DE60305056T2

DE60305056T2 - Mehrfachstrahlantenne mit photonischem bandlückenmaterial

Info

Publication number: DE60305056T2
Application number: DE60305056T
Authority: DE
Inventors: Marc Thevenot; Regis Chantalat; Bernard Jecko; Ludovic Leger; Thierry Monediere; Patrick Dumon
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP2006504375A; US7242368B2; US20060132378A1; ATE325438T1; EP1554777A1; ES2264018T3; AU2003285446A1; AU2003285446A8; EP1554777B1; JP4181173B2; DE60305056D1; WO2004040696A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstrahlige Antenne, enthaltend:

– ein BIP-Material (Bande d'Interdiction Photonique – Photonensperrband), das geeignet ist, räumlich und frequenzbezogen elektromagnetische Wellen zu filtern, wobei dieses BIP-Material wenigstens ein nicht durchlässiges Band aufweist und eine Außenfläche ausbildet, die beim Senden und/oder Empfangen ausstrahlt,
– wenigstens einen Periodizitätsdefekt des BIP-Materials, sodass in dem wenigstens einen nicht durchlässigen Band dieses BIP-Materials wenigstens ein schmales durchlässiges Band erzeugt wird, und
– eine Erregervorrichtung, die geeignet ist, elektromagnetische Wellen in dem wenigstens einen schmalen durchlässigen Band zu senden und/oder zu empfangen, das durch den wenigstens einen Defekt erzeugt wird.

Mehrstrahlige Antennen werden oft für Raumfahrtanwendungen und insbesondere für geostationäre Satelliten verwendet, um Informationen auf die Erdoberfläche zu senden und/oder von der Erdoberfläche zu erhalten. Sie enthalten daher mehrere Strahlelemente, die jeweils ein Bündel mit elektromagnetischen Wellen erzeugen, das von den anderen Bündeln entfernt ist. Diese Strahlelemente werden zum Beispiel in der Nähe des Brennpunkts einer Satellitenschüssel aufgestellt, welche einen Reflektor von Bündeln elektromagnetischer Wellen bildet, wobei die Satellitenschüssel und die mehrstrahlige Antenne in einem geostationären Satelliten positioniert sind. Die Satellitenschüssel ist dazu bestimmt, jedes Bündel auf eine entsprechende Zone der Erdoberfläche zu leiten. Jede Zone der Erdoberfläche, die durch ein Bündel der mehrstrahligen Antenne erleuchtet wird, wird für gewöhnlich als Versorgungsgebiet bezeichnet. So entspricht jedes Versorgungsgebiet einem Strahlelement.
Momentan sind die verwendeten Strahlelemente unter dem Begriff „Hörner" bekannt und die mehrstrahlige Antenne, die mit diesen Hörnern ausgestattet ist, wird als Hornantenne bezeichnet. Jedes Horn erzeugt einen ausstrahlenden Fleck, der leicht kreisförmig ist und die Auflage eines kegelförmigen Strahls bildet, der bei Ausstrahlung oder bei Empfang ausgestrahlt wird. Diese Hörner werden nebeneinander aufgestellt, um die ausstrahlenden Flecken soweit wie möglich nebeneinander zu bringen.
1A stellt schematisch eine mehrstrahlige Hornantenne in Vorderansicht dar, wobei die sieben Kästchen F1 bis F7 den Platzbedarf von sieben Hörnern angeben, die aneinandergesetzt aufgestellt sind. Die sieben Kreise S1 bis S7, die jeweils in einem der Kästchen F1 bis F7 notiert sind, stellen die ausstrahlenden Flecken dar, die von den entsprechenden Hörnern erzeugt werden. Die Antenne von 1A ist im Brennpunkt einer Schüssel eines geostationären Satelliten aufgestellt, der dazu bestimmt ist, Informationen auf dem französischen Gebiet auszusenden.
1B stellt die Versorgungsgebiete C1 bis C7 mit –3 dB dar, die jeweils einem ausstrahlenden Fleck der Antenne von 1A entsprechen. Die Mitte eines jeden Kreises entspricht einem Punkt der Erdoberfläche, an dem die erhaltene Leistung maximal ist. Der Umfang jedes Kreises grenzt einen Bereich ein, in dem die erhaltene Leistung auf der Erdoberfläche über der Hälfte der erhaltenen maximalen Leistung in der Mitte des Kreises liegt. Obwohl die ausstrahlenden Flecken S1 bis S7 praktisch aneinandergesetzt sind, erzeugen sie Versorgungsgebiete von –3 dB, die voneinander getrennt sind. Die Gebiete, die sich zwischen den Versorgungsgebieten von –3 dB befinden, werden hier Empfangslöcher genannt. Jedes Empfangsloch entspricht demnach einem Gebiet der Erdoberfläche, in dem die erhaltene Leistung geringer als die Hälfte der erhaltenen maximalen Leistung ist. In diesen Empfangslöchern kann sich die erhaltene Leistung als unzureichend erweisen, sodass ein Empfänger am Boden nicht richtig funktionieren kann.
Um dieses Problem der Empfangslöcher zu lösen, wurde vorgeschlagen, die ausstrahlenden Flecken der mehrstrahligen Antenne überlappen zu lassen. Eine Teilvorderansicht einer solchen mehrstrahligen Antenne, die mehrere ausstrahlende Flecken enthält, die sich überlappen, ist in 2A dargestellt. Auf dieser Abbildung wurden nur die beiden ausstrahlenden Flecken SR1 und SR2 dargestellt. Jeder ausstrahlende Fleck wird von sieben unabhängigen und sich voneinander unterscheidenden Strahlungsquellen erzeugt. Der ausstrahlende Fleck SR1 wird von den Strahlungsquellen SdR1 bis SdR7 gebildet, die aneinandergesetzt sind. Der ausstrahlende Fleck SR2 wird über die Strahlungsquellen SdR1, SdR2, SdR3 und SdR7 und die Strahlungsquellen SdR8 bis SdR10 erzeugt. Die Strahlungsquellen SdR1 bis SdR7 sind dazu geeignet, bei einer ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und können damit ein erstes Bündel elektromagnetischer Wellen erzeugen, die etwa mit dieser ersten Frequenz übereinstimmen. Die Strahlungsquellen SdR1 bis SdR3 und SdR7 bis SdR10 sind dazu geeignet, bei einer zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und können damit ein zweites Bündel elektromagnetischer Wellen erzeugen, die etwa mit dieser zweiten Arbeitsfrequenz übereinstimmen. So sind die Strahlungsquellen SdR1 bis SdR3 und SdR7 geeignet, simultan bei der ersten und bei der zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten. Die erste und zweite Arbeitsfrequenz unterscheiden sich voneinander, sodass sie die Interferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten erzeugten Strahl begrenzen.
So werden die Strahlungsquellen in einer solchen mehrstrahligen Antenne, wie die Strahlungsquellen SdR1 bis 3, so verwendet, dass sie gleichzeitig den ausstrahlenden Flecken SR1 und den ausstrahlenden Flecken SR2 erzeugen, was eine Überlappung der beiden ausstrahlenden Flecken SR1 und SR2 erzeugt. Eine Veranschaulichung der Anordnung der Versorgungszonen bei –3 dB, die durch eine mehrstrahlige Antenne erzeugt werden, die ausstrahlende überlappende Flecken darstellt, ist in 2B dargestellt. Eine solche Antenne ermöglicht es, die Empfangslöcher erheblich zu reduzieren, wenn nicht sogar ganz zu vermeiden. Zum Teil aufgrund der Tatsache, dass ein ausstrahlender Fleck über mehrere unabhängige, sich voneinander unterscheidende Strahlungsquellen gebildet wird, von denen mindestens einige auch für andere ausstrahlende Flecken verwendet werden, ist die Bedienung dieser mehrstrahligen Antenne jedoch komplexer als die klassischer Hornantennen.
Ziel der Erfindung ist es, diesem Nachteil durch den Vorschlag einer einfacheren mehrstrahligen Antenne mit überlappenden ausstrahlenden Flecken entgegenzutreten.
Sie hat demnach eine Antenne, wie weiter oben festgelegt, zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass:

