描述，其中，该天线的结构可以改进图1B中所示结构的辐射图案，更具体地，仰角图案(平面φ＝0°)。如分别在图4A和图4B的顶视图中透视所示，已经修改了图1A金属杆的高度，从而杆的高度从源处起递增。
如将在以下解释的，可变高度杆的使用能够对仰角辐射图案进行控制，同时保持在方位角中的相同图案。
在图5中，示出光子带隙天线，其中，源10见到三个有限的高度h的相同金属杆。在这种情况下，如图5A所示，由于沿所考虑方向的明显间隔周期内的光子带隙结构的通过或阻断行为，仰角辐射图案具有多个最小值。该图示与图2B的图示类似。此外，3D辐射图案示出了沿z轴的辐射波瓣。确实，当杆具有固定高度h时，在平面xOy中保持辐射图案，但是在平面xOz中，改变随h而变。在该情况下，给出图1b的图案h＝8*l(l是源的高度)，并不与图2的2D表示(h＝4.5*l)确切对应。
根据本发明，如图5B所示，由源10所建的三根金属杆的高度彼此不同，并递增从而H3＜H2＜H1。在这种情况下，将会注意，对于仰角图案，由于金属PBG结构的行为而导致的次级波瓣较弱，这也可从3D图案中看出。如上所述，高度H3、H2、H1可以具有单调递增函数。优选地，选择源与最外部杆(H1)之间的杆的高度H3、H2、H1大于kH1/n，n等于从源(所示实施例中的3)所见的杆数，H1是外部杆的高度，以及k是在l与n之间变化的整数。另一方面，为了获得PBG效应，高度H3必须至少等于3×l，其中，l是辐射源的高度。
在图5的部分C中示出了根据本发明的另一结构。在这种情况下，源10具有三根金属杆，它们的高度从源至外部杆H’1递增，其中，H’3＜H’2＜H’1。在该实施例中，金属杆的大小明显符合以上给出的等式。在这种情况下，图5C的仰角图案示出了由于金属PBG的特定结构而导致的次级波瓣的显著减小，这也可从3D图案中看出。
通过参照天线(其中，源位于金属PBG结构中间的金属杆位置中的源)来描述本发明。然而，可以将源定位于杆之间。此外，源可以偏离金属光子带隙结构的中心。用于以上所述实施例中的源是偶极子。然而，在实际的实施例中，垂直单极子安装在形成地平面的基板上，其中，MPBG结构的金属杆也固定在该平面上。沿方向x的杆数可以与沿方向y的杆数相同或不同。此外，如实施例中所述，沿方向x或y的杆之间的周期性ax和ay可以相同或不同。

Claims (10)

1、一种光子带隙(PBG)天线，包括：沿方向x、y的平面的辐射源10，以及垂直于所述平面的、由平行金属杆构成的光子带隙结构，直径为d的杆沿方向x以间隔周期ax重复nx次，并沿方向y以间隔周期ay重复ny次，其特征在于，从辐射源所见的杆的高度(H3，H2，H1；H’3，H’2，H’1)是递增的。
2、如权利要求1所述的天线，其特征在于，选择源与最外部的杆之间的杆的高度(H’3，H’2，H’1)大于kh/n，n等于从源所见的杆数，h是最外部杆的高度，以及k是在1与n之间变化的整数。
3、如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述源与最外部杆之间的杆的高度符合单调递增函数。
4、如权利要求1至3之一所述的天线，其特征在于，沿方向x和y的杆的总数nx和ny相同。
5、如权利要求1至4之一所述的天线，其特征在于，选择从源所见的杆数n，使得n≥3。
6、如权利要求1至5之一所述的天线，其特征在于，沿方向x和y的间隔周期ax和ay相同。
7、如权利要求1至6之一所述的天线，其特征在于，以如铜、银、铝等呈现大于10-7的导电率的金属材料来制造杆，。
8、如权利要求1至7之一所述的天线，其特征在于，选择从源所见的第一杆的高度(H3，H’3)，使得H≥3.l，其中，l是辐射源的高度。
9、如权利要求1至8之一所述的天线，其特征在于，通过位于基板之上的偶极子或垂直单极子来构成所述源(10)。
10、如权利要求1至9之一所述的天线，其特征在于，所述源(10)位于杆或杆之间的位置上。
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