寬頻帶或多頻帶天線的製作方法
2023-05-14 06:50:01 2
專利名稱：寬頻帶或多頻帶天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用被稱為PFB材料的光子禁帶材料製成的用於微波的寬頻帶或多頻帶天線。
背景技術：
已經提出採用PFB材料來實現微波天線。
參照涉及現有技術的圖1a，那種天線主要包括一反射器平面、設置在反射器平面附近的饋點或發送/接收輻射元以及至少兩種層疊在反射器平面和發送/接收饋點上的介電材料的組件。所使用的介電材料其介電常數或磁導率不同，並且這樣形成的組件構成了PFB材料。
參照圖1b，回想起PFB材料是這樣一種材料，即，該材料具有過濾(吸收)特定頻率範圍，即防止在上述頻率範圍中的任何傳送的特性。在這些條件下，該材料被稱為光子禁帶(PFB)材料。
如圖1b所示，PFB材料通常通過周期性布置介電常數和/或磁導率不同的介質而構成。
通過在這種幾何的和/或無線電周期性中引入中斷(這種中斷也被稱為「缺陷」，並且可以通過去掉「重要」元件來獲得)，可以形成一種吸收缺陷，由此在PFB材料的禁帶中產生通帶。在這些條件下，PFB材料被稱為一種有缺陷PFB材料。
關於這種天線的更詳細的說明，可以參看於2001年5月25日以公開號No.2801428公開的法國專利申請99/14521。
這種天線是令人滿意的。
然而，特別是因為其結構，用這種天線能夠實現的通帶相對較窄並且對於6dB的衰減而言不會超過中心頻率的4％至5％。
發明內容
本發明的一個目的在於克服現有技術的有缺陷PFB材料天線的上述缺點和限制。
具體地說，本發明的一個目的在於實現一種其通帶得到明顯提高或被細分成多個通帶的有缺陷PFB材料型寬頻帶天線。
本發明的另一個目的還在於在沒有添加任何分散或吸收元件的情況下通過破壞規律性或通過使實現更加複雜來完成一種結構簡單的寬頻帶天線。
本發明的寬頻帶天線其特徵在於，它包括構成反射器的至少一個平面和設置在所述構成反射器的平面附近的至少一個發送/接收饋點。另外，通過與反射器構成平面和饋點基本上重疊地設置的有缺陷PFB材料元件來形成一組件。形成該組件的每個有缺陷PFB材料元件基本上為平面並且與構成反射器的平面平行，而且沿著與所述元件的反射器構成平面垂直的方向的介電常數、磁導率和/或厚度這些特性中的至少一個在一個有缺陷PFB材料元件中明顯不同於另一個有缺陷PFB材料元件，從而由反射器構成平面和有缺陷PFB材料元件的組件形成的單元形成了一個洩漏的諧振腔。
本發明的寬頻帶天線具體應用在製作適用於移動無線電話以及在光譜的可見或不可見部分中的光通信領域中的微波天線。
通過閱讀說明書同時結合以下附圖將更好地理解本發明的寬頻帶或多頻帶天線的結構和操作方法，在這些附圖中，圖1a和1b涉及
圖1a為現有技術中的寬頻帶或多頻帶天線的透視圖；圖1b為現有技術中的寬頻帶或多頻帶天線的剖視圖；圖2a為根據本發明的寬頻帶或多頻帶天線的說明性透視圖；圖2b為圖2a中所示本發明的寬頻帶或多頻帶天線在剖面P上的剖視圖；
圖3a為在與圖2a中所示一樣的相同剖面P上的說明性剖視圖，並且顯示出與圖2a或2b中所示天線等同的天線；圖3b一曲線圖，用來在作為頻率的函數的傳輸係數上對在上述法國專利申請No.2801428中所示的現有技術天線(曲線A)和如圖2a、2b或3a中所示的構成本發明主題的天線(曲線B)進行比較；圖4為一曲線圖，顯示出在圖2a、2b和3a中所示本發明實施方案中構成本發明的寬頻帶或多頻帶天線的洩漏諧振腔中所產生的波形；圖5示出了根據本發明的天線實現的天線陣列。
具體實施例方式
下面將參照圖2a和2b以及以下附圖對本發明的寬頻帶或多頻帶天線進行更詳細的說明。
