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Die
Erfindung betrifft eine PBG-Struktur umfassend eine Bezugsmassenfläche, und
mindestens zwei über
der Bezugsmassenfläche
angeordnete, miteinander wechselwirkende passive Filterstrukturen
zur Unterdrückung
der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in mindestens einer
Richtung parallel zur Bezugsmassenfläche; sowie eine Antenne, eine
Sende- und/oder Empfangseinheit und eine HF-Schaltung.
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Photonische
Band Gap (PBG)-Strukturen sind seit mehreren Jahren ein Forschungsschwerpunkt
im Bereich der Mikrowellentechnik. Sie weisen aufgrund ihrer Periodizität spezielle
frequenzselektive oder auch filternde Eigenschaften auf. Beispielsweise
kann eine PBG-Struktur aus einer Aneinanderreihung von Leiterelementen
bestehen, die über
einer elektrischen Bezugsmassenfläche angeordnet sind, in der
Mitte mit der Bezugsmassenfläche
kurzgeschlossen sind und über
die jeweiligen Ränder
benachbarter Elemente kapazitiv miteinander verkoppelt sind. Eine
Grundform von PBG-Strukturen umfasst z. B: eine Vielzahl von sog. „Pilzen", bei denen „Pilzhüte" durch Leiterelemente
(„Patche") und die Pilzstämme durch
elektrische Kontaktleitungen zur Bezugsmassenfläche hin gebildet sind. Die
Form der Leiterfläche
(des „Patches") kann quadratisch
sein, aber auch deutlich komplexere Formen annehmen. So kann die
Fläche
z. B. durch eine andere Form eines Vielecks (z. B. Rechteck oder
Achteck) gebildet werden. Zudem kann die Fläche von Aussparungen durchsetzt
sein, um die geometrische Ausdehnung zu reduzieren.
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Eine
weitere typische Form von PBG-Stukturen sind periodisch angeordnete
Streifen- bzw. Linienelemente. Hier ist die Periodizität nur in
einer Richtung in einer Ebene parallel zur Bezugsmassenfläche vorgesehen.
Die Funktionsweise dieser Linienelemente ist ähnlich wie bei den Patch-Elementen,
jedoch bilden sich die frequenzselektiven oder filternden Eigenschaften
in nur einer Richtung, nämlich in
der Richtung der Periodizität,
aus. Die Linienelemente können
parallel aber auch kreisförmig
oder spiralförmig
oder auf andere Weise gebogen ausgestaltet sein.
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In
der Regel werden die Linien- oder Patch-Elemente periodisch fortgesetzt,
d.h. Größe und Form
der Leiterelemente sowie deren Abstände zueinander bleiben in der
Fortsetzung der Struktur gleich. Es ist aber auch möglich, dass
die Größe der Leiterelemente
und deren Abstände
zueinander leicht variieren.
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Eine
charakteristische Eigenschaft solcher PBG- oder Filterstrukturen
ist, dass, innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs, einfallende
elektromagnetische Wellen mit einem Phasenwinkel von Null reflektiert
werden. Die PBG- oder Filterstruktur verhält sich somit im Gegensatz
zu einer metallischen Wand, welche elektromagnetische Strahlung mit
einem Phasenwinkel von 180 ° reflektiert,
wie eine in der Planaren Ebene liegende magnetische Wand. Dadurch
können
elektromagnetische Wellen innerhalb bestimmter Frequenzbänder, die
durch die geometrischen Abmessungen der Grundstrukturen bestimmt
sind, nicht entlang der Struktur propagieren. Diese spezielle Funktionsweise
lässt sich
dadurch erklären,
dass – unabhängig von
der jeweiligen Grundform – jeweils
2 nebeneinander liegende Elemente einen Schwingkreis bilden, der
durch die kapazitive Verkopplung der nebeneinander liegenden Leiterflächen und
die induktive Verbindung der Elemente über ihre die Massekontaktierung
beschrieben wird. Eine größere Aneinanderreihung,
also ein ganzes Feld von PBG- oder Filterstrukturen, wirkt wie eine
Zusammenschaltung solcher Schwingkreise, womit eine breitbandige
Bandstop-Charakteristik erreicht wird.
