CN100424930C - 配备滤波材料组合件的天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括能把电能转换为电磁能并能把电磁能转换为电能的探头的一种天线。它还包括一个至少用两种在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中的一到两项上不同的材料制作的元件组合件，所述探头就安装于其中，所述组合件内各元件的结构确保对所述探头产生或接收的电磁波进行发射及进行空间和频率滤波，所述滤波使得天线能在一个频带隙(B)内具体有一个或多个工作频率(f)。

Description

配备滤波材料组合件的天线

本发明专利申请是申请号为00802850.8、申请日为2000年11月17日、发明名称为“配备滤波材料组合件的天线”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及微波频率范围内具有高度方向性的发射或接收天线。

背景技术

众所周知天线至少有一个能把电能转换为电磁能并能把电磁能转换为电能的探头。

现在常用的天线，具体地说，有抛物面反射天线、透镜天线和喇叭形天线。

抛物面反射天线包括一个抛物面形的反射面，在其焦点处有一个探头。这就要求天线具有与抛物反射面的焦距相对的一定的尺寸。

透镜天线包括一个透镜，在其焦点处有一个探头。这种天线除了由于焦距的缘故尺寸较大外还因为透镜的重量而很重，这就可能在某些场合不能使用。

喇叭形天线要具有高度的方向性必须体积大重量重。

发明内容

本发明的目的是制造一种体积不大重量轻而又能发射或接收具有高度方向性的电磁波的天线，克服常用天线的缺点。

因此本发明涉及至少包括一个能把电能转换为电磁能并能把电磁能转换为电能的探头的一种天线，其特征是它还包括一个至少用两种在电容率、磁导率和导电率上都不同或其中的一到两项上不同的材料制作的元件组合件，所述探头就安装于其中，所述组合件内各元件的结构确保对所述探头产生或接收的电磁波进行发射及进行空间和频率滤波，所述滤波使得天线能在一个频带隙内具体有一个或多个工作频率。

因而这种天线可以通过使用简易的供电系统和以电容率、磁导率和导电率都不同或其中的一到两项不同的材料制作的薄元件组合件而缩小体积，减轻重量。

按照本发明的天线也可以具有下述的一个或多个特征：

--所述元件组合件在其结构上有至少一维周期性和至少一个在其内产生至少一个空腔的缺陷；

--所述元件组合件包括有一定电容率、磁导率和导电率的第一材料，在另两个电容率、磁导率和导电率都不同或其中的一到两项不同的材料的结构内形成空腔，所述结构在其它两个材料的三个不同空间方向上有三维周期性；

--所述元件组合件包括有一定电容率、磁导率和导电率的第一材料，在另两个电容率、磁导率和导电率都不同或其中的一到两项不同的材料的结构内形成空腔，所述结构在其它两个材料的两个不同空间方向上有二维周期性；

--所述元件组合件是用电容率、磁导率和导电率都不同或其中的一到两项不同的材料的多个平层制成的；

--所述元件组合件包括有一定电容率、磁导率和导电率的第一材料平层，探头安装于其内，所述第一平层与电容率、磁导率和导电率都不同或其中的一到两项不同的材料的至少一系列平层接触，这些材料的结构是一维周期型的。

--它还包括支承所述探头并置于与所述元件组合件接触位置的电磁波平面反射器。

它包括其上安装探头的金属板，所述金属板构成与第一平层接触的平面反射器，第一平层是用有一定电容率、磁导率和导电率的材料制作的，第一平层的厚度e₁以公式 $e_1=0.5(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出，所述第一平层自身与在电容率、磁导率和导电率上都不同或其中的一到两项不同的材料的一系列平层接触，所述各平层的厚度e以公式 $e=0.25(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出，其中，λ为相应于用户所要的天线工作频率的波长，ε_r和μ_r分别是所述平层材料的相对电容率和相对磁导率。

附图说明

参照附图阅读下面仅以举例方法进行的说明，会更容易理解本发明。这些附图有：

图1显示本发明一般形式的天线；

图2显示本发明包括电磁波反射面的天线；

图3是电容率、磁导率和导电率都不同或其中一到两项不同的平材料层结构按一维周期型安装的实施例之示意透视图；

图4是结构在其构成材料的两个不同空间方向上具有二维周期性的实施例之示意透视图；

图5是结构在其构成材料的三个不同空间方向上具有三维周期性的实施例之示意透视图；

图6是本发明特定实施例的天线之示意透视图；

图7显示的是作为本发明天线发射或接收的电磁波频率的函数之传输系数的曲线；

图8是图6显示的实施例的天线方向性之示意图；

图9是本发明另一实施例天线的示意透视图。

具体实施方式

图1内显示的本发明的天线包括：

--能把电波转变为电磁波并能把电磁波转变为电波的探头10；例如平板天线、偶极子天线、圆极化天线、缝隙天线和共平面板线天线之类的天线适合于使用本发明天线内的探头10。

