CN101682123A

CN101682123A - 带有具有滤波涂层的谐振器的天线和包括该天线的系统

Info

Publication number: CN101682123A
Application number: CN200880015662.9A
Authority: CN
Inventors: 马奇·泰弗诺; 伯纳德·杰考; 蒂埃里·莫内迪耶; 雷吉斯·尚塔拉; C·曼蒂尔; P·迪蒙
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Universite de Limoges
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Limoges
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: CA2682273A1; WO2008135677A1; ES2390393T3; EP2130266A1; EP2130266B1; CN101682123B; FR2914506B1; JP2010523033A; US20100321261A1; CA2682273C; JP5469054B2; FR2914506A1; US8149180B2

Abstract

本发明涉及一种用于发射或接收工作频率为f_T的电磁波的天线，包括具有滤波涂层(40)的谐振器，该滤波涂层(40)覆盖腔体(36)内的反射器(22)的大部分上表面，该滤波涂层(40)适合于消除所所有沿平行于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波，但不消除所有沿垂直于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波。

Description

带有具有滤波涂层的谐振器的天线和包括该天线的系统

技术领域

本发明涉及一种具有装配有滤波涂层的谐振器的天线、及结合此天线的系统。

背景技术

已知天线被设计为以工作频率f_T发射或接收电磁波。这些天线可以包括由以下各项形成的第一谐振器：

-反射器，其反射垂直于此反射器传播的频率为f_T的所有电磁波，

-部分反射壁，频率为f_T的电磁波通过该部分反射壁，此壁反射严格地小于100％且大于80％的垂直于此壁传播的频率为f_T的电磁波，

-腔体，其在一侧由所述反射器的上表面限定界限，且在另一侧由所述部分反射壁的下表面限定界限，以及

-用于所述腔体的至少一个激励探测器，其适合于在所述反射器处接收或向其此腔体中注射频率为f_T的电磁波。

这里应记住的是壁或反射器的反射系数取决于入射角、电磁波的频率和此电磁波的极化。这里，对于以下情况给出所述壁或反射器的反射率值：

-电磁波的频率等于工作频率f_T，

-入射角是零，即电磁波垂直于壁或反射器传播，以及

-被考虑在内的极化是所述激励探测器辐射或接收的电磁场的极化。

例如，在以号码FR 99 14521提交的专利申请中，在具有缺陷的PBG(光子带隙)的天线的特定情况下描述了此类天线。

这些天线具有降低的空间要求和很强的方向性。因此这些天线的辐射图具有一个重要主瓣和多个旁瓣。

发明内容

本发明的目标在于减小所述旁瓣的重要性和尺寸。

因此本发明的目的是一种天线，其中所述第一谐振器包括覆盖所述腔体内的反射器的大部分上表面的滤波涂层，此滤波涂层适合于消除沿平行于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波，但不消除沿垂直于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波。

在以上天线中，所述涂层防止沿平行于反射器的方向的导行模式的建立。这样做的效果是显著改善了天线的性能。

此天线的实施例可以包括以下特性中的一个或多个：

-滤波涂层形成PBG材料，该PBG材料至少包括在电容率和/或磁导率和/或传导率方面不同且仅沿着一个或多个平行于反射器的上表面的方向以规则间隔交替地布置的第一和第二物质，所述规则间隔是第一物质中频率为f_T的电磁波的波长λ₁的函数，以消除平行于反射器的上表面传播的频率为f_T的电磁波；

-形成所述滤波涂层的第一物质与填充所述腔体的物质相同；

-形成所述涂层的第二物质与形成所述反射器的上表面的物质相同；

-所述第二物质形成立柱(stud)，其最大宽度沿垂直于所述反射器的上表面的方向延伸，这些立柱沿着非共线且平行于所述反射器的上表面的两个方向以规则间隔分布在此上表面上，所述最大宽度严格地小于λ₁/2，其中λ₁是第一物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述反射器的上表面和所述部分反射壁的下表面相互分离高度h₁，高度h₁是常数且严格地小于或等于λ₂/2，其中λ₂是填充所述腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述部分反射壁是由多个平行金属条构成的格栅，两个相邻平行条之间的最短距离严格地小于λ₃/2，其中λ₃是空气中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述部分反射壁是PBG材料，该PBG材料至少包括在电容率和/或磁导率和/或传导率方面不同且仅沿着垂直于反射器的上表面的方向交替地布置的至少两种物质，这两种物质之一与填充腔体的物质相同；

-所述天线包括含有以下各项的第二谐振器：

-辐射壁，频率为f_T的电磁波通过该辐射壁，且其具有辐射外表面，此辐射壁反射严格地小于100％且大于80％的垂直于此辐射壁传播的频率为f_T的电磁波，该辐射壁的反射率严格地小于所述部分反射壁的反射率，

