JP2010504674A - Ｐｂｇ（フォトニックバンドギャップ）材料を使用するアンテナ、並びに、このアンテナを使用するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、フォトニック禁止帯（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｆｏｒｂｉｄｄｅｎ Ｂａｎｄ：ＰＦＢ）材料を使用するアンテナに関し、この場合に、デフォルトの状態では、アンテナの共振空洞（８）内において電磁波を注入及び／又は受信する表面（２６）は、少なくとも動作周波数の波長以上の幅又は長さ又は直径を有する。

Description

本発明は、ＰＢＧ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ Ｇａｐ：フォトニックバンドギャップ）材料を使用するアンテナと、このアンテナを使用するシステム及び方法に関する。

欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナが存在している。これらのアンテナは、少なくとも１次元の周期性並びに送信及び／又は受信において放射性を有する外部面を有する第１ＰＢＧ材料と、このＰＢＧ材料のストップバンド内において少なくとも１つの狭い通過帯域を生成することが可能である第１共振空洞を形成するＰＢＧ材料の少なくとも１つの周期性欠陥であって、この共振空洞は、放射性を有する外部面の反対側のＰＢＧ材料の下部面によって形成された上部壁及び当該上部壁と対向する下部壁を有するようなＰＢＧ材料の少なくとも１つの周期性欠陥と、上記共振空洞を共振させることが可能である少なくとも１つの励起装置であって、この励起装置は、狭い通過帯域内に含まれる動作周波数において電磁波を注入及び／又は受信する表面を有し、この表面は、空洞の下部壁と同一平面上にあるような少なくとも１つの励起装置とを具備する。

これらの既存のアンテナについては、例えば、Ｃ．Ｎ．Ｒ．Ｓ．（Ｃｅｎｔｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅ ｌａ Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｑｕｅ：フランスの国立科学研究センタ）によって出願された下記の特許文献１に記述されている。

既存のアンテナにおいては、励起装置は、通常、パッチアンテナ、ダイポール、プローブアンテナ、又はワイヤパッチアンテナである。

仏国特許出願第９９１４５２１号明細書

このような欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナは、高利得及び高指向性を有する。しかしながら、いくつかの応用分野では、このようなアンテナの指向性を更に増大させる必要がある。

本発明は、同一の欠陥を有するＰＢＧ材料を使用しつつ、既知のアンテナと比べて増大した指向性を有するアンテナを提案することにより、上記の必要性を充足することを目的としている。

従って、本発明は、ＰＢＧ材料を使用するアンテナに関し、この場合に、電磁波を注入及び／又は受信する表面は、少なくともλを上回る幅又は長さ又は直径を有する。ここで、λは、動作周波数の波長である。

上記電磁波を注入及び／又は受信する表面が波長λを上回る寸法（即ち、ここでは、幅又は長さ又は直径）を有する励起装置を使用するという事実により、ＰＢＧ材料を使用するアンテナの指向性が増大することが判明した。

更に正確には、本明細書に記載の「同一平面上にある（ｆｌｕｓｈ）」とは、実質的に反射器プレーン（接地プレーン）６（例えば、後述の図１参照）によって規定されたプレーン内にある表面を意味する。従って、電磁波を注入及び／又は受信する表面は、反射器プレーン６の上方又は下方の非常に小さな距離ｈに位置することが可能である。通常、反射器プレーンに対して垂直の方向ｚにおいて計測される距離ｈは、−λ／１０から＋λ／２０である際に非常に小さいものと見なされ、この場合に、−λ／１０は、反射器プレーンの下方の最大距離に対応し、且つ、＋λ／２０は、反射器プレーンの上方（即ち、共振空洞側）の最大距離に対応する。

このアンテナの実施例は、以下の特徴の中の１つ又は複数のものを有することが可能である。

電磁波を注入及び／又は受信する表面上における電磁波の電力の分布は、電力が最大である地点を有する。この地点は、その表面の周辺部から離れており、且つ、電力は、表面のプレーン内にあると見なされる直線の方向とは無関係に、この地点から周辺部に向かって延長する直線に沿って継続的に減少する。

励起装置は、共振空洞内において開放された遠端と、電磁波生成器及び／又は受信機に接続可能である近端とを備える少なくとも１つのフレア電磁導波路を有し、遠端の横断断面（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）の表面面積は、近端の横断断面の表面面積を正確に上回っており、且つ、導波路の遠端は、前述の電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、下部壁と同一平面上にある。

フレア導波路は、その横断断面が一定であり、且つ、近端の断面と等しい供給導波路と、その横断断面が、近端の横断断面と同一である小さな断面から遠端の横断断面と同一である大きな断面に増大するフレア部分とを有し、フレア部分の小さな断面は、供給導波路に対して端と端を接した状態（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ）で配置され、且つ、供給導波路の横断断面の寸法は、供給導波路内において電磁波の１つの伝播モードのみを許容するのに適している。

