DE60308409T2

DE60308409T2 - Mehrfachstrahlantenne mit photonischem bandlückenmaterial

Info

Publication number: DE60308409T2
Application number: DE60308409T
Authority: DE
Inventors: Marc Thevenot; Regis Chantalat; Bernard Jecko; Ludovic Leger; Thierry Monediere; Patrick Dumon; Herve Legay
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: JP4181172B2; EP1568104A1; DE60308409D1; WO2004040694A1; ATE339782T1; US20060125713A1; AU2003285444A8; US7233299B2; AU2003285444A1; EP1568104B1; JP2006504373A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachstrahlantenne, umfassend:

– ein photonisches Bandlückenmaterial, das dafür geeignet ist, elektromagnetische Wellen räumlich und hinsichtlich Frequenz zu filtern, wobei dieses photonische Bandlückenmaterial mindestens eine Bandlücke aufweist und eine unter Sendung oder Empfang strahlende Außenfläche bildet,
– mindestens einen Periodizitätsfehler des photonischen Bandlückenmaterials, so dass innerhalb der mindestens einen Bandlücke des photonischen Bandlückenmaterials mindestens ein schmales Durchlassband geschaffen wird, und
– eine Erregungsvorrichtung, die dafür geeignet ist, elektromagnetische Wellen innerhalb dieses mindestens einen durch den mindestens einen Fehler geschaffenen schmalen Durchlassbands zu senden und/oder zu empfangen.

Mehrfachstrahlantennen werden häufig bei Anwendungen im Weltraum und insbesondere in geostationären Satelliten verwendet, um Informationen zur Erdoberfläche zu senden und/oder von der Erdoberfläche zu empfangen. Sie umfassen zu diesem Zweck mehrere strahlende Elemente, die jeweils ein Bündel von elektromagnetischen Wellen erzeugen, das von den anderen Bündeln beabstandet ist. Diese strahlenden Elemente sind beispielsweise in Nähe des Brennpunkts einer einen Reflektor von Bündeln von elektromagnetischen wellen bildenden Parabel angeordnet, wobei die Parabel und die Mehrfachstrahlantenne in einem geostationären Satelliten untergebracht sind. Die Parabel ist dazu bestimmt, jedes Bündel auf eine entsprechende Zone der Erdoberfläche zu richten. Jede von einem Bündel der Mehrfachstrahlantenne beleuchtete Zone der Erdoberfläche wird allgemein eine Bedeckungszone genannt. Auf diese Weise entspricht jede Bedeckungszone einem strahlenden Element.
Gegenwärtig sind die verwendeten strahlenden Elemente unter dem Begriff "Hörner" bekannt und die mit solchen Hörnern ausgerüstete Mehrfachstrahlantenne wird Hornantenne genannt. Jedes Horn erzeugt einen im Wesentlichen kreisförmigen strahlenden Fleck, der die Grundfläche eines bei Sendung oder bei Empfang abgestrahlten konischen Strahls bildet. Diese Hörner sind nebeneinander so angeordnet, dass die strahlenden Flecken einander so weit wie möglich angenähert sind.
1A zeigt schematisch eine Mehrfachstrahl-Hornantenne in Vorderansicht, bei der sieben Quadrate F1 bis F7 den Platzbedarf von sieben aneinanderstoßend nebeneinander angeordneten Hörnern angeben. Sieben jeweils in eines der Quadrate F1 bis F7 eingeschriebene Kreise S1 bis S7 stellen die von den entsprechenden Hörnern erzeugten strahlenden Flecken dar. Die Antenne von 1A ist im Brennpunkt einer Parabel eines geostationären Satelliten angeordnet, der dazu bestimmt ist, auf französischem Territorium Informationen zu senden.
1B zeigt Bedeckungszonen C1 bis C7 von –3 dB, die jeweils einem strahlenden Fleck der Antenne von 1A entsprechen. Der Mittelpunkt jedes Kreises entspricht einem Punkt der Erdoberfläche, an dem die empfangene Leistung maximal ist. Der Umfang jedes Kreises begrenzt eine Zone, in dessen Innerem die auf der Erdoberfläche empfangene Leistung größer als die Hälfte der im Mittelpunkt des Kreises empfangenen maximalen Leistung ist. Obwohl die strahlenden Flecken S1 bis S7 praktisch aneinanderstoßen, erzeugen sie Bedeckungszonen von –3 dB, die nicht dicht aneinanderstoßen. Die zwischen den Bedeckungszonen von –3 dB gelegenen Bereiche, werden hier Empfangslöcher genannt. Jedes Empfangsloch entspricht also einem Bereich der Erdoberfläche, in dem die empfangene Leistung kleiner als die Hälfte der empfangenen maximalen Leistung ist. In diesen Empfangslöchern kann sich herausstellen, dass die empfangene Leistung nicht ausreicht, damit ein Empfänger am Boden korrekt arbeiten kann.
Um dieses Problem von Empfangslöchern zu lösen, wurde vorgeschlagen, die strahlenden Flecken der Mehrfachstrahlantenne einander zu überlappen. Eine Vorderansicht einer solchen Mehrfachstrahlantenne mit mehreren sich überlappenden strahlenden Flecken ist in 2A dargestellt. In dieser Figur wurden nur zwei strahlende Flecken SR1 und SR2 dargestellt. Jeder strahlende Fleck wird ausgehend von sieben unabhängigen und voneinander verschiedenen Strahlungsquellen erzeugt. Der strahlende Fleck SR1 wird ausgehend von den Strahlungsquellen SdR1 bis SdR7 gebildet, die aneinander anstoßend angeordnet sind. Ein strahlender Fleck SR2 wird ausgehend von den Strahlungsquellen SdR1, Sdr2, SdR3 und SdR7 und Strahlungsquellen SdR8 bis SdR10 erzeugt. Die Strahlungsquellen SdR1 bis Sdr7 sind in der Lage, bei einer ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, um ein erstes Bündel von elektromagnetischen Wellen zu erzeugen, das bei dieser ersten Frequenz im Wesentlichen gleichförmig ist. Die Strahlungsquellen SdR1 bis SdR3 und SdR7 bis SdR10 sind in der Lage, bei einer zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, so dass ein zweites Bündel von elektromagnetischen Wellen erzeugt wird, das bei dieser zweiten Arbeitsfrequenz im Wesentlichen gleichförmig ist. Auf diese Weise sind die Strahlungsquellen SdR1 bis SdR3 und SdR7 in der Lage, gleichzeitig bei der ersten und bei der zweiten Arbeitsfre quenz zu arbeiten. Die erste und die zweite Arbeitsfrequenz sind voneinander verschieden, so dass die Interferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten erzeugten Bündel begrenzt werden.
Auf diese Weise werden in einer solchen Mehrfachstrahlantenne Strahlungsquellen, wie die Strahlungsquellen SdR1 bis 3 gleichzeitig dazu verwendet, den strahlenden Fleck SR1 und den strahlenden Fleck SR2 zu erzeugen, was eine Überlappung dieser beiden strahlenden Flecke SR1 und SR2 erzeugt. 2B zeigt die Anordnung der Bedeckungszonen von –3 dB, die durch eine Mehrfachstrahlantenne erzeugt werden, die überlappende strahlende Flecken aufweist. Eine solche Antenne gestattet es, die Empfangslöcher beträchtlich zu reduzieren oder sie sogar zu beseitigen. Zum Teil aufgrund der Tatsache, dass ein strahlender Fleck ausgehend von mehreren unabhängigen und voneinander verschiedenen Strahlungsquellen gebildet wird, von denen mindestens manche auch für andere strahlende Flecken verwendet werden, ist diese Mehrfachstrahlantenne komplexer in der Steuerung als die herkömmlichen Hornantennen.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil durch Schaffung einer einfacheren Mehrfachstrahlantenne mit überlappenden strahlenden Flecken zu beseitigen.
Gegenstand der Erfindung ist zu diesem Zweck eine Antenne der oben definierten Art, dadurch gekennzeichnet

