專利名稱：可配置且可定向的天線和相應的基站的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠在空間中配置一個或幾個波瓣或波束(這兩個術語是等價的)的無線電天線，用于發(fā)射/接收電磁波并因此配置其輻射圖。它應用于無線電磁波的發(fā)射/接收，并且特別是作為移動電話的天線。它尤其能夠在電話網(wǎng)絡或具有移動臺的無線通信數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的基站收發(fā)信機內(nèi)、在接收和發(fā)射(Tx/Rx)中對無線電波束或波瓣進行整形或換向。
背景技術：
一般來說，為了實現(xiàn)一種可定向的定向天線，一方面提供了一種結構上定向的天線，另一方面移動它以在空間中通常被旋轉地定向，以使它的電磁輻射圖按照所期望的方向而被定向。除了天線的機械移動需要也許很昂貴、易受損且維護復雜的機械裝置這一事實之外，這些天線通常位于很高的地方且處于惡劣的天氣條件下，輻射圖在整個旋轉過程中都保持相同的形狀。
因此，期望一種能夠更改輻射圖空間定向的非機械裝置。而且，還期望能夠更改輻射圖的結構，特別是發(fā)射/接收波瓣的數(shù)量和/或它們在空間中的形狀。
實際上，例如在新的寬帶無線通信服務的情況下，似乎只有裝配有智能天線的動態(tài)系統(tǒng)才能夠最佳地使用赫茲頻譜，同時采用發(fā)射/接收空間配置的適配能力，如UMTS論壇1998年的論文“The path towards UMTS-Technologies for the information society”，以及Alcatel的S.Breyer，G.Dega，V.Kumar和L.Szabo的“Une vue globale du concept d’UMTS”(UMTS概念的總觀)。
由于根據(jù)在C.B.Dietrich Jr.和WL Stuztman于1997年4月在Microwaves & RF中發(fā)表的論文“Smart antennas enhance cellular/PCSperformance，part 1 & 2”中所描述的內(nèi)容而得知的方式來使用偽SDMA(空分多址)技術，這些智能天線提供了這樣的可能性增加特別是以CDMA(碼分多址)模式操作的系統(tǒng)的容量。在形成用于移動電話的整形波束中，這個技術能夠降低蜂窩網(wǎng)絡的下行鏈路(基站收發(fā)信機到移動電話)中的“同信道”干擾。它還能夠抑制上行鏈路(移動電話到基站)中的干擾，另外還具有形成基站收發(fā)信機的天線圖的可能性，因此它在干擾方向中呈現(xiàn)為接收谷。
一般來說，可以區(qū)分具有可變輻射圖的兩種所謂的智能天線用波束轉換天線網(wǎng)制成的智能天線和用自適應天線制成的智能天線，如由M.Sawahashi和S.Tanaka于2000年7月在美國鹽湖城AP-S 2000期間發(fā)表的“Experiments on adaptive array diversity transceiver for basetransceiver station application in W-CDMA mobile radio”中所介紹的。
用自適應天線制成的智能天線一般是由數(shù)字信號處理器(DSP)所控制的輻射元件網(wǎng)來構成。它們可以根據(jù)所接收的外部信號而自動適配它們的輻射圖。
令人遺憾的是，當前的數(shù)字技術似乎沒有成熟到足以支持移動技術所必需的多個頻帶，以及控制無線電頻譜所必需的功率。而且，智能且數(shù)字自適應的天線的技術不是非常適合基站收發(fā)信機BTS的現(xiàn)有技術，并且因此需要過多的投資來更新這些基站收發(fā)信機，如已經(jīng)在前面提到的M.Sawahashi的論文中所指出的。
用波束轉換天線制成的智能天線使用多個波束的模擬合成。這個方法保留了數(shù)字智能天線的多數(shù)特性，然而卻大大降低了復雜度和成本。它與現(xiàn)有基礎設施(特別是基站收發(fā)信機)兼容并且相對于投資來說能夠大大增加系統(tǒng)容量。傳統(tǒng)上，波束轉換天線使用具有預定相位的供電網(wǎng)，其提供了幾個分別對應于固定方向的波束的輸出端口。這種類型的基站收發(fā)信機已經(jīng)被美國和歐洲的許多公司試驗，特別是以下公司Celwaveassociated with BellSouth，Hazeltine公司，Metawave Communications，ArrayConun公司、Ericsson、Nortel等。除了之前引用的論文和介紹之外，關于所述主題的信息還可以在下列論文中找到L.Cellai和A.Ferrarotti于1999年8月在Microwaves & RF中發(fā)表的“Novel multiple-beamantenna array serves mobile BTS，part 1”，以及Ericsson MicrowaveSystem AB的B.Johannisson和A.Derneryd發(fā)表的“Array antennadesign for base transceiver station applications”。
這個波束轉換技術的主要缺點在于大量的輻射元件及其成本。因此，已經(jīng)建議使用替換的解決方案來制造波束轉換類型的天線，同時在用光子帶隙(PBG，Photonic Band Gap)材料制成的一組棒(rod)的核心處放置無源輻射元件，這些棒中的一些通過插入轉換元件而被激活，這能夠通過適當?shù)目刂贫鴱娭七@些棒中一些表現(xiàn)得像非連續(xù)的棒，而另一些像連續(xù)棒，其呈現(xiàn)出與前者不同的無線電特性。關于這個主題的信息可以在以下文章中找到A.Chelouah，A.Sibille，C.Roblin于2000年4月在Davos，在AP2000期間發(fā)表的“Beam switching smart antenna for hyperlanterminals”，或者在E.Yablonovitch在Physical Review Letters的文章中(vol.58，n’20，1987年，p2059-2062)。
這個替換的解決方案沒有涉及在輻射元件激勵電路上的任何直接動作，而只是在它附近環(huán)境的元件上的直接動作，由此限制了損耗。它通過使用光子帶隙(PBG)材料的屬性而獲得，PBG材料是已知的而且關于它的文章也已經(jīng)被發(fā)表，特別是C.T.Chan，K.M.Ho和C.M.Soukoulis的論文“Photonic Band Gaps in experimentally realizable periodic dielectricstructures”(Europhysics Letters，16(6)，pp563-568，1991年10月7日)；或者M.M.Sigalas，C.T.Chan，K.M.Ho和C.M.Soukoulis的論文“Metallic Photonic band-gap materials”(Physical Review B，vol.52，n’16，1995年10月15日)；或者，G.Poilasne，P.Pouliguen，K.Mahdjoubi，L.Desclos和C.Terret于1999年1月在IEEE Trans.on Antennas andPropagation發(fā)表的論文“Active Metallic Photonic B and Gap materials(MPBG)experimental results on beam shaper”。