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Die
Fähigkeit
der PBG-Strukturen, eine Ausbreitung von Oberflächenwellen zu unterbinden,
erschließt
eine Fülle
von Anwendungsmöglichkeiten. So
können
die PBG- oder Filterstrukturen bei Antennen eingesetzt werden, um
die Abstrahlbzw. Empfangscharakteristik der Antennen positiv zu
beeinflussen. Beispielsweise kann das Polarisationsverhalten eines
Strahlers deutlich verbessert werden, wenn der Strahler von einer
PBG-Struktur umrandet ist. Auch das Verkoppeln bzw. Übersprechen
von Antennenstrukturen oder anderen elektrischen Schaltungsteilen
kann deutlich reduziert werden, wenn die Elemente durch PBG-Strukturen voneinander
getrennt werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass die theoretisch möglichen Vorteile solcher PBG-Strukturen in der Praxis
oft nicht vollständig
genutzt werden können, da
die optimale Funktionsweise der Strukturen eine unendliche periodische
Fortsetzung (unendlich ausgedehntes Feld) voraussetzt. Wird, was
in der Realität
immer notwendig ist, eine Struktur von endlich ausgedehnter Periodizität verwendet
(endliches Feld) oder werden einzelne Elemente innerhalb einer PBG-Struktur
ausgelassen (Aussparung), können
erhebliche Störeffekte
an den Übergängen auftreten, wie
z. B. Abstrahlung an den Übergängen, die
Ausbreitung von Leistung entlang der Übergänge oder Verkopplungen der
PBG- oder Filter-Strukturen mit in der Nähe befindlichen Schaltungsstrukturen
(z. B. Antennenelementen). Die Störeffekte können das Gesamtverhalten der
PBG-Struktur hinsichtlich der Unterdrückung der Ausbreitung von Oberflächenwellen
so stark beeinflussen, dass die genannten Vorteile nicht mehr vollständig zum
Tragen kommen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PBG-Struktur, eine
Antenne, eine Sende- und/oder Empfangseinheit und eine HF-Schaltung anzugeben,
wobei die genannten Störeffekte
reduziert sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die PBG-Struktur, die Antenne, die Sendeund/oder Empfangseinheit
und die HF-Schaltung, wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen welche jeweils einzeln
angewandt oder in geeigneter Weise beliebig miteinander kombiniert
werden können,
werden im Folgenden angegeben.
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Die
erfindungsgemäße PBG-Struktur
umfasst eine Bezugsmassenfläche
und mindestens zwei über
der Bezugsmassenfläche
angeordnete, miteinander wechselwirkende passive Filterstrukturen
zur Unterdrückung
der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in mindestens einer
Richtung parallel zur Bezugsmassenfläche, wobei die PBG-Struktur
in Bezug auf die Richtung parallel zur Bezugsmassenfläche einen
Rand aufweist, mit dem die PBG-Struktur bzw. die am Rand der PBG-Strukturen
befindlichen Filterstrukturen mit der Bezugsmassenfläche elektrisch
verbunden ist. Für
eine besonders kompakte Anordnung werden vorteilhafterweise zumindest
in einer Richtung zwei Filterstrukturen bzw. ein Paar von Filterstrukturen
vorgesehen.
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Durch
die besondere Ausgestaltung und Lage des Rands als elektrische Verbindung
mit der Bezugsmassenfläche
wird insbesondere bewirkt, dass die PBG-Struktur im Hinblick auf die kapazitiven und
induktiven Effekte virtuell periodisch fortgesetzt erscheint und
das Resonanzverhalten der PBG-Struktur somit sehr viel weniger gestört wird
als bei bekannten, endlich periodisch ausgedehnten PBG-Strukturen.
Dies wird insbesondere dadurch gewährleistet, dass der Verlauf
der Berandung im Wesentlichen den Lagepunkten der Durchkontaktierungen
der Randelemente der PBG-Strukturen folgt.
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Durch
eine besondere Ausgestaltung können
am Rand liegende Filterstrukturen, in der Ausdehnung ihrer Fläche in der
Ebene parallel zur Bezugsmassenfläche bzw. in der Richtung zur
Berandung hin auf etwa die Hälfte
reduziert werden.
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Erfolgt
die Berandung in zwei verschiedenen Richtungen, werden die in der
Ecke der Berandung liegenden Elemente in ihrer Fläche entsprechend
der Lage der Ecke begrenzt. So reduziert sich beispielsweise die
Fläche
einer Filterstruktur, welches an einer innen liegenden rechteckigen
Eckberandung liegt, auf etwa ein dreiviertel seiner ursprünglichen Fläche. Eine
an einer rechteckigen Außenberandung liegende
Filterstruktur wird auf etwa ein Viertel seiner Fläche reduziert.