– dass die Erregungsvorrichtung dafür geeignet ist, mindestens um eine erste und eine zweite Arbeitsfrequenz herum, die verschieden sind, zu arbeiten,
– dass die Erregungsvorrichtung ein erstes und ein zweites Erregungselement umfasst, die verschieden und voneinander unabhängig sind und jeweils dafür geeignet sind, elekt romagnetische Wellen zu senden und/oder zu empfangen, wobei das erste Erregungselement dafür geeignet ist, bei der ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und das zweite Erregungselement dafür geeignet ist, bei der zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten,
– dass der oder jeder Periodizitätsfehler des photonischen Bandlückenmaterials einen Resonanzhohlraum mit Austritten bildet, der eine konstante Höhe in einer zu der strahlenden Außenfläche senkrechten Richtung und bestimmte zu der strahlenden Außenfläche parallele seitliche Abmessungen aufweist,
– und dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz dafür geeignet sind, die gleiche Resonanzmode eines Resonanzhohlraums mit Austritten zu erregen, wobei diese Resonanzmode unabhängig von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums auf identische Weise auftritt, so dass auf dieser Außenfläche ein erster bzw. ein zweiter strahlender Fleck erzeugt wird, deren jeder den Ursprung eines Bündels von elektromagnetischen Wellen darstellt, die unter Sendung und/oder Empfang von der Antenne ausgestrahlt werden,
– dass jeder der strahlenden Flecken einen geometrischen Mittelpunkt besitzt, dessen Stellung eine Funktion von der Stellung des ihn erzeugenden Erregungselements ist und dessen Fläche größer als die des ihn erzeugenden strahlenden Elements ist, und dass das erste und das zweite Erregungselement zueinander so angeordnet sind, dass der erste und der zweite strahlende Fleck auf der Außenfläche des photonischen Bandlückenmaterials nebeneinander angeordnet sind und sich partiell überdecken bzw. überlappen.

Bei der oben beschriebenen Mehrfachstrahlantenne erzeugt jedes Erregungselement einen einzigen strahlenden Fleck, der die Grundfläche oder den Querschnitt am Ursprung eines Bündels von elektromagnetischen Wellen bildet. In dieser Hinsicht ist diese Antenne also mit den herkömmlichen Hornantennen vergleichbar, bei denen ein Horn einen einzigen strahlenden Fleck erzeugt. Die Steuerung dieser Antenne ist also mit derjenigen einer herkömmlichen Hornantenne vergleichbar. Außerdem sind die Erregungselemente so angeordnet, dass die strahlenden Flecken sich überlappen. Diese Antenne besitzt also die Vorteile einer Mehrfachstrahlantenne mit sich überlappenden strahlenden Flecken, ohne dass die Steuerung der Erregungselemente gegenüber der der Mehrfachstrahl-Hornantennen komplexer geworden ist.
Gemäß anderen Merkmalen einer erfindungsgemäßen Mehrfachstrahlantenne:

– ist jeder strahlende Fleck im Wesentlichen kreisförmig, wobei der geometrische Mittelpunkt einem gesendeten und/oder empfangenen Leistungsmaximum entspricht und der Umfang einem gesendeten und/oder empfangenen Leistungsmaximum entspricht, das gleich einem Bruchteil der in seinem Mittelpunkt gesendeten und/oder empfangenen Leistung ist, und ist der Abstand zwischen den geometrischen Mittelpunkten der beiden Erregungselemente in einer zur Außenfläche parallelen Ebene streng kleiner als der Radius des von dem ersten Erregungselement erzeugten strahlenden Flecks plus dem Radius des von dem zweiten Erregungselement erzeugten strahlenden Flecks,
– ist der geometrische Mittelpunkt jedes strahlenden Flecks auf der Linie angeordnet, die zu dieser strahlenden Außenfläche senkrecht ist und durch den geometrischen Mittelpunkt des ihn erzeugenden Erregungselements verläuft,
– sind das erste und das zweite Erregungselement im Inneren ein und desselben Hohlraums angeordnet,
– sind die erste und die zweite Arbeitsfrequenz innerhalb desselben, von demselben Hohlraum erzeugten schmalen Durchlassbands gelegen, sind das erste und das zweite Erre gungselement jeweils im Inneren von verschiedenen Resonanzhohlräumen angeordnet und sind die erste und die zweite Arbeitsfrequenz dafür geeignet, jeweils eine Resonanzmode zu erzeugen, die von den seitlichen Abmessungen ihres jeweiligen Resonanzhohlraums unabhängig ist,
– eine dem photonischen Bandlückenmaterial zugeordnete Reflektorebene für elektromagnetische Strahlung, wobei diese Reflektorebene so verformt ist, dass die verschiedenen Hohlräume gebildet werden,
– ist der oder jeder Hohlraum parallelepipedförmig,
– umfasst die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, einen Reflektor in Form eines Halbzylinders und weist das photonische Bandlückenmaterial der Antenne eine konvexe Fläche auf, die der halbzylinderförmigen Fläche des Reflektors entspricht.

Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen, umfassend

– eine Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die von dem System gesendeten und/oder empfangenen elektromagnetischen Wellen auf einen Brennpunkt zu fokussieren, und
– einen Sender und/oder Empfänger von elektromagnetischen Wellen, der im Wesentlichen im Brennpunkt so angeordnet ist, dass er die elektromagnetischen Wellen sendet und/oder empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Mehrfachstrahlantenne gemäß der Erfindung umfasst, deren strahlende Außenfläche im Wesentlichen auf dem Brennpunkt angeordnet ist, so dass sie den Sender und/oder Empfänger von elektromagnetischen Wellen bildet.

Gemäß anderen Merkmalen des erfindungsgemäßen Systems:

– ist die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu reflektieren, ein Parabolreflektor,
– ist die Vorrichtung, die geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, eine elektromagnetische Linse.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine lediglich als Beispiel dienende Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
1A, 1B, 2A und 2B Darstellungen von bekannten Mehrfachstrahlantennen sowie der resultierenden Bedeckungszonen,
3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Mehrfachstrahlantenne,
4 ein Diagramm, das den Übertragungskoeffizienten der Antenne von 3 zeigt,
5 eine Graphik, die das Strahlungsdiagramm der Antenne von 3 zeigt,
6 eine schematische Schnittdarstellung eines mit der Antenne von 3 ausgerüsteten Systems zum Senden/Empfangen von elektromagnetischen Wellen,
7 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfachstrahlantenne,
8 eine Darstellung des Übertragungskoeffizienten der Antenne von 7,
9 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfachstrahlantenne und
10 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen halbzylindrischen Antenne.
3 zeigt eine Mehrfachstrahlantenne 4. Diese Antenne 4 ist aus einem photonischen Bandlückenmaterial oder BIP-Material gebildet, das einer elektromagnetische Wellen reflektierenden metallischen Platte 22 zugeordnet ist.
Die photonischen Bandlückenmaterialien sind bekannt und der Aufbau eines photonischen Bandlückenmaterials wie das Material 20, ist beispielsweise in der Patentanmeldung FR 99 14521 beschrieben. So werden nur die spezifischen Merkmale der Antenne 4 bezüglich dieses Stands der Technik hier ausführlich beschrieben.
Es wird daran erinnert, dass ein photonisches Bandlückenmaterial ein Material ist, das die Eigenschaft besitzt, manche Frequenzbereiche zu absorbieren, d.h. jede Übertragung in diesen Frequenzbereichen zu sperren. Diese Frequenzbereiche bilden das, was hier eine Bandlücke genannt wird.
Eine Bandlücke B des Materials 20 ist in 4 dargestellt. Diese 4 zeigt eine Kurve, die die Änderungen des Übertragungskoeffizienten, ausgedrückt in Dezibel, in Abhängigkeit von der Frequenz der gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Welle darstellt. Dieser Übertragungskoeffizient ist ein Abbild der auf eine Seite des photonischen Bandlückenmaterials übertragenen Energie in Bezug auf die auf der anderen Seite empfangenen Energie. Im Fall des Materials 20 erstreckt sich die Bandlücke B oder das Absorptionsband B im Wesentlichen von 7 GHz bis 17 GHz.
Die Stellung und die Breite dieser Bandlücke B ist ausschließlich von den Eigenschaften und den Merkmalen des photonischen Bandlückenmaterials abhängig.
Das photonische Bandlückenmaterial besteht im Allgemeinen aus einer periodischen Anordnung von Dielektrikum veränderlicher Permittivität und/oder Permeabilität. Im vorliegenden Fall ist das Material 20 aus zwei Lamellen 30, 32 gebildet, die aus einem ersten magnetischen Werkstoff, wie Aluminiumoxid hergestellt sind, und aus zwei Lamellen 34 und 36, die aus einem zweiten magnetischen Werkstoff, wie Luft, gebildet sind. Die Lamelle 34 ist zwischen die Lamellen 30 und 32 eingesetzt, während die Lamelle 36 zwischen die Lamelle 32 und die reflektierende Ebene 22 eingesetzt ist. Die Lamelle 30 ist an einem Ende dieses Lamellenstapels angeordnet. Sie besitzt eine Außenfläche 38 auf der Seite, die ihrer mit der Lamelle 34 in Kontakt befindlichen Fläche entgegengesetzt ist. Diese Fläche 38 bildet eine unter Sendung und/oder Empfang strahlende Fläche.
Auf bekannte Weise gestattet die Einführung einer Unterbrechung in dieser geometrischen und/oder radioelektrischen Periodizität, auch Fehler genannt, die Erzeugung eines Absorptionsfehlers und damit die Erzeugung eines schmalen Durchlassbandes im Inneren der Bandlücke des photonischen Bandlückenmaterials. Das Material wird unter diesen Bedingungen photonisches Fehler-Bandlückenmaterial genannt.
Im vorliegenden Fall wird die Unterbrechung der geometrischen Periodizität geschaffen, indem die Höhe oder Dicke H der Lamelle 36 größer als die der Lamelle 34 gewählt wird. Zur Schaffung eines schmalen Durchlassbandes (4) im Wesentlichen in der Mitte der Bandlücke B wird diese Höhe H auf bekannte Weise durch die folgende Gleichung definiert: H = 0,5 × λ/√εr × μr worin:

– λ die der Mittelfrequenz f_m des Durchlassbandes E entsprechende Wellenlänge ist,
– ε_r die relative Permittivität der Luft ist und
– μ_r die relative Permeabilität der Luft ist.

Im vorliegenden Fall ist die Mittelfrequenz f_m im Wesentlichen gleich 1,2 GHz.
Die Lamelle 36 bildet einen parallelepipedförmigen Resonanzhohlraum mit Austritten, dessen Höhe H konstant ist und dessen seitliche Abmessungen durch die seitlichen Abmessungen des photonischen Bandmaterials 20 und des Reflektors 22 definiert sind. Diese Lamellen 30 und 32 sowie die Reflektorebene 22 sind rechteckig und haben identische seitliche Abmessungen. Im vorliegenden Fall sind die seitlichen Abmessungen so gewählt, dass sie mehrere Male größer als der durch die folgende empirische Formel definierte Radius sind:
worin:

– G_dB der für die Antenne gewünschte Gewinn in Dezibel ist,
– Φ = 2R,
– λ die der Mittelfrequenz f_m entsprechende Wellenlänge ist.

Beispielsweise ist der Radius R bei einem Gewinn von 20 dB im Wesentlichen gleich 2,15 λ.
Auf bekannte Weise besitzt ein solcher parallelepipedförmiger Resonanzhohlraum mehrere Familien von Resonanzfrequenzen. Jede Familie von Resonanzfrequenzen ist von einer Grundfrequenz und ihren Harmonischen oder ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz gebildet. Jede Resonanzfrequenz derselben Familie erregt dieselbe Resonanzmode des Hohlraums. Diese Resonanzmoden sind unter dem Begriff Resonanzmoden TM₀, TM₁,..., TM_i, ... bekannt. Diese Resonanzmoden sind ausführlich in der Schrift von F. Cardiol., "Electromagnétisme, traité d'Electricité, d'Electronique et d'Electrotechnique", Ed. Dunod, 1987, beschrieben.
Es wird daran erinnert, dass die Resonanzmode TM₀ in der Lage ist, durch einen Bereich von Erregungsfrequenzen erregt zu werden, der einer Grundfrequenz f_m0 nahe ist. Auf ähnliche Weise kann jede Mode TM_i in der Lage sein, durch einen Bereich von Erregungsfrequenzen erregt zu werden, der nahe einer Grundfrequenz f_mi ist. Jede Resonanzmode entspricht einem besonderen Strahlungsdiagramm der Antenne und einem auf der Außenfläche 38 gebildeten unter Sendung und/oder Empfang strahlenden Fleck. Der strahlende Fleck ist im vorliegenden Fall die Außenfläche 38, die die Gesamtheit der Punkte enthält, an denen die bei Sendung und/oder Empfang ausgestrahlte Leistung größer als oder gleich der Hälfte der ausgehend von dieser Außenfläche durch die Antenne 4 abgestrahlten maximalen Leistung ist.
Jeder strahlende Fleck bildet einen geometrischen Mittelpunkt, der dem Punkt entspricht, an dem die abgestrahlte Leistung im Wesentlichen gleich der maximalen abgestrahlten Leistung ist.
Im Fall der Resonanzmode TM₀ ist dieser strahlende Fleck in einen Kreis eingeschrieben, dessen Durchmesser ϕ durch die Formel (1) gegeben ist. Bei der Resonanzmode TM₀ ist das Strahlungsdiagramm im vorliegenden Fall stark direktiv längs einer zur Außenfläche 38 senkrechten Richtung und verläuft durch den geometrischen Mittelpunkt des strahlenden Flecks. Das der Resonanzmode TM₀ entsprechende Strahlungsdiagramm ist in 5 dargestellt.
Die Frequenzen f_mi sind im Inneren des schmalen Durchlassbandes E angeordnet.
Schließlich sind vier Erregungselemente 40 bis 43 nebeneinander in dem Hohlraum 36 auf der Reflektorebene 22 angeordnet. Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind die geometrischen Mittelpunkte dieser Erregungselemente an den vier Ecken einer Raute angeordnet, deren seitliche Abmessungen streng kleiner als 2R sind.
Jedes dieser Erregungselemente ist in der Lage, eine elektromagnetische Welle bei einer Arbeitsfrequenz f_Ti zu senden oder zu empfangen, die von der der anderen Erregungselemente verschieden ist. Im vorliegenden Fall ist die Frequenz f_Ti jedes Erregungselements nahe f_m0, so dass die Resonanzmode TM₀ des Hohlraums 36 erregt wird. Diese Erregungselemente 40 bis 43 sind mit einem herkömmlichen Generator/Empfänger 45 für elektrische Signale verbunden, die dazu bestimmt sind, durch jedes Erregungselement in eine e lektromagnetische Welle umgewandelt zu werden und umgekehrt.