形成這類天線的PBG材料的棒的集合是周期性的結構，即所謂的PBG結構，其主要由并聯(lián)導體構成，并且其中輻射元件起作用。這個PBG結構的電磁特性主要取決于輻射元件的發(fā)射/接收頻率。其在平面波的頻率響應交替地呈現(xiàn)允許或不允許傳播經(jīng)過PBG結構的頻帶。已經(jīng)研究了由連續(xù)棒組成的PBG結構和由非連續(xù)棒組成的PBG結構之間的響應二元性。通過從一個連續(xù)或非連續(xù)棒向另一個傳遞這些PBG結構，利用所述差異來獲得輻射圖的轉換和空間整形。因此，已經(jīng)就這個主題發(fā)表了介紹和論文，特別是A.De Lustrac，T.Brillat，F(xiàn).Gadot，E.Akmansoy在AP2000期間(Davos，2000年4月)的論文“Numerical and experimental demonstrationof an electronically controllable PBG in the frequency range 0 to 20GHz”；和G.Poilasne，P.Pouliguen，K.MahdJoubi，C.Terret，P.Gelin和L.Desclos的論文“Experimental radiation pattern of dipole inside metallicphotonic band-gap materials”(Microwave and Optical TechnologyLetters，vol.22，第1期，1999年7月)。
當前，使用具有方孔的PBG結構。換言之，并且如圖1所示(相對于棒的軸的橫截面)，棒1在無源輻射元件2所處于的中心處構成了方孔網(wǎng)格。
這個具有方孔的PBG結構具有兩個主要缺點。首先，它不適合柱面波的激勵，因此當輻射元件被置于具有方孔的PBG結構中心時是一個困難的研究。此外，它無法創(chuàng)建用任何斜度和任何角度旋轉360度的恒定波束。

發(fā)明內(nèi)容
所提出的本發(fā)明的目的特別在于改進現(xiàn)有技術的缺點，其涉及應用光子帶隙(PBG)材料并且構成確定結構的天線類型，所述確定結構可以被限定為光子晶體。本發(fā)明的天線可以用于對唯一的波束或同時幾個波束進行定向和/或整形。它還可以用于整形或轉換不同的波束因而可能提及波束轉換天線。
基本上，本發(fā)明的天線特別在于用PBG結構制成的天線，通過以下事實而知道該天線所述元件(線/棒)在天線內(nèi)以及圍繞輻射元件的安裝不是沿著方孔網(wǎng)格，而是沿同心閉合曲線一個接一個地分布，其中心處是輻射元件。閉合曲線的形狀優(yōu)選地是圓形(圓)，但是它還可能是更加復雜的橢圓、擺線或其它圓形曲線。優(yōu)選地，構成天線的元件的形狀是直線，但是它也可能有所不同并且特別對于線/棒是彎曲的。
因此，本發(fā)明涉及一種能夠對至少一個確定波長的無線電波的至少一個波束的進行整形的天線，其包括至少一個優(yōu)選地是無源的波的輻射元件，該輻射元件被置于一組反射波且基本上彼此平行的線或棒中，所述線或棒由光子帶隙(PBG)材料制成并且形成確定的結構，所述確定結構包括缺損(defect)以便在根據(jù)所述缺損的位置和/或配置的方向中整形所述至少一個波束。
根據(jù)本發(fā)明，所述線/棒和所述缺損被安排在一組N個平面的同心閉合曲線上，N大于或等于1，所述輻射元件被安排在最里面的曲線之內(nèi)。
然而在本發(fā)明的不同實施例中，可以采用可根據(jù)技術上可設想的所有可能性而組合的下列方式-曲線在圓、橢圓、擺線之中被選擇，并且優(yōu)選地全都是圓，所述輻射元件基本上被置于這些圓的同心中；-最里面的曲線(特別是最里面的曲線上的線/棒)和輻射元件之間的最大距離小于或等于波長的四分之一(在可能有幾個波長的情況下是最短的波長)；-最里面的曲線和輻射元件之間的距離大于波長的四分之一(在可能有幾個波長的情況下是最短的波長)，以便減小重量和/或制造成本和/或便于阻抗適配等等。
-兩個連續(xù)的相鄰曲線之間的最大距離(實際上是沿著通過輻射元件的方向靠近兩條曲線的兩個線/棒)小于或等于波長的四分之一(在可能有幾個波長的情況下是最短的波長)；-沿給定曲線的相鄰線/棒或缺損被安排在橫向等距位置中(在曲線是圓的情況下對應于恒定的橫向周期)；-相鄰的線/棒或缺損的橫向距離對于所有曲線全都相等(對應于恒定的橫向周期，在曲線是圓的情況下對于所有圓都相等)；-根據(jù)對于所有圓都相等的恒定的橫向周期性分布，曲線是圓，并且線/棒或缺損被安排在圍繞基本上在中心的輻射元件的至少兩個同心圓中；-線/棒或缺損沿著穿過輻射元件且在平面中的分布軸，被置于對應于曲線和分布軸的交叉位置中(對應于恒定的角度周期，并且線/棒或缺損被系統(tǒng)或不系統(tǒng)地置于分布軸和曲線的交點處)；-分布軸在360度的平面中規(guī)律地分布，并且將該平面分成等角區(qū)域，角度區(qū)域的值優(yōu)選地是22.5度或22.5度的倍數(shù)；-根據(jù)對所有圓都相等的恒定的角度周期分布，曲線是圓并且線/棒或缺損被安排在圍繞基本上在中心的輻射元件的至少兩個同心圓中；-線/棒或缺損是根據(jù)恒定的橫向周期安排和恒定的角度周期安排的聯(lián)合來安排的；-所述輻射元件是定向的；-所述輻射元件是全向的并且優(yōu)選地是偶極子，所述偶極子基本平行于所述線/棒；-所述輻射元件是全向的并且優(yōu)選地是被安排在平面上的單極子，所述單極子基本平行于所述線/棒，每個線/棒在它的兩個端部之一連接到所述平面；-在單極子以及具有由絕緣體隔開的導電段的線/棒的情況下，所述線/棒經(jīng)由所述絕緣體而連接到所述平面，其中所述絕緣體包括有源轉換部件或由有源轉換部件構成；-在單極子以及具有由絕緣體隔開的導電段的線/棒的情況下，所述線/棒經(jīng)由所述所述段而連接到所述平面，其中所述絕緣體包括有源轉換部件或由有源轉換部件構成；-所述線/棒是直的；-所述線/棒是彎曲的；
