天線元件以及對應(yīng)的一維或二維天線陣列的制作方法
【專利摘要】天線元件(2)作為天線陣列的輻射元件，包括疊加的平面反射鏡(4)，探針(6)，和帶有缺陷的EBG型組裝件(8)，該組裝件(8)的缺陷以腔體(16)的形式形成。天線元件(2)包含墻面機殼(10)，該墻面機殼(10)能夠反射一個或多個天線元件(2)工作頻率處電磁波，所述墻面機殼(10)在平面反射鏡(4)正交方向上延伸并同時只包圍了探針(6)，腔體(16)和結(jié)構(gòu)件(14)。一維或二維天線陣列包括多個緊密連接的天線元件(2)。
【專利說明】天線元件以及對應(yīng)的一維或二維天線陣列
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)送天線或接收天線作為輻射元件的【技術(shù)領(lǐng)域】，該輻射元件在IGHz或幾GHz頻率左右可以達(dá)到優(yōu)異的方向性。
[0002]本發(fā)明還涉及波束固定或者波束可重構(gòu)的一維或二維天線陣列，天線陣列包括多個本發(fā)明中置于平面的天線元件。
[0003]傳統(tǒng)地，EBG(電磁帶隙)型天線元件被用作更復(fù)雜天線的輻射元件，其中每個EBG型天線元件的結(jié)構(gòu)基于電磁帶材料(Electromagnetic Band Materials)的原則進(jìn)行設(shè)計，且每個EBG型天線元件的輻射圖能夠形成一個接近于發(fā)光面上圓盤的斑。
[0004]國際專利申請W001/37373描述了此類天線元件的一些實施例。根據(jù)該申請文件，傳統(tǒng)的EBG型天線元件包含一個探針以及一個放置探針的元件組裝件,其中該探針能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成電磁能且能將電磁能轉(zhuǎn)換成電能，該元件組裝件由至少兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成。該組裝件習(xí)慣上包括基于電磁帶隙(EBG)材料原則設(shè)計的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在保證天線元件輻射的同時，保證對天線元件所產(chǎn)生和接收的電磁波在空間上和頻率上進(jìn)行濾波，從而使改善天線元件的方向性成為可能。
[0005]然而，當(dāng)天線元件集合并置到一個天線陣列后，EBG型天線元件之間有強耦合。由于鄰近探針放射的能量被每個探針捕獲以及不可控的重新分配，該強耦合在天線元件之間產(chǎn)生有害的破壞性的互擾。其結(jié)果是對應(yīng)天線陣列的輻射圖在一般情況下是混亂的，方向性不強。此外，每個源產(chǎn)生的基本輻射面疊加在另一個面上，形成了一個不均勻的不利于靈活性的輻射面。
[0006]本發(fā)明的目的在于提出一種強方向性的EBG型天線元件，該天線元件能夠產(chǎn)生預(yù)定形狀的輻射面，提高了與同類型鄰近天線的耦合性。也就是一種對周圍相同結(jié)構(gòu)的天線元件基本上不產(chǎn)生干擾，同時也基本上不受干擾的天線元件，并且該天線元件產(chǎn)生的輻射面非常有限，因此避免了輻射面之間的重疊。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明所涉及的用于組成天線陣列的天線元件包括:
[0008]探針，該探針能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成電磁能且能將電磁能轉(zhuǎn)換成電能；
[0009]平面電磁波反射鏡，該反射鏡支撐所述探針；和
[0010]元件組裝件，該元件組裝件由至少兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成，該元件組裝件包括:
[0011]基于電磁帶隙材料原則進(jìn)行配置的結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件在與平面反射鏡正交的方向上呈周期性排列；和
[0012]與所述平面反射鏡和所述結(jié)構(gòu)件接觸的腔體；
[0013]探針既可以被包含在反射鏡的平面上并與腔體接觸，也可以被包含在腔體中并與平面反射鏡接觸。腔體構(gòu)成了結(jié)構(gòu)件的周期性中的缺陷，由此使得組裝件具有EBG材料缺陷特性，其中，所述組裝件中的元件的安排保證了探針?biāo)a(chǎn)生和接收的電磁波能夠輻射以及在空間上和頻率上對電磁波進(jìn)行濾波，特別地，所述濾波使得天線元件的一個或多個工作頻率處于頻率帶隙中；
[0014]所述天線元件的特征在于其包含墻面機殼，該墻面機殼能夠反射一個或多個工作頻率處的電磁波，且所述墻面機殼在平面反射鏡正交方向上延伸并同時只包圍了探針，腔體和結(jié)構(gòu)件，利用墻面機殼能夠產(chǎn)生一個預(yù)定形狀的基本輻射面。
[0015]在器件表面，墻面機殼建立了一個由其輪廓預(yù)先確定的輻射面。而不包含墻面機殼的傳統(tǒng)EBG天線元件產(chǎn)生的輻射面為大于物理開口的圓形幾何圖形。
[0016]根據(jù)單獨或者結(jié)合考慮的其他特征:
[0017]墻面機殼橫切面的內(nèi)輪廓內(nèi)接與一個圓，其中，該圓的表面面積與橫切面的內(nèi)輪廓的表面面積之比在I到5之間；
[0018]優(yōu)選地，墻面機殼橫切面的外輪廓是一個正多邊形，該正多邊形優(yōu)選為有三條或四條邊；
[0019]優(yōu)選地，墻面機殼具有外輪廓是第一正多邊形，且內(nèi)輪廓是第二正多邊形的橫切面，第二正多邊形與第一正多邊形類似，第二正多邊形與第一正多邊形同軸且優(yōu)選為有三條或四條邊；
[0020]探針包括在由帶狀天線，偶極子，圓偏振天線，插槽和共面線盤天線構(gòu)成的裝置中；和
[0021]探針為帶狀天線，墻面機殼包括四面金屬壁，四面金屬壁劃定了一個菱形邊界，且該菱形邊界在與平面反射鏡正交的軸向有延伸高度，且相對該軸向的橫切面為正方形。延伸高度以及正方形的邊長實質(zhì)上分別等于天線元件工作頻率所對應(yīng)波長的一倍和一半。
[0022]本發(fā)明還涉及包括多個上述天線元件的一維或二維天線陣列，每個天線元件與另一個天線元件相對地進(jìn)行放置以在單片處緊密地覆蓋一個或多個平面支撐面，由此產(chǎn)生對應(yīng)多個輻射波瓣的像素化的輻射面。從而能夠產(chǎn)生一個輻射面，根據(jù)本領(lǐng)域公知的輻射與輻射開口等值原則，該輻射面上的電磁場能夠產(chǎn)生預(yù)期的輻射。
[0023]根據(jù)單獨或者結(jié)合考慮的其他特征:
[0024]包含在二維天線陣列中的天線元件的總數(shù)等于行數(shù)N乘以列數(shù)M。每個天線元件相對另一個天線元件放置，緊密地覆蓋平面支撐表面上的一個矩形，以形成一個N行和M列天線元件組成的矩形矩陣，其中，在任意相鄰兩個天線元件相對的墻面機殼相互接觸；
[0025]一維或二維天線陣列還包括:
[0026]功率分配裝置；
[0027]為多個不同幅相的天線元件供電的供電裝置，所述供電裝置在輸入端與功率分配裝置連接，并且在輸出端通過可控開關(guān)與多個天線元件連接，可控開關(guān)用來選擇性地打開或者關(guān)閉每個天線元件；和
[0028]供電裝置包括移相器裝置和/或放大器裝置。
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，其中:
[0030]圖1為本發(fā)明中一個具體實施例中天線元件的三維視圖；
[0031]圖2為表示傳統(tǒng)天線元件和圖1所示天線元件分別隨著頻率的增益變化曲線；