參照圖2a，本發明的寬頻帶天線包括至少一個由R表示的反射器構成平面，所述平面可以由例如金屬片材構成。
另外，在反射器平面R的附近設有至少一個由ER表示的發送/接收輻射元。作為非限定性實施例，輻射元ER例如可以由輻射偶極子、輻射槽或者輻射片或探針構成。在圖2a所示的實施方案中，只顯示出一個輻射元ER，但是應該理解的是，本發明的寬頻帶天線可以具有多個輻射元ER(在該圖中未示出)。
另外，並且如圖2a所示那樣，本發明的寬頻帶或多頻帶天線包括層疊地設置在構成反射器R的平面和輻射元ER的平面上的有缺陷PFB材料元件的組件。術語「有缺陷PFB材料元件的組件」用來指代由例如用LD表示的介電材料片材或結構構成的多個元件，所述元件形成組或圖案，沿著與反射器的平面垂直的方向堆疊並且通過一些其它介電材料例如空氣、氧化鋁等片層彼此分開。
每個介電材料片材LD基本上為平面，並且每個有缺陷PFB材料元件與構成反射器R的平面平行。另外，根據本發明的寬頻帶天線的一個特別有利的特徵，沿著與構成反射器R並且由e表示的平面垂直的方向的磁導率、介電常數和/或厚度這些特性中的至少一個在一個有缺陷PFB材料元件中基本上不同於另一個有缺陷PFB材料元件。
在這些條件下，由反射器構成平面R和有缺陷PFB材料元件的組件形成的單元在下面說明書中所述的條件下形成洩漏的諧振腔。
具體地說，參照圖2a和圖2b，每個介電材料片材LD在下面說明書中所述的條件下所具有的介電常數、磁導率或厚度e的數值從一個有缺陷PFB材料元件到另一個是不同的。
圖2b為穿過圖2a中所示本發明的寬頻帶天線的在圖2a中的剖面P上的剖視圖。
在這些條件下，λ′g表示在傳播媒介由例如介電材料的材料構成時每塊片材LD的載波無線電通信信號的波長，並且λg表示由在這些片材LD和有缺陷PFB材料元件之間的間隙導向的無線電信號的波長，即在非限定性實施方案中由圖2a和圖2b中所示的片材LD之間的空氣層或氧化鋁片層引導的無線電信號的波長。
在這些條件下，符號λg還表示在反射器形成平面R和被設置成面對著所述反射器平面的介電材料的第一片材LD之間傳播的載波無線電通信信號的波長。
具體地說，在圖2b中顯示出用於識別構成本發明的寬頻帶天線的元件組的標準正交參考系。
在這些情況下，並且通過限定，使反射器平面R沿著方向Oz處於位置0處，並且這些片材LD沿著上述方向順序疊置，而且所述剖面P平行於平面Ox、Oz。方向Oy垂直於上述平面Ox、Oz。
下面將參照圖2 b在一種特別簡單且簡化的情況中對本發明的寬頻帶天線的一個特定的且非限定性的實施方案進行說明，其中有缺陷PFB材料元件的組件和材料片材LD例如由相同的介電材料片材構成，從而在這些情況下它們具有從一個介電材料片材到另一個片材以及從一個有缺陷PFB材料元件到另一個有缺陷PFB材料元件基本上相同的介電常數和磁導率特性。
在這些情況下，並且參照圖2b，每個介電材料片材LD最好具有這樣的厚度，即，構成了位於所述介電材料片材和反射器構成平面R之間的距離的離散數值中的非遞減函數。
如圖2b所示，形成該組件的每個介電材料片材與相鄰的介質片材間隔開與λg/4相同的共同距離，其中λg表示與分隔每個介電材料片材LD的材料相關聯的導向波長。例如，在圖2a的實施方案中，λg表示與在介電材料片材LD之間的空氣或氧化鋁相關聯的導向波長。
同樣並且如圖2 b中詳細所示的一樣，面對著反射器構成平面R並且與所述平面相鄰的第一塊介電材料片材LD設置在與所述平面R相距λg/2的距離處，其中λg同樣表示與在第一個介電材料片材LD和反射器構成平面R之間的材料相關聯的導向波長。按照如上的相同方式，λg因此表示在與圖2a或2b相對應的非限定性實施方案中當信號在空氣或氧化鋁中傳播時該無線電信號的導向波長。