-在圓、橢圓、三角形、正方形或長方形中，所述線/棒具有直的部分；-所述缺損通過至少部分地移除一些所述線/棒來實現(xiàn)，至少一個波束在根據(jù)被移除線/棒的位置和/或配置的方向中被整形；-至少一些線/棒分別由至少兩個導電段構成，段的最大長度小于波長的四分之一(在可能有幾個波長的情況下是最短的波長)，并且優(yōu)選地小于或等于波長的十分之一，線/棒的相鄰段被絕緣體隔開(至少是波的絕緣體)，每個線/棒具有幾個彼此絕緣的段(至少對波絕緣)，其稱為非連續(xù)線/棒，并且對于波來說是透明的(transparent)且相當于至少被部分移除的線/棒的缺損；-線/棒可以包括由絕緣體隔開的一系列段所構成的至少一部分，以及由連續(xù)的反射導體所構成的至少另一部分；-可以將線/棒的添加/移除的使用與具有段的線/棒的應用相結合；-所有的線/棒都是具有幾個段的線/棒；-隔開線/棒中兩個相鄰段的至少一個絕緣體，包括有源轉換部件或由該部件構成，該部件可以采取對波為傳導的至少一個第一狀態(tài)，其中，具有幾個段的線/棒對波起傳導/反射的作用，稱為連續(xù)線/棒；以及對波絕緣的第二狀態(tài)，其中，具有幾個段的線/棒對于波來說是透明的并且相當于至少被部分移除的線/棒的缺損，其特征在于，所述天線還包括有源部件的控制裝置，其能夠強制一些具有幾個段的線/棒表現(xiàn)的像非連續(xù)線/棒，至少一個波束在根據(jù)非連續(xù)線/棒的位置和/或配置的方向中被整形；-在具有段和有源轉換元件的線/棒中，所述控制是通過由線/棒的段集合的相鄰段的子集所構成的(一個或多個)部分來實現(xiàn)的，所述子集可以從二直到線/棒的段總數(shù)，隔開所述部分的段的部件被設置為其第一狀態(tài)，其它部件被設置為第二狀態(tài)，以便還能夠相對于所述平面在高度中定向(一個或多個)波束；-所述有源部件的控制裝置構成了在至少一個第一波束和至少一個第二波束之間的整形和轉換裝置，以使所述天線是波束轉換天線；-所述天線應用于公共或私有的民用電信網(wǎng)。
最后，本發(fā)明包括基站收發(fā)信機，該基站收發(fā)信機包括根據(jù)一個或幾個先前特性的至少一個波束轉換天線。
因此，本發(fā)明包括可調(diào)諧的電磁材料，其獲取自光子帶隙(PBG)材料并且優(yōu)選地具有圓柱對稱性。這個材料在下文將稱為可調(diào)諧整形PBG材料(TSPBG)。這個材料的主要目的是如基站收發(fā)信機天線中的有源偏轉器(deflector)的使用，特別是用于民用電信網(wǎng)(GSM和UMTS)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述天線是通過用具有線或棒的法拉第籠(Faraday cage)類型的結構來圍繞電磁波(優(yōu)選地至少在xy平面中是全向的)的輻射元件來實現(xiàn)的，所述電磁波垂直于xy平面(并且與輻射元件平行)，可以選擇性地使所述籠的每個棒可以傳導波，因此它在整個大長度或大長度的部分中起電磁波反射體的作用(連續(xù)狀態(tài))，或者僅在非常小的段上起導體的作用(非連續(xù)狀態(tài))，這些段被絕緣體相互隔開，并且這些段具有使得棒對波基本透明的長度。
從理論觀點看，優(yōu)選地，連續(xù)狀態(tài)的棒的總長度相對于要被發(fā)射或接收的波的波長來說較大，這是因為它們對于所述波來說呈現(xiàn)傳導狀態(tài)，這能夠通過反射來阻止(限制)這些波到天線外部。應當理解，在具有(特別是經(jīng)由二極管部件)可控的線/棒的大長度的情況下，必須使用大量的部件。然而實際上應當指出，令人吃驚地，可以有利地使用線/棒的較短長度，并且也可以使用大于或等于波長一半的線/棒長度。使用比理論觀點短的長度能夠減少部件的數(shù)量，而不會致使天線特性降級。作為例子，實現(xiàn)一種以1GHz操作的天線是可能的，它的每個線/棒的長度大約是17厘米。因此，用于線/棒的長度的術語“大”(或者波的傳導/反射連續(xù)部分)，應該被更多地考慮成是功能方面而不是純粹的長度，這是因為具有線/棒的天線可以用這樣的長度來實現(xiàn)該長度可能被縮減至波長的一半，并且連續(xù)線/棒表現(xiàn)得像波的導體/反射體。
相對于要被發(fā)射或接收的波的波長的四分之一，所述段的長度被限定得非常小，這些段相互絕緣，這個狀態(tài)中的棒對于這些波來說總體上是非傳導的，并且因而對于這些波基本上是透明的。
在實施例中，可以對于波是傳導/反射(連續(xù)狀態(tài))或非傳導/透明(非連續(xù)狀態(tài))的每個棒是這樣的類型具有被無線電絕緣體隔開的非常小的段，所述無線電絕緣體具有平行于絕緣體的轉換裝置，該轉換裝置允許絕緣體的相鄰段兩兩連接，所述連接是直流和交流或僅交流的電連接(例如電容鏈路)。應當指出，同時是絕緣體的術語轉換裝置對應于存在絕緣體(同時是絕緣隔離件的受控開關)的情況，以及絕緣體變?yōu)閷w(例如二極管)的情況。為了簡化起見，在所述段之間優(yōu)選地使用這樣的部件其根據(jù)控制而從電磁波的傳導狀態(tài)轉換到絕緣狀態(tài)，例如二極管。
在下文，術語“線/棒”可以被無區(qū)別地用來表示天線結構的(無線)電傳導/反射或非傳導/透明元件。實際上，根據(jù)天線所用的頻率，可以優(yōu)選地針對非常高的呈現(xiàn)趨膚效應的頻率使用棒而不是線。而且，棒可以是中空的并且可以在內(nèi)部實現(xiàn)特別是電鏈路的通路，以控制在棒的絕緣段之間的有源轉換部件，這些鏈路因而可以由于棒的存在而被部分地屏蔽。
另一方面，術語“無線”電用于全局地定義線/棒的傳導/反射狀態(tài)或非傳導/透明狀態(tài)，并且特別地定義有源轉換部件的傳導或非傳導狀態(tài)，因為如果至少傳導或非傳導狀態(tài)應當涉及(交流)無線電波，則這些元件對于可能的直流電還可能是傳導或非傳導的。實際上，例如有源轉換部件中的電容鏈路對于無線電波是傳導的而對于直流電是絕緣的，轉換操作可以在改變電容值(壓控變?nèi)萜?時被提供。類似地，例如有源轉換部件中的感應鏈路對于無線電波是非傳導的而對于直流電卻是傳導的，轉換操作可以在改變感應鏈路值時被提供。還有可能在構成有源轉換部件的陷波(非傳導)電路中將電容與電感部件關聯(lián)起來，并且其中可以改變那些部件的值以使它們傳導。為了改進天線的性能，還可能通過附加的校正部件來校正寄生電容(特別是對于二極管)或自寄生電感(特別是對于二極管的連接)的存在，特別是對抗寄生電容的自感應線圈和對抗寄生自感應的電容，甚至是這些部件的組合。
例如，根據(jù)電流的應用或不應用，這些有源轉換部件可以是傳導或非傳導的二極管。根據(jù)它們的類型，有源轉換部件在靜止時可以是傳導或非傳導的(反偏壓二極管在忽略其寄生電容的情況下在靜止時是非傳導的)。
在同心圓中分布線/棒的層的優(yōu)選情況下，本發(fā)明的天線特別適合由位于中心的偶極輻射元件所產(chǎn)生的柱面波的激勵。根據(jù)它的配置，它能夠提供至少一個任意的開放無線電(波瓣)波束，其能夠旋轉360度。實際上，特別是對于UMTS網(wǎng)絡，天線應當能夠具有在360度上的可定向整形輻射波束，可以在用戶移動時跟隨他。本發(fā)明的天線特別是在其環(huán)狀(柱面)層的優(yōu)選配置中易于應用并且比較便宜。
在此應當提及，在當前的基站收發(fā)信機天線中，波束的方向是固定的并且使得運營商不能適配于電話業(yè)務。根據(jù)本發(fā)明的PBG結構以及優(yōu)選在其柱面PBG結構的形式中以及在其可被控制的情況下，能夠獲得波束的靈活性。這能夠跟隨移動電話、在需要時動態(tài)地更改覆蓋區(qū)，以及在高峰時間將優(yōu)先級給予給定的區(qū)域等等。


