EP1568104B1

Multiple-beam antenna with photonic bandgap material

Abstract

A system includes a device for focusing electromagnetic waves, and a multiple-beam antenna. The antenna includes: a photonic bandgap material ( 20 ) having at least one band gap, at least one periodicity defect ( 36 ) of the photonic bandgap material so as to produce at least one narrow bandwidth within the bandgap material, and excitation elements ( 40 to 43 ) for transmitting and/or receiving electromagnetic waves within the at least one narrow bandwidth, the elements being arranged relative to one another so as to produce overlapping radiating spots.

EP1568104B1, drawing sheet 1
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Expired 23 October 2023, 2.9 years ago.

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11 claims: 11 independent, 0 dependent

  1. 1
    System for transmitting and/or receiving electromagnetic waves comprising:• a device (62) capable of focussing the electromagnetic waves transmitted and/or received by the system to a focal point, and• an electromagnetic wave transmitter and/or receiver positioned essentially at the focal point in order to transmit and/or receive said electromagnetic waves,characterised in that: it comprises a multi-beam antenna (4), the outer radiating surface of which is essentially positioned at the focal point in order to form said electromagnetic wave transmitter and/or receiver;in that the antenna comprises: • an FPB (forbidden photonic band) material (20, 42, 172) capable of spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves, this FPB material having at least one stop band and forming an outer radiating surface (38, 158) in transmission and/or reception,• at least one periodicity defect (36, 76, 78, 156, 180) of the FPB material in order to create at least one narrow pass-band within said at least one stop band of this FPB material, and• an excitation device (40 to 43, 84, 86, 160, 162, 190) capable of transmitting and/or receiving electromagnetic waves inside said at least one narrow pass-band created by said at least one defect, this excitation device being capable of working simultaneously at least around a first and a second separate operating frequency;in that the excitation device comprises a first and a second excitation element (40 to 43, 84, 86) separate and independent from one another, each capable of transmitting and/or receiving electromagnetic waves, the first excitation element being capable of working at the first operating frequency and the second excitation element being capable of working at the second operating frequency;in that the or each periodicity defect (36, 76, 78) of the FPB material forms a resonant cavity (36, 76, 78) with slots having a constant height in a direction orthogonal to said outer radiating surface (38) and determined lateral dimensions parallel to said outer radiating surface;in that the first and second operating frequencies are capable of exciting the same resonance mode of a resonant cavity (36, 76, 78) with slots, this resonance mode developing identically irrespective of the lateral dimensions of the cavity in order to respectively create a first and a second radiating patch (46 to 49) on said outer surface, each of these radiating patches representing the origin of a beam of electromagnetic waves radiated in transmission and/or reception by the antenna;in that each of the radiating patches (46 to 49) has a geometric centre, the position of which is a function of the position of the excitation element, which creates it and the surface area of which is greater than that of the radiating element which creates it, and in that the first and second excitation elements (40 to 43, 84, 86) are positioned relative to one another such that the first and second radiating patches (46 to 49) are disposed on the outer surface (38) of the FPB material beside each other and partially overlapping. System for transmitting and/or receiving electromagnetic waves comprising: • a device (62) capable of focussing the electromagnetic waves transmitted and/or received by the system to a focal point, and• an electromagnetic wave transmitter and/or receiver positioned essentially at the focal point in order to transmit and/or receive said electromagnetic waves,characterised in that: it comprises a multi-beam antenna (4), the outer radiating surface of which is essentially positioned at the focal point in order to form said electromagnetic wave transmitter and/or receiver;in that the antenna comprises: • an FPB (forbidden photonic band) material (20, 42, 172) capable of spatial and frequency filtering of the electromagnetic waves, this FPB material having at least one stop band and forming an outer radiating surface (38, 158) in transmission and/or reception,• at least one periodicity defect (36, 76, 78, 156, 180) of the FPB material in order to create at least one narrow pass-band within said at least one stop band of this FPB material, and• an excitation device (40 to 43, 84, 86, 160, 162, 190) capable of transmitting and/or receiving electromagnetic waves inside said at least one narrow pass-band created by said at least one defect, this excitation device being capable of working simultaneously at least around a first and a second separate operating frequency;in that the excitation device comprises a first and a second excitation element (40 to 43, 84, 86) separate and independent from one another, each capable of transmitting and/or receiving electromagnetic waves, the first excitation element being capable of working at the first operating frequency and the second excitation element being capable of working at the second operating frequency;in that the or each periodicity defect (36, 76, 78) of the FPB material forms a resonant cavity (36, 76, 78) with slots having a constant height in a direction orthogonal to said outer radiating surface (38) and determined lateral dimensions parallel to said outer radiating surface;in that the first and second operating frequencies are capable of exciting the same resonance mode of a resonant cavity (36, 76, 78) with slots, this resonance mode developing identically irrespective of the lateral dimensions of the cavity in order to respectively create a first and a second radiating patch (46 to 49) on said outer surface, each of these radiating patches representing the origin of a beam of electromagnetic waves radiated in transmission and/or reception by the antenna;in that each of the radiating patches (46 to 49) has a geometric centre, the position of which is a function of the position of the excitation element, which creates it and the surface area of which is greater than that of the radiating element which creates it, and in that the first and second excitation elements (40 to 43, 84, 86) are positioned relative to one another such that the first and second radiating patches (46 to 49) are disposed on the outer surface (38) of the FPB material beside each other and partially overlapping. 