--用至少两种在电容率、磁导率和导电率上都不同或者在其中一到两个上不同的材料制造的元件组合件20，探头置于此组合件之中。优选方案是使用低耗材料，例如，塑料、陶瓷、铁氧体、金属等等。

本发明的一个优点是如果在极化方式(直线形或圆形)、椭圆率水平和电特性上达到了设计者的要求，探头10的设计可能很简单，而同时此探头10与天线的总体积相对说来一定很小。

组合件20的一个好处是它使设计能在一个或数个授权空间方向d内的频带隙内有一个或数个传播频率型的天线成为可能，空间滤波本身决定于组件20所含材料的频率和性质。

此组合件20(包括根据材料有禁光子带的原理设计的在其中可以发现一个或数个空腔21的结构22)的另一优点是它具有与其最近的近邻隔离良好的一个或数个传播频率型。

根据材料具有禁光子带原理设计的结构是一种各元件在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中一到两项不同的结构，这种结构至少有一维周期性。

位于组合件20内的空腔21，由于与有禁光子带的材料22有关，使之产生业内人士所知的禁光子带缺陷材料的材料特性。

这可能是：

--所使用材料在介电特性、磁特性和导电特性上的局部变化或其中一到两种特性上的局部变化；

--一种或数种材料在尺寸上的局部变化。

图2所示的本发明的天线也可以包括置于组件20中间的电磁波反射面30，并包含探头10。这使得把天线的尺寸减小一半成为可能，特别是在辐射只在一半空间中有用时。

包括电磁波反射面30的本发明的天线的一个好处是它增加了所述天线方向性图的主瓣内的增益。

图3中所示的本发明的天线包括根据具有禁光子带的材料的原理制造的有一维周期性的结构22，就是说结构22包括两种材料23、24(例如可以分别是氧化铝和空气)的交变平层，这两种材料在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中的一到两项上不同。

图4中所示的本发明的天线包括根据具有禁光子带的材料的原理制造的有二维周期性的结构22，这就是说，所述结构22包括多个有规律配置的第一材料25(例如氧化铝)制造的圆杆，相互之间为第二材料26(例如空气)所分隔，第二材料与第一材料在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中的一到两项上不同。

例如，所述结构是用圆杆制作的，安装于一系列叠层中。

在各层内，圆杆互相平行和间隔相等。

而且，各层排列整齐，间隔相等。优选方案是圆杆用金属制作。

图5内所示的本发明的天线包括根据有禁光子带的材料的原理制造的有三维周期性的结构22，所述结构22包含多个整齐均匀地交互放置的杆，例如长方形杆，这些杆用第一材料(例如氧化铝或金属)制作，相互之间用第二材料(例如空气)隔开，第二材料与第一材料在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中的一到两项上不同。

例如，结构22基本上是用多个叠置于各层的大致是长方形的杆制成的。在各层内，各杆互相平行，间隔相等。相邻两层的杆之间构成固定角度的角，例如，90°的角。

而且，相隔一层的各层内的各杆互相平行，上下成一线，间隔相等。

参看图6，本发明天线的一个优选实施例包括：

--使用单馈线11的板式探头10a，这种探头的优点是它结构简单，可以限制天线的金属消耗和介质消耗；

--形成平面电磁波反射器30a的金属板；

--形成与平面反射器接触的空腔21a的平层，所述空腔21a包含一种材料，优选的是电容率低磁导率也低从而限制表面波的导向的材料，诚然这种材料可以是，例如如图6中所示的空气；

--包括材料23a、24a、23b的结构22，这些材料在电容率、磁导率和导电率上都不同或在其中的一到两项上不同，安装于一维周期型的一系列平层中。

对天线平面直角方向上可能有用的周期数量决定于使用的各材料的电容率、磁导率和导电率或其中的一到两项之间的对比。为了减少周期的数量，必须增加各个不同材料之间的指数对比。

例如，在图6所示的实施例里，使用的材料是电容指数高的氧化铝和电容指数低的空气，使结构22可以只有3个材料层。

因此，结构22包括与空气的第二平层24a接触的氧化铝的第一平层23a，而第二平层又与氧化铝的第三平层23b接触。

在图6所示的实施例里，在包括介质材料或磁材料的一系列平层的组合件20里，第一层21a构成空腔，其后的各层23a、24a和23b构成结构22：

a)包括一种具有相对电容率ε_r和相对磁导率μ_r的材料平层21a的厚度e_21a由公式 $e_{21a}~0.5(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出，其中λ是与天线工作频率相应的波长，“～”表示“等于或大致等于”。