-泄漏谐振腔，其在一侧由所述辐射壁的下表面限定界限，且在另一侧由所述第一谐振器的部分反射壁的上表面限定界限，所述辐射壁与所述部分反射壁相互分离高度h₂，高度h₂是常数且小于或等于λ₄/2+λ₄/20，其中λ₄是填充所述泄漏谐振腔的物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述天线在所述第一谐振器中包括多个激励探测器，每个引起所述部分反射壁的上表面上的激励贴片(patch)的形成，每个激励贴片又在所述辐射壁的辐射面上产生辐射贴片，每个激励贴片和辐射贴片被分别定义为所述部分反射壁和辐射壁的上表面的区域，位于此表面的由此探测器发射的电磁场的强度最大的一个点周围，并包括此表面的由此探测器发射的电磁场的强度大于或等于此最大强度一半的所有点，并且其中，两个相邻激励探测器之间的间隔距离被选择为足够小而使由这些探测器产生的辐射贴片部分重叠；

-每个激励探测器具有用于注射和/或接收频率为f_T的电磁波的表面，该表面的最大宽度大于或等于λ₂，注射表面和/或接收表面上的电磁波的功率分布具有功率最大的一个点，此点远离此表面的周界，并且功率沿着从此点到周界的直线连续下降而与在此表面的平面中考虑的直线方向无关，λ₂是填充第一谐振器的腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-由以下关系式给出所述高度h₂：

其中：

-n是使得获得最小的正高度h₂的正整数或负整数，

-

是在频率为f_T的入射电磁波与在第一谐振器的部分反射壁的上表面上反射之后的反射波之间引入的相移，

-

是在频率为f_T的入射电磁波与在辐射壁的下表面上反射之后的反射波之间引入的相移，

-λ₄是填充泄漏谐振腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述反射器的上表面与所述部分反射壁的下表面相互分离高度h₁，高度h₁是常数且严格地小于或等于λ₂/2，其中λ₂是填充所述第一谐振器的腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长；

-所述第一谐振器的腔体形成波导，其具有传播模式ET₁或MT₁的截止频率f_c和渐近值C，在该渐近值以上不能建立任何传播模式EMT，并且其中频率f_T小于或等于频率f_c并大于或等于渐进值C。

所述天线的实施例还具有以下优点：

-使用PBG材料来形成滤波涂层使得可以提高天线的方向性，

-将形成滤波涂层的PBG材料的物质之一选择为与填充所述腔体的物质相同避免了所述腔体与所述滤波涂层之间的分界面处的反射，

-将滤波涂层的物质之一选择为与形成所述反射器的上表面的物质相同使得可以有效地消除在所述反射器的表面上传播的频率为f_T的表面波，

-将高度h₁选择为小于或等于λ₂/2的效果是频率f_T小于基本传播模式ET₁和MT₁的截止频率，这防止这些导行传播模式的出现，并且其效果是在不引起天线错位的情况下提高天线的方向性，

-使用格栅来形成所述部分反射壁限制天线的空间要求并简化其设计，

-使用PBG材料来形成部分反射壁提高天线的方向性，

-使用第一谐振器作为第二谐振器的激励源使得可以在不用由于用于将电磁场引入此腔体中的开口或金属部分的存在而改变所述泄漏谐振腔的壁的反射率情况下激励此第二谐振腔，

-使辐射贴片重叠使得可以实现其中不同的射束被交织的多射束天线，

-使用其最大宽度大于或等于频率为f_T的电磁波的波长的激励探测器使得可以提高天线或天线的每个射束的方向性和增益；而且，当在包括第一和第二谐振腔的天线中使用这些激励探测器时，这使得可以在保持未改变的部分反射壁的上表面的反射率的同时获得上述优点，

-选择如以上公式所定义地高度h₂使得可以提高天线的方向性，

-将高度h₁选择为严格地小于λ₂/2使得可以避免使激励贴片重叠，以及

-将工作频率f_T选择为小于或等于截止频率f_c且大于或等于值C使得可以非常灵敏地提高所述天线的方向性。

本发明的另一目的是一种用于发射或接收电磁波的系统，包括：

-聚焦装置，其能够使系统发射或接收的电磁波聚焦到焦点上，以及

-上述天线，其被放置在此焦点上。

在以上系统中，权利要求的天线的使用使得可以通过照亮聚焦装置的最大可能表面、同时降低由于超过此聚焦装置的轮廓的溢流引起的损耗来提高此系统的效率。

附图说明

通过阅读作为非限制性示例给出并参考附图的以下说明，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是扁平波导的示意图，