– die Erregervorrichtung geeignet ist, gleichzeitig wenigstens auf einer ersten und einer zweiten unterschiedlichen Arbeitsfrequenz zu arbeiten,
– die Erregervorrichtung ein erstes und ein zweites Erregerelement aufweist, die verschieden und voneinander unabhängig sind, die geeignet sind, elektromagnetische Wellen zu senden und/oder zu empfangen, wobei das erste Erregerelement geeignet ist, auf der ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und das zweite Erregerelement geeignet ist, auf der zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten,
– der oder jeder Periodizitätsdefekt des BIP-Materials einen Resonanz-Hohlraum mit Leckstellen bildet, der eine konstante Höhe in orthogonaler Richtung zu der besagten ausstrahlenden Außenseite und seitliche Abmessungen, die parallel zu der besagten ausstrahlenden Außenseite bestimmt sind, aufweist;
– die erste und die zweite Arbeitsfrequenz geeignet sind, den gleichen Resonanz-Modus eines Resonanz-Hohlraums mit Leckstellen zu erregen, wobei dieser Resonanz-Modus in identischer Weise hergestellt wird, ungeachtet der seitlichen Abmessungen des Hohlraums, sodass auf der Außenseite jeweils ein erster und ein zweiter ausstrahlender Fleck erzeugt werden, wobei jeder dieser ausstrahlenden Flecken den Ursprung eines Bündels von elektromagnetischen Wellen darstellt, die beim Senden und/oder Empfang durch die Antenne ausgestrahlt werden,
– jeder der ausstrahlenden Flecke eine geometrische Mitte aufweist, deren Position eine Funktion der Position des Erregerelements ist, das zu ihrer Entstehung führt, und deren Oberfläche größer als diejenige des ausstrahlenden Elements ist, das zu ihrer Entstehung führt, und
– das erste und das zweite Erregerelement in Bezug aufeinander so positioniert sind, dass der erste und der zweite ausstrahlende Fleck auf der Außenfläche des BIP-Materials nebeneinander und sich teilweise überlappend angeordnet sind.