Diese Erregungselemente bestehen beispielsweise aus einem strahlenden Dipol, einem strahlenden Spalt, einer Plattensonde oder einem strahlenden Patch. Die seitliche Abmessung jedes strahlenden Elements, d.h. in einer zur Außenfläche 38 parallelen Ebene ist streng kleiner als die Fläche des strahlenden Flecks, den es erzeugt.
6 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Antenne 4. 6 zeigt ein System 60 zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen, das dafür geeignet ist, einen geostationären Satelliten zu bestücken. Dieses System 60 umfasst eine Parabel 62, die einen Reflektor für elektromagnetische Strahlen bildet, und die Antenne 4, die im Brennpunkt dieser Parabel 62 angeordnet ist. Die von der Außenfläche 38 der Antenne 4 gesendeten oder empfangenen Bündel von elektromagnetischen Wellen sind in dieser Figur mit Strichen 64 dargestellt.
Die Arbeitsweise der Antenne von 3 wird nun in dem besonderen Fall des Systems von 6 beschrieben.
Bei Sendung sendet das durch den Generator/Empfänger 45 aktivierte Erregungselement 40 eine elektromagnetische Welle mit einer Arbeitsfrequenz f_T0 und erregt die Resonanzmode TM₀ des Hohlraums 36. Die anderen strahlenden Elemente 41 bis 43 werden beispielsweise gleichzeitig durch den Generator/Empfänger 45 aktiviert und machen dasselbe bei den Arbeitsfrequenzen f_T1, f_T2 und f_T3.
Es wurde entdeckt, dass bei der Resonanzmode TM₀ der strahlende Fleck und das entsprechende Strahlungsdiagramm unab hängig von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums 36 sind. Die Resonanzmode TM₀ ist nämlich nur von der Dicke und der Beschaffenheit der Werkstoffe jeder der Lamellen 30 bis 36 abhängig und bildet sich unabhängig von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums 36, wenn diese mehrere Male größer als der oben definierte Radius R sind. Auf diese Weise können mehrere Resonanzmoden TM₀ gleichzeitig nebeneinander auftreten und damit gleichzeitig mehrere nebeneinander angeordnete strahlende Flecken erzeugen. Das geschieht, wenn die Erregungselemente 40 bis 43 jeweils an verschiedenen Stellen des Raums dieselbe Resonanzmode erregen. Infolgedessen äußert sich die Erregung der Resonanzmode TM₀ durch das Erregungselement 40 in dem Auftreten eines im Wesentlichen kreisförmigen strahlenden Flecks 36, dessen geometrischer Mittelpunkt in der Vertikalen des geometrischen Mittelpunkts des Elements 40 angeordnet ist. Auf ähnliche Weise äußert sich die Erregung der Resonanzmode TM₀ durch die Elemente 41 bis 43 in dem Auftreten von strahlenden Flecken 47 bis 49 jeweils in der Vertikalen des geometrischen Mittelpunkts jedes dieser Elemente. Da der geometrische Mittelpunkt des Elements 40 sich in einem Abstand von dem geometrischen Mittelpunkt der Elemente 41 und 43 befindet, der streng kleiner als der Radius 2R ist, überlappt der strahlende Fleck 46 zum Teil die jeweils den strahlenden Elementen 41 und 43 entsprechenden strahlenden Flecken 47 und 49. Aus denselben Gründen überlappt der strahlende Fleck 49 zum Teil die strahlenden Flecken 46 und 48, der strahlende Fleck 48 überlappt zum Teil die strahlenden Flecken 49 und 47 und der strahlende Fleck 47 überlappt zum Teil die strahlenden Flecken 46 und 48.
Jeder strahlende Fleck entspricht der Grundfläche oder dem Querschnitt am Ursprung eines auf die Parabel 62 zu abgestrahlten und durch diese Parabel 62 zur Erdoberfläche re flektierten Bündels von elektromagnetischen Wellen. Auf diese Weise sind die jedem der gesendeten Bündel entsprechenden Bedeckungszonen auf der Erdoberfläche auf ähnliche Weise wie bei den bekannten Mehrfachstrahlantennen mit sich überlappenden strahlenden Flecken einander nahe oder überlappen sich sogar, so dass die Empfangslöcher beseitigt oder reduziert werden.