現(xiàn)在將參考附圖、通過下列非限制性描述來舉例說明本發(fā)明，其中圖1示出了包括具有方孔的現(xiàn)有技術PBG結構的天線的剖視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的柱面PBG結構的第一特定實施例；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的柱面PGB結構的第二特定實施例；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的例子，其包括根據(jù)圖2所示的第一實施例的柱面PBG結構并且具有由于移除線/棒而產(chǎn)生的缺損；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的天線的例子，其包括根據(jù)圖3所示的第二實施例的柱面PBG結構并且具有由于移除線/棒而產(chǎn)生的缺損；圖6示出了針對圖4和5的天線的輻射圖；圖7示出了包括柱面PBG結構的根據(jù)本發(fā)明的天線的透視示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的天線示例的真實透視圖，其包括柱面PBG結構；圖9說明了波束轉換天線的操作；圖10在(a)示出了用90度TSPBG材料構成的天線的透視圖，其中線/棒被置于成90度角分開的半徑上，并且在(b)示出了用30度TSPBG材料構成的天線的俯視圖，其中線/棒被置于成30度角分開的半徑上；圖11(a)到(d)示出了用于連續(xù)和非連續(xù)線/棒的不同分布的45度BIPAC天線的模擬；圖12(a)到(d)示出了單極輻射元件的模擬；圖13(a)到(d)示出了如圖12所示的輻射元件的模擬，但是該輻射元件被置于45度TSPBG材料的天線內(nèi)；圖14(a)到(d)示出了如圖12所示的輻射元件的模擬，但是該輻射元件被置于22.5度TSPBG材料的天線內(nèi)。
具體實施例方式
與已知的天線相反并且特別地如在關于現(xiàn)有技術的那部分中所見，該現(xiàn)有技術部分涉及如圖1所示的具有方孔的PBG結構的天線，其中，棒1構成具有方孔的柵格(7行×7列)，無源輻射元件2位于其中心，本發(fā)明的天線具有這樣的結構其在同心圓形曲線(圓、橢圓或其它閉合圓形曲線)上分布線/棒，每個都構成圍繞基本在曲線中心的輻射元件的一層。典型地，在本發(fā)明的天線中，輻射元件(特別是偶極單天線)是沿著z軸來安排的，并且被典型是線性且相互平行并平行于z軸的線/棒的結構所圍繞。優(yōu)選地，如附圖所示，應用PBG結構，其線/棒的分布是在圍繞輻射元件所在中心的同心圓上實現(xiàn)的。所述輻射元件和線/棒垂直于結構的中間平面xy，xy平面在基本操作模式中具有可以創(chuàng)建的發(fā)射/接收波束(波瓣)的長軸(在其它操作模式中，長軸可以在上面或下面)，其具有特定波瓣形狀以及特定的圍繞z軸的角度位置，這取決于所述分布以及線/棒的傳導/反射或非傳導/透明狀態(tài)。
術語“輻射元件”這里用于表示發(fā)射機發(fā)射無線電波到空間中的最終裝置，以及接收機對空間中電磁波的收集裝置，被優(yōu)選地裝配在單一結構中(發(fā)射和接收是同一裝置)但在一些配置中可以由兩個不同裝置構成或只用于發(fā)射或用于接收的裝置(在實現(xiàn)發(fā)射或接收的專門天線的情況下)。所述輻射元件例如是二極管，優(yōu)選地是無源的。為了覆蓋較大的通帶(例如UMTS頻帶)，所述輻射元件可以是印刷技術的粗短偶極子或折疊偶極子。
優(yōu)選地，每個線/棒都由被絕緣體相互隔開的相鄰導電段構成，絕緣體包括平行的有源轉換部件(受控有源部件)，其可以確保相鄰導電段的(無線)電連續(xù)性。因此，每個線/棒可能是每部分傳導的或全部都是傳導的(對于波表現(xiàn)為傳導/反射的連續(xù)狀態(tài))，或者由彼此絕緣的傳導段構成(非連續(xù)狀態(tài)，對于波表現(xiàn)為非傳導/透明)。使每部分線/棒傳導或非傳導的可能性，還能夠相對于空間體積掃描的xy平面在高度中定向(一個或多個)波瓣的長軸。如所指出的，這個反射或透明性效應涉及波和線/棒長度，段和部分適配于所涉及的波長，因此所述效應對于波是存在的。
在一些實施例中，只有線/棒的一部分是先前所述的由傳導段構成的類型，其可以通過控制轉換部件而被相互(無線)電連接，其它段是非傳導/透明或者更簡單地被忽略，或者在整個部分或它們總長度的一個(相對于波長的)較大部分上是傳導/反射的。應當理解，在線/棒是固定的、傳導/反射或非傳導/透明類型的情況下，不再可能控制它們，并且除了人工操作之外，不可能通過控制整個天線(如果天線的所有線/棒是固定的類型)或天線一部分(如果只有天線的一部分線/棒是固定的類型，而其它線/棒可以被控制)上的(一個或多個)波瓣的形狀和方向來進行更改。
讓導電段與絕緣體分離的額外優(yōu)點是能夠實現(xiàn)寬帶天線和對數(shù)性天線，其中可以通過部分操作的轉換元件來致使所述絕緣體導電，被致使導電的部分的長度適配于特定的頻率。因此，不僅不可能相對于xy平面在高度上定位波瓣，而且也不可能使天線操作適配于較寬的頻率范圍。
因此可以看出，本發(fā)明的天線結構的線/棒被安排在同心層中，以及優(yōu)選地每個圓(xy平面中的圓或xyz空間中的圓柱)，其結構或圓的唯一中心基本上對應于輻射元件。在實施例中，在xy平面中沿著穿過結構中心的半徑的承載軸(分布軸)一層一層地安排所述線/棒(或在xyz空間中的zw平面中；w是xy平面中的中心直線)。優(yōu)選地，這些半徑的承載軸被規(guī)律地成角度安排在xy平面中，例如分成90度、45度、30度或22.5度，這些角度可能更大或更小且更一般地為對應于圍繞中心將xy平面分成等角部分的任何值。如果一層的線/棒優(yōu)選地圍繞中心以等角位置展開(例如都是30度)，則也可以設想非等角分布的情況，所述線/棒在xy平面的一些部分中也可以在角度上更近，以相對于其它部分而增加所述部分中(一個或多個)波瓣的跟蹤準確性。
因此，半徑的承載軸與一層圓的每個交集處存在線/棒。應當理解，這些圓(圓柱)和軸(平面)是虛擬的，并且有助于解釋構成該結構的線/棒的設置。
在變型中，按照沿所述圓(并且可能對于所有圓)的相等給定圓的兩個相鄰線/棒之間的橫向距離(沿連接這兩個線/棒的直線的距離)來規(guī)律地安排所述線/棒。如前所述，設想在一些區(qū)域中橫向距離是不同的。
實際上，所述線/棒以及輻射元件通過硬件裝置而彼此保持，以保持穩(wěn)定的結構配置。這些裝置典型地是連接線/棒和天線的隔離件或普通的支撐件。這些裝置可以是穿孔圓盤，線/棒通過這些穿孔圓盤相對于輻射元件而被保持。這些裝置還可以完全填充天線結構。這些裝置是用針對天線所用頻率的低損耗材料來實現(xiàn)的，并且特別是塑料，專用玻璃或專用陶瓷，以及例如是泡沫材料、發(fā)泡聚苯乙烯、樹脂、聚四氟乙烯等。