-图2是图1的波导的导行(guided)传播模式的散布图，

-图3是装配有基于PBG材料实现的滤波涂层的天线的第一实施例的示意性透视图

-图4是图3的天线的导行传播模式的散布图，

-图5是装配有滤波涂层的天线的第二实施例的示意性透视图，

-图6、7和8分别是装配有滤波涂层的天线的第三、第四和第五实施例的示意图，

-图9是示出作为工作频率f_T的函数的图5和6的天线的方向性发展的图表，

-图10和11是没有滤波涂层的天线的辐射图，

-图12和13是图5的天线的辐射图，

-图14和15是图6的天线的辐射图，

-图16是交织多射束天线的示意性透视图，

-图17是图16的天线的导行传播模式的散布图的示意图，

-图18是用于朝着地面发射交织射束的系统的示意图，以及

-图19是装配有滤波涂层的圆柱形天线的示意性透视剖面图。

在这些图中，相同的附图标记用来表示相同的元件。

具体实施方式

在本说明的剩余部分中，不会详细描述本领域中的技术人员众所周知的特性和功能。特别地，对于关于PBG材料的更多细节，本领域的技术人员可以参考以号码EP 1 145379公布的专利申请的原文。

图1示出扁平波导2，且图2示出此波导2的散布图。图1和2是已知的，且在这里仅仅作为某些技术术语的定义提示而引入。

波导2由平行于由两个正交方向X和Y定义的水平平面XY而延伸的反射器平面4形成。平面4反射100％的垂直于其表面传播的频率为f_T的电磁波。例如，用金属来实现平面4。

将垂直于方向X和Y的方向表示为Z。

在平面4之上，布置有水平的部分反射壁6。“部分反射”在这里意指反射严格地小于100％且大于80％的垂直于此壁6的水平面之一传播的频率f_T的电磁波的壁。壁6与反射器4相隔恒定高度h的空间8。例如，此空间填充空气。沿Z方向测量高度h。

波状箭头10表示在空间8中传播的导行电磁波。这里，波的传播方向平行于方向Y。

虚线箭头11表示经由仅仅是部分反射的壁6从空间8逃逸的电磁波。

横向维度、即垂直于传播方向，被假设为在扁平波导的情况下是无穷大的。

图2示出波导2的散布图。常数β表示平行于反射器4传播的模的传播常数。

纵轴表示在空间8中传播的电磁波的频率。

在扁平波导中，只能将某些传播模式建立为要传播的波的频率的函数。这些传播模式在传统上称为术语模式ET_n(n阶横向电)和MTn(n阶横向磁)的模式EMT(横向电磁)，其中n是大于或等于零的整数。对于关于可能在扁平波导中建立的传播模式的更多信息，可以参考涉及该主题的不同教程书。

在图2中，通过原点的直线12表示在传播模式是模式EMT的情况下用于导行波的每种频率的常数β的值。

曲线14表示在传播模式是模式ET₁或MT₁的情况下用于导行波的每种可能频率的常数β的值。

该曲线与称为术语“截止频率”的频率f_c的频率轴相交。

由以下关系式来定义模式ET₁和MT₁的截止频率：

其中：

-n是正整数或负整数，使得fc取其最小正非零值，

-

是在频率为f_T的入射电磁波与在反射器4上反射之后的反射波之间引入的相移，

-

是在频率为f_T的入射电磁波与在壁6上反射之后的反射波之间引入的相移，

-c是空间8中的波的波速或相位速度。

根据散布图，如果频率f_T严格地小于频率f_c，则导行波能够只根据模式EMT在空间8内传播。

如果频率f_T大于或等于频率f_c，则导行波可以根据模式EMT、ET₁或MT₁在空间8内传播。

使得能够实现频率为f_T的电磁波沿一个传播方向的传播的这些模式在这里称为导行模式。相反，不能实现电磁波传播的空间8的那些激励模式称为衰减(evanescent)模式。衰减模式的特征在于这样的事实，即导行波的振幅沿着传播方向非常快地减小，因此此波不能传播超过大于2λ的距离，其中λ是填充空间8的物质中的频率f_T的电磁波的波长。

波导2的衰减模式对应于电磁能量的最大值在已通过壁6后在空间中以辐射的形式消散的功能模式。

图3示出被设计为发射或接收工作频率为f_T的电磁波的天线20。此天线20包括谐振器，该谐振器由以下各项形成：

-平面形式的反射器20，其平行于由正交方向X和Y定义的水平平面XY延伸，

-部分反射壁，其沿着垂直于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被选择为反射100％的垂直于此平面传播的频率f_T的电磁波。例如，反射器平面22以金属实现，且可以连接到诸如地面等基准电位。

壁24在这里被设计为反射严格地小于100％且大于80％的沿垂直于该壁的方向传播的频率f_T的电磁波。为此，在本示例中，壁24是PBG材料。PBG材料具有宽的非通带B。当非通带B中的频率的电磁波撞击此PBG材料时，其几乎被整体反射。因此，在这里，形成壁24的物质被选择为使得工作频率f_T在此PBG材料的非通带中。