供給導波路の横断断面の寸法は、ＴＥ１０又はＴＥ１１伝播モードのみを許容するのに適している。

フレア部分の大きな断面からフレア部分の小さな断面を分離する最短距離は、ｄ_minを上回っており、ここで、ｄ_min＝０．２５＊ａであり、且つ、ａは、大きな断面の最大幅又は長さ又は直径に等しい。

励起装置は、それ自体が、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用する構造であり、励起装置の前述の電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、少なくとも１次元の周期性と、共振空洞の下部壁と同一平面上にある外部面とを有する第２ＰＢＧ材料（１１４）とを具備する。

励起装置は、共振空洞の下部壁に対して平行な方向において電磁波を導波する複数の横方向壁を有する導波路であり、これらの壁の中の１つのものは、前述の電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、導波される電磁波に対して透過性を有し、且つ、共振空洞の下部壁と同一平面上にある。

励起装置は、接地プレーンと、接地プレーンの表面に固定され、且つ、接地プレーンから電気的に絶縁された導電性材料のストリップとを有し、ストリップは、電磁波生成器及び／又は受信機に接続された際に、前述の電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、共振空洞の下部壁と同一平面上にある状態において固定される。

電磁波を注入及び／又は受信する表面は、厳密に放射外部面の表面面積未満であり、且つ、好ましくは、放射外部面の表面面積の２倍未満である。

共振空洞の下部壁と電磁波を注入及び／又は受信する表面とは、同一プレーン内にある。

アンテナは、共振空洞の下部壁と同一平面上にある電磁波を注入及び／又は受信する表面をそれぞれが有する複数の励起装置を備える。

これらのアンテナの実施例は、以下の利点を更に有する。

電波の電力の分布が最大値を有し、且つ、電磁波（電波）を注入及び／又は受信する表面の周辺部に向かって減少するため、同一のＰＢＧ材料により、既知のアンテナと同一の放射通過帯域を維持しつつ、指向性を増大させることが可能である。

励起装置としてフレア導波路を使用することにより、アンテナの利得を更に増大させることが可能である。

供給導波路を使用することにより、アンテナの動作の最も適切な電磁波伝播モードを選択することが可能である。

ＴＥ１０又はＴＥ１１伝播モードを使用することにより、アンテナの動作が最適化される。

ｄ_minを上回る距離により、電磁波を注入及び／又は受信する表面の領域内において電磁波の良好な位相の均一性を得ることが可能になり、この結果、アンテナの性能が改善される。

ＰＢＧ材料を使用する構造を励起装置として使用することにより、フレア導波路を使用した場合と比べて、その性能を同一に維持しつつ、アンテナの空間要件を節減することが可能である。

横方向壁の中の１つのものが、導波される電磁波に対して透過性を有する導波路を使用することにより、励起装置がフレア導波路であるアンテナと比べて、アンテナの空間要件を節減することが可能である。

電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく導電性材料のストリップを使用することにより、励起装置がフレア導波路である場合と比べて、ＰＢＧ材料を使用するアンテナの寸法を節減することが可能である。

又、本発明は、電磁波を送信及び／又は受信するシステムにも関し、このシステムは、システムによって送信及び／又は受信される電磁波を合焦する装置であって、この装置は、焦点を有するような装置と、送信又は受信において放射性を有し、且つ、実質的に電磁波を合焦する装置の焦点のレベルに配置された外部面を有するマルチバンドルアンテナとを備え、この場合に、マルチバンドルアンテナは、ＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）を使用するアンテナであって、少なくとも１次元の周期性並びに送信及び／又は受信において放射性を有する外部面を有する第１ＰＢＧ材料と、ＰＢＧ材料のストップバンド内において少なくとも１つの狭い通過帯域を生成することが可能である第１共振空洞を形成するＰＢＧ材料の少なくとも１つの周期性欠陥であって、この共振空洞は、放射外部面の反対側のＰＢＧ材料の下部面によって形成された上部壁と、上部壁と対向する下部壁とを有するようなＰＢＧ材料の少なくとも１つの第１周期性欠陥と、共振空洞を共振させることが可能である複数の励起装置であって、これらの励起装置は、狭い通過帯域内に含まれる動作周波数において電磁波を注入及び／又は受信する表面を有し、この表面は、共振空洞の下部壁と同一平面上にあるような複数の励起装置とを有する。