例如，图6中所示的空气平层21a的厚度为e_21a＝0.5λ。

b)结构22中具有相对电容率ε_r和相对磁导率μ_r的介质材料或磁

材料平层的厚度e由公式 $e~0.25(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出。

例如，图6所示的氧化铝的平层23a的厚度为e_23a＝0.08λ，图6所示的空气平层24a的厚度为e_24a＝0.25λ；图6所示的氧化铝平层23b的厚度为e_23b＝0.08λ。

c)结构22、板30a和空腔21a的横向尺寸选作天线所需增益的函数。天线的有用形式是内接于其直径Φ与要求增益相联系的一个圆，按照以下的已知经验公式计算：G_dB≥20log(πΦ/λ)-2.5。

例如，为了获得图8中显示的20dB的增益，按照本发明的天线可能要具有长度为4.3λ的边。因此，天线的横向形状要用已知方法选择能获得天线辐射的某种形状。

d)考虑到图6中所示的天线结构中使用的不同材料层的横向尺寸和厚度，所述厚度和横向尺寸上面提到过，因此，天线的一般尺寸为：厚度H大约为λ，横向尺寸为4.3λ。所以，对于相应于波长3cm的工作频率10GHz而言，图6中所示具体实施例的本发明的天线会具有3×13×13cm³的体积，而在相同的10GHzd同频率上工作的常用截抛物面天线系统，焦距大约70cm，占据大得多的空间。

因此主要由于本发明天线的厚度小，本发明一定有助于解决与天线相关的尺寸问题，这是很清楚。

而且，假定图6中所示的本发明天线的一系列平层的厚度与λ成正比，从而与工作频率成反比，这就使得利用多层技术设计在非常高的频率下工作的天线有了可能。

图6中所示本发明的天线确保所述天线产生或接收的电磁波会如图7所示被辐射并经受空间及频率滤波。这种滤波特别是能使所述天线在一个频带隙B内有一个或数个工作频率f。

图6中所示本发明的天线的目的在于获取20dB的增益并具有图8所示的辐射图。

似乎本发明的天线像常用天线那样会在给定的方向上取得相当大的增益。

此辐射图具有低度二次波瓣，这也很清楚。

现在参照图6所示的天线说明其工作。所述天线有两种工作状态：发射状态和接收状态。

在发射状态下，馈电线11输送的电流到达探头10a，探头10a把电流转变为电磁波。这时，这种电磁波穿过用电容率、磁导率和导电率都不同或其中一到两项不同的材料制作的元件组合件20，此组合件的结构允许所述电磁波通过结构进行空间和频率滤波，因而根据用户所要的特性形成天线的辐射图。

在接收状态下，接近天线的电磁波在它可以到达探头10a之前，在它穿过用电容率、磁导率和导电率都不同或其中一到两项不同的材料制作的元件组合件20时，受到空间和频率滤波。这时，根据用户所要特性通过天线结构滤过波的电磁波由探头10a变为电流并输送到馈电线11。

按照一个特定的实施例，天线的探头自然地能在天线内产生线性极化或圆极化，使天线由于线性极化或圆极化而工作。

按照另一个特定实施例，各平层的形状设计得能根据辐射孔径理论获得所要的辐射与增益图。

按照再一个实施例，组成所述结构的各元件是围绕探头的同轴圆筒，因而这种结构具有径向周期性，内圆筒形元件形成容纳探头的空腔。

按照再一个实施例，组成结构22的各元件是同轴圆筒，这些圆筒形元件包含有禁光子带的材料，具有二维或三维周期性。

按照本发明的又一个实施例，材料中至少有一种具有作为诸如电场或磁场之类外部源的函数的可变介电特性或磁特性或者兼具这两种特性，从而使生产可调天线具有可能性。

按照本发明的另一特征，所述组合件有由空腔或多空腔叠置产生的多周期缺陷，使得具有扩宽传输频带的可能性或产生宽频带天线的可能性或者使得兼具这两种可能性。

最后，按照本发明的又一实施例，元件组合件20具有至少一维周期性并且在这种一维周期性上具有在其内产生至少一个空腔的至少一种缺陷，这些元件还等间隔地安装于其它线度上。