已經(jīng)看到，在一些配置中，在天線的軸向端部具有平面是可能的，特別是當輻射元件是單極子時(平面輻射元件)，該輻射元件因而基本上與所述平面垂直并且與之絕緣。在這種配置中，將所述平面用作保持線/棒的裝置是可能的，這些線/棒因而將在它們到所述平面的兩個端部之一(下端)而被固定，并且優(yōu)選地連接(或者可以特別地在分段線/棒的情況下通過轉換部件而被電連接)到該平面。假設可能設置一個或優(yōu)選地設置兩個平面(在兩個軸向端，在天線的底部和頂部)，這與輻射元件的類型(單極子、偶極子或其它)無關，這個(這些)端部平面還可以用作保持所述線/棒的機械裝置。在所有線/棒同時電連接到兩個(上和下)平面的情況下，阻止由直流電(DC)控制的分段線/棒的控制，該控制能夠將它們從連續(xù)狀態(tài)轉換到非連續(xù)狀態(tài)，或進行逆向轉換。因此，優(yōu)選地提供隔離件來使所述線/棒電絕緣于所述兩個平面之一，并同時確保機械保持，所述隔離件至少確保對直流電的絕緣(可以使用任何電絕緣材料，記住電容對直流電是絕緣的)。
應當指出，術語“平面”是指連續(xù)表面以及非連續(xù)表面。實際上，如果從理論觀點看，連續(xù)表面是理想的，在不造成天線特性降級的情況下應用線平面或柵格平面也是可能的。這些線平面表現(xiàn)得像水平連續(xù)傳導線/棒，即垂直于輻射元件和PBG/TSPBG結構的線/棒，其連接后者并被置于所述平面上。這類天線結構的描述將于后在圖11中示出。在天線的上和下軸向端部的平面的存在能夠限制波在這兩個方向中的傳播。
線/棒的層和沿線/棒的段長度之間的距離取決于天線的發(fā)射波長。如果天線以給定波長進行發(fā)射，則同心層之間的距離彼此相等或不同，假設這些距離遠小于波長，并且最好是小于波長的四分之一。例如對于頻率f＝1GHz，空氣中的波長是30厘米。線/棒的段長度大約是幾厘米(例如在此考慮的例子中的2.5cm)。這些線/棒被安排在來自天線中心軸的同心層中。這些層被分開一個距離，這個距離必須小于波長的四分之一(例如對于1GHz是7.5厘米)。優(yōu)選地，這些線/棒沿著同心柱面的半徑而被安排。這些半徑的數(shù)量以及因此它們的分開角度針對所考慮的應用而被選擇，并且實際上，角度越小，就可獲得越準確的(一個或多個)波瓣的形狀和角度方向。輻射元件被置于天線的中心。
天線的輻射由TSPBG材料來控制。半徑的安排、層的數(shù)量以及被轉換線/棒的數(shù)量，確定了天線所輻射的波束的形狀(寬度)。在二極管類型的轉換部件的情況下，金屬線/棒包括二極管之間的段，其可以被致使為傳導的(連續(xù)線/棒的狀態(tài)，因此對于波是傳導/反射)和非傳導的(非連續(xù)線/棒的狀態(tài)，因此對于波是非傳導/透明)，同時影響這些二極管的偏置。直流電流偏置這些二極管。當電流充足時，二極管處于傳導狀態(tài)，它們的內(nèi)部阻抗較低并且線/棒處于連續(xù)狀態(tài)(無線電傳導/反射)。當這個電流被斷開時，二極管被阻塞并且所述線是在非連續(xù)狀態(tài)(不傳導無線電、對于波是透明的)。
操作原理如下所述。所述材料表現(xiàn)得像在其第一帶隙中操作的金屬PBG。當形成它的金屬線/棒在連續(xù)狀態(tài)時(例如傳導二極管)，該材料是反射的，并且被置于中心的天線輻射被限制在內(nèi)部。當線/棒處于非連續(xù)狀態(tài)(例如被阻塞的二極管)，該材料僅對于在這些線/棒處于非連續(xù)狀態(tài)的區(qū)域中的輻射變?yōu)橥该?。如果轉換部件的狀態(tài)可以在整個材料上的線/棒的相鄰段之間被控制(例如二極管)，則可以使該材料或該材料的一部分是透明的，并且天線將發(fā)射或接收的方向可以因而被控制。利用兩個工業(yè)電磁模擬器(NEC和HFSS)所實現(xiàn)的建模，已經(jīng)證明所述材料的這個操作和設計原理的有效性。
當偶極型的輻射元件為單個時，它的輻射圖在正交于沿z軸的輻射元件的方向中是全向的。具有層數(shù)從1增加到6的圓形(圓柱形)層的天線可以被模擬，輻射偶極元件在中心，并且線/棒沿著圓成45度被安排(線/棒被對準在半徑上)。為了控制發(fā)射方向，沿單個半徑安排的線/棒被設置為非連續(xù)狀態(tài)(對于波是透明的)，其它的被設置為連續(xù)狀態(tài)(對于波是傳導/反射的)。被模擬的天線使用以1GHz操作的偶極型的中心輻射元件。當材料的線/棒的層數(shù)增加時，該輻射圖包括輻射方向中的微調(diào)的波瓣。
還可以每隔30度安排所述線/棒，并且使它們沿著兩個直接相鄰的半徑為非連續(xù)。如果層數(shù)足夠，則波束將比之前的45度角安排的情況更加定向。其它的模擬已經(jīng)被實現(xiàn)用于2GHz的操作和偶極輻射元件，并且這是對于在圓形層上的45度和22.5度的角度分布。如前所述，輻射圖在非連續(xù)狀態(tài)中只包括半徑的線/棒方向中的波瓣。
因此，在本發(fā)明的天線中，無線電輻射元件優(yōu)選地是無源的，并且它被置于傳導線/棒集合的核心處，所述線/棒基本上彼此平行并且用光子帶隙(PBG)材料制成并且構成確定的線/棒結構。這個由圍繞輻射元件的線/棒構成的天線結構包括缺損，其具有呈現(xiàn)出彼此不同的(無線)電特性的線/棒，特別是傳導/反射或非傳導/透明，以便于在相對于所述缺損的位置和/或配置的方向中整形至少一個波束(或波瓣)。
對應于可用不同方法獲得的不同(無線)電特性的缺損(對于波來說是傳導/反射或非傳導/透明的線/棒)，可能有幾個實施例并且作為例子而給出了兩個主要實施例。應當理解，術語缺損在上下文中可能具有兩個含義。首先是在下面將用到的，對應于在最初包括傳導/反射的線/棒的天線中的情況，缺損是非傳導/透明的線/棒的存在或傳導/反射的線/棒的遺漏。其次，與上一種情況相反，其對應于缺損是傳導/反射的線/棒的情況。
在本發(fā)明的第一實施例中，所述缺損是通過移除一些傳導線/棒來實現(xiàn)的，所述至少一個波束在根據(jù)被移除線/棒的位置和/或配置的方向中被整形。所述線/棒的移除可以被全部或部分地執(zhí)行，以便也能夠相對于xy平面在高度中定向波束。傳導線/棒是真實連續(xù)的，或者是這樣一種類型其是用具有有源轉換部件的絕緣體隔開并且被設置為連續(xù)狀態(tài)(對于波是傳導/反射的)的段。
在本發(fā)明的第二實施例中，至少一些線/棒具有幾個被絕緣體隔開的段，它們可以被受控有源部件短路，并且它們在有源部件處于傳導狀態(tài)時，在(無線)電短路時，允許線/棒表現(xiàn)得像(無線)電傳導/反射狀態(tài)(連續(xù)狀態(tài))，并且當有源部件處于絕緣狀態(tài)時，線/棒表現(xiàn)得像相當于至少部分被移除的線/棒的(無線)電非傳導/透明狀態(tài)(非連續(xù)狀態(tài))。優(yōu)選地，天線包括所述有源轉換部件的控制裝置，其能夠強制一些具有段的線/棒表現(xiàn)得像非連續(xù)線/棒(對于波是非傳導，透明的)，并且強制其它線/棒表現(xiàn)得像連續(xù)線/棒(對于波是傳導/反射的)。在此，缺損是表現(xiàn)得像非連續(xù)線/棒的線/棒，并且波束可以在根據(jù)非連續(xù)線/棒的位置和/或配置的方向中被整形。在本發(fā)明的第二實施例中，天線的PBG材料因此是有源的，這是因為它能夠動態(tài)并容易地整形一個或幾個波束或波瓣(輻射圖)。在此，移除線/棒的人工操作不是必需的。