另外，为了能够部分反射沿方向Z传播的电磁波，形成壁24的PBG材料具有沿Z方向的两种物质的至少一次周期性交替。为此，在这里，通过沿Z方向叠加三扁层26、28和30来形成壁24。这里，层26和30在其电容率方面不同于层28。例如，用铝来实现层26和30，而用一层空气来实现层26。三个层沿X和Y方向的尺度被选择比波长λ_a大几倍，其中λ_a是空气中的频率f_T的电磁波的波长。例如，层26、28和30的横向尺度被选择为比λ_a大四倍。

因此，壁24具有面对反射器平面22的下表面32和与下表面32相对的上表面34。

下表面32与反射器22相隔恒定高度h₁。因此在下表面32与反射器22的上表面之间产生的空间形成腔体36。

在图3中，仅仅示出壁24的一部分，以使腔体36的大部分内部可见。

激励探测器38被布置在反射器33上的腔体36内，或在反射器22的平面中。在XY平面中，探测器38被近似布置在腔体36的中心处。此探测器能够在反射器22处接收或向腔体36中注射频率为f_T的电磁波。

最后，天线20包括滤波涂层40，其覆盖在腔体36内的反射器22的整个上表面。涂层40因此围绕探测器38而不覆盖它。

此涂层40由适合于在允许频率f_T的电磁波沿方向Z传播的同时防止该电磁波沿平行于XY平面的方向传播的物质实现。为此，例如，涂层40由沿XY的两个非共线方向具有周期性的PBG材料实现。例如，在以号码FR 99 14521提交的专利申请中定义了PBG材料沿一个方向的周期性。

这里，涂层40具有沿方向X的周期性和沿方向Y的周期性。

在本实施例中，涂层40由沿方向X和Y以规则间隔p布置的垂直立柱42形成。这些立柱由与用于反射器22的物质相同的物质实现，即在这里由金属实现。形成涂层40的另一种物质填充立柱42之间的整个间隔。此另一种物质在这里是空气，即与填充腔体36的物质相同的物质。

间隔p的长度被选择为波长λ_a的函数，以过滤沿方向X和Y传播的频率为f_T的电磁波。为此，通常，间隔p的长度小于λ_a/2且优选地在λ_a/4与λ_a/2之间。

立柱42沿方向Z的高度h_p必须严格地小于高度h₁。例如，在这里，高度h_p被选择为严格地小于λ_a/2且优选地等于λ_a/4加或减15％。

在这里，立柱42的横向截面、即平行于XY平面的截面是方形。此横向截面的最大宽度被选择为小于λ_a/8。

最后，使用关系式(1)来选择高度h₁，以便截止频率f_c等于或略大于频率f_T。通常，在这里布置为频率f_T与频率f_c的比在0.85与1之间。

图4示出天线20的散布(dispersion)图。

如在图2中一样，曲线50和52表示分别根据模式EMT和模式ET₁或MT₁的导行波的频率，其为传播常数β的函数。

由于涂层50的存在，随着常数β增大，曲线50接近于由水平虚线54表示的渐进值C。此渐进值C与高度h₁无关。

在这里，腔体36的高度h₁被选择为使得频率f_T在频率f_c与值C之间。在这些条件下，应了解的是当由频率为f_T的磁场来激励腔体36时，在腔体36内不会建立任何导行模式。因此，仅出现衰减模式，且由探测器38引入腔体36中的电磁场的能量在已通过壁24之后几乎唯独以辐射的形式消散。这样做的效果是天线20的方向性相对于相同但没有诸如涂层40的滤波涂层的天线的提高。

图5示出天线60，除壁24被部分反射器62取代之外，其与天线20相同。

在这里不使用PBG材料、而是使用由相互平行地沿着平行于XY平面的平面延伸的金属条形成的格栅62。更精确地说，在这里，格栅62包括一方面以规则间隔m布置且全部平行于方向X延伸的条66和另一方面以规则间隔m沿方向Y相互平行地布置的条68。间隔m的长度被选择为严格地小于λ_a/2，以便此格栅62部分地反射沿Z方向传播的频率为f_T的电磁波。优选地，m小于λ_a/4。

以与天线20相同的方式，腔体36的高度h₁被选择为使得截止频率f_c略大于频率f_T。在这些情况下，天线60的功能类似于天线20的功能。

图6示出天线70，除腔体36通过侧壁72与天线的外面绝缘之外，其与天线60相同。在图6中，只示出整体地围绕腔体36的壁72的一部分，以使腔体36的内部可见。

壁72沿着方向Z从反射器22延伸到格栅62的下表面。例如，在这里，壁72由反射所有频率为f_T的电磁波的金属物质实现。

图7示出天线80，除格栅62被格栅82取代之外，其与天线70相同。除已省略条68之外，格栅82与格栅62相同。此类格栅82形成仅用于具有给定极化的频率为f_T的电磁波的部分反射壁。对于具有与此不同的极化的电磁波，格栅82形成透明壁，该透明壁不反射或仅略微反射具有不同极化的频率为f_T的电磁波。因此，格栅82使得可以对发射或接收的波执行极化滤波。