In der oben beschriebenen mehrstrahligen Antenne erzeugt jedes Erregerelement einen einzigen ausstrahlenden Flecken, der die Auflage oder einen rechten Abschnitt bildet, der auf ein Bündel von elektromagnetischen Wellen zurückgeht. So ist diese Antenne von diesem Gesichtspunkt her mit gewöhnlichen Hornantennen vergleichbar, deren Horn einen einzigen ausstrahlenden Flecken herstellt. Die Bedienung dieser Antenne ähnelt also der einer gewöhnlichen Hornantenne. Außerdem sind die Erregerelemente so positioniert, dass sich die ausstrahlenden Flecken überlappen. Diese Antenne weist also die Vorteile einer mehrstrahligen Antenne mit sich überlappenden ausstrahlenden Flecken auf, ohne dass die Komplexität der Bedienung gegenüber derjenigen der mehrstrahligen Hornantennen der Erregerelemente gesteigert worden wäre.
Gemäß weiteren Merkmalen einer erfindungsgemäßen mehrstrahligen Antenne:

– jeder ausstrahlende Fleck ist im Wesentlichen kreisförmig, wobei die geometrische Mitte einer maximalen gesendeten und/oder empfangenen Leistung entspricht und der entsprechende Umfang einer gesendeten und/oder empfangenen Leistung entspricht, die gleich einem Bruchteil der maximalen, in seiner Mitte gesendeten und/oder empfangenen Leistung ist, und in einer zur Außenfläche parallelen Ebene der Abstand, der die geometrischen Mitten der zwei Erregerelemente trennt, strikt kleiner ist als die Strahlung des ausstrahlenden Flecks, die durch das erste Erregerelement erzeugt wird, die an die Strahlung des ausstrahlenden Flecks angefügt ist, die durch das zweite Erregerelement erzeugt wird,
– die geometrische Mitte jedes ausstrahlenden Flecks ist auf der orthogonalen Linie auf dieser ausstrahlenden Außenfläche positioniert, die die geometrische Mitte des Erregerelements durchquert, das zu seiner Entstehung führt,
– das erste und zweite Erregerelement sind im Inneren eines gleichen Hohlraums positioniert,
– die erste und die zweite Arbeitsfrequenz befinden sich in dem gleichen schmalen durchlässigen Band, das durch diesen gleichen Hohlraum erzeugt wird,
– das erste und das zweite Erregerelement sind jeweils im Inneren von verschiedenen Resonanz-Hohlräumen positioniert und die erste und die zweite Arbeitsfrequenz sind geeignet, jeweils einen von den seitlichen Abmessungen ihres jeweiligen Hohlraums unabhängigen Resonanz-Modus zu erregen,
– eine Reflektorebene für elektromagnetische Strahlung, die mit dem BIP-Material verbunden ist, wobei diese Reflektorebene so verformt ist, dass sie die verschiedenen Hohlräume ausbildet,
– der oder jeder Hohlraum wird in Parallelflachform ausgebildet.

Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung besser verstanden werden, die nur als Beispiel zur Verfügung gestellt wird und sich auf die Zeichnungen bezieht, auf denen:
die 1A, 1B, 2A und 2B bekannte mehrstrahlige Antennen sowie die daraus entstehenden Versorgungsgebiete darstellen;
die 3 eine Ansicht aus der Perspektive einer erfindungsgemäßen mehrstrahligen, Antenne ist;
die 4 eine Graphik ist, die den Übertragungskoeffizienten der Antenne von 3 darstellt;
die 5 eine Graphik ist, die das Strahlungsdiagramm der Antenne von 3 darstellt;
die 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mehrstrahligen, Antenne darstellt;
die 7 den Übertragungskoeffizienten der Antenne von 6 darstellt; und
die 8 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mehrstrahligen Antenne darstellt.
die 9 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen halbzylinderförmigen Antenne ist.
3 stellt eine mehrstrahlige Antenne 4 dar. Diese Antenne 4 wird durch ein Photonensperrband-Material 20 oder BIP-Material gebildet, das mit einer Reflektor-Metallebene 22 elektromagnetischer Wellen verbunden ist.
Die BIP-Materialien sind bekannt und der Plan eines BIP-Materials wie das Material 20 ist zum Beispiel in der Patentanmeldung FR 99 14521 beschrieben. So werden hier nur die für die Antenne 4 spezifischen Merkmale gegenüber diesem Stand der Technik im Detail beschrieben.
Es wird daran erinnert, dass ein BIP-Material ein Material ist, das die Eigenschaft hat, bestimmte Frequenzbereiche zu absorbieren, d. h. jede Übertragung in die vorstehend besagten Frequenzbereiche zu untersagen. Diese Frequenzbereiche bilden, was hier als nicht durchlässiges Band bezeichnet wird.
Ein nicht durchlässiges Band B des Materials 20 ist in 4 dargestellt. Diese 4 stellt eine Kurve dar, die die Veränderungen des Übertragungskoeffizienten darstellt, die in Dezibel in Abhängigkeit von der Frequenz der ausgestrahlten oder empfangenen elektromagnetischen Welle ausgedrückt wird. Dieser Übertragungskoeffizient ist für die übertragene Energie einer Seite des BIP-Materials im Verhältnis zur erhaltenen Energie auf der anderen Seite repräsentativ. Bei dem Material 20 erstreckt sich das nicht durchlässige Band B oder das Absorptionsband B etwa von 7 Ghz bis 17 GHz.
Die Position und die Breite dieses nicht durchlässigen Bandes B hängt nur von den Eigenschaften und Merkmalen des BIP-Materials ab.
Das BIP-Material setzt sich im Allgemeinen aus einer periodischen Anordnung einer dielektrischen Permittivität und/oder variabler Durchlässigkeit zusammen. Hier ist das Material 20 aus zwei Blenden 30, 32 gebildet, die in einem ersten magnetischen Material wie aus Alaunerde hergestellt werden, und aus zwei Blenden 34 und 36, die in einem zweiten magnetischen Material wie aus Luft gebildet werden. Die Blende 34 ist zwischen den Blenden 30 und 32 angebracht, während die Blende 36 zwischen der Blende 32 und der Reflektorebene 22 angebracht ist. Die Blende 30 ist an einem Endstück dieser Blendengruppe angebracht. Sie stellt eine Außenfläche 38 gegenüber ihrer Fläche dar, die mit der Blende 34 in Kontakt ist.
Diese Fläche 38 bildet eine ausstrahlende Fläche bei der Ausstrahlung und/oder beim Empfang.
Bekannterweise ermöglicht die Einführung eines Bruches in diese geometrische Periodizität und/oder Funkperiodizität – ein Bruch, der noch Störung genannt wird –, eine Absorptionsstörung zu erzeugen, und somit die Herstellung eines schmalen durchlässigen Bandes innerhalb des nicht durchlässigen Bandes des BIP-Materials. Unter diesen Bedingungen wird das Material als BIP-Material mit Defekten bezeichnet.
Hier wird ein Bruch geometrischer Periodizität geschaffen, indem die Höhe oder Breite H der Blende 36 höher gewählt wird als die der Blende 34. Bekannterweise und damit ein schmales durchlässiges Band E (4) etwa in der Mitte des durchlässigen Bandes B geschaffen wird, wird diese Höhe H durch das folgende Verhältnis bestimmt:
oder:

λ: ist die Wellenlänge, die der medianen Frequenz f_m des durchlässigen Bandes E entspricht,
ε_r: ist die relative Permittivität der Luft, und
μ_r: ist die relative Durchlässigkeit der Luft.

Die mediane Frequenz f_m entspricht hier etwa 12 GHz.
Die Blende 36 bildet einen Resonanz-Hohlraum in Parallelflachform mit Leckstellen, dessen Höhe konstant ist und dessen seitliche Abmessungen durch die seitlichen Abmessungen des BIP-Materials 20 und des Reflektors 22 bestimmt sind. Diese Blenden 30 und 32 sowie die Reflektorebene 22 sind rechteckig und haben identische seitliche Abmessungen. Hier werden die seitlichen Abmessungen so gewählt, dass sie um mehrere Male größer sind als der Radius R, der durch die folgende empirische Formel bestimmt wird:
oder:

G_dB: ist die für die Antenne gewünschte Verstärkung an Dezibel,
Φ: = 2R
λ: ist die Wellenlänge, die der medianen Frequenz f_m entspricht