應當指出，可以將這兩個實施例的可能性相結合，一部分線/棒可以被控制，而剩余部分將被移除或添加以能夠更改輻射圖。實際上，如果天線PBG材料的所有線/棒全都有利地具有幾個彼此絕緣的段并且具有平行于絕緣體的有源轉換部件，則很清楚本發(fā)明還涵蓋了僅一些線/棒是有源的情況，即，由幾個絕緣段構成，其絕緣體包括平行的有源轉換部件。
有利地，所述有源轉換部件的控制裝置構成在至少一個第一波束和至少一個第二波束之間的整形和轉換裝置，因此所述天線是波束轉換天線。根據(jù)本發(fā)明的波束轉換天線能夠實現(xiàn)一個或幾個給定的開放波束，能夠旋轉360度(即可轉換)，具有按照天線PBG結構內(nèi)的線/棒的角度分布的任意距離和角度。優(yōu)選地，根據(jù)恒定的角度周期并因此根據(jù)可變的橫向周期，針對每個同心層來將所述線/棒安排在圓上。
根據(jù)沿閉合圓形曲線的同心層，可以在不脫離本發(fā)明框架的前提下設想許多線/棒的安排，并且現(xiàn)在將詳細描述具有在PBG圓柱材料型的同心圓中的分層的天線。在下面討論的圖2到5和9上，輻射元件2和線/棒1被看作是xy平面的上(下)橫斷面，所述平面位于實現(xiàn)這些圖的分層平面中。在這些相同的附圖上，所述線/棒是沿著圍繞輻射元件2的同心圓或層來安排的。
通常，圓柱PBG結構的不同參數(shù)是-Pθ角度周期(單位是度)，即給定圓的兩個相鄰線/棒之間的角度距離；-Pt橫向周期(單位是毫米)，即給定圓的兩個相鄰線/棒之間的間隔；-Pr徑向周期(單位是毫米)，即兩個相鄰線/棒之間的間隔；-d傳導線/棒的直徑(單位是毫米)；-n同心圓(層)的數(shù)量。
在稍后的描述中，假定所述線/棒是這樣被周期地安排的根據(jù)恒定的徑向周期Pr，并且針對每個同心圓，根據(jù)恒定的角度周期Pθ(并且因此根據(jù)可變的橫向周期Pt)。
如圖2所示，在根據(jù)本發(fā)明的圓柱PBG結構的第一實施例中，角度周期Pθ對于所有同心圓來說都相等。因此，橫向周期Pt對于每個圓都不同(Pt1＜Pt2)。在圖2中，可以看到，內(nèi)圓包括特別地彼此接近的線/棒，并且在這個類型的配置中，這個內(nèi)圓主要控制了天線的頻率特性。這種天線結構主要用于單頻帶應用。
在圖3所示的第二實施例中，橫向周期Pt對于所有同心圓來說都相等。角度周期Pθ因此對于每個圓都不同。在這個類型的結構中，圓的集合影響了天線的頻率響應，并且這種天線主要用于多頻帶應用。還應當指出，發(fā)射峰值的數(shù)量與同心層的數(shù)量成比例。
圓柱PBG結構還應當包括缺損(非連續(xù)狀態(tài)中的線/棒，對于波是非傳導的并且因此是透明的)，以便在主要包括連續(xù)狀態(tài)(波的傳導/反射)中的線/棒的PBG結構內(nèi)、在根據(jù)這些缺損的位置和/或配置的方向中創(chuàng)建(至少一個)波束。
在圓柱PBG結構中實現(xiàn)缺損的簡單的第一技術在于本地移除金屬線/棒。根據(jù)被移除線/棒(缺損)的位置和配置，可以選擇有用波束的寬度、方向和數(shù)量。
圖4和5示出了通過在PBG結構的角度區(qū)域中移除線/棒而獲得的結構。
所獲得的圖4天線的輻射圖在圖6中被標記為61。所獲得的圖5天線的輻射圖在圖6中被標記為62。應當指出，關于這些輻射圖，圖5的天線比圖4的天線提供了更好的定向性。
用于在圓柱PBG結構中制造缺損的第二技術在于，通過應用包括至少兩個傳導段的有源線/棒來使用可被控制的金屬線/棒(所謂的有源線/棒)，絕緣體被插入所述段之間，并且平行于絕緣體的至少一個有源轉換部件(二極管、晶體管、MEMS等)被插入，以允許根據(jù)部件狀態(tài)(傳導或非傳導)來彼此(無線)電連接兩個段。因此，根據(jù)對有源部件并因此對其狀態(tài)的控制，有源線/棒表現(xiàn)得像是在連續(xù)狀態(tài)(波的傳導/反射)或非連續(xù)狀態(tài)(波的非傳導以及因此對于波是透明的)。表現(xiàn)得像非連續(xù)狀態(tài)線/棒(因此至少對無線電波來說是非傳導的)的這些線/棒構成所述缺損。根據(jù)它們的位置和配置，可以選擇有用波束的寬度、方向和數(shù)量。
因此，天線包括有源轉換部件的控制裝置，其根據(jù)要創(chuàng)建的(一個或多個)波束而強制一些有源線/棒表現(xiàn)得像非連續(xù)狀態(tài)的線/棒，而使另一些表現(xiàn)得像連續(xù)狀態(tài)的線/棒。
可以使用被金屬線/棒中的直流電偏置的PIN二極管網(wǎng)的有源轉換部件。這些元件的控制(以及因此對其中包括它們的線/棒的控制)可以通過圓柱PBG結構的角度區(qū)域來實現(xiàn)(例如，三個分成90度的區(qū)域用于在三個方向中產(chǎn)生三個波瓣)。例如，一個區(qū)域的所有線/棒同時轉換。這將獨立控制的電路的數(shù)量減少為可轉換區(qū)域的數(shù)量。還可以使用通過光纖提供的光來獲得轉換的光電二極管(可能是光電晶體管)。
為了按照波束整形和xy平面中的角度定位來增加可能性，所有線/棒都可以是可控的類型。另一方面，在每個可控制的線/棒內(nèi)，有源轉換部件可以被整個地或單獨地或部分地控制。在第一種情況下，整個線/棒將根據(jù)控制而變得傳導/反射或非傳導/透明。在后一種情況下，(一個或多個)受控部分將根據(jù)控制而變得傳導/反射或非傳導/透明(如前所述，段長度相對于波長來說較大)。因此，根據(jù)相對于xy平面在高度中的部分的位置，在高度上定向所創(chuàng)建的(一個或多個)波瓣也是可能的。在線/棒的每個有源轉換部件都具有獨立控制的中間情況下，可以實現(xiàn)塊動作以及每部分的動作(受控部件相鄰并且限定了相對于波來說足夠大的部分的長度)。
如圖7的透視示意圖所示，根據(jù)(最大半徑)外圓所設置的線/棒構成所述結構的圓柱形包絡3。為了簡化，僅示出了外部包絡(未示出線/棒本身)、輻射元件2和兩個波束4和5。
圓柱PBG結構也在圖8中示出，它是根據(jù)本發(fā)明的示例天線的真實透視圖。在這個例子中，圓柱PBG結構包括三個同心圓，多個線/棒1被安排在每個同心圓上。傳導線/棒例如是金屬線/棒，它們被安排在空氣或電介質(zhì)中(以減小體積)。在如圖8所示的空氣的情況下，所述線/棒借助于支撐件而被保持。這個支撐件例如由(介電常數(shù)等于空氣)泡沫材料制成。在所說明的例子中，它包括水平的托盤或圓盤6。
現(xiàn)在將參考圖9描述根據(jù)本發(fā)明的波束轉換天線的操作，其包括具有通過線/棒所獲得的缺損的圓柱PBG結構，所述線/棒通過控制而被設置為非連續(xù)狀態(tài)(因此對于無線電波來說是透明的)。只示出了最接近天線的每個波瓣91、92的一部分。應當指出(圖9沒有示出波瓣最外面的部分)，優(yōu)選地獲得一個具有缺損區(qū)域或者由非連續(xù)線/棒(對于波是透明的)形成的窄波瓣，其被充分打開而不是被減小到最小，即對于圖9由幾個相鄰承載半徑(波瓣91)而不是單個(波瓣92)形成?？梢员容^波的這個干涉現(xiàn)象的效應與光衍射效應的結構。