[0032]圖3示出了由多個根據(jù)圖1所示的天線元件組成的天線陣列的局部三維視圖；
[0033]圖4是本發(fā)明中圖3所示天線陣列的更完整的整體圖；
[0034]圖5A是圖3和圖4所示的天線陣列的俯視圖；
[0035]圖5B是現(xiàn)有技術(shù)中天線陣列的俯視圖；
[0036]圖6為表示現(xiàn)有技術(shù)中天線陣列和圖3，圖4中所示天線陣列的增益分別隨著頻率的變化的演化曲線；
[0037]圖7A為圖3，圖4中所示天線陣列的輻射圖；
[0038]圖7B為現(xiàn)有技術(shù)天線陣列的輻射圖；和
[0039]圖8為圖3中所示天線陣列和現(xiàn)有技術(shù)天線陣列中相鄰的兩個天線元件間的耦合隨著頻率的變化曲線；
[0040]圖9為本發(fā)明中包含如圖1所示天線元件的一維天線陣列的局部三維視圖；
[0041]圖10示出了現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)天線元件產(chǎn)生的輻射面；
[0042]圖11示出了本發(fā)明中天線元件產(chǎn)生的輻射面；
[0043]圖12A為本發(fā)明中將所有天線元件開啟時天線陣列的圖解視圖；
[0044]圖12B示出了對應(yīng)圖12A的天線陣列合成的輻射面；
[0045]圖13A為本發(fā)明中僅將一列天線元件開啟時天線陣列的圖解視圖；
[0046]圖13B示出了對應(yīng)圖13A的天線陣列合成的輻射面；
[0047]圖14為本發(fā)明天線陣列的工作原理的圖解視圖；
[0048]圖15為本發(fā)明中被配置成通過組合像素化輻射面來產(chǎn)生預(yù)期輻射面的天線陣列的圖解視圖；
[0049]圖16為本發(fā)明中包括多個天線元件的天線陣列覆蓋三個不同平面支撐面的示意圖。
[0050]根據(jù)圖1，天線元件2作為天線陣列的輻射元件，包括平面電磁波反射鏡4，探針6，元件組裝件8和墻面機殼10。其中，探針6能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成電磁能且能將電磁能轉(zhuǎn)換成電能，元件組裝件8由至少兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成，墻面機殼10能夠反射天線元件2工作頻率所在的電磁波。
[0051]平面反射鏡4為支撐探針6的一塊金屬片。
[0052]探針6是一個天線貼片，包括一個方形金屬板11，印有金屬板11的一個方形介質(zhì)基板12，該介質(zhì)基板12將金屬板11和平面反射鏡4分隔開。
[0053]金屬板11的邊長等于天線元件2的工作頻率所對應(yīng)波長λ ^的一半。而介質(zhì)基板12的邊長，記為L，實際上等于天線元件2的工作頻率所對應(yīng)波長λ。。
[0054]元件組裝件8包括結(jié)構(gòu)件14和腔體16，該結(jié)構(gòu)件14基于所述電磁帶隙(EBG)材料原則進(jìn)行配置，且在與平面反射鏡4正交的方向上呈周期性排列；該腔體16由空氣或者真空構(gòu)成，將結(jié)構(gòu)件14和探針6分隔開。
[0055]結(jié)構(gòu)件14包括交替的平面層，平面層分別由兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成，比如礬土和空氣。
[0056]結(jié)構(gòu)件14包括由EBG材料制成的大小相同的兩個條帶18和20，條帶18和20在高度h處穿過空氣腔體16形成與探針6相對的平面交叉十字，其中高度h由反射平面4指定。每個條帶的長度等于介質(zhì)基板12的邊長L，條帶的寬度窄于金屬板11的邊長。
[0057]這里的高度h實際上等于天線元件2的工作頻率所對應(yīng)波長λ ^的一半，也就是
λ 0/2。
[0058]此處，高度h與結(jié)構(gòu)件14的厚度的比值大于5。