Als Beispiel: bei einer Verstärkung von 20 dB entspricht der Radius R etwa 2.15 λ.
Bekannterweise weist ein derartiger Resonanz-Hohlraum in Parallelflachform mehrere Familien von Resonanzfrequenzen auf. Jede Resonanzfrequenz-Familie wird von einer Grundfrequenz und deren Oberschwingungen oder ganzen Vielfachen der Grundfrequenz gebildet. Jede Resonanzfrequenz einer gleichen Familie ruft den gleichen Resonanz-Modus des Hohlraums hervor. Diese Resonanz-Modi sind unter den Bezeichnungen Resonanz-Modi TM₀, TM₁, ..., TM_l... bekannt. Diese Resonanz-Modi werden detaillierter im Dokument von F. Cardiol „Electromagnétisme, traité d'Electricité, d'Electronique et d'Electrotechnique", Ed. Dunod, 1987, beschrieben.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Resonanz-Modus TM₀ durch eine Frequenzreihe hervorgerufen werden kann, deren Erregung der einer Grundfrequenz f_m0 ähnlich ist. Auf ähnliche Weise kann jeder Modus TM_l durch eine Frequenzreihe hervorgerufen werden, deren Erregung der einer Grundfrequenz f_ml ähnlich ist. Jeder Resonanz-Modus entspricht einem besonderen Strahlungsdiagramm der Antenne und einem ausstrahlenden Fleck bei Ausstrahlung und/oder Empfang, welcher auf der Außenfläche 38 gebildet wird. Der ausstrahlende Fleck ist hier der Bereich der Außenfläche 38, der alle Punkte enthält, auf denen die bei der Ausstrahlung und/oder beim Empfang ausgestrahlte Leistung höher als die oder gleich der Hälfte der maximalen Leistung ist, die von dieser Außenfläche durch die Antenne 4 ausgestrahlt wird. Jeder ausstrahlende Fleck lässt eine geometrische Mitte zu, die dem Punkt entspricht, an dem die ausgestrahlte Leistung etwa der maximalen ausgestrahlten Leistung entspricht.
Für den Fall des Resonanz-Modus TM₀ steht dieser ausstrahlende Fleck im Zusammenhang mit einem Kreis, dessen Durchmesser Φ durch die Formel (1) ermittelt wird. Für den Resonanz-Modus TM₀ ist das Strahlungsdiagramm hier entlang einer perpendikularen Richtung zu der Außenseite 38 gerichtet und führt durch die geometrische Mitte des ausstrahlenden Flecks. Das Strahlungsdiagramm, das dem Resonanz-Modus TM₀ entspricht, ist in 5 dargestellt.
Die Frequenzen f_ml sind im Inneren des durchlässigen schmalen Bands E positioniert.
Schließlich werden vier Erregerelemente 40 bis 43 nebeneinander im Hohlraum 36 auf der Reflektorebene 22 positioniert. Im hier beschriebenen Beispiel sind die geometrischen Zentren dieser Erregerelemente an den 4 Winkeln einer Raute platziert, deren Seitenabmessungen strikt unter 2R liegen.
Jedes dieser Erregerelemente ist geeignet, eine elektromagnetische Welle bei einer Arbeitsfrequenz f_Tl auszusenden und/oder zu empfangen, die sich von der der anderen Erregerelemente unterscheidet. Hier grenzt die Frequenz f_Tl jedes Erregerelements an f_m0, sodass der Resonanzmodus TM₀ des Hohlraums 36 erregt wird. Diese Erregerelemente 40 bis 43 sind an einen klassischen Generator/Rezeptor 45 mit elektrischen Signalen angeschlossen, die durch jedes Erregerelement in eine elektromagnetische Welle umgewandelt werden sollen und umgekehrt.
Diese Erregerelemente sind zum Beispiel aus einem ausstrahlenden Dipol, einem ausstrahlenden Spalt, einer ausstrahlenden Plattensonde oder einem ausstrahlenden Patch zusammengesetzt. Der seitliche Platzbedarf jedes ausstrahlenden Elements, und zwar auf einer zu der Außenfläche 38 parallelen Ebene, liegt strikt unter der Größe der Fläche des ausstrahlenden Flecks, der durch ihn erzeugt wird.
Die Funktionsweise der Antenne von 3 wird im Folgenden beschrieben.
Bei der Emission sendet das Erregerelement 40, das durch den Generator/Rezeptor 45 aktiviert wurde, eine elektromagnetische Welle zu einer Arbeitsfrequenz f_T0 und erregt den Resonanz-Modus TM₀ des Hohlraums 36. Die anderen ausstrahlenden Elemente 41 bis 43 werden beispielsweise gleichzeitig durch den Generator/Rezeptor 45 aktiviert und tun dies ebenso jeweils bei den Arbeitsfrequenzen f_T1, f_T2 und f_T3.