それぞれの電磁波を注入及び／又は受信する表面は、少なくともλを上回る幅又は長さ又は直径を有し、ここで、λは、対応する励起装置の動作周波数の波長である。

又、本発明は、ＰＢＧ材料を使用する前述のアンテナを利用して電磁波を送信及び／又は受信する方法にも関する。

本発明は、添付の図面を参照しながら、非限定的な例としてのみ提供される以下の説明を参照することにより、更に理解することができるであろう。

欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナのアーキテクチャの概略的な斜視断面図である。 欠陥を有するＰＢＧ材料を使用する既知のアンテナの斜視図である。 図１及び図２のアンテナを利用して取得した放射図のグラフである。 図１及び図２のアンテナを利用して取得した放射図のグラフである。 図１及び図２のアンテナを利用して取得した放射図のグラフである。 図１及び図２のアンテナの天頂指向性（ｚｅｎｉｔｈａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ）をその個々の動作周波数の関数として示すグラフである。 欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するマルチソースアンテナの第２実施例の斜視断面図である。 電磁波を合焦する装置を有する電磁波送信／受信システムの概略図である。 図１又は図７のアンテナにおいて使用可能なフレア導波路の様々な構造の概略図である。 図１又は図７のアンテナにおいて使用可能なフレア導波路の様々な構造の概略図である。 図１又は図７のアンテナにおいて使用可能なフレア導波路の様々な構造の概略図である。 図１又は図７のアンテナにおいて使用可能なフレア導波路の様々な構造の概略図である。 リッジ導波路（又は、リッジホーンアンテナ）の正面図である。 リッジ導波路（又は、リッジホーンアンテナ）の側面図である。 図１又は図７のアンテナにおいて使用可能なコルゲート導波路（ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）の概略図である。 ＰＢＧ材料を使用するアンテナのその他の実施例の概略図である。 ＰＢＧ材料を使用するアンテナのその他の実施例の概略図である。 ＰＢＧ材料を使用するアンテナのその他の実施例の概略図である。

図１は、３１．２ＧＨｚの動作周波数において動作するべく設計されたＰＢＧ材料を使用するアンテナ２を示す。アンテナ２は、ＰＢＧ材料４と、電磁波を反射する反射器プレーン６と、ＰＢＧ材料４と反射器プレーン６との間に形成された共振空洞８と、共振空洞８の励起用の装置（励起装置）１０とを有する。

例えば、ＰＢＧ材料４、共振空洞８、及び反射器プレーン６は、Ｃ．Ｎ．Ｒ．Ｓ．（Ｃｅｎｔｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅ ｌａ Ｒｅｃｈｅｒｃｈｅ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｑｕｅ）による１９９９年１１月１８日付けで公開された国際公開第１１３７３７３号（ＷＯ１１３７３７３）の開示内容に従って製造される。

一例として、ＰＢＧ材料４は、ここでは、垂直方向ｚにおいて、異なる誘電率の平坦なレイヤを積層することによって製造される。レイヤの各々は、方向ｚに対して直交する方向ｘ及び方向ｙによって規定された水平プレーン内において延長している。

更に正確には、アンテナ２は、その相対誘電率ε_γが５．４である材料から製造された２つの平坦なレイヤ１４及び１６と、２つのレイヤ１４及び１６の間に介在する空気のレイヤ１８とを有する。空気のレイヤは、例えば、方向ｚにおいて２．３ミリメートル（ｍｍ）の厚さを有する。

ここで、レイヤの各々は、矩形であり、且つ、１６１ミリメートルの長さｌ（エル）と、１００ミリメートルの幅Ｌとを有する。

レイヤ１４は、積層体の最上部に配設されており、且つ、従って、方向ｘ及び方向ｙに対して平行な放射外部面２０を有する。

共振空洞８は、レイヤ１６の下部面によって形成された上部壁と、反射器プレーン６の上部面によって形成された下部壁とを有する。共振空洞は、空気で充填されており、且つ、方向ｚにおいて４．７５ミリメートルの高さを有する。

反射器プレーン６は、方向ｘ及び方向ｙに対して平行に延長している。例えば、方向ｘ及び方向ｙにおける反射器プレーン６の寸法は、レイヤ１４及び１６のものと同一である。反射器プレーン６は、電磁波に対して不透過性を有する。例えば、反射器プレーン６は、金属等の導電性材料から製造される。

開口部２６が、実質的に反射器プレーン６の中央に形成されている。開口部２６は、ここでは、１４．４ミリメートル×１４．４ミリメートルの正方形の断面を有する。

装置１０は、電磁波生成器／受信機３０と、この電磁波生成器／受信機３０によって生成された電磁波を共振空洞８に向かって導波し、且つ、表面（放射外部面）２０によって受信された電磁波を生成器／受信機３０に導波する機能を有するフレア導波路３２とを備える。図１においては、送信される電磁波の伝播方向が、方向ｚに対して平行な波状の上向き矢印Ｆによって表されている。逆に、受信された電磁波の伝播方向は、方向ｚに対して平行な波状の下向き矢印Ｒによって表されている。

導波路３２は、ここでは、フレア部分３６に対して端と端を接した状態で配置された供給導波路３４によって形成されたピラミッド形ホーンである。

供給導波路３４は、一定の矩形の横断断面を有する。ここでは、「横断断面」という表現は、電磁波の伝播方向に対して垂直のプレーンにおける断面を意味する。横断断面の寸法は、ＴＥ１０モードによる電磁波の伝播のみを許容するべく選択される。ここでは、例えば、３１．２ＧＨｚの動作周波数の場合に、供給導波路３４の横断断面は、それぞれ、４．３ｍｍ及び８．６ｍｍの幅及び長さを有する。