图8示出天线90，除壁72被壁92取代之外，其与天线70相同。更精确地说，壁92与壁72相同，除其包括可以改善天线性能的褶皱94之外。这些褶皱94被以与可以找到的某些类型的波导的方式相同的方式设计。例如，在以下文献中描述了这些褶皱的设计。

Antenna theory，Analysis and design(天线理论，分析和设计)-Constantine A.Balanis-John Wiley.

图9示出两个曲线100和102，其对应于分别与频率f_T有关的天线60和70的方向性的变化。图9还示出曲线104，其指示与天线60相同、但没有滤波涂层40的天线的方向性的发展。

在图9的图表中，横轴表示频率f_T与截止频率f_c的比。纵轴表示以分贝(dB)表示的最大方向性。曲线100、102和104是使用相同的探测器获得的，所述探测器在这种情况下是在反射器22的平面中实现的狭缝，并且频率为f_T的电磁波由该探测器引入腔体36中。

如可以在图表中看到的那样，天线60和70的方向性在频率f_T小于频率f_c时被系统地改善。

图10和11分别示出与天线60相同但没有滤波涂层40的天线在平面E和H中的辐射图。

图12和13分别示出频率f_T与频率f_c的比等于0.997的特定情况下，天线60在平面E和H中的辐射图。

最后，图14和15示出频率f_T与频率f_c的比等于1.007的特定情况下，天线70在平面E和H中的辐射图。

在图10至15的这些不同图表中，横轴的刻度单位为度且纵轴的刻度单位为分贝(dB)。

如通过将图12和13的图表与图10和11的图表相比较所示的那样，滤波涂层的存在使得可以在相当程度上使天线的旁瓣衰减。

而且，如通过将图14和15的图表与图10和11的图表相比较所示的那样，即时频率f_T大于频率f_c，也发生旁瓣的衰减。

在前述实施例中，天线由单个谐振器形成。然而，叠加两个谐振器以产生其中辐射贴片部分重叠的多射束天线可能特别有利。此类天线120在图16中示出。

天线120由第一谐振器122和在其上面叠加的第二谐振器123形成。

例如，谐振器122与天线20、60、70、80或90的谐振器中的任何一个相同，除其包括多个激励探测器之外。在这里，将假设谐振器122与天线20的谐振器相同，其中探测器38被五个激励探测器124至128取代。

探测器124至128被选择为其形成用于腔体36内的电磁场的注射和接收的表面。每个注射或接收表面的最大宽度大于或等于λ_a。更精确地说，注射或接收表面上的电磁场的功率分布具有一个功率最大的点，此点远离注射表面的周界。此注射表面的磁场的功率以这样的方式分布，即功率沿着从功率最大的点到此表面的周界的任意直线连续下降。具有此类注射表面的探测器使得可以增加天线的方向性及其增益。为此，例如，探测器124和128是喇叭形波导，其末端向在反射器22的平面中实现的小孔中打开。例如，此类喇叭形波导是以C.N.R.S之名以号码0608381在2006年9月25日提交的专利申请中描述的那些。

这里，探测器124至128中的每一个以相互不同的各自频率f_Ti工作，以便这些探测器能够在不相互干扰的情况下同时工作。这些频率f_Ti中的每一个被选择为足够接近于频率f_T，以便被设计为过滤频率为f_T的电磁波的涂层40对于过滤频率为f_Ti的波同样有效。为此，频率f_Ti与频率f_T的比在0.95与1.05之间。