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 innerhalb 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. Système d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques comportant : - un dispositif (62) apte à focaliser les ondes électromagnétiques émises et/ou reçues par le système sur un point focal, et- un émetteur et/ou récepteur d'ondes électromagnétiques placé sensiblement au point focal de manière à émettre et/ou recevoir lesdites ondes électromagnétiques,caractérisé :- en ce qu'il comporte une antenne multi-faisceaux (4), dont la surface extérieure rayonnante est sensiblement placée sur le point focal de manière à former ledit émetteur et/ou récepteur d'ondes électromagnétiques,- en ce que l'antenne comporte : - un matériau BIP (20, 42, 172), Bande d'Interdiction Photonique, apte à filtrer spatialement et fréquentiellement des ondes électromagnétiques, ce matériau BIP présentant au moins une bande non passante et formant une surface extérieure (38, 158) rayonnante en émission et/ou en réception,- au moins un défaut (36, 76, 78, 156, 180) de périodicité du matériau BIP de manière à créer au moins une bande passante étroite au sein de ladite au moins une bande non passante de ce matériau BIP, et- un dispositif d'excitation (40 à 43, 84, 86, 160, 162, 190) apte à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques à l'intérieur de ladite au moins une bande passante étroite créée par ledit au moins un défaut, ce dispositif d'excitation étant apte à travailler simultanément au moins autour d'une première et d'une seconde fréquences de travail distinctes,- en ce que le dispositif d'excitation comporte un premier et un second éléments d'excitation (40 à 43, 84, 86) distincts et indépendants l'un de l'autre, aptes chacun à émettre et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques, le premier élément d'excitation étant apte à travailler à la première fréquence de travail et le second élément d'excitation étant apte à travailler à la seconde fréquence de travail,- en ce que le ou chaque défaut (36, 76, 78) de périodicité du matériau BIP forme une cavité (36, 76, 78) résonante à fuites présentant une hauteur constante dans une direction orthogonale à ladite surface extérieure rayonnante (38), et des dimensions latérales déterminées parallèles à ladite surface extérieure rayonnante,- en ce que la première et la seconde fréquences de travail sont aptes à exciter le même mode de résonance d'une cavité résonante à fuites (36, 76, 78), ce mode de résonance s'établissant de façon identique quelles que soient les dimensions latérales de la cavité, de manière à créer sur ladite surface extérieure respectivement une première et une seconde taches rayonnantes (46 à 49), chacune de ces taches rayonnantes représentant l'origine d'un faisceau d'ondes électromagnétiques rayonnées en émission et/ou en réception par l'antenne,- en ce que chacune des taches rayonnantes (46 à 49) présente un centre géométrique dont la position est fonction de la position de l'élément d'excitation qui lui donne naissance et dont la surface est supérieure à celle de l'élément rayonnant lui donnant naissance, et- en ce que le premier et le second éléments d'excitation (40 à 43, 84, 86) sont placés l'un par rapport à l'autre de manière à ce que la première et la seconde taches rayonnantes (46 à 49) soient disposées sur la surface extérieure (38) du matériau BIP l'une à côté de l'autre et se chevauchent partiellement.
  2. 2
    System according to Claim 1, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves is a parabolic reflector (62). System according to Claim 1, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves is a parabolic reflector (62). System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, ein Parabolreflektor (62) ist. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif apte à focaliser les ondes électromagnétiques est un réflecteur parabolique (62).
  3. 3
    System according to Claim 1, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves is an electromagnetic lens. System according to Claim 1, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves is an electromagnetic lens. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, die dafür geeignet ist, die elektromagnetischen Wellen zu fokussieren, eine elektromagnetische Linse ist. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif apte à focaliser les ondes électromagnétiques est une lentille électromagnétique.
  4. 4
    System according to any one of the preceding claims, characterised in that:• each radiating patch (46 to 49) is essentially circular, the geometric centre corresponding to a maximum value of transmitted and/or received power and the periphery corresponding to a maximum value of transmitted and/or received power equal to a fraction of the maximum power transmitted and/or received at its centre, and• the distance in a plane parallel to the outer surface separating the geometric centres of the two excitation elements (40 to 43, 84, 86) is strictly less than the radius of the radiating patch produced by the first excitation element added to the radius of the radiating patch produced by the second excitation element. System according to any one of the preceding claims, characterised in that: • each radiating patch (46 to 49) is essentially circular, the geometric centre corresponding to a maximum value of transmitted and/or received power and the periphery corresponding to a maximum value of transmitted and/or received power equal to a fraction of the maximum power transmitted and/or received at its centre, and• the distance in a plane parallel to the outer surface separating the geometric centres of the two excitation elements (40 to 43, 84, 86) is strictly less than the radius of the radiating patch produced by the first excitation element added to the radius of the radiating patch produced by the second excitation element. 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. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que : - chaque tache rayonnante (46 à 49) est sensiblement circulaire, le centre géométrique correspondant à un maximum de puissance émise et/ou reçue et la périphérie correspondant à un maximum de puissance émise et/ou reçue égale à une fraction de la puissance maximale émise et/ou reçue en son centre, et- la distance, dans un plan parallèle à la surface extérieure, séparant les centres géométriques des deux éléments d'excitation (40 à 43, 84, 86) est strictement inférieure au rayon de la tache rayonnante produite par le premier élément d'excitation ajouté au rayon de la tache rayonnante produite par le second élément d'excitation.