另外，從圖2b中可以清楚地看出，為了構成上述的洩漏諧振腔，多個連續的介電材料片材LD具有相同的厚度，該厚度基本上等於與介電材料相關聯的導向波長的幾分之一，以便構成一組連續的介電材料片材。可以由此看出，諧振腔由多個連續的介電材料片材組構成，每組由有缺陷PFB材料元件構成，各個組通過其有缺陷區域相互聯接以構成所得到的洩漏諧振腔。
因此，在圖2b中，具體地說，λ′g表示在每個介電材料片材LD中傳播的載波無線電通信信號的波長。
另外，尤其在圖2b中可以看出，分別由標號G1和G2表示並且沿著與構成反射器R的平面垂直的方向即沿著方向Oz疊置的兩個連續的介電材料片材組由介電材料片材構成，即，這些介電材料片材的厚度作為每個上述組的疊加秩的函數地增加。
因此，在圖2b還有圖2a中，片材的每一組G1和G2以非限定性實施例的方式顯示出，並且分別由具有相同厚度e1和e2的兩個平行片材構成。
對於介電材料片材組G1，該組由具有相同厚度e1＝λ′g/4的片材構成，而對於介電材料片材組G2，構成組G2的每個片材由厚度為e2＝λ′g/2的相同介電材料片材構成。
最後，在優選實施方案中，構成每個介電材料片材組Gi的介電材料片材LD的厚度ei沿連續的組Gi重疊的方向成比率為q的幾何級數。
在圖2b的非限定性實施方案中，重疊組的個數等於2以便避免使該圖過於擁擠，並且將幾何級數的比率也取作2。這些數值不具有限定性。
另外並且以非限定性的方式，有缺陷PFB材料元件的組件可以由一種周期性重複的結構形成，該結構其材料片材的磁導率、介電常數和厚度這些特性沿著一個、兩個或三個方向、垂直方向以及與構成反射器的平面平行的一個或兩個方向變化，如在下面的說明中所述的那樣。
因此，要理解的是，組Gi的重疊構成了一種其磁導率、介電常數和厚度ei這些特徵不同的重複圖案，並且所述重複可以是周期性的。
下面將參照圖3a對其結構與圖2a和2b中所示的結構不同並且滿足根據本發明的寬頻帶或多頻帶天線的準則的天線進行更詳細的說明，然而該結構在無線電方面具有操作的等同模式。
在圖3a中所示本發明的寬頻帶或多頻帶天線的結構從準備觀察開始實現，由此因為在金屬反射器表面附近的電場的金屬反射原理，在反射器構成平面R附近的電場幅度基本上為零。
因此，如圖3a所示，通過刪除反射器構成平面R並且用是對稱的另一個有缺陷PFB材料元件的組件來將其代替，可獲得本發明的寬頻帶或多頻帶天線結構，因為上述的對稱性，構成有缺陷PFB材料元件的對稱的另一個組件的介電材料片材在圖3a中由LDs表示。該對稱性自然延及輻射元ER或成組的發送/接收輻射元ER並且延及佔據著所刪除的反射器構成平面R的位置的中間平面。
為此，並且因為圍繞著上述位置的對稱性，與圖2b類似，根據情況，介電材料片材LDs的另一組件的組由G1s或G2s表示。
圖3b為以dB表示的傳輸係數的曲線圖，該傳輸係數是頻率的函數，該圖用來對圖2a、2b或3b中所示本發明的寬頻帶天線(曲線B)和在上述法國專利申請No.2801428中所述的現有技術天線(曲線A)進行比較。
通過將上述曲線進行比較可以看出，當應用本發明的天線結構時，通帶具有較大的增加。
因此，在以非限定性實施例進行說明並且其它方面保持相同的情況下，對於針對14兆赫茲(GHz)的中心頻率為6dB的衰減，可以看出，在應用本發明的寬頻帶天線結構時，通帶在相同頻率下並且對於6dB的衰減而言為當應用普通類型的天線結構時的相應帶寬的至少兩倍。
最後，圖4顯示出在應用本發明的例如圖3a所示寬頻帶天線時所獲得的波形，上述波由在構成上述結構的介電材料片材之間的各個區域中的電場幅值 還有所述電場的實部數值 表示。