为了简化图16，未示出滤波涂层40。

谐振器123沿方向Z被布置在谐振器122之上。此谐振器123由辐射壁132和壁24形成。因此壁24同时形成谐振器122的上壁和谐振器123的下壁。

壁132反射严格地小于100％且大于80％的垂直于此壁传播的频率为f_T的电磁波。优选地，壁132的反射率严格地小于壁124的反射率。

壁132平行于XY平面而延伸。壁132与壁24的上表面相隔恒定高度h₂。因此，在壁24与壁132之间产生腔体136。在本实施例中，例如，腔体136填充空气。

形成壁132的物质可以是如关于图3所描述的PBG材料或关于图5和7所描述的格栅。

高度h₂被选择为使得腔体136是泄漏谐振腔。为此，高度h₂小于λ_a/2+λ_a/20。优选地，使用以下关系式来确定高度h₂：

其中：

-n是使得可以获得最小正高度h₂的正整数或负整数，

-

是频率为f_T的入射电磁波与在第一谐振腔的部分反射壁的上表面上反射之后的反射波之间引入的相移，

-

-λ_a是在填充泄漏谐振腔的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

当由关系式(2)来定义高度h₂时，谐振器123的传播模式ET₁和MT₁的截止频率f_c2等于频率f_T。在这些条件下，谐振器123的增益最大。

应记住的是，相反，谐振器122的高度h₁被选择为使得传播模式ET₁或MT₁的截止频率、在这里称为f_c1严格地大于频率f_T。

最后，与谐振器122相反，腔体136不具有过滤沿平行于XY平面的任何方向传播的电磁波的涂层。事实上，如在阅读以下说明时理解的那样，在谐振器123中不需要此类滤波涂层。

图17示出谐振器122和123的散布图。在此图17中，曲线150和152分别对应于对于谐振器122的图4的曲线50和52。曲线154和156示出分别根据模式EMT和ET1或MT1，导行波的频率随着传播常数β的变化。曲线154和156具有与曲线12和14及扁平波导的形状近似相同的形状。

在此图中，谐振器122和123的模式ET1或MT1的截止频率分别称为f_c1和f_c2。曲线150随着常数β的增大而接近的近似值在这里称为C₁。应记住的是，由于腔体36内的滤波涂层40的存在，此曲线150接近至C₁，小于频率f_T。另一方面，曲线154随着常数β的增大不接近渐进值，因为腔体136不具有滤波涂层。

频率f_Ti接近于频率f_T，频率f_T本身在这里近似等于频率f_c2。在这些条件下，通过图17的图可理解频率为f_Ti的电磁场在第一谐振腔122中只激励衰减传播模式，因为这些频率f_Ti每个大于至C₁且严格地小于f_c1。因此，被引入腔体36中的电磁场的几乎全部能量由壁24的上表面辐射。此辐射的效果是在探测器124至128中的每一个的垂直线上出现激励贴片。对应于探测器124至128的激励贴片在图16中示出，并分别具有参考标号160至164。激励贴片被定义为由围绕此表面的一个点的壁24的上表面34的所有点形成，在该点，发射的电磁场的强度最大，并且包括此表面的由此探测器发射的电磁场的强度大于或等于此最大强度一半的所有点。

因此，这些贴片160至164向腔体136中注射频率为f_Ti的磁场，且因此每个实现激励探测器的功能。然而，相对于图16所描述的布置使得可以向腔体136中注射不同频率的电磁场，而不会从而改变壁24的上表面的反射率。事实上，在壁24的上表面中没有实现开口，且没有向腔体136中引入投射辐射元件。在这些条件下，由于不存在可能衍射被注射到腔体136中的电磁场的元素或粗糙度，所以不能激励谐振腔123的模式EMT。另外，由于频率f_Ti几乎等于频率f_c2，所以在腔体136中也不出现导行模式ET1或MT1。在这些条件下，由壁132的上表面辐射被引入到腔体136中的电磁能。这样做的效果是在此上表面上出现每个激励贴片的垂直线上的辐射贴片。在图16中，示出分别对应于激励贴片160至164的辐射贴片166至170。与激励贴片类似地定义这些辐射贴片，即它们将壁132的上表面的发射电磁场的强度大于或等于最大发射强度一半的所有点分组。

这里，为了形成其射束交织的多射束天线，探测124至128的相互定位被选择为使得每个辐射贴片与由另一个探测器形成的至少一个其它辐射贴片重叠。因此两个探测器之间的距离严格地小于其各自辐射贴片的半径的和。优选地，在平行于XY平面的平面中测量的探测器之间的距离被选择为使得激励贴片160至164不重叠，而另一方面辐射贴片166至170部分重叠。

天线120相当特别地意图安装在例如无线电通信卫星中。

图18示出用于在对地同步卫星上发射电磁波的系统180。此系统180包括用于将射束聚焦到地面182上的装置。例如，所述聚焦装置是抛物面184。系统180还包括被放置在此抛物面184的焦点处的天线120。

在这些条件下，使辐射贴片在壁132的上表面上交织的效果是在地面上出现交织的覆盖区186至190。该覆盖区因此而部分重叠，这避免在两个覆盖区之间出现死区，例如，在该死区中将不可能经由对地同步卫星来建立无线电通信。