Man hat festgestellt, dass für den Resonanzmodus TM₀ der ausstrahlende Fleck und das entsprechende Strahlungsdiagramm von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums 36 unabhängig sind. Denn der Resonanz-Modus TM₀ hängt nur von der Dicke und von der Art der Materialien jeder Blende 30 bis 36 ab und entsteht unabhängig von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums 36, wenn diese mehrere Male höher liegen als der vorab festgelegte Radius R. So können mehrere Resonanz-Modi TM₀ gleichzeitig nebeneinander entstehen und damit gleichzeitig mehrere ausstrahlende Flecken erzeugen, die nebeneinander angeordnet sind. Dies ist der Fall, wenn die Erregerelemente 40 bis 43 den gleichen Resonanz-Modus jeweils von verschiedenen Punkten des Raums aus erregen. Somit kommt die Erregung durch das Erregerelement 40 des Resonanz-Modus TM₀ durch das Aufkommen eines leicht kreisförmigen ausstrahlenden Flecks 46 zum Ausdruck, dessen geometrische Mitte vertikal zu der geometrischen Mitte des Elements 40 positioniert ist. Auf ähnliche Weise kommt die Erregung durch die Elemente 41 bis 43 des Resonanz-Modus TM₀ durch das Aufkommen der ausstrahlenden Flecke 47 bis 49 vertikal zur geometrischen Mitte aller Elemente zum Ausdruck. Da die geometrische Mitte des Elements 40 sich in einem strikt unter 2R liegendem Abstand zur geometrischen Mitte der Elemente 41 und 43 befindet, überlappt der ausstrahlende Fleck 46 zum Teil die ausstrahlenden Elemente 47 und 49, die jeweils den ausstrahlenden Elementen 41 und 43 entsprechen. Aus den gleichen Gründen überlappt der ausstrahlende Fleck 49 zum Teil die ausstrahlenden Flecke 46 und 48, der ausstrahlende Fleck 48 überlappt zum Teil die ausstrahlenden Flecken 49 und 47 und der ausstrahlende Fleck 47 überlappt zum Teil die ausstrahlenden Flecken 46 und 48.
Jeder ausstrahlende Fleck entspricht einer Auflage oder einem rechten Abschnitt, der auf ein strahlenförmiges Bündel von elektromagnetischen Wellen zurückgeht. So funktioniert diese Antenne ähnlich wie die mehrstrahligen Antennen mit bekannten überlappend angeordneten ausstrahlenden Flecken.
Die Funktionsweise der Antenne beim Empfang ergibt sich aus der bei der Emission beschriebenen Funktionsweise. Wenn zum Beispiel eine elektromagnetische Welle zu dem ausstrahlenden Fleck 46 ausgestrahlt wird, wird diese auf der Oberfläche empfangen, die dem Fleck 46 entspricht. Wenn die erhaltene Welle bei einer Frequenz liegt, die im durchlässigen schmalen Band E inbegriffen ist, wird sie von dem BIP-Material 20 nicht absorbiert und von dem Erregerelement 40 empfangen. Jede von einem Erregerelement empfangene elektromagnetische Welle wird in Form eines elektrischen Signals an den Generator/Rezeptor 45 übertragen.
6 stellt eine Antenne 70 dar, die über ein BIP-Material 72 und einen Reflektor 74 mit elektromagnetischen Wellen hergestellt wurde, und 7 den Verlauf des Übertragungskoeffizienten dieser Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz.
Das BIP-Material 72 ist zum Beispiel mit dem BIP-Material 20 identisch und weist das gleiche nicht durchlässige Band B (7) auf. Die Blenden, die dieses BIP-Material bilden und bereits im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurden, weisen die gleiche Nummerierung auf.
Der Reflektor 74 wird beispielsweise von der Reflektorebene 22 ausgehend gebildet, die so verformt wird, dass der Hohlraum 36 in zwei Resonanz-Hohlräume 76 und 78 mit unterschiedlichen Höhen geteilt wird. Die konstante Höhe H₁ des Hohlraums 76 wird so bestimmt, dass innerhalb des nicht durchlässigen Bandes B ein durchlässiges schmales Band E₁ (7) beispielsweise um eine Frequenz von 10 GHz positioniert wird. Auf ähnliche Weise wird die Höhe H₂ des Resonanz-Hohlraums 78 bestimmt, um innerhalb desselben nicht durchlässigen Bandes B ein schmales durchlässiges Band E₂ (7) beispielsweise zentriert um 14 GHz zu positionieren. Der Reflektor 74 setzt sich hier aus zwei Reflektorhalbebenen 80 und 82 zusammen, die stufenförmig angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Reflektorhalbebene 80 steht parallel zu der Blende 32 und im Abstand der Höhe H₁. Die Halbebene 82 steht parallel zur Blende 32 und im Abstand der konstanten Höhe H₂.
Schließlich ist ein Erregerelement 84 im Hohlraum 76 angebracht und ein Erregerelement 86 im Hohlraum 78. Diese Erregerelemente 84, 86 sind beispielsweise mit den Erregerelementen 40 bis 43 bis auf die Tatsache identisch, dass das Erregerelement 84 geeignet ist, den Resonanzmodus TM₀ des Hohlraums 76 zu erregen, während das Erregerelement 86 geeignet ist, den Resonanzmodus TM₀ des Hohlraums 78 zu erregen.
In diesem Ausführungsbeispiel liegt die horizontale Entfernung, das heißt parallel zu der Blende 32, die die geometrische Mitte von den Erregerelementen 84 und 86 trennt, strikt unter der Summe der Strahlen der zwei ausstrahlenden Flecken, die jeweils von den Elementen 84 und 86 erzeugt wurden.