導波路３４の近端は、電磁波生成器／受信機３０に対して直接的に接続され、反対側の端部は、フレア部分３６に対して端と端を接した状態で直接的に接合される。

セクション（フレア部分）３６は、導波路３４の端部に対して端と端を接した状態で接合された一端（エンドツーエンド（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ）端部）を有する。導波路３４の端部に対して端と端を接した状態で接合された一端は、８．６ｍｍ×４．３ｍｍの矩形断面を有する。又、導波路は、共振空洞８内において開放された遠端をも有する。更に正確には、フレア部分３６の遠端は、開口部２６内において開放されている。遠端及び開口部２６は、同一の寸法を有する。従って、遠端は、ここでは、反射器プレーン６によって規定されたものと同一のプレーン内において製造されている。

フレア部分３６の横断断面の幅及び長さは、フレア部分３６のエンドツーエンド端部と遠端との間において徐々に増大している。

通常、フレア部分３６のエンドツーエンド端部と遠端との間の方向ｚにおける距離ｄは、０．２５ａを上回り、且つ、好ましくは、ａ²／２を上回り、ここで、ａは、μｍ（ミクロン）を単位として表現された遠端の最大幅である。ここで、距離ｄは、０．５×ｌ_cから６×Ｌ_cであり、ここで、ｌ_c及びＬ_cは、それぞれ、フレア部分３６の遠端の横断断面の幅及び長さである。ここでは、横断断面は正方形であるため、ｌ_c及びＬ_cは等しい。

例えば、距離ｄは、ここでは、１９．４ミリメートルになるように選択されている。

フレアセクション（フレア部分）３６の遠端は、共振空洞８内において電磁波を注入及び受信する表面を形成している。この表面は、ここでは、伝播方向Ｆ及びＲに対して垂直である。上記表面は、ここでは、開口部２６のものと同一の寸法を有する。具体的には、アンテナ２の動作周波数が３１．２ＧＨｚであるため、表面の幅及び長さは、１．５λに等しく、ここで、λは、動作周波数の波長であることに留意されたい。これらの条件下において、アンテナ２の指向性は、図３〜図６に示されているように、同一の放射通過帯域を維持しつつ、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用する既存のアンテナの指向性よりも良好である。

図２は、仏国特許出願第９９１４５２１号（ＦＲ９９１４５２１）の開示内容に従って製造されたＰＢＧ材料を使用する既存のアンテナ４０を示す斜視図である。更に正確には、アンテナ４０は、装置１０によって励起される代わりに、パッチプローブ４２によって励起されるという点のみがアンテナ２と異なっている。パッチプローブ４２は、それぞれ、２．９ミリメートル及び４．３ミリメートルの幅及び長さを有し、３１．２ＧＨｚの動作周波数において電磁波を共振空洞８内に注入することが可能である。パッチプローブ４２の寸法は、その動作周波数によって決定され、且つ、従って、必然的に波長λを下回る。更に正確には、パッチプローブ４２の長さは、λ／２に等しい。

図３〜図５は、それぞれ、プレーンＥ内におけるアンテナ２及び４０の放射図、４５°のプレーン内におけるアンテナ２及び４０の放射図、並びに、プレーンＨ内におけるアンテナ２及び４０の放射図を示すものである。

これらのグラフにおいては、Ｘ軸は、アンテナの天頂方向との関係における計測方向の角度を表している。Ｙ軸は、デシベルを単位として表現された指向性を表している。図３〜図５のグラフ上において、破線は、アンテナ４０の放射図を表し、実線は、アンテナ２の放射図を表している。

理解されるように、アンテナ２の最大指向性は、天頂方向において発生する。アンテナ２の最大指向性は、アンテナ４０の最大指向性を１．７デシベルだけ上回っている。このアンテナの最大指向性は、ここでは、実質的に２２．９デシベル（ｄＢ）に等しい。

更には、アンテナ２の二次ローブは、放射図の計測のために考慮されたプレーンとは無関係に、アンテナ４０の二次ローブを明らかに下回っている。これは、アンテナ４０に対するアンテナ２の更なる利点である。

図６のグラフは、異なる動作周波数ｆにおける天頂方向におけるアンテナ２及び４０の（天頂における）最大指向性を示すものである。Ｙ軸は、デシベルを単位とする電力を表し、Ｘ軸は、動作周波数を表している。

図６において、破線及び実線は、それぞれ、アンテナ４０及びアンテナ２について得られた計測値を表している。

図６のグラフは、−３ｄＢという同一の通過帯域において、アンテナ２は、アンテナ４０のほぼ２倍の指向性である最大指向性を有することを示している。従って、その幅、長さ、又は直径が少なくとも波長λを上回る電磁波を注入及び／又は受信する表面を有する励起装置を使用することにより、同一の最大指向性において、アンテナの通過帯域を増大させることが可能である。実際に、このような励起装置によれば、選択性の低いＰＢＧ材料を使用することにより、ＰＢＧ材料を使用する従来のアンテナと同一の指向性を得ることが可能である。

図７は、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナ５０の別の実施例を示す斜視断面図である。例えば、アンテナ５０は、共振空洞８の励起のために複数の励起装置を有するという点を除いて、アンテナ２と同一である。図７を簡単にするべく、２つの励起装置５２及び５４のみが示されている。