當然要理解的是，因為電場幅值在z＝0處基本上為零的條件，與採用如圖2a或2b所示本發明的寬頻帶或多頻帶天線相對應的波形僅對應於圖4的上部，其中尺寸z大於0。
因此可以看出，本發明的寬頻帶或多頻帶天線結構從幾何觀點看是對稱的，但是從關於尺寸z＝0的電場分布的觀點看是不對稱的。
通常，根據如在當前說明書中所述的本發明的寬頻帶或多頻帶天線結構並不局限於例如參照圖2a、2b和3a所述的實施方案。然而這些結構顯示出沿著例如在圖2b或3b中所示方向Oz的圖案重複的單個方向，但是當然可以沿著在例如圖2b、3a或4中所示的坐標系的方向Oy和Ox中的兩個方向或者甚至沿著三個方向發生重複。
最後，在介電材料片材LD之間的空氣層可以由一些其它類型的介電片材代替，或者合適的話，它們可以由具有同樣沿在圖2a、2b、3a或4中所示的方向x或y以及沿著方向z重複的圖案的材料片材代替。
同樣，構成疊置圖案或組的有缺陷PFB材料元件可以包括由例如金屬或磁性材料製成的片材或元件。
這是為什麼在上述附圖中標準正交參考系被寫為Oxyz、Ozxy、Oyzx以便考慮沿著一個、兩個或三個方向形成的重複圖案的原因。
對於沿著一個、兩個或三個方向實現重複圖案或者在相對於反射器平面具有單向、雙向或三向周期性的結構的組合中，可以參考上述法國專利申請No.2801428，並且尤其分別參照其圖3、4和5。對於每個上述相應的結構引入缺陷包括從中心區域分別去除一片層、一排或兩排。
另外，為了製作本發明的多頻帶天線，將有缺陷PFB材料元件的組件構造成具有組Gi的重複性結構，其中介電常數、磁導率和/或厚度這些特性基本上不連續。引入這種不連續性可通過在有缺陷PFB材料元件的缺陷區之間的相互聯接產生多個不相交的通帶。
最後，本發明的天線結構使得能夠實現一天線陣列。如圖5所示，所得到的天線陣列包括如上所述的本發明天線，其中多個發送/接收元件ERj，k周期性地分布在反射器平面R附近。輻射元ERj，k可以相同。陣列的尺寸和輻射元沿著其兩個分布方向的個數J，K被選擇為該陣列的應用或使用的函數。這種陣列應用在點對點和點對多點的通信系統中。
上面對新穎的寬頻帶或多頻帶天線結構進行了說明，如上所述該天線結構具有在通帶方面尤為有利的特性，同時保留了現有技術天線結構的輻射特性和緊湊性特性。
具體地說，本發明的寬頻帶或多頻帶天線結構形成了一洩漏空腔，其操作頻率主要由有缺陷PFB材料元件的布置的疊置尺寸來確定。所獲得的結果已經表明與上述現有技術設備相比其通帶加倍。
本發明的寬頻帶或多頻帶天線結構使其能夠在採用PFB材料來製造輻射設備上消除其中一個限制。
權利要求
1.一種寬頻帶或多頻帶天線，它包括一反射器構成平面以及位於所述反射器構成平面附近的至少一個發送/接收輻射元，所述天線其特徵在於，它還包括由有缺陷PFB材料元件構成的一組件，它基本上重疊地設置在所述反射器構成平面和所述輻射元上，每個基本上為平面的有缺陷PFB材料元件平行於所述反射器構成平面，並且沿著與該元件的所述反射器構成平面垂直的方向的磁導率、介電常數和/或厚度這些特性中的至少一個從一個有缺陷PFB材料元件到另一個有缺陷PFB材料元件彼此明顯不同，由反射器構成平面形成的組件和由有缺陷PFB材料元件構成的組件形成一洩漏的諧振腔。
2.如權利要求1所述的天線，其特徵在於，所述組件由有缺陷PFB材料元件構成，每個元件具有這樣一種結構，即，沿著與所述反射器構成平面垂直的方向在其磁導率、介電常數和厚度這些特性方面是周期性的。
3.如權利要求1或2所述的天線，其特徵在於，所述組件由有缺陷PFB材料元件構成，每個元件具有這樣一種結構，即，沿著至少兩個方向即與所述反射器構成平面垂直的方向和與所述反射器構成平面平行的方向在其磁導率、介電常數和厚度這些特性方面是周期性的。