Die Funktionsweise dieser Antenne 70 entspricht derjenigen der Antenne von 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen jedoch die Arbeitsfrequenzen der Erregerelemente 84 und 86 in durchlässigen schmalen Bändern E₁, E₂. Im Gegensatz zu Antenne 4 in 3 sind die Arbeitsfrequenzen von jedem dieser Erregungselemente voneinander durch ein großes Frequenzintervall, hier beispielsweise 4 GHz, getrennt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Positionen der durchlässigen Bänder E₁, E₂ so gewählt, dass die vorgeschriebenen Arbeitsfrequenzen verwendet werden können.
8 stellt eine mehrstrahlige Antenne 100 dar. Diese Antenne 100 ähnelt der Antenne 4 bis auf die Tatsache, dass das mono-defekte BIP-Material 20 der Strahlungsvorrichtung 4 durch ein BIP-Material 102 mit mehreren Defekten ersetzt wird. In 8 weisen die bereits im Zusammenhang mit 4 beschriebenen Elemente die gleiche Nummerierung auf.
Die Antenne 100 wird im Schnitt dargestellt, der einer zur Reflektorebene 22 perpendikularen Schnittebene folgt und durch die Erregerelemente 41 und 43 führt.
Das BIP-Material 102 umfasst zwei aufeinanderfolgende Gruppierungen 104 und 106 aus Blenden, die in einem ersten dielektrischen Material hergestellt werden. Die Gruppierungen 104 und 106 werden in der Richtung überlagert, die zur Reflektorebene 22 perpendikular ist. Jede Gruppierung 104, 106 wird beispielsweise jeweils durch zwei Blenden 110, 112 und 114, 116 parallel zur Reflektorebene 22 gebildet. Jede Blende einer Gruppierung hat die gleiche Dicke wie die anderen Blenden dieser selben Gruppierung. Im Fall der Gruppierung 106 hat jede Blende eine Dicke e₂ = λ/2 oder λ bezeichnet die Wellenlänge der medianen Frequenz des schmalen Bandes, das durch die Defekte des BIP-Materials hergestellt wurde.
Jede Blende der Gruppierung 104 hat eine Dicke e₁ = λ/4.
Die Berechnung dieser Dicken e₁ und e₂ geht aus der Lehre, die in dem französischen Patent 99 14521 (2 801 428) veröffentlicht wurde, hervor.
Zwischen jeder Blende des BIP-Materials 102 mit Defekt ist eine Blende in einem zweiten dielektrischen Material wie z. B. Luft übergelagert. Die Dicke dieser Blenden, die die Blenden 110, 112, 114 und 116 trennt, entspricht λ/4.
Die erste Blende 116 ist gegenüber der Reflektorebene 22 angeordnet und von dieser Ebene durch eine Blende im zweiten dielektrischen Material mit einer Dicke λ/2 getrennt, sodass ein Resonanz-Hohlraum in Parallelflachform mit Leckstellen ausgebildet wird. Die Dicke e₁ der Blenden des dielektrischen Materials, das von jeder Gruppe von Blenden von dielektrischem Material aufeinanderfolgt, steigt vorzugsweise geometrisch um die Ratio in Richtung der aufeinanderfolgenden Gruppierungen 104, 106.
Außerdem beträgt beispielsweise die Anzahl der überlagerten Gruppierungen im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 2, um die Zeichnung nicht zu überladen und die Ratio der geometrischen Zunahme beträgt ebenfalls 2. Diese Werte sind nicht einschränkend.
Die Überlagerung von Gruppierungen des BIP-Materials, die unterschiedliche Eigenschaften von magnetischer Durchlässigkeit, dielektrischer Permittivität und Dicke e_i haben, erhöht die Breite des durchlässigen schmalen Bandes, das innerhalb des gleichen nicht durchlässigen Bandes des BIP-Materials gebildet wird. So werden die Arbeitsfrequenzen der ausstrahlenden Elemente 40 bis 43 mit größeren Abständen voneinander gewählt als im Ausführungsbeispiel in 3.
Die Funktionsweise dieser ausstrahlenden Vorrichtung 100 lässt sich unmittelbar von derjenigen der Antenne 4 ableiten.
Als Variante wird die von jedem Erregerelement gesendete oder empfangene Strahlung in einer Richtung polarisiert, die sich von derjenigen unterscheidet, die von den angrenzenden Erregerelementen verwendet wird. Die Polarisierung jedes Erregerelements ist vorteilhafterweise orthogonal zu der Polarisierung, die von den angrenzenden Erregerelementen verwendet wird. So sind die Interferenzen und die Schaltungen zwischen den angrenzenden Erregerelementen begrenzt.
Als Variante wird ein gleiches Erregerelement angepasst, um aufeinanderfolgend oder gleichzeitig bei mehreren unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen zu arbeiten. Ein solches Element ermöglicht es, ein Versorgungsgebiet zu schaffen, in dem beispielsweise die Emission und der Empfang zu verschiedenen Wellenlängen erfolgen. Ein solches Erregerelement ist auch dazu geeignet, eine Frequenzschaltung durchzuführen.