[0059]墻面機殼10包括四面金屬壁21，四面金屬壁21同時包圍探針6，腔體16和由兩個條帶18和20組成的結(jié)構(gòu)件14。四面金屬壁21劃定了一個菱形邊界，且該菱形邊界在與反射平面4正交的Z軸方向有垂直延伸，高度為h，相對于該Z軸橫切面呈正方形。形成XY方向橫切面的正方形的邊長等于形成介質(zhì)基板12的正方形邊長L。
[0060]腔體16構(gòu)成了結(jié)構(gòu)件14的周期性中的缺陷，由此使得組裝件8具有EBG材料特性，其中，所述組裝件8中的元件的安排保證了探針6所產(chǎn)生和接收的電磁波能夠輻射以及在空間上和頻率上對電磁波進(jìn)行濾波。
[0061]特別地，濾波使得天線元件2的一個或者多個工作頻率能夠處于頻帶間隙內(nèi)。
[0062]因此組裝件8允許天線元件2在頻率帶隙內(nèi)擁有在一個或多個空間方向上的幾個頻率傳輸模式，而空間濾波本身取決于頻率和組裝件8內(nèi)的材料特性。
[0063]墻面機殼10使得并置的兩個天線元件2中的探針6之間的耦合極大地減弱，其中，天線元件2通過共享的金屬壁21與另一個天線元件2接觸。
[0064]在天線陣列中將上述并置的天線元件2 (天線元件2之間互不干擾)合并作為輻射元件時，只需少量的天線元件2就可以達(dá)到與由EBG天線構(gòu)成的無反射墻面機殼10的天線陣列相同的方向性。
[0065]進(jìn)一步地，墻面機殼10允許天線元件2產(chǎn)生一個形狀和分布域合適的輻射點。
[0066]構(gòu)成組裝件8的材料優(yōu)選低損耗材料，比如塑料，陶瓷，鐵氧體或者金屬。
[0067]通常，腔體16可以:
[0068]對所使用材料的介電和/或磁導(dǎo)和/或電導(dǎo)特性進(jìn)行局部修正；
[0069]對一種或多種材料的尺寸進(jìn)行局部修正。
[0070]通常，天線元件包括能夠?qū)㈦娔芎碗姶拍芑ハ噢D(zhuǎn)換的探針，包括支撐所述探針的平面電磁波反射鏡，還包括元件組裝件，該元件組裝件由至少兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成。
[0071]元件組裝件包括基于電磁帶隙材料原則進(jìn)行配置的結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件在與平面反射鏡正交的方向上呈周期性，元件組裝件還包括與所述平面反射鏡和所述結(jié)構(gòu)件接觸的腔體。
[0072]探針既可以被包含在反射鏡的平面上并與腔體接觸，也可以被包含在腔體中并與平面反射鏡接觸。腔體構(gòu)成了結(jié)構(gòu)件的周期性中的缺陷，由此使得組裝件具有EBG材料缺陷特性，其中，所述組裝件中的元件的安排保證了探針?biāo)a(chǎn)生和接收的電磁波能夠輻射以及在空間上和頻率上對電磁波進(jìn)行濾波，特別地，所述濾波使得天線元件的一個或多個工作頻率處于頻率帶隙中。
[0073]天線元件包括墻面機殼，該墻面機殼能夠反射一個或多個工作頻率處的電磁波，該墻面機殼在平面反射鏡正交方向上延伸并同時只包圍了探針，腔體和結(jié)構(gòu)件，利用墻面機殼能夠產(chǎn)生一個預(yù)定形狀的基本福射面。
[0074]通常，天線元件的探針包括在由條帶或片狀天線，偶極子，圓偏振天線，插槽和共面線盤天線構(gòu)成的裝置中。
[0075]通常，探針既可以被包含在反射鏡的平面上并與腔體接觸，也可以被包含在腔體中并與平面反射鏡4接觸。
[0076]通常，墻面機殼的橫切面的內(nèi)輪廓內(nèi)接于一個圓，其中，該圓的表面積與橫切面的內(nèi)輪廓的表面積之比在I到5之間。
[0077]優(yōu)選地，墻面機殼的橫切面的外輪廓是一個正多邊形，該正多邊形優(yōu)選為有三條或四條邊。