4.如權利要求1至3中任一項所述的天線，其特徵在於，所述組件由有缺陷PFB材料元件構成，每個元件具有這樣一種結構，即，沿著三個方向即與所述反射器構成平面垂直的一個方向和與所述反射器構成平面平行的其它兩個方向在其磁導率、介電常數和厚度這些特性方面是周期性的。
5.如權利要求2至4中任一項所述的天線，其特徵在於，它包括由有缺陷PFB材料元件構成的組件，這些元件被布置成相對於所述反射器平面具有單向、雙向或三向周期性的結構的組合形式。
6.如權利要求1至5中任一項所述的天線，其特徵在於，每個有缺陷PFB材料元件由相同材料的片材構成，這些材料片材其介電常數和磁導率特性基本上相同，並且每個相同材料片材具有這樣一個厚度，即是在所述片材距離所述反射器構成平面的距離的離散數值中的非遞減函數。
7.如權利要求1至6中任一項所述的天線，其特徵在於，形成所述有缺陷PFB材料元件的每個相同材料片材沿著與所述反射器平面垂直的方向與相鄰片材間隔開基本上等於λg/4的共同距離，其中λg表示與分開所述相同材料片材的材料相關聯的導向波長。
8.如權利要求1至7中任一項所述的天線，其特徵在於，位於所述反射器構成平面附近的形成有缺陷PFB材料元件的第一片材設置在離所述平面的距離基本上等於λg/2的位置處，其中λg表示與使所述第一片材與所述反射器形成平面分開的材料相關聯的導向波長。
9.如權利要求1至8中任一項所述的天線，其特徵在於，多個連續的相同材料片材沿著與所述反射器平面垂直的方向具有相同的厚度，該厚度基本上等於與所述材料相關聯的導向波長的幾分之一，以便構成一組形成一有缺陷PFB材料元件的連續的相同材料片材，沿著與所述反射器構成平面垂直的方向疊置的兩個連續的介電材料片材組由具有作為所述組的疊加秩的函數增加的厚度的介電材料片材構成。
10.如權利要求9所述的天線，其特徵在於，構成每組相同材料片材的相同材料片材的厚度沿著所述組的疊置方向成比率為q的幾何級數。
11.如權利要求1至10中任一項所述的天線，其特徵在於，所述反射器構成平面被去除並且由另一個由有缺陷PFB材料元件的組件代替，該另一組件關於所述至少一個發送/接收輻射元與由有缺陷PFB材料元件構成的所述組件和佔據著所述被去除反射器構成平面的位置的媒介平面對稱。
12.如權利要求3至11中任一項所述的天線，其特徵在於，所述有缺陷PFB材料元件包括金屬部分。
13.如權利要求1至12中任一項所述的天線，其特徵在於，所述有缺陷PFB材料元件的組件具有一種組的重複結構，其中磁導率、介電常數和/或厚度這些特性基本上不連續，從而通過有缺陷PFB材料元件的有缺陷區的相互聯接產生多個不相交的通帶。
14.一種陣列天線，其特徵在於，它包括如權利要求1至13中任一項所述的天線，所述天線包括在所述反射器平面附近周期性地分布的多個發送/接收輻射元。
全文摘要
本發明涉及一種用於微波的寬頻帶或多頻帶天線，它包括一反射器平面(R)和至少一個設置在反射器(R)附近的輻射元(ER)。有缺陷PFB材料元件的組件重疊在反射器平面(R)和輻射元(ER)上。每個有缺陷PFB材料元件基本上為平面，與反射器平面(R)平行，並且沿著與反射器平面(R)垂直的方向具有從一個有缺陷PFB材料元件到另一個相互不同的磁導率、介電常數和/或厚度中的至少一個特徵。該組件形成一洩漏諧振腔。該天線可以應用於行動電話系統或光程傳輸。
文檔編號H01Q15/00GK1557038SQ02818643
公開日2004年12月22日 申請日期2002年9月18日 優先權日2001年9月24日
發明者貝爾納·讓·伊夫·熱科, 西裡爾·謝普, 塞德裡克·塞裡耶, 馬克·泰弗諾, 蒂埃裡·莫內迪耶, 莫內迪耶, 謝普, 克 塞裡耶, 泰弗諾, 貝爾納 讓 伊夫 熱科 申請人:國家科學研究中心