因此，图9所示的天线包括：

--使用单馈线11的板式探头10a；

--组成平面电磁波反射器30a的金属板；

--形成与平面反射器30a接触的空腔21a的，等同于图6中所示的，平层；和

--与形成空腔21a的平层接触的结构22。

这一结构有二维周期性：它包括安装于两个完全相同的叠置层32、34内的多个圆杆25。在层32和层34中的每一层内，各圆杆互相平行，间隔相等。

所以，包括空腔21a和结构22的组合件20在其周期性上，在相应于与平面反射器30a和层32、34垂直的线度上有缺陷。对比之下，在层32和层34中的各层里圆杆25的周期性结构并不受出现空腔21a的影响。

此外，这种天线的大小决定于设计的工作频率。例如，在4.75GHz的频率工作，天线的横宽为258mm，空腔21a的厚度为33.54mm，层32与层34之间的间隔为22.36mm，各层内的圆杆直径为10.6mm，各圆杆轴线之间的间隔为22.36mm。

各杆可以包含介电材料、磁性材料或金属材料。

在这些情况下，图9内所示的天线像图6中所示的天线那样具有图8中所示的辐射图。

另一方面，天线也可以有多个不同种类的探头。

按照本发明的天线可以用作：

--具有高比特率的高频天线，因为使用多层叠置技术能在高频工作；

--航空航天用或军用机(舰、星、器)载天线，例如由于体积小，传输频道窄具有隐形特性；

--取代现有截抛物面型或透镜型的孔径成为常用孔径的天线。

Claims (9)

1. 一种天线，包括

至少一个能把电能转变成电磁能并能把电磁能转变成电能的探头(10)，

元件的组合件(20)，所述元件具有缺陷禁光子带材料的特性，所述的元件的组合件由至少两种在其电容率和/或磁导率和/或导电率不同的材料制作，所述探头安装于组合件(20)中，所述组合件内各元件的结构确保对所述探头所产生或接收的电磁波进行发射并进行空间与频率滤波，所述滤波使得能在频带隙内传送天线的一个或多个工作频率f；所述的元件的组合件(20)包括：用于形成空腔(21，21a)的具有给定电容率、磁导率和导电率的第一材料；以及用另两种在电容率和/或磁导率和/或导电率不同的材料(23、24、25、26、27、28、23a、23b、24a)组成的结构(22)，其特征在于组成所述组合件(20)的元件是包围着探头的同轴圆筒体，所述结构(22)具有径向周期性，其中最靠内侧的圆筒体形成接收所述探头的上述空腔。

2. 按照权利要求1的天线，其特征在于所述的元件的组合件包括一个由第一材料(21a)制成的第一圆筒层，所述第一圆筒层形成安放所述探头的上述空腔，所述的第一圆筒层与至少一系列圆筒层(23a，23b，24a)接触，所述系列圆筒层的材料本身的电容率和/或磁导率和/或导电率是不同的，所述系列圆筒层安排成至少一维周期图案以便形成同轴圆筒体的结构。

3. 按照权利要求1的天线，其特征在于组成所述结构(22)的元件是同轴圆筒体，所述同轴圆筒体由具有禁光子带的材料制成，所述材料具有二维或三维周期性。

4. 按照上述权利要求中任一项的天线，其特征在于还包括一个电磁波反射器(30；30a)，所述的反射器支撑所述的探头和设成与所述的元件的组合件接触。

5. 按照权利要求2的天线，其特征在于它包括金属板制成的圆筒体，形成一个电磁波反射器(30a)，在电磁波反射器上安放有探头(10，10a)，所述圆筒体与第一圆筒层接触，所述第一圆筒层的厚度e₁由公式 $e_1=0.5(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出，所述第一圆筒层自身与所述一系列圆筒层(23a、23b、24a)接触，所述系列圆筒层的层的每一个的厚度e由公式 $e=0.25(\mathrm{\λ}/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r})$ 给出，其中在公式中，λ为与用户所要的天线工作频率f相对应的波长，ε_r和μ_r分别是所述的层的材料的相对电容率和相对磁导率。

6. 按照上述权利要求1-3中任一项的天线，其特征在于天线的探头能在天线内产生线性偏振或圆偏振，使天线通过线性偏振或圆偏振而工作。

7. 按照上述权利要求2的天线，其特征在于所述第一圆筒层和所述系列圆筒层的形状安排成能根据辐射孔径理论获得所要的辐射增益图。

8. 按照上述权利要求1-3中任一项的天线，其特征在于所述材料中至少有一种具有作为外部源的函数的可变介电特性和/或磁特性，从而能够建造可调天线。

9. 按照上述权利要求1-3中任一项的天线，其特征在于所述组合件有多重周期性缺陷，这些缺陷能够扩宽天线的通带和/或创制多带天线。

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