[0078]優(yōu)選地，墻面機殼的橫切面的外輪廓是第一正多邊形，墻面機殼的橫切面的內(nèi)輪廓是第二正多邊形，第二正多邊形與第一正多邊形類似，第二正多邊形與第一正多邊形同軸且優(yōu)選為有三條或四條邊。
[0079]在圖2中，曲線22，24分別表示傳統(tǒng)微帶天線和圖1所示天線元件隨著頻率的增益變化。
[0080]增益和方向性成比例，由曲線22，24可以清楚地看出，對于可比較的維度，天線元件2的方向性比起傳統(tǒng)微帶天線的方向性明顯提高。
[0081]實際上，沿著曲線22可以看出目前工藝水平的微帶天線的最大增益為6dBi，而本發(fā)明中從曲線24可以看出天線元件2的最大增益為11.5dBi。
[0082]因此，本發(fā)明天線元件2比起目前工藝水平下的微帶天線在增益和方向性上的性能都顯得十分優(yōu)異。
[0083]圖3所示為二維天線陣列26，如圖所示該天線陣列由多元(27)圖1所示相同的天線元件2在平面上排列形成。
[0084]在優(yōu)選例中，二維天線陣列26由5行和5列或者總數(shù)為25個天線元件2組成。
[0085]此處，多元27中的天線元件2為帶有缺陷的EBG天線，該EBG天線包括平面反射鏡4，片狀或條狀探針6，含腔體16的EBG組裝件8和墻面機殼10，該墻面機殼10由圍繞探針6和組裝件8的四個金屬壁21構(gòu)成。
[0086]二維天線陣列26的實施例并不局限于對圖3的描述，在二維天線陣列26的其它實施例中，也可以考慮替換天線元件2或者改變輻射元件的數(shù)量以及排列方式。
[0087]通常，構(gòu)成二維天線陣列26的多元27中的天線元件2相互之間相對地布置以在單片處緊密地覆蓋一個或更多的平面支撐表面，由此產(chǎn)生像素化的輻射表面以形成幾個輻射波瓣。
[0088]特別地，包含在二維天線陣列26中的天線元件2的總數(shù)等于行數(shù)N乘以列數(shù)M。在二維天線陣列26中，每個天線元件2相對另一個天線元件2放置，緊密地覆蓋平面支撐表面上的一個矩形，以形成一個N行和M列天線元件組成的矩形矩陣，其中，與相鄰兩個天線元件2相對的墻面機殼10相互接觸。
[0089]在圖4中，二維天線陣列26包括全部由參照物28指定的功率分配裝置，以及全部由參照物30指定的向多元27中的天線元件2供電的裝置。
[0090]通常，供電裝置30在輸入端與功率分配裝置28連接，并且在輸出端通過可控開關(guān)31與多個天線元件2連接，可控開關(guān)用來選擇性的打開或者關(guān)閉每個天線元件2。
[0091]每個可控開關(guān)31與不同的單一天線元件2連接。因此，在圖3和圖4所示的實施例中，二維天線陣列26從平面天線元件2表面逆流而上包括與25個天線元件2相連接的25個可控開關(guān)31。
[0092]二維天線陣列26還包括用于控制可控開關(guān)31的控制裝置，全部由圖5中的參照物32指定。
[0093]因此，天線元件2的可選以及可控的電源使得二維天線陣列26更加靈活，并且使得波束可以固定或者可重構(gòu)，該波束的輻射圖具有成形的主瓣。
[0094]由于天線元件的無線性能，簡單的開關(guān)的使用降低了控制的復(fù)雜度以及用于配置天線陣列的編程方式的復(fù)雜度。
[0095]另外，供電裝置30也可以包括移相器裝置和/或放大器裝置。
[0096]這些移相器和/或放大器使得二維天線陣列26具有最佳相位和振幅分布。
[0097]此外，這些移相器和/或放大器能夠提高輻射圖的品質(zhì)因數(shù)，所述輻射圖旁瓣減弱的同時主瓣增強。
[0098]因此，本發(fā)明中的二維天線陣列的優(yōu)勢在于:具有可重構(gòu)性，并且元件的數(shù)量有限，因而與現(xiàn)有技術(shù)中的天線陣列相比復(fù)雜度相對較低。
[0099]圖5A和圖5B所示分別為本發(fā)明中二維天線陣列26和現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列的俯視圖，其中現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列所包含的每個天線元件不含墻面機殼。