  5. 5
    System according to any one of the preceding claims, characterised in that the geometric centre of each radiating patch (46 to 49) is positioned on the line orthogonal to said outer radiating surface (38) and passing through the geometric centre of the excitation element (40 to 43) creating it. System according to any one of the preceding claims, characterised in that the geometric centre of each radiating patch (46 to 49) is positioned on the line orthogonal to said outer radiating surface (38) and passing through the geometric centre of the excitation element (40 to 43) creating it. 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. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le centre géométrique de chaque tache rayonnante (46 à 49) est placé sur la ligne orthogonale à ladite surface extérieure rayonnante (38) et passant par le centre géométrique de l'élément d'excitation (40 à 43) lui donnant naissance.
  6. 6
    System according to any one of the preceding claims, characterised in that the first and second excitation elements (40 to 43) are positioned inside the same cavity (36). System according to any one of the preceding claims, characterised in that the first and second excitation elements (40 to 43) are positioned inside the same cavity (36). 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. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier et le second éléments d'excitation (40 à 43) sont placés à l'intérieur d'une même cavité (36).
  7. 7
    System according to Claim 6, characterised in that the first and second operating frequencies are located inside the same narrow pass-band created by this same cavity (36). System according to Claim 6, characterised in that the first and second operating frequencies are located inside the same narrow pass-band created by this same cavity (36). System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Arbeitsfrequenz innerhalb desselben, von demselben Hohlraum (36) erzeugten schmalen Durchlassbands gelegen sind. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première et la seconde fréquences de travail sont situées à l'intérieur de la même bande passante étroite créée par cette même cavité (36).
  8. 8
    System according to any one of Claims 1 to 5, characterised in that the first and second excitation elements (84, 86) are each positioned inside separate resonant cavities (76, 78), and in that the first and second operating frequencies are each capable of exciting a resonance mode irrespective of the lateral dimensions of their respective cavity. System according to any one of Claims 1 to 5, characterised in that the first and second excitation elements (84, 86) are each positioned inside separate resonant cavities (76, 78), and in that the first and second operating frequencies are each capable of exciting a resonance mode irrespective of the lateral dimensions of their respective cavity. 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. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier et le second éléments d'excitation (84, 86) sont placés chacun à l'intérieur de cavités résonantes distinctes (76, 78), et en ce que la première et la seconde fréquences de travail sont aptes à exciter chacune un mode de résonance indépendant des dimensions latérales de leur cavité respective.
  9. 9
    Antenna according to Claim 8, characterised in that it comprises a reflector plane (74) of electromagnetic radiation associated with the FPB material (72), this reflector plane being deformed in order to form said separate cavities. Antenna according to Claim 8, characterised in that it comprises a reflector plane (74) of electromagnetic radiation associated with the FPB material (72), this reflector plane being deformed in order to form said separate cavities. 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. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan réflecteur (74) de rayonnement électromagnétique associé au matériau BIP (72), ce plan réflecteur étant déformé de manière à former lesdites cavités distinctes.
  10. 10
    System according to any one of the preceding claims, characterised in that the or each cavity is parallelepipedal in shape. System according to any one of the preceding claims, characterised in that the or each cavity is parallelepipedal in shape. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Hohlraum parallelepipedförmig ist. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque cavité est de forme parallélépipédique.
  11. 11
    System according to any one of Claims 1 to 9, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves comprises a semi-cylindrical reflector (202), and in that the FPB material of the antenna (204) has a convex surface corresponding to the semi-cylindrical surface of the reflector (202). System according to any one of Claims 1 to 9, characterised in that the device capable of focussing the electromagnetic waves comprises a semi-cylindrical reflector (202), and in that the FPB material of the antenna (204) has a convex surface corresponding to the semi-cylindrical surface of the reflector (202). 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. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif apte à focaliser les ondes électromagnétiques comporte un réflecteur (202) en forme de demi-cylindre, et en ce que le matériau BIP de l'antenne (204) présente une surface convexe correspondant à la surface en forme de demi-cylindre du réflecteur (202).