例えば、励起装置５２は、アンテナ２の装置１０と同一である。

又、励起装置５４も、電磁波生成器／受信機３０が、励起装置５２によって使用される動作周波数とはわずかに異なる動作周波数において受信及び送信するのに適しているという点を除いて、装置１０と同一である。

従って、アンテナ５０は、マルチバンドルアンテナである。励起装置５２及び５４は、好ましくは、部分的にオーバーラップする放射スポット５６及び５８を放射外部面２０上に形成するべく、国際公開第２００４／０４０６９６号（ＷＯ２００４／０４０６９６）の開示内容に従って相互の関係において配列されている。

図８は、電磁波を送信及び受信するシステム６０を示す概略図である。システム６０は、電磁波を焦点６４に向かって合焦する装置６２を有する。例えば、装置６２は、パラボラ電磁波反射器又は凹面電磁波反射器である。又、装置６２は、受信した電磁波を焦点６４上に合焦するのに適したレンズであってもよい。

又、システム６０は、マルチバンドルアンテナ６６をも有し、この放射面は、焦点６４のレベルに配置されている。ここで、マルチバンドルアンテナ６６は、例えば、アンテナ５０と同一である。

図９〜図１４は、図１との関連において記述した導波路３２の代わりに使用可能である様々なタイプの導波路を示す概略図である。

更に正確には、図９は、ピラミッド形ホーンという名称で知られる導波路７０を示すものである。

図９において、伝播及び受信方向は、それぞれ、波状の矢印Ｆ及びＲによって表されている。

導波路３２と同様に、導波路７０は、フレア部分７４に対して端と端を接した状態で配置された供給導波路７２を有する。

供給導波路７２の横断断面は、矩形であり、且つ、一定である。この断面の長さ及び幅は、図９には、ａ₁及びｂ₁として示されている。

フレア部分７４の横断断面は、供給導波路７２のものに等しい横断断面から、更に幅の広い遠位横断断面に向かって徐々に増大している。この遠位横断断面の長さ及び幅は、図９には、ａ及びｂとして示されている。アンテナ２において使用するには、幅ａ又は長さｂの少なくとも１つのものは、動作波長λを上回らなければならない。

ピラミッド形ホーンに関する更なる情報については、「電磁ホーンの設計のためのいくらかのデータ（Ｓｏｍｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｈｏｒｎｓ）」（イー．エイチ．ブラウン（Ｅ． Ｈ． ＢＲＡＵＮＥ），アンテナ及び伝播に関するＩＲＥ会報（ＩＲＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇ．），第ＡＰ４巻、第１号、２９〜３１頁、１９５６年１月）という参考文献を参照されたい。

図１０は、円錐ホーンという名称で知られる別のタイプの導波路を示すものである。

円錐ホーンは、フレア部分８０に接続された供給導波路７８を有する。供給導波路７８及びフレア部分８０の両方の横断断面は、円形である。導波路７０の横断断面の寸法は、電磁波のＴＥ１１伝播モードのみを許容するべく決定される。

アンテナ２において使用するには、部分８０の遠位横断断面の最大幅、即ち、ここでは、直径ｄは、動作波長λを上回らなければならない。

フレア部分８０の内部は、滑らかであってよく、或いは、図１１に示されているように、羽根８２を有することも可能である。羽根８２により、電磁場は、壁に対して垂直の状態において強制的に打ち消される。

円錐ホーンに関する更なる情報については、「円錐ホーンの電磁場（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ｃｏｎｉｃａｌ ｈｏｒｎｓ）」（エム．ジー．ショール（Ｍ．Ｇ．ＳＣＨＯＲＲ）及びエフ．ジェイ．ベック（Ｆ． Ｊ． ＢＥＣＫ），アンテナ及び伝播に関するＩＲＥ会報（ＩＲＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇ．），第ＡＰ４巻、第１号、２９〜３１頁、１９５６年１月）の論文を参照されたい。

図１２は、「トラップホーン」という名称で知られる導波路８６の異なる実施例を示すものである。

導波路８６は、供給導波路８８及びフレア部分９０を有する。供給導波路８８は、円形導波路である。

フレア部分９０は、λ／４に近い深さを有する同軸リングによって構成される。ここで、λは、動作波長である。アンテナ２内において使用するには、これらの同軸リングの最大のものの直径は、波長λを上回らなければならない。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、「リッジホーン」という名称で知られる導波路９４を示すものである。

導波路９４は、そのフレア部分内に、電磁波の均一な位相シフトをもたらすべく設計された曲線に沿って、端と端を接した状態で接合された端部から遠端に向かって延長する２つの羽根９６、９８を有しており、この結果、更に大きな帯域幅を得ることが可能である。

フレア部分の遠端の横断断面は、例えば、正方形である。正方形の幅は、アンテナ２において使用するには、波長λを上回らなければならない。

このタイプの導波路に関する更なる情報については、「１ＧＨｚ〜１８ＧＨｚの広帯域ダブルリッジ・ホーンアンテナの分析及びシミュレーション（Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ １ ｔｏ １８ ＧＨｚ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｒｉｄｇｅ ｈｏｒｎｓ ａｎｔｅｎｎａ）」（バーンズ シー．（Ｂｕｒｎｓ Ｃ．）及びロイチマン ピー．（Ｌｅｕｃｈｔｍａｎｎ Ｐ．），電磁適合性に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）、第４５４巻、第１号、５５〜６０頁、２００３年２月）の論文を参照されたい。