[0100]在這兩個天線陣列中，只有中央線上的天線元件2開啟。在圖5A和圖5B中，這些開啟的天線元件顯示符號“0N”。
[0101]在圖6中，曲線34，36分別表示圖5A和圖5B中所示二維天線陣列的增益隨著頻率的變化。
[0102]曲線34為本發(fā)明如圖5A所示二維天線陣列26的增益，該天線陣列由包含墻面機殼10的天線元件2構(gòu)成，曲線36為如圖5B所示二維天線陣列的增益，該天線陣列由現(xiàn)有技術(shù)中不包含墻面機殼10的天線元件構(gòu)成。
[0103]增益和方向性成比例，從曲線可以清楚地看出，本發(fā)明二維天線陣列26的方向性比起現(xiàn)有技術(shù)中二維天線陣列的方向性顯著提高。實際上，在曲線36中，現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列的最大增益為17dBi，而根據(jù)曲線34本發(fā)明二維天線陣列26的最大增益達(dá)到18.8dBi。
[0104]圖7A和圖7B所示分別為本發(fā)明中二維天線陣列26和現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列的輻射圖。從圖7B可以看出，現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列的輻射圖被打亂并且有多個旁瓣。相反地，本發(fā)明中二維天線陣列26的輻射圖，如圖7A所示，方向性很強而且旁瓣較弱。
[0105]因此，墻面機殼的出現(xiàn)提高了二維天線陣列26的方向性。
[0106]在圖8中，曲線38，40分別表示并置的兩個相同天線元件間的耦合隨著頻率的變化。
[0107]曲線38示出了現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列中的兩個相鄰的天線元件間的耦合，曲線40示出了本發(fā)明二維天線陣列26中兩個相鄰的天線元件2間的耦合。
[0108]由圖8可以看出，墻面機殼10的介入大幅度降低了相鄰天線元件間的耦合。實際上在曲線38中，現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列的耦合最大值達(dá)到_8dB，而曲線40中，后者最大值幾乎等于_20dB。
[0109]由此可以理解，本發(fā)明中的EBG型天線元件能夠產(chǎn)生形狀合適的輻射點，方向性較強，且增強了同類型相鄰天線元件間的耦合。實際上，本發(fā)明中的天線元件對周圍天線元件幾乎不產(chǎn)生干擾，同時也幾乎不受周圍天線元件的干擾。
[0110]因此，在本發(fā)明的二維天線陣列中，只需少量的天線元件就可以達(dá)到與由無反射墻面機殼EBG天線元件構(gòu)成的天線陣列相同級別的方向性。因此，本發(fā)明中由天線元件裝配和并置構(gòu)成的二維天線陣列，相比現(xiàn)有技術(shù)二維天線陣列來說，包含有限數(shù)量的元件，由于復(fù)雜度較低因此成本也較低。
[0111]另外，如圖9所示，本發(fā)明天線陣列是一維的，也就是說，例示天線陣列在單個方向上包含多個對齊的天線元件。
[0112]進(jìn)一步地，根據(jù)本發(fā)明形成天線陣列的天線元件有利地結(jié)合在一起。
[0113]圖10和圖11分別示出了現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)天線元件產(chǎn)生的輻射面和本發(fā)明中天線元件產(chǎn)生的輻射面。從圖10和圖11可以看出，在天線元件表面，墻面機殼建立了一個由其輪廓預(yù)先確定的方形輻射面。與之相反，傳統(tǒng)天線元件則不包含墻面機殼，因此產(chǎn)生的輻射面為圓形，而且是沒有預(yù)先確定的幾何圖形。