Bei Empfang entspricht jeder strahlende Fleck der Außenfläche 38 auf ähnliche Weise, wie bei der Sendung beschrieben wurde, einer Bedeckungszone auf der Erdoberfläche. Wenn also beispielsweise eine elektromagnetische Welle ausgehend von der dem strahlenden Fleck 36 entsprechenden Bedeckungszone gesendet wird, wird diese in der dem Fleck 46 entsprechenden Fläche nach Reflexion durch die Parabel 62 empfangen. Wenn die empfangene Welle auf einer Frequenz ist, die in dem schmalen Durchlassband E liegt, wird sie von dem photonischen Bandlückenmaterial 20 nicht absorbiert und wird von dem Erregungselement 40 empfangen. Jede von dem Erregungselement empfangene elektromagnetische Welle wird in Form eines elektrischen Signals zum Generator/Empfänger 45 übertragen.
7 zeigt eine Antenne 70, die aus einem photonischen Bandlückenmaterial 72 und einem Reflektor 74 für elektromagnetische Wellen gebildet ist, und 8 zeigt die Änderung des Übertragungskoeffizienten dieser Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz.
Das photonische Bandlückenmaterial 72 ist beispielsweise mit dem photonischen Bandlückenmaterial 20 identisch und besitzt dieselbe Bandlücke B (8). Die dieses photonische Bandlückenmaterial bildenden Lamellen, die bereits un ter Bezugnahme auf die 3 beschrieben wurden, tragen dieselben Bezugszahlen.
Der Reflektor 74 ist beispielsweise aus der Reflektorebene 22 gebildet, die so verformt ist, dass der Hohlraum 36 in zwei Resonanzhohlräume 76 und 78 mit verschiedenen Höhen geteilt wird. Die konstante Höhe H₁ des Hohlraums 76 ist so definiert, dass im Inneren der Bandlücke B ein schmales Durchlassband E₁ (8) beispielsweise um die Frequenz von 10 GHz herum angeordnet wird. Auf ähnliche Weise ist die Höhe H₂ des Resonanzhohlraums 78 so definiert, dass im Inneren derselben Bandlücke B ein schmales Durchlassband E₂ (8) angeordnet wird, das beispielsweise um 14 GHz zentriert ist. Der Reflektor 74 setzt sich in diesem Fall aus zwei stufenweise angeordneten Reflektorhalbebenen 80 und 82 zusammen, die miteinander elektrisch verbunden sind. Die Reflektorhalbebene 80 ist zu der Lamelle 32 parallel und von dieser um die Höhe H₁ beabstandet. Die Halbebene 82 ist zur Lamelle 32 parallel und von dieser um die konstante Höhe H₂ beabstandet.
Schließlich ist ein Erregungselement 84 in dem Hohlraum 76 und ist ein Erregungselement 86 in dem Hohlraum 78 angeordnet. Diese Erregungselemente 84, 86 sind beispielsweise mit den Erregungselementen 40 bis 43 identisch, und zwar mit der Ausnahme, dass das Erregungselement 84 in der Lage ist, die Resonanzmode TM₀ des Hohlraums 76 zu erregen, während das Erregungselement 36 in der Lage ist, die Resonanzmode TM₀ des Hohlraums 78 zu erregen.
Bei dieser Ausführungsform ist der horizontale, d.h. zur Lamelle 32 parallele Abstand zwischen dem geometrischen Mittelpunkt der Erregungselemente 84 und 86 streng kleiner als die Summe der Radien von zwei durch die Elemente 84 und 86 erzeugten strahlenden Flecken.
Die Arbeitsweise dieser Antenne 70 ist identisch mit der der Antenne von 3. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die Arbeitsfrequenzen der Erregungselemente 84 und 86 in schmalen Durchlassbändern E₁, E₂ gelegen. Auf diese Weise sind die Arbeitsfrequenzen jeder dieser Erregungselementen im Gegensatz zur Antenne 4 von 3 voneinander durch ein großes Frequenzintervall von im vorliegenden Fall beispielsweise 4 GHz getrennt. Bei dieser Ausführungsform sind die Lagen der Durchlassbänder E₁, E₂ so gewählt, dass festgesetzte Arbeitsfrequenzen verwendet werden können.
9 zeigt eine Mehrfachstrahlantenne 100. Diese Antenne 100 ist der Antenne 4 ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, dass das photonische Ein-Fehler-Bandlückenmaterial 20 der strahlenden Vorrichtung 4 durch ein photonisches Mehrfehler-Bandlückenmaterial 102 ersetzt ist. In 7 tragen die bereits unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Elemente dieselben Bezugszahlen.
Die Antenne 100 ist in einem Schnitt in einer zur Reflektorebene 22 senkrechten Schnittebene dargestellt, die durch die Erregungselemente 41 und 43 verläuft.