图19示出圆柱形天线200，其类似于天线20，除了已使形成天线20的不同平面弯曲直至它们自己接近于形成圆形横截面的圆柱形表面而不是扁平表面以外。

在这里，天线200具有绕沿方向Z延伸的旋转轴201的旋转对称性。

天线200包括：

-反射器202，其能够反射垂直于其表面传播的所有电磁波，

-滤波涂层204，其被布置在反射器202的表面上，

-部分反射壁206，其围绕反射器202和涂层204，

-腔体208，其在一侧由壁206的内表面限定界限且在另一侧由反射器202的外表面限定界限。

在这里，反射器202是例如沿轴201延伸的金属的圆形横截面的圆柱棒。

在这里，涂层54由围绕反射器202并沿着方向Z以规则间隔p布置的连续的电介质圆柱212形成。沿方向Z的间隔p的长度小于λa/2且优选地等于λ4/2。此类涂层204形成PBG材料，其适合于消除沿方向Z传播的电磁波，但不消除沿径向传播的电磁波。

在这里，例如，腔体208充满空气。

壁206是例如沿径向具有至少一个周期的电介质PBG材料。

壁206的内表面与反射器202相隔恒定距离R₁。与关于高度h1所描述的类似地选择距离R₁。

与关于立柱42的高度h_p所述类似地选择圆环212的半径。

最后，适合于注射并接收频率为f_T的电磁场的激励探测器214被放置在腔体208内并且在反射器202附近。

天线200的功能类似于上文所述，除其主辐射瓣是环形的之外。

可以有许多其它实施例。例如，立柱42的横向截面不必是方形。其可以是矩形或圆柱形的、具有或没有圆形横截面。

已在PBG材料由至少两种物质形成的特定情况下描述了形成滤波涂层的PBG材料，所述至少两种物质之一与用于反射器的物质相同，另一种与填充腔体的物质相同。然而，这些物质不一定分别与反射器和腔体的那些相同。例如，可以用泡沫来取代与填充腔体的物质相同的物质，所述泡沫的电容率接近于填充腔体的材料的电容率。

在沿方向X和Y的周期性相同的特殊情况下描述了形成涂层40的PBG材料。作为变体，沿方向X和Y的周期性不同。而且，立柱42以规则间隔分布的方向不必是正交的。例如，可以以三角形或六边形的角度布置不同的立柱。

用来形成部分反射壁的PBG材料可以具有沿多于两个的非共线方向以规则间隔布置的在其电容率方面不同的元素。在这些条件下，将这些PBG材料称为是多维的。

这里使用的PBG材料由至少两种不同物质形成。这两种物质在其磁导率和/或电容率和/或传导率方面相互不同。

可以将图3、6和8的实施例组合。例如，天线20可以具有类似于侧壁72或侧壁92的侧壁。

在包括多个激励探测器的天线的情况下，当每个探测器只注射或接收具有与同一天线的其它探测器不同的极化的电磁场时，还可以获得这些不同探测器的同时运行。

如果存在可能衍射被注射到腔体136中的电磁场的元素，则可以在壁24的上表面上布置滤波涂层。例如，此滤波涂层则与滤波涂层40相同。

所述激励探测器可以是可能向腔体的内部注射电磁场的任何类型的探测器。例如，这些探测器可以是喇叭形圆锥体、贴片天线、狭缝或其它天线或波导与腔体36或122之间的耦合隔膜。

反射器不一定由金属实现。还可以由任何其它物质或物质的布置来实现，所述物质在频率fT的电磁波垂直于此谐振器的表面传播时具有实际为100％的此电磁波的反射率。

最后，如果期望不对准天线，即其最大方向性不垂直于其辐射外表面，则可以选择高度h1或半径R1，使得截止频率严格小于频率fT。

最后，作为变体，省略谐振器122的滤波涂层，因此天线120的谐振器都不包括诸如涂层40的滤波涂层。无论如何，天线120的功能得到改善，因为由激励贴片将磁场注射到第二谐振器123中，这不改变壁24的上表面的反射率。

Claims

1.一种被设计为发射或接收工作频率为f_T的电磁波的天线，该天线包括含有以下各项的第一谐振器(20；60；70；80；90；122)：

-反射器(22)，反射所有垂直于该反射器传播的频率为f_T的电磁波，

-部分反射壁(24)，频率为f_T的电磁波通过该部分反射壁，该部分反射壁反射严格地小于100％且大于80％的垂直于该壁传播的频率为f_T的电磁波，

-腔体(36)，其在一侧由所述反射器的上表面限定界限，且在另一侧由所述部分反射壁的下表面限定界限，以及

-用于所述腔体的至少一个激励探测器(38；124～128)，适合于在所述反射器处接收或向该腔体中注射频率为f_T的电磁波，

其特征在于所述第一谐振器包括覆盖腔体内的反射器的大部分上表面的滤波涂层(40)，该滤波涂层适合于消除所有沿平行于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波，但不消除所有沿垂直于反射器的上表面的方向传播的频率为f_T的电磁波，并且在于所述滤波涂层(40)形成PBG(光子带隙)材料，该PBG材料至少包括在电容率和/或磁导率和/或传导率方面不同且仅沿着一个或多个与反射器的上表面平行的方向以规则间隔交替地布置的第一物质和第二物质，所述规则间隔是在第一物质中频率为f_T的电磁波的波长λ₁的函数，以消除平行于反射器的上表面传播的频率为f_T的电磁波。