[0114]由圖10和圖11可以看出，本發(fā)明的天線元件能夠利用墻面機殼產(chǎn)生一個形狀預(yù)定且有限的輻射面，因此避免了當(dāng)天線元件并置時輻射面之間的重疊。
[0115]圖12A和圖12B所示分別為本發(fā)明中將所有天線元件開啟時的天線陣列，以及對應(yīng)的合成的輻射面。
[0116]圖13A和圖13B所示分別為本發(fā)明中僅將一列天線元件開啟時的天線陣列，以及對應(yīng)的合成的輻射面。
[0117]從這些圖中可以看出，本發(fā)明中的天線陣列是可重構(gòu)的，也就是說，可以通過選擇性地開啟構(gòu)成該天線陣列的天線元件使得輻射面的形成具有靈活性，因此通過結(jié)合由每個天線元件產(chǎn)生的基本輻射面能夠形成各種各樣的像素化輻射面。
[0118]需要注意的是，本發(fā)明中所提到的“天線陣列”相當(dāng)于并且習(xí)慣性地定義為由連接在饋電網(wǎng)絡(luò)中的多個源進(jìn)行驅(qū)動的一個天線，而不是相當(dāng)于一個天線陣列。本發(fā)明中“帶有像素化輻射開口”的天線陣列的工作原理包括產(chǎn)生任何預(yù)期形狀的輻射面。通過輻射開口理論，輻射面產(chǎn)生輻射圖，不管是通過簡單的空間傅里葉變換還是利用反射鏡通過雙空間傅里葉變換輻射圖都能夠保證一個給定的覆蓋面。操作過程如圖14所示。
[0119]為了形成該輻射面，在第一步中后者是像素化的平面，在第二步中，如圖15所示，由幾個天線元件構(gòu)成的天線陣列受控以使對應(yīng)于輻射面中每個像素的天線元件產(chǎn)生該輻射面的部分。因此，對應(yīng)每個像素的天線元件所產(chǎn)生的基本輻射面形成了對輻射面的充分逼近。
[0120]最后，利用天線元件(像素)構(gòu)成天線陣列十分有利于使輻射面的形成具有靈活性并且產(chǎn)生各種輸出，其中天線元件的開啟狀態(tài)(接通電源)或者關(guān)斷狀態(tài)(負(fù)荷50歐姆)使得能夠?qū)︻A(yù)期輻射面進(jìn)行充分逼近。天線配置如圖15所示。
[0121]另外，單獨一塊天線陣列包括幾個不同方向的平面支撐面，在每個支撐面上都放置有一組相關(guān)的天線元件，從而產(chǎn)生不同像素化的輻射平面以形成不同方向的輻射波瓣。
[0122]在如圖16所示的例子中，天線陣列42包括多個天線元件，每個天線元件相對另一個天線元件放置以在單片處緊密地覆蓋三個平面支撐面44，46，48。在如圖16所示的例子中，三個平面支撐面44，46，48都定義了一個不同的法線方向。
【權(quán)利要求】
1.線元件(2)作為天線陣列的輻射元件，其特征在于，包括: 探針￠)，用于將電能轉(zhuǎn)換成電磁能且能將電磁能轉(zhuǎn)換成電能； 支撐探針(6)的平面電磁波反射鏡⑷；和 元件組裝件(8)，該元件組裝件(8)由至少兩種不同介電常數(shù)和/或不同磁導(dǎo)率和/或不同電導(dǎo)率的材料制成，該元件組裝件(8)包括: 基于電磁帶隙(EBG)材料原則進(jìn)行配置的結(jié)構(gòu)件(14)，且該結(jié)構(gòu)件(14)在與平面反射鏡(4)正交的方向上呈周期性排列；和 與平面反射鏡(4)和結(jié)構(gòu)件(14)接觸的腔體(16)； 探針(6)既可以被包含在反射鏡(4)的平面上并與腔體(16)接觸，也可以被包含在腔體(16)中并與平面反射鏡⑷接觸；腔體(16)構(gòu)成了結(jié)構(gòu)件(14)的周期性中的缺陷，由此使得組裝件(8)具有EBG材料缺陷特性，其中，所述組裝件(8)中的元件的安排保證了探針(6)所產(chǎn)生和接收的電磁波能夠輻射以及在空間上和頻率上對電磁波進(jìn)行濾波，特別地，所述濾波使得天線元件(2)的一個或多個工作頻率處于頻率帶隙中； 所述天線元件(2)的特征在于包含墻面機殼(10)，該墻面機殼(10)能夠反射一個或多個工作頻率處電磁波，且所述墻面機殼(10)在平面反射鏡(4)正交方向上延伸并同時只包圍了探針￠)，腔體(16)和結(jié)構(gòu)件(14)，利用墻面機殼(10)能夠產(chǎn)生一個預(yù)定形狀的基本輻射面。