Claims

Mehrstrahlige Antenne, enthaltend: – ein BIP-Material (20, 142, 172) (Bande d'Interdiction Photonique – Photonensperrband), das geeignet ist, räumlich und frequenzbezogen elektromagnetische Wellen zu filtern, wobei dieses BIP-Material wenigstens ein nicht durchlässiges Band aufweist und eine Außenfläche (38; 158) ausbildet, die beim Senden und/oder Empfangen ausstrahlt, – wenigstens einen Periodizitätsdefekt (36, 76, 78, 156, 180) des BIP-Materials, so dass in dem wenigstens einen nicht durchlässigen Band dieses BIP-Materials wenigstens ein schmales durchlässiges Band erzeugt wird, – wobei der oder jeder Periodizitätsdefekt (36, 76, 78) des BIP-Materials einen Resonanz-Hohlraum (36, 76, 78) mit Leckstellen ausbildet, der eine konstante Höhe in einer Richtung, die orthogonal zu der ausstrahlenden Außenfläche (38) verläuft, und bestimmte seitliche Abmessungen aufweist, die parallel zu der ausstrahlenden Außenfläche verlaufen; und – eine Erregervorrichtung (40 bis 43, 84, 86, 160, 162, 190), die geeignet ist, elektromagnetische Wellen in dem wenigstens einen schmalen durchlässigen Band zu senden und/oder zu empfangen, das durch den wenigstens einen Defekt erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: – die Erregervorrichtung geeignet ist, gleichzeitig wenigstens auf einer ersten und einer zweiten unterschiedlichen Arbeitsfrequenz zu arbeiten; – die Erregervorrichtung ein erstes und ein zweites Erregerelement (40 bis 43, 84, 86) aufweist, die verschieden und voneinander unabhängig sind, die geeignet sind, elektromagnetische Wellen zu senden und/oder zu empfangen, wobei das erste Erregerelement geeignet ist, auf der ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und das zweite Erregerelement geeignet ist, auf der zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten; – die erste und die zweite Arbeitsfrequenz geeignet sind, den gleichen Resonanzmodus eines Resonanz-Hohlraums mit Leckstellen (36, 76, 78) zu erregen, wobei dieser Resonanzmodus in identischer Weise hergestellt wird, ungeachtet der seitlichen Abmessungen des Hohlraums, so dass auf der Außenseite jeweils ein erster und ein zweiter ausstrahlender Fleck (46 bis 49) erzeugt wird, wobei jeder dieser ausstrahlenden Flecke den Ursprung eines Bündels von elektromagnetischen Wellen darstellt, die beim Senden und/oder Empfang durch die Antenne ausgestrahlt werden, – wobei jeder der ausstrahlenden Flecke (46 bis 49) eine geometrische Mitte aufweist, deren Position eine Funktion der Position des Erregerelements ist, das zu ihrer Entstehung führt, und deren Oberfläche größer als diejenige des ausstrahlenden Elements ist, das zu ihrer Entstehung führt, und – das erste und das zweite Erregerelement (40 bis 43, 84, 86) in Bezug aufeinander so positioniert sind, dass der erste und der zweite ausstrahlende Fleck (46 bis 49) auf der Außenfläche (38) des Materials BIP nebeneinander und sich teilweise überlappend angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – jeder ausstrahlende Fleck (46 bis 49) im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei die geometrische Mitte einer maximalen gesendeten und/oder empfangenen Leistung entspricht und der Umfang einer gesendeten und/oder empfangenen Leistung entspricht, die gleich einem Bruchteil der maximalen, in seiner Mitte gesendeten und/oder empfangenen Leistung ist, und – in einer zur Außenfläche parallelen Ebene der Abstand, der die geometrischen Mitten der zwei Erregerelemente (40 bis 43, 84, 86) trennt, deutlich kleiner ist als die Strahlung des ausstrahlenden Flecks, der durch das erste Erregerelement erzeugt wird, angefügt an die Strahlung des ausstrahlenden Flecks, der durch das zweite Erregerelement erzeugt wird.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Mitte jedes ausstrahlenden Flecks (46 bis 49) auf der Linie positioniert ist, die zu der ausstrahlenden Außenfläche (38) orthogonal verläuft und die die geometrische Mitte des Erregerelements (40 bis 43) durchquert, das zu seiner Entstehung führt.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregerelement (40 bis 43) im Inneren des selben Hohlraums (36) positioniert sind.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz sich in dem gleichen schmalen durchlässigen Band befinden, das durch diesen selben Hohlraum (36) erzeugt wird.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregerelement (84, 86) jeweils im Inneren von verschiedenen Resonanz-Hohlräumen (76, 78) positioniert sind, und dadurch, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz geeignet sind, jeweils einen von den seitlichen Abmessungen ihres jeweiligen Hohlraums unabhängigen Resonanzmodus zu erregen.
Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Reflektorebene (74) für elektromagnetische Strahlung aufweist, die mit dem BIP-Material (72) verbunden ist, wobei diese Reflektorebene so verformt ist, dass sie die verschiedenen Hohlräume bildet.
Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Hohlraum in Parallelflachform ausgebildet wird.