如下實現(xiàn)對波束整形的控制。圓柱PBG結構由具有旋轉對稱性2的天線在中心處激勵。開始時，所有的有源線/棒1都處于連續(xù)狀態(tài)(它們處于由圖9的黑圓點表示的連續(xù)狀態(tài))，并且表現(xiàn)為(無線)電傳導/反射。為了創(chuàng)建給定方向的波束，在這個圓柱PBG結構中創(chuàng)建缺損，同時將絕緣狀態(tài)施加給在被定向于波束的期望方向中的一些線/棒的段之間的有源轉換部件。這些線/棒因而處于非連續(xù)狀態(tài)(它們處于由圖9的白圓點表示的非連續(xù)狀態(tài)中)并且對于無線電波基本上表現(xiàn)為透明。因此可以在空間的所有方向中定向波束。同時在不同方向中具有兩個或多個波束也是可能的。因此，在圖9的例子中，兩個波束91和92被同時創(chuàng)建。
圖10示出了用TSPBG材料制成的天線的兩個例子，(a)中的第一個例子具有90度角間隔的圓形徑向分布，而(b)中的第二個例子具有30度角的間隔。所述線/棒由二極管9所分隔的傳導段7構成，并且因此根據(jù)二極管的偏置或不偏置而可以被設置為連續(xù)狀態(tài)(波的傳導/反射)或非連續(xù)狀態(tài)(對于波是透明的)。中心輻射元件是偶極子。應當理解，在二極管可以被選擇性地控制的情況下(在線/棒中單獨地，成組地或全局地)，這個類型的結構能夠實現(xiàn)這樣的線/棒它的一個(幾個)部分可以相對于線/棒的剩余部分是非連續(xù)的，一個部分對應于線/棒的一部分(或全部)，其相鄰(鄰接)段被無線電地相互絕緣，線/棒的剩余部分是連續(xù)的。
在圖11(a)上，天線的45度TSPBG材料是透視圖，并且除了那些沿徑向的處于非連續(xù)狀態(tài)11(對于波是透明的)的那些線/棒之外，兩個圓形層的所有線/棒都處于連續(xù)狀態(tài)10(波的傳導/反射)。θ＝90°的輻射圖在圖11(b)中以dB給出。輻射圖的長軸位于具有非連續(xù)線/棒的徑向方向中。
在圖11(c)中，天線的45度TSPBG材料是透視圖，并且除了那些沿徑向的處于非連續(xù)狀態(tài)11(對于波是透明的)的那些線/棒之外，六個圓形層的所有線/棒都處于連續(xù)狀態(tài)10(波的傳導/反射)。θ＝90°的輻射圖在圖11(b)中以dB給出。輻射圖的長軸位于具有非連續(xù)線/棒的徑向方向中。
應當指出，在圖11(a)和(c)中，導體在從輻射元件的(絕緣)端部到第一個圓的線/棒的半徑中被置于天線結構的上下兩端，它們構成一個限定波朝向天線上部和下部傳播的線平面。
在圖12(a)到(d)上，單個偶極型輻射元件以2GHz的頻率輻射，并且偶極子的長度總共是75毫米。為了對稱，并且利用模擬軟件HFSS，只模擬天線的四分之一(圖12(d))。圖12(a)，遠場輻射圖在這個透視圖中形成一個環(huán)面。圖12(b)和圖12(c)，輻射圖是Φ＝0°和θ＝90°的投影圖。
在圖13(a)到(d)上，偶極子以2GHz的頻率在TSPBG材料內(nèi)輻射，線/棒沿著以45度角分隔的半徑被安排在同心圓上，所有線都處于連續(xù)狀態(tài)10(波的傳導/反射)，除了那些在非連續(xù)狀態(tài)11(對于波是透明的)的半徑的線/棒以及在形成輻射圖的波瓣的半徑的方向中的線/棒之外。為了對稱，并且利用模擬軟件HFSS，只模擬天線的四分之一(圖13(d))。在圖13(a)，遠場輻射圖在這個透視圖中形成一個波瓣。圖13(b)和圖13(c)，輻射圖是Φ＝0°和θ＝90°的投影圖。
在圖14(a)到(d)上，偶極子以2GHz的頻率在TSPBG材料內(nèi)輻射，線/棒沿著以22.5度分隔的半徑被安排在同心圓上，所有線都處于連續(xù)狀態(tài)10(波的傳導/反射)，除了那些處于非連續(xù)狀態(tài)11(對于波是透明的)的兩個相鄰半徑的線/棒以及在形成輻射圖的波瓣的半徑的方向中的線/棒之外。為了對稱，并且利用模擬軟件HFSS，只模擬天線的四分之一(圖14(d))。在圖14(a)上，遠場輻射圖在這個透視圖中形成一個波瓣。在圖14(b)和14(c)上，輻射圖是Φ＝0°和θ＝90°的投影圖。
由于它們能夠動態(tài)改變波束整形，所以控制裝置還可以構成波束轉換裝置。換言之，當更改被施加到幾個元件的線/棒的有源部件上的控制信號時，可以在至少一個第一波束和至少一個第二波束之間進行轉換。因此，特別是(但不只是)在具有移動臺的無線通信系統(tǒng)的基站收發(fā)信機中，可以應用根據(jù)本發(fā)明的所獲得的波束轉換天線。
在已經(jīng)給出的詳細示例中，已經(jīng)考慮了天線的特定情況，其PBG元件根據(jù)以圍繞輻射元件的同軸圓形式的圓形分布(全向偶極單天線)而被規(guī)律地安排，以簡化解釋和計算。實際上，所述輻射元件是全向的并且PBG元件以同心圓的規(guī)律安排，可以將模型化計算限于空間的某些區(qū)域，特別是成角度的。還可以導出天線特性的旋轉對稱。
然而所考慮的是，如果期望根據(jù)所考慮的角度方向的不同特性，則可以實現(xiàn)具有PBG/TSPBG元件的天線的其它結構，盡管連續(xù)/非連續(xù)的PBG材料以相同的方式被構造但是在角度上被調(diào)整單個輻射元件可以具有非全向圖和/或PBG元件以逐漸遠離在中心的輻射元件的恒定或非恒定偏心率而被安排在橢圓曲線(可能是圓)上。因此應當理解，模擬和所獲得的輻射圖可能顯得更加復雜。這類型的天線例如可以用于基站收發(fā)信機中，其中，環(huán)境是非均勻的并且包括波的障礙物和/或對于波有鏡面效應的建筑物(反射，多徑)和/或促進傳輸(海邊的Rx/Tx可以選擇默認地促進/微調(diào)朝向內(nèi)陸而不是朝向大海的傳輸)。
另一方面，已經(jīng)考慮了具有平行于輻射元件(z軸)的線性線/棒的PBG結構，其能夠整形一個或幾個波瓣，其中長軸基本垂直于輻射元件，這因而允許在也垂直于輻射元件的平面中的(一個或多個)波瓣的長軸的圓形掃描。在本發(fā)明的框架內(nèi)也可以考慮PBG結構具有非線性的平行線/棒，并且優(yōu)選地具有這樣的線/棒至少位于它們基本相互平行的一部分路徑上并且在圓型的圓形曲線上(圓弧中的線/棒)、橢圓(橢圓弧中的線/棒)。除了在垂直于輻射元件的平面上(xy平面)中整形(一個或多個)波瓣的可能性之外，線/棒的這種同心球面或橢圓面的結構，能夠更好地相對于xy平面在高度中整形波瓣(波瓣在zw平面中；w是通過xy平面的中心軸)，這因而允許空間中的(一個或多個)波瓣的長軸的體積掃描。在后一種情況中，對于線/棒的連續(xù)或非連續(xù)狀態(tài)的選擇是根據(jù)以高度確定的位置優(yōu)選地對每部分來執(zhí)行的。因此，例如可以實現(xiàn)這樣的天線，其中，線/棒被安排在圍繞全向天線的球形層中。如前所述，天線僅在線/棒或其部分是(無線)非導電的方向中進行輻射。如已經(jīng)看出的，對具有一個/幾個波瓣、甚至具有對于每部分所控制的線性線/棒的一部分空間進行掃描也是可能的。