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的天線元件(2)，其特征在于所述墻面機殼(10)橫切面的內(nèi)輪廓內(nèi)接與一個圓，其中，該圓的表面面積與橫切面的內(nèi)輪廓的表面面積之比在I到5之間。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的天線元件(2)，其特征在于墻面機殼(10)橫切面的外輪廓是一個正多邊形，該正多邊形優(yōu)選為有三條或四條邊。
4.據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的天線元件(2)，其特征在于墻面機殼(10)具有外輪廓是第一正多邊形，且內(nèi)輪廓是第二正多邊形的橫切面，第二正多邊形與第一正多邊形類似，第二正多邊形與第一正多邊形同軸且優(yōu)選為有三條或四條邊。
5.據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的天線元件(2)，其特征在于所述探針(6)包括在由帶狀天線，偶極子，圓偏振天線，插槽和共面線盤天線構(gòu)成的裝置中。
6.據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的天線元件(2)，其特征在于探針(6)為帶狀天線，墻面機殼(10)包括四面金屬壁(21)，四面金屬壁(21)劃定了一個菱形邊界，且該菱形邊界在與反射平面(4)正交的軸向有高度為h的延伸，且相對該軸向的橫切面為正方形，高度(h)以及正方形的邊長(L)分別等于天線元件(2)工作頻率所對應(yīng)波長的一倍和一半。
7.—維或二維天線陣列(26)，其特征在于，包括多元(27)如權(quán)利要求1至6所述的相鄰的天線元件(2)，每個天線元件相對另一個天線元件(2)放置以緊密地在單片處覆蓋一個或多個平面支撐面，由此產(chǎn)生對應(yīng)多個輻射波瓣的像素化的輻射面。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的一維或二維天線陣列(26)，其特征在于，所包含的如權(quán)利要求6所述的天線元件⑵的總數(shù)等于行數(shù)N乘以列數(shù)M。每個天線元件(2)相對另一個天線元件(2)放置，緊密地覆蓋平面支撐表面上的一個矩形，以形成一個N行和M列天線元件(2)組成的矩形矩陣，其中，與相鄰兩個天線元件(2)相對的墻面機殼(10)相互接觸。
9.據(jù)權(quán)利要求7至8中任一項所述的一維或二維天線陣列(26)，其特征在于，還包括: 功率分配裝置(28)； 為多元(27)天線元件(2)供電的供電裝置(30)，所述供電裝置(30)在輸入端與功率分配裝置(28)連接，并且在輸出端通過可控開關(guān)(31)與多個天線元件(2)連接，可控開關(guān)(31)用來選擇性的打開或者關(guān)閉每個天線元件(2)。
10.據(jù)權(quán)利要求9所述的一維或二維天線陣列(26)，其特征在于，供電裝置(30)包括移相器裝置和/或放大器裝置。
【文檔編號】H01Q1/52GK104137333SQ201280063980
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月21日
【發(fā)明者】B·杰蔻, M·哈杰, R·錢特拉, M·薩拉圖比 申請人:國家科學(xué)研究中心, 利摩日大學(xué)