2.如权利要求1所述的天线，其中，形成滤波涂层(40)的第一物质与填充所述腔体的物质相同。

3.如权利要求1或2所述的天线，其中，形成涂层(40)的第二物质与形成所述反射器的上表面的物质相同。

4.如权利要求3所述的天线，其中，所述第二物质形成立柱(42)，该立柱的最大宽度沿着垂直于所述反射器(22)的上表面的方向延伸，这些立柱沿着非共线且平行于所述反射器的上表面的两个方向以规则间隔分布在该上表面上，所述最大宽度严格地小于λ₁/2，其中λ₁是在第一物质中频率为f_T的电磁波的波长。

5.如上述任一项权利要求所述的天线，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离高度h₁，高度h₁是常数且严格地小于或等于λ₂/2，其中λ₂是在填充所述腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

6.如上述任一项权利要求所述的天线，其中，所述部分反射壁是由多个平行金属条构成的格栅(62)，两个相邻平行条之间的最短距离严格地小于λ₃/2，其中λ₃是在空气中频率为f_T的电磁波的波长。

7.如权利要求1至5中任一项所述的天线，其中，所述部分反射壁是PBG材料，该PBG材料至少包括至少两种物质(26、28、40)，这些物质在电容率和/或磁导率和/或传导率方面不同且至少沿着垂直于反射器的上表面的方向交替地布置，这两种物质之一与填充腔体的物质相同。

8.如上述任一项权利要求所述的天线，其中，所述天线包括含有以下各项的第二谐振器(123)：

-辐射壁(132)，频率为f_T的电磁波通过该辐射壁，且其具有辐射外表面，该辐射壁反射严格地小于100％且大于80％的垂直于该辐射壁传播的频率为f_T的电磁波，

-泄漏谐振腔(136)，其在一侧由所述辐射壁的下表面限定界限，且在另一侧由第一谐振器的部分反射壁(24)的上表面限定界限，所述辐射壁与所述部分反射壁相互分离高度h₂，高度h₂是常数且小于或等于λ₄/2+λ₄/20，其中λ₄是在填充所述泄漏谐振腔的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

9.如权利要求8所述的天线，其中，所述天线在所述第一谐振器(122)中包括多个激励探测器(124-128)，每个激励探测器引起所述部分反射壁的上表面上的激励贴片(160-164)的形成，每个激励贴片又在所述辐射壁的辐射面上产生辐射贴片(166-170)，每个激励贴片和辐射贴片被分别定义为所述部分反射壁(24)的上表面和辐射壁(132)的区域，该区域位于该表面的由该探测器发射的电磁场的强度最大的点周围，并包括该表面的由该探测器发射的电磁场的强度大于或等于该最大强度一半的所有点，并且其中，两个相邻激励探测器之间的间隔距离被选择为足够小以使得由这些探测器产生的各辐射贴片部分重叠。

10.如上述任一项权利要求所述的天线，其中，每个激励探测器(124～128)具有用于注射和/或接收频率为f_T的电磁波的表面，该表面的最大宽度大于或等于λ₂，电磁波在注射表面和/或接收表面上的功率分布具有一个功率最大的点，该点远离该表面的周界，并且功率沿着从该点到周界的直线连续下降而与在该表面的平面中考虑的直线的方向无关，λ₂是在填充第一谐振器的腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

11.如权利要求8至10中的任一项所述的天线，其中，由以下关系式给出所述高度h₂：

其中：

-n是使得获得最小的正高度h₂的正整数或负整数，

-λ₄是在填充泄漏谐振腔体的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

12.如权利要求11所述的天线，其中，所述反射器(22)的上表面与所述部分反射壁(24)的下表面相互分离高度h₁，高度h₁是常数且严格地小于或等于λ₂/2，其中λ₂是在填充所述第一谐振器的物质中频率为f_T的电磁波的波长。

13.如上述任一项权利要求所述的天线，其中，所述第一谐振器的腔体(36)形成波导，该波导具有传播模式ET₁或MT₁的截止频率f_c和渐进值C，在该渐近值C以上不能再建立任何传播模式EMT，并且其中频率f_T小于或等于频率f_c并大于渐进值C。

14.一种用于发射或接收电磁波的系统，包括：

-聚焦装置(184)，能够使所述系统发射或接收的电磁波聚焦到焦点上，以及

-被放置在该焦点上的用于发射或接收电磁波的天线(120)，

其特征在于该天线是根据权利要求9所述的天线。