図１４は、「コルゲートホーン」という名称によっても知られているコルゲート導波路１００を示すものである。

このタイプのコルゲートホーンは、ホーンのフレア部分１０４の内周に沿って延長する複数のリブ１０２を有する。

このようなコルゲートホーンは、回転対称であり、且つ、１オクターブを超過することが可能な通過帯域幅を有する。

導波路７０と同様に、フレア部分の遠端の矩形横断断面の長さａ₂及び幅ｂ₂の少なくとも１つのものは、アンテナ２において使用するには、動作波長λを上回らなければならない。

コルゲートホーンのリブ１０２により、電磁波のＨＥ１１伝播モードを生成することが可能である。

このタイプの導波路に関する更なる情報については、「コルゲートホーン設計用のカットオフ・コルゲート表面の特性（Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｃｕｔｏｆｆ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｈｏｒｎｓ ｄｅｓｉｇｎ）」（シー．エー．メンゼル（Ｃ． Ａ． Ｍｅｎｔｚｅｒ）及びエル．ピータース（Ｌ． Ｐｅｔｅｒｓ），アンテナ伝播に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇ．），第ＡＰ２２巻、第２号、１９１〜１９６頁、１９７４年３月）及び「コルゲートホーンアンテナのパターン分析（Ｐａｔｔｅｒｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｈｏｒｎｓ ａｎｔｅｎｎａｓ）」（シー．エー．メンゼル（Ｃ． Ａ． Ｍｅｎｔｚｅｒ）及びエル．ピータース（Ｌ． Ｐｅｔｅｒｓ），アンテナ伝播に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ａｎｔｅｎｎａｓ ｐｒｏｐａｇ．），第ＡＰ２４巻、第３号、３０４〜３０９頁、１９７６年３月）という論文を参照されたい。

図１５は、励起装置１０が共振空洞８の励起用の装置１１２によって置換されているという点を除いて、アンテナ２と同一である、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナ１１０を示す概略図である。

装置１１２は、それ自体が、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用する構造である。この装置１１２は、ＰＢＧ材料１１４と、反射器プレーン１１６と、共振空洞１１８であって、この上部壁は、ＰＢＧ材料１１４の下部面によって形成され、且つ、この下部壁は、プレーン１１６の上部面によって形成されるような共振空洞１１８と、アンテナの励起用の装置１２０とを有する。

装置１１２は、仏国特許出願第９９１４５２１号（ＦＲ９９１４５２１）の開示内容に従って設計されている。共振空洞１１８内に配置された励起装置１２０は、ここでは、パッチプローブ、ダイポール、スロットアンテナ又はワイヤパッチアンテナ、或いは、フレア導波路である。

装置１１２は、上部面１２２を有する。上部面１２２は、共振空洞８内において電磁波を注入及び受信するべく、反射器プレーン６内に形成された開口部２６の内部と同一平面上にある。

図１５において、波状の矢印Ｆ及びＲは、それぞれ、送信及び受信における電磁波の伝播方向を表している。

上部面１２２は、例えば、矩形であり、且つ、長さａ₃及び幅ｂ₃を有する。好ましくは、長さａ₃及び幅３_bは、同一の放射通過帯域幅を維持しつつ、アンテナの指向性及び利得を増大させるべく、アンテナ１１０の動作波長λを上回る。

ここでは、上部面１２２は、反射器プレーン６の表面と同一のプレーン内に配置されている。

図１６は、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナ１３０を示す概略図である。アンテナ１３０は、励起装置が励起装置１３２によって置換されているという点を除いて、アンテナ２と同一である。

装置１３２は、下部横方向壁１３４及び上部横方向壁１３６の端部に形成された導波路である。下部横方向壁１３４及び上部横方向壁１３６は、導波される波の伝播方向に対して平行であり、且つ、反射器プレーン６に対しても平行である。

矢印Ｇは、装置１３２の内部における電磁波の伝播方向を表している。以前の図と同様に、波状の矢印Ｆ及びＲは、アンテナ３０によって送信及び受信される電磁波の伝播方向を表している。

装置１３２は、導波された電磁波を受け入れる開口部１３８と、下部横方向壁１３４及び上部横方向壁１３６に対して垂直である端部１４０とを有する。端部１４０は、好ましくは、電磁波に対して不透過性を有するプレートによって閉鎖されている。

上部横方向壁１３６は、装置１３２によって導波された電磁波が共振空洞８に向かって逃避することを許容するべく、電磁波に対して透過性を有する材料から製造される。

ここで、上部横方向壁１３６は、反射器プレーン６によって形成されたものと同一のプレーン内において共振空洞８の内部と同一平面上にある。

上部横方向壁１３６を除いて、電磁波を導波するためのものであるその他の壁は、電磁波が逃避することを防止するべく、電磁波に対して不透過性を有する。

図１７は、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用するアンテナ１５０を示す概略図である。アンテナ１５０は、励起装置が励起装置１５２によって置換されているという点を除いて、アンテナ２と同一である。励起装置１５２は、反射器プレーン６と、反射器プレーン６に対して平行に延長する導電性材料のストリップ１５４と、電磁波生成器／受信機１５６とを有する。