Das photonische Bandlückenmaterial 102 umfasst zwei aufeinanderfolgende Gruppen 104 und 106 von Lamellen, die aus einem ersten dielektrischen Werkstoff hergestellt sind. Die Gruppen 104 und 106 sind in der zur Reflektorebene 22 senkrechten Richtung übereinander angeordnet. Jede Gruppe 104, 106 ist als nicht begrenzendes Beispiel jeweils von zwei Lamellen 110, 112 und 114, 116 gebildet, die zu der Reflektorebene 22 parallel sind. Jede Lamelle einer Gruppe hat dieselbe Dicke wie die anderen Lamellen derselben Gruppe. Im Fall der Gruppe 106 hat jede Lamelle eine Dicke e₂ = λ/2, worin λ die Wellenlänge der Mittelfrequenz des durch die Fehler des photonischen Bandlückenmaterials erzeugten schmalen Bandes bezeichnet.
Jede Lamelle der Gruppe 104 hat eine Dicke e₁ = λ/4.
Die Berechnung dieser Dicken e₁ und e₂ ergibt sich aus der Lehre des französischen Patents 99 14521 (2 801 428).
Zwischen jede Lamelle des photonischen Bandlückenmaterials 102 mit Fehler ist eine Lamelle aus einem zweiten dielektrischen Werkstoff, wie Luft, eingesetzt. Die Dicke dieser die Lamellen 110, 112, 114 und 116 trennenden Lamellen ist gleich λ/4.
Die erste Lamelle 116 ist gegenüber der Reflektorebene 22 angeordnet und von dieser Ebene durch eine Lamelle aus dem zweiten dielektrischen Werkstoff mit der Dicke λ/2 getrennt, so dass ein parallelepipedförmiger Resonanzhohlraum mit Austritten gebildet wird. Die aufeinanderfolgende Dicke e_i der Lamellen aus dielektrischem Werkstoff jeder Gruppe von Lamellen aus dielektrischem Werkstoff befindet sich in einer geometrischen Folge mit dem Verhältnis q in der Richtung der aufeinanderfolgenden Gruppen 104, 106.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Anzahl von übereinander angeordneten Gruppen beispielsweise gleich 2, um die Zeichnung nicht zu überladen, und das Verhältnis der geometrischen Folge ist gleich 2. Diese Werte sind jedoch nicht begrenzend.
Diese Übereinanderstapelung von Gruppen aus photonischem Bandlückenmaterial mit verschiedenen Merkmalen der magnetischen Permeabilität, der dielektrischen Permittivität und der Dicke e_i erhöht die Breite des im Inneren derselben Bandlücke des photonischen Bandlückenmaterials erzeugten schmalen Durchlassbandes. Auf diese Weise werden die Arbeitsfrequenzen der strahlenden Elemente 40 bis 43 mit viel größeren gegenseitigen Abständen als bei der Ausführungsform von 3 gewählt.
Die Arbeitsweise dieser strahlenden Vorrichtung 100 ergibt sich direkt aus der der Antenne 4.
Gemäß einer Abwandlung ist die Parabel 62 durch eine elektromagnetische Linse ersetzt.
Die bisher beschriebenen strahlenden Vorrichtungen sind ausgehend von ebenen Strukturen hergestellt. Gemäß einer Abwandlung ist die Fläche dieser verschiedenen Elemente jedoch an die Form der Parabel oder der Vorrichtung angepasst, die die Bündel von elektromagnetischen Wellen fokussieren kann. 10 zeigt beispielsweise eine Antenne 200, die mit einer Vorrichtung 202 ausgerüstet ist, die in der Lage ist, die Bündel von elektromagnetischen Wellen auf einer Antenne 204 zu fokussieren. Die Vorrichtung 202 ist beispielsweise ein metallischer Reflektor von halbzylindrischer Form. Die Antenne 204 ist im Brennpunkt dieser Vorrichtung 202 angeordnet. Die Antenne 204 ist der Antenne von 3 ähnlich, jedoch mit der Ausnahme, dass die Reflektorebene und die Lamellen des photonischen Fehler-Bandlückenmaterials jeweils eine konvexe Fläche aufweisen, die der konkaven Fläche des Halbzylinders entspricht.
Gemäß einer Abwandlung ist die von jedem Erregungselement gesendete oder empfangene Strahlung in einer Richtung polarisiert, die von derjenigen abweicht, die von den benachbarten Erregungselementen verwendet wird. Vorteilhafterweise ist die Polarisierung jedes Erregungselements rechtwinklig zu der, die von den benachbarten Erregungselementen verwendet wird. Auf diese Weise werden die Interferenzen und die Kopplungen zwischen benachbarten Erregungselementen begrenzt.
Gemäß einer Abwandlung ist ein und dasselbe Erregungselement dafür ausgelegt, nacheinander oder gleichzeitig mit mehreren verschiedenen Arbeitsfrequenzen zu arbeiten. Ein solches Element gestattet die Erzeugung einer Bedeckungszone, in der beispielsweise die Sendung und der Empfang mit verschiedenen Wellenlängen stattfinden. Ein solches Erregungselement ist auch in der Lage, Frequenzumschaltung vorzunehmen.