應當理解，所述線/棒的一般形狀，特別是朝向它們的上和/或下端，可能脫離上面所述的形狀(線性、圓或橢圓)，以獲得朝向天線上部或下部的一個或多個波瓣的更特定的特性，這通過應用特定線/棒的形式并且例如是(與之前的線性、圓、橢圓相關聯(lián)或不相關聯(lián))三角形、正方形或長方形(特別是在天線的兩個軸向端部安排平面以限制朝上或朝下的輻射的情況中)。實際上，可能必須具有天線的入射處理，其特別在全向天線的天線罩應用的情況下被改進，并且在該情況下必須使用三維結構的網(wǎng)絡，這個三維結構的網(wǎng)絡由以直角彼此相交的線/棒的平面形成。
類似地，可以在根據(jù)線/棒的圓形曲線(圓或橢圓或其它的閉合曲線形狀)上的分布特性而實現(xiàn)的天線聯(lián)合中應用本發(fā)明，線/棒對于兩個(或更多的)分離的輻射元件來說是共用的，用于每個輻射元件的分布曲線在所述共用線/棒處彼此相交。
權利要求
1.一種能夠整形至少一個確定波長的無線電波的至少一個波束(4、5、61、62、91、92)的天線，該天線包括至少一個優(yōu)選地是無源的波的輻射元件(2)，該輻射元件被置于一組反射波且基本相互平行的線/棒中，所述線或棒由光子帶隙材料制成并且形成確定的結構，所述確定的結構包括缺損以便在根據(jù)所述缺損的位置和/或配置的方向中整形所述至少一個波束，其特征在于，所述線或棒和所述缺損被安排在一組N個的平面的同心閉合曲線上，N大于或等于2，所述輻射元件被安排在最里面的曲線之內(nèi)，并且所述曲線之間的距離小于波長的四分之一，線/棒的長度大于或等于波長的一半。
2.根據(jù)權利要求1的天線，其特征在于，所述曲線是在圓、橢圓、擺線之中選擇的，并且優(yōu)選地全都是圓，所述輻射元件基本上被置于所述圓的同心處。
3.根據(jù)權利要求1或2的天線，其特征在于，沿一條給定曲線的相鄰線/棒或缺損被安排在橫向等距的位置。
4.根據(jù)權利要求3的天線，其特征在于，所述相鄰線/棒或缺損的橫向距離對于所有的曲線都相等。
5.根據(jù)權利要求4的天線，其特征在于，所述曲線是圓，并且根據(jù)對于所有曲線都相等的恒定的橫向周期性分布，所述線/棒或缺損被安排在圍繞基本上在中心的輻射元件的至少兩個同心圓處。
6.根據(jù)權利要求1或2的天線，其特征在于，所述線/棒或缺損沿著穿過所述輻射元件且在所述平面中的分布軸，被安排在對應于所述曲線和分布軸的交叉的位置。
7.根據(jù)權利要求6的天線，其特征在于，所述分布軸在360度的平面上規(guī)律地分布，并且將該平面分成等角部分，所述角度部分的值優(yōu)選地是22.5度或22.5度的倍數(shù)。
8.根據(jù)權利要求7的天線，其特征在于，所述曲線是圓，并且根據(jù)對于所有曲線都相等的恒定的角度周期性分布，所述線/棒或缺損被安排在圍繞基本上在中心的輻射元件的至少兩個同心圓處。
9.根據(jù)前面權利要求中任一個的天線，其特征在于，所述輻射元件是全向的并且優(yōu)選地是偶極子，所述偶極子基本上平行于所述線/棒。
10.根據(jù)前面權利要求中任一個的天線，其特征在于，所述線/棒是直的。
11.根據(jù)權利要求1到9中任一個的天線，其特征在于，所述線/棒是彎曲的。
12.根據(jù)前面權利要求中任一個的天線，其特征在于，所述缺損是通過至少部分地移除一些所述線/棒來實現(xiàn)的，所述至少一個波束在根據(jù)被移除線/棒的位置和/或配置的方向中被整形。
13.根據(jù)前面權利要求中任一個的天線，其特征在于，至少一些所述線/棒每個都由至少兩個傳導段構成，段的最大長度小于波長的四分之一并且優(yōu)選地小于或等于波長的十分之一，所述線/棒的相鄰段被絕緣體隔開，每個線/棒都具有彼此絕緣的幾個段，該線/棒稱為非連續(xù)線/棒(11)，其對于波是透明的并且相當于至少被部分移除的線/棒的缺損。
14.根據(jù)權利要求13的天線，其特征在于，所有線/棒都是具有幾個段的線/棒。
15.根據(jù)權利要求13或14的天線，其特征在于，隔開所述線/棒中兩個相鄰段的至少一個絕緣體，包括有源轉換部件或由該部件構成，該有源轉換部件可以采取對于波為傳導的至少一個第一狀態(tài)，其中，所述具有幾個段的線/棒表現(xiàn)得像反射體，該線/棒稱為連續(xù)線/棒(10)，該有源轉換部件還可以采取對于波為絕緣的第二狀態(tài)，其中，所述具有幾個段的線/棒對于波是透明的并且相當于至少被部分移除的線/棒的缺損，其特征還在于，所述天線還包括所述有源部件的控制裝置，該控制裝置允許強制一些所述的具有幾個段的線/棒表現(xiàn)得像非連續(xù)線/棒(11)，所述至少一個波束在根據(jù)非連續(xù)線/棒的位置和/或配置的方向中被整形。
16.根據(jù)權利要求15的天線，其特征在于，在具有段和有源轉換部件的線/棒中，所述控制是通過一個或多個部分來實現(xiàn)的，所述部分是由所述線/棒的段集合的相鄰段的子集所形成的，所述子集可以包括從二直至所述線/棒的段的總數(shù)目，隔開一個部分的段的部件被設置為其第一狀態(tài)，而其它部件被設置為第二狀態(tài)，以便還能夠相對于所述平面在高度中定向一個或多個波束。
17.根據(jù)權利要求15或16的天線，其特征在于，所述有源部件的控制裝置構成了在至少一個第一波束和至少一個第二波束之間的整形和轉換裝置，以使所述天線是波束轉換天線。
18.根據(jù)前面權利要求中任一個的天線，其特征在于，所述天線是在公共或私有的民用電信網(wǎng)絡中的。
19.一種具有移動站的無線通信系統(tǒng)的基站收發(fā)信機，其特征在于，該基站收發(fā)信機包括至少一個根據(jù)權利要求17或18的波束轉換天線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能夠整形至少一個確定波長的無線電波的至少一個波束(4、5、61、62、91、92)的天線，該天線包括至少一個優(yōu)選地是無源的波的輻射元件(2)，該輻射元件被置于一組反射波且基本相互平行的線或棒(1)中，所述線或棒用光子帶隙(PBG)材料制成并且構成了確定的結構，所述確定結構包括缺損，以便在根據(jù)該缺損的位置和/或配置的方向中整形所述至少一個波束。根據(jù)本發(fā)明，所述線或棒和缺損被安排在一組N個平面的同心閉合曲線上，N大于或等于1，所述輻射元件被安排在最里面的曲線之內(nèi)。優(yōu)選地，所述曲線是圓，并且所述線/棒可以被控制以從波的傳導/反射狀態(tài)轉換到透明狀態(tài)。
文檔編號H01Q3/44GK1906809SQ200480041010
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月26日 優(yōu)先權日2003年11月27日
發(fā)明者盧斯特拉克 A·德, K·馬德約比, A－C·塔羅特, H·褒塔耶布, C·提雷特 申請人:科學研究國家中心, 雷恩第一大學, 巴黎南大學(巴黎十一大)