ストリップ１５４は、反射器プレーン６から電気的に絶縁され、且つ、電磁波生成器／受信機１５６に対して接続されている。ストリップは、一定の幅ａ₄及び長さｂ₄を有する。長さｂ₄は、波長λを上回る。ストリップ１５４は、電磁波を注入及び受信する表面を形成している。

アンテナ１５０内において、反射器プレーン６は、導電性材料から製造されている。又、反射器プレーン６は、接地等の基準電位にも接続されている。

方向ｚにおいて計測される反射器プレーン６とストリップ１５４との間の距離ｈは、ここでは、λ／４０未満であり、従って、電磁波を注入及び／又は受信する表面は、反射器プレーン６と同一平面上にあると見なされる。

多数のその他の実施例が可能である。例えば、アンテナ２は、ここでは、動作周波数が３１．２ＧＨｚである特定のケースについて記述されている。しかしながら、本明細書に提供された開示内容によるＰＢＧ材料を使用するアンテナは、０．５ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの動作周波数用に設計することも可能である。

本明細書に記述されたフレア導波路を有する様々な励起装置用の供給導波路は、供給源３０が、正しい電磁波伝播モードのみを直接的に生成するのに適している場合には、省略可能である。変形例として、供給導波路の横断断面が動作周波数λを上回る幅又は長さ又は直径を有する場合には、フレア部分を省略することが可能である。

多数のその他のタイプの導波路を供給装置として使用することが可能である。例えば、ポッタホーン（Ｐｏｔｔｅｒ ｈｏｒｎ）を使用することが可能である。このタイプのホーンに関する更なる情報については、「抑圧されたサイドローブ及び同等のビーム幅を有する新しいホーンアンテナ（Ａ ｎｅｗ ｈｏｒｎ ａｎｔｅｎｎａ ｗｉｔｈ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｓｉｄｅ ｌｏｂｅｓ ａｎｄ ｅｑｕａｌ ｂｅａｍｗｉｄｔｈｓ）」（ピー．ディー．ポッタ（Ｐ． Ｄ． Ｐｏｔｔｅｒ），マイクロ波ジャーナル（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｊ．），第６巻、７１〜７８頁、１９６３年６月）を参照されたい。

但し、すべてのケースにおいて、反射器プレーンと同一平面上にあるような電磁波を注入／受信する表面は、動作波長λを上回る寸法、即ち、ここでは、幅、長さ、又は直径を有しなければならない。

好ましくは、反射器プレーンと電磁波を注入／受信する表面との間の距離ｈは、−λ／２０から＋λ／４０である。

Claims (14)