Claims

System zum Senden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen, umfassend: – eine Vorrichtung (62), die dafür geeignet ist, die von dem System gesendeten und/oder empfangenen elektromagnetischen Wellen auf einen Brennpunkt zu fokussieren, und – einen Sender und/oder Empfänger von elektromagnetischen Wellen, der im Wesentlichen im Brennpunkt so angeordnet ist, dass er die elektromagnetischen Wellen sendet und/oder empfängt, dadurch gekennzeichnet, – dass es eine Mehrfachstrahlantenne (4) umfasst, deren strahlende Außenfläche im Wesentlichen auf dem Brennpunkt angeordnet ist, so dass sie den Sender und/oder Empfänger von elektromagnetischen Wellen bildet, – dass die Antenne umfasst: – ein photonisches Bandlückenmaterial (20, 42, 172), das dafür geeignet ist, elektromagnetische Wellen räumlich und hinsichtlich Frequenz zu filtern, wobei dieses photonische Bandlückenmaterial mindestens eine Bandlücke aufweist und eine unter Sendung und/oder Empfang strahlende Außenfläche (38, 158) bildet, – mindestens einen Periodizitätsfehler (36, 76, 78, 156, 180) des photonischen Bandlückenmaterials, so dass innerhalb der mindestens einen Bandlücke des photonischen Bandlückenmaterials mindestens ein schmales Durchlassband geschaffen wird, und – eine Erregungsvorrichtung (40 bis 43, 84, 86, 160, 162, 190), die dafür geeignet ist, elektromagnetische Wellen in nerhalb dieses mindestens einen, durch den mindestens einen Fehler geschaffenen schmalen Durchlassbands zu senden und/oder zu empfangen, wobei diese Erregungsvorrichtung dafür geeignet ist, gleichzeitig mindestens um eine erste und eine zweite Arbeitsfrequenz herum, die verschieden sind, zu arbeiten, – dass die Erregungsvorrichtung ein erstes und ein zweites Erregungselement (40 bis 43, 84, 86) umfasst, die verschieden und voneinander unabhängig sind und jeweils dafür geeignet sind, elektromagnetische Wellen zu senden und/oder zu empfangen, wobei das erste Erregungselement dafür geeignet ist, bei der ersten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, und das zweite Erregungselement dafür geeignet ist, bei der zweiten Arbeitsfrequenz zu arbeiten, – dass der oder jeder Periodizitätsfehler (36, 76, 78) des photonischen Bandlückenmaterials einen Resonanzhohlraum (36, 76, 78) mit Austritten bildet, der eine konstante Höhe in einer zu der strahlenden Außenfläche (38) senkrechten Richtung und bestimmte zu der strahlenden Außenfläche parallele seitliche Abmessungen aufweist, – dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz dafür geeignet sind, die gleiche Resonanzmode eines Resonanzhohlraums (36, 76, 78) mit Austritten zu erregen, wobei diese Resonanzmode unabhängig von den seitlichen Abmessungen des Hohlraums auf identische Weise auftritt, so dass auf dieser Außenfläche ein erster bzw. ein zweiter strahlender Fleck (46 bis 49) erzeugt wird, deren jeder den Ursprung eines Bündels von elektromagnetischen Wellen darstellt, die unter Sendung und/oder Empfang durch die Antenne ausgestrahlt werden, – dass jeder der strahlenden Flecken (46 bis 49) einen geometrischen Mittelpunkt besitzt, dessen Stellung eine Funktion von der Stellung des Erregungselements ist, das ihn erzeugt und dessen Fläche größer als die des ihn erzeugenden strahlenden Elements ist, und – dass das erste und das zweite Erregungselement (40 bis 43, 84, 86) zueinander so angeordnet sind, dass der erste und der zweite strahlende Fleck (46 bis 49) auf der Außenfläche (38) des photonischen Bandlückenmaterials nebeneinander angeordnet sind und sich partiell überdecken.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, ein Parabolreflektor (62) ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, eine elektromagnetische Linse ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass jeder strahlende Fleck (46 bis 49) im Wesentlichen kreisförmig ist, wobei der geometrische Mittelpunkt einem gesendeten und/oder empfangenen Leistungsmaximum entspricht und der Umfang einem gesendeten und/oder empfangenen Leistungsmaximum entspricht, das gleich einem Bruchteil der in seinem Mittelpunkt gesendeten und/oder empfangenen Leistung ist, und – der Abstand zwischen den geometrischen Mittelpunkten der beiden Erregungselementen (40 bis 43, 84, 86) in einer zur Außenfläche parallelen Ebene deutlich kleiner als der Radius des von dem ersten Erregungselement erzeugten strahlenden Flecks plus dem Radius des von dem zweiten Erregungselement erzeugten strahlenden Flecks ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Mittelpunkt jedes strahlenden Flecks (46 bis 49) auf der Linie angeordnet ist, die zu dieser strahlenden Außenfläche (38) senkrecht ist und durch den geometrischen Mittelpunkt des ihn erzeugenden Erregungselements (40 bis 43) verläuft.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregungselement (40 bis 43) im Inneren ein und desselben Hohlraums (36) angeordnet sind.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz innerhalb desselben, von demselben Hohlraum (36) erzeugten schmalen Durchlassbands gelegen sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Erregungselement (84, 86) jeweils im Inneren von verschiedenen Resonanzhohlräumen (76, 78) angeordnet sind und dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz dafür geeignet sind, jeweils eine Resonanzmode zu erregen, die von den seitlichen Abmessungen ihres jeweiligen Resonanzhohlraums unabhängig ist.
Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dem photonischen Bandlückenmaterial (72) zugeordnete Reflektorebene (74) zur elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei diese Reflektorebene so verformt ist, dass die verschiedenen Hohlräume gebildet werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Hohlraum parallelepipedförmig ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, einen Reflektor (202) in Form eines Halbzylinders umfasst und dass das photonische Bandlückenmaterial der Antenne (204) eine konvexe Fläche aufweist, die der halbzylinderförmigen Fläche des Reflektors (202) entspricht.