1. 欠陥を有するＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）材料を使用するアンテナにおいて、
   少なくとも１次元の周期性と、送信及び／又は受信において放射性を有する外部面（２０）とを有する第１ＰＢＧ材料（４）と、
   前記ＰＢＧ材料のストップバンド内において少なくとも１つの狭い通過帯域を生成することが可能である第１共振空洞（８）を形成する前記ＰＢＧ材料の少なくとも１つの第１周期性欠陥であって、前記第１共振空洞は、前記放射外部面の反対側の前記ＰＢＧ材料の下部面によって形成された上部壁及び前記上部壁と対向する下部壁とを有するようなＰＢＧ材料の少なくとも１つの第１周期性欠陥と、
   前記共振空洞を共振させることが可能である少なくとも１つの励起装置（１０、７０、８６、９４、１００、１１２、１３２及び１５２）であって、前記励起装置は、前記の狭い通過帯域内に含まれる動作周波数において電磁波を注入及び／又は受信する表面（２６、１２２）を有し、前記表面は、前記共振空洞の前記下部壁と同一平面上にあるような少なくとも１つの励起装置とを具備し、
   前記電磁波を注入及び／又は受信する表面は、少なくともλを上回る幅又は長さ又は直径を有し、ここで、λは、前記動作周波数の波長であることを特徴とするアンテナ。
2. 前記電磁波を注入及び／又は受信する表面上における前記電磁波の電力の分布は、前記電力が最大である地点を有し、前記地点は、前記表面の周辺部から離れており、且つ、前記電力は、前記表面のプレーン内にあると見なされる直線の方向とは無関係に、前記地点から前記周辺部に向かって延長する直線に沿って連続的に減少する請求項１記載のアンテナ。
3. 前記励起装置は、前記共振空洞内において開放される遠端と、電磁波生成器及び／又は受信機（３０）に対して接続可能である近端とを備える少なくとも１つのフレア電磁導波路（３２、５２、５４、７０、８６、９４及び１００）を有し、前記遠端の横断断面の表面面積は、前記近端の横断断面の表面面積を正確に上回り、且つ、前記導波路の前記遠端は、前記電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、前記下部壁と同一平面上にある請求項２記載のアンテナ。
4. 前記フレア導波路（３２、５２、５４、７０、８６、９４及び１００）は、その横断断面が一定であり、且つ、前記近端の前記断面と等しい供給導波路（３４、７２、７８及び８８）と、その横断断面が前記近端の前記横断断面と同一である小さな断面から前記遠端の前記横断断面と同一である大きな断面に増大するフレア部分（３６、７４、８０、９０及び１０４）とを有し、前記フレア部分の前記小さな断面は、前記供給導波路に対して端と端を接した状態で配置され、且つ、前記供給導波路の前記横断断面の寸法は、前記供給導波路内において１つの電磁波伝播モードのみを許容するのに適する請求項３記載のアンテナ。
5. 前記供給導波路（３４、７２、７８及び８８）の前記横断断面の前記寸法は、ＴＥ１０又はＴＥ１１伝播モードのみを許容するのに適する請求項４記載のアンテナ。
6. 前記フレア部分（３６、７４、８０、９０、１０４）の前記大きな断面から前記小さな断面を分離する最短距離は、ｄ_minを上回り、ここで、ｄ_min＝０．２５＊ａであり、且つ、ａは、前記大きな断面の最大の幅又は長さ又は直径に等しい請求項４又は５記載のアンテナ。
7. 前記励起装置は、それ自体が、前記励起装置の前記電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、少なくとも１次元の周期性と、前記共振空洞の下部壁と同一平面上にある外部面（１２２）とを有する第２ＰＧＢ材料（１１４）を具備する構造であって、欠陥を有するＰＢＧ材料を使用する構造（１１２）である請求項２記載のアンテナ。
8. 前記励起装置（１３２）は、前記共振空洞の前記下部壁に対して平行な方向において前記電磁波を導波する複数の横方向壁を有する導波路であり、これらの壁の中の１つのもの（１３６）は、前記電磁波を注入及び／又は受信する面を形成するべく、導波される前記電磁波に対して透過性を有し、且つ、前記共振空洞の前記下部壁と同一平面上にある請求項１記載のアンテナ。
9. 前記励起装置は、接地プレーン（６）と、前記接地プレーンの表面に対して固定され、且つ、前記接地プレーンから電気的に絶縁された導電性材料のストリップ（１５２）とを有し、前記ストリップ（１５２）は、電磁波生成器及び／又は受信機（３０）に対して接続された際に、前記電磁波を注入及び／又は受信する表面を形成するべく、前記共振空洞の前記下部壁と同一平面上にある状態において嵌め込まれる請求項１記載のアンテナ。
10. 前記電磁波を注入及び／又は受信する表面は、厳密に前記放射外部面（２０）の表面面積未満であり、且つ、好ましくは、前記放射外部面の前記表面面積の２倍未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載のアンテナ。
11. 前記共振空洞の前記下部壁と前記電磁波を注入及び／又は受信する表面とは、同一プレーン内にある請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ。
12. 前記アンテナは、それぞれが前記共振空洞の前記下部壁と同一平面上にある電磁波を注入及び／又は受信する表面を有する複数の励起装置（５２、５４）を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載のアンテナ。
13. 電磁波を送信及び／又は受信するシステムにおいて、
    前記システムによって送信及び／又は受信される前記電磁波を合焦する装置（６２）であって、前記装置は、焦点（６４）を有するような装置と、
    送信及び受信において放射性を有し、且つ、実質的に前記電磁波を合焦する装置の前記焦点のレベルに配置された外部面を有するマルチバンドルアンテナ（６６）とを備え、
    前記マルチバンドルアンテナは、
    少なくとも１次元の周期性と、送信及び／又は受信において放射性を有する外部面とを有する第１ＰＢＧ材料（４）と、
    前記ＰＢＧ材料のストップバンド内において少なくとも１つの狭い通過帯域を生成することが可能である第１共振空洞（８）を形成する前記ＰＢＧ材料の少なくとも１つの第１周期性欠陥であって、前記共振空洞は、前記放射外部面の反対側の前記ＰＢＧ材料の下部面によって形成された上部壁と、前記上部壁に対向する下部壁とを有するような前記ＰＢＧ材料の少なくとも１つの第１周期性欠陥と、
    前記共振空洞を共振させることが可能である複数の励起装置（１０、７０、８６、９４、１００、１１２、１３２及び１５２）であって、前記励起装置は、前記狭い通過帯域内に含まれる動作周波数において電磁波を注入及び／又は受信する表面（２６、１２２）を有し、前記表面は、前記共振空洞の前記下部壁と同一平面上にあるような複数の励起装置とを有する、ＰＢＧ（フォトニックバンドギャップ）材料を使用するアンテナであり、
    それぞれの電磁波を注入及び／又は受信する表面は、少なくともλを上回る幅又は長さ又は直径を有し、ここで、λは、対応する前記励起装置の前記動作周波数の波長であることを特徴とするシステム。
14. 電磁波を送信又は受信する方法において、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載のアンテナを利用して前記電磁波を送信する段階又は受信する段階を有することを特徴とする方法。

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