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In
einer Ausgestaltung kann der Rand durch eine elektrisch leitende
Wand gebildet sein. Alternativ kann der Rand durch einen Zaun mit
vielen Verbindungsleitungen gebildet sein. Die Wand bzw. der Zaun
hat die Wirkung, dass auch in einem Bereich zwischen der Bezugsmassenfläche und
der Filterstruktur keine Störstrahlung
in einer Richtung parallel zur Bezugsmassenfläche durchgelassen wird. Durch die
Wand bzw. den Zaun wird sichergestellt, dass keine Energie in einem
Kanal unterhalb der Filterstruktur entlang der Bezugsmassenfläche entweicht.
Der Zaun kann durch eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Stiften,
welche als Durchgangskontaktierungen ausgebildet sein können, gebildet
werden.
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Die
PBG-Struktur weist insbesondere bezüglich der Bezugsmassenfläche im Wesentlichen
parallele elektrisch leitfähige
Leiterflächen
auf. In einer besonderen Ausgestaltung kann diese Fläche beispielsweise
ein Rechteck oder ein anderes Vieleck sein, das in der Nähe seines
geometrischen Flächenschwerpunkts
mit der Bezugsmassenfläche
verbunden ist. Zur Reduzierung der Gesamtabmessungen kann die Fläche auch
beliebige Unterbrechungen aufweisen.
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Die
PBG-Struktur kann zur Umrahmung eines oder mehrerer Strahlerelemente
einer Antenne dienen. Hierdurch können die Strahlerelemente elektromagnetisch
von einander entkoppelt werden. Insbesondere kann hierdurch die
Richtungscharakteristik der Antenne verbessert werden.
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Die
PBG-Struktur kann zur Passivierung der Bezugsmassenfläche und/oder
einer oder mehrere weiterer Bezugsmassenflächen einer HF-Schaltung dienen.
Hierdurch kann beispielsweise die Ausbildung von Oberflächenmoden,
Parallelplattenmoden oder höheren
Leitungsmoden unterdrückt
werden. Beispielsweise liegt die PBG-Struktur zwischen zwei oder
mehreren Schaltungselementen einer Schaltung. Die PBG-Struktur kann
ein Übersprechen
zwischen den Schalungselementen reduzieren bzw. unterbinden.
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Durch
die Ausgestaltung der Berandung kann eine effiziente Entkopplung
der Strablerelemente bzw. der Schaltungselemente auf engstem Raum bewirkt
werden. Zudem ermöglicht
es die Erfindung, die Grundfunktionalität der PBG- oder Filterstrukturen
auch dann zu erhalten, wenn diese so knapp berandet wird, dass in
mindestens einer Richtung nur noch sehr wenige, im Extremfall sogar
nur noch zwei miteinander wechselwirkende, resonanzfähige Strukturen
vorhanden sind.
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Ein
Feld von PBG- oder Filterstrukturen kann im Bezug auf mindestes
eine Richtung einen Feldrand aufweisen, mit dem die Filterstruktur
mit der Bezugsmassenfläche
elektrisch verbunden ist. Durch diesen Feldrand wird das Feld der
Filterstrukturen reflektionsarm begrenzt, wodurch Störeinflüsse vermieden
werden.
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Die
PBG-Struktur kann mindestens ein Feld von Filterstrukturen aufweisen,
wobei das Feld rotationssymmetrisch ist.
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Die
PBG-Struktur kann eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallel zu
einander ausgerichteten und streifenförmigen Filterstrukturen aufweisen.
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Die
PBG-Struktur kann eine Vielzahl von auf einem Gitter angeordneten
Filterstrukturen aufweisen, wobei beispielsweise der Abstand B zwischen den
Filterstrukturen und/oder der Gitterabstand D der Filterstrukturen
variiert. Unter Ab stand wird in einem ersten Sinn die Breite eines
Spaltes bzw. Zwischenraums zwischen zwei benachbarten Filterstrukturen verstanden.
In einem zweiten Sinn wird hiermit die Entfernung zwischen den Schwerpunkten
bzw. Zentren zweier benachbarter Filterstrukturen verstanden, wobei
beispielsweise die Filterstrukturen auf einem Gitter mit variierendem
Gitterabstand liegen.
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Die
Felder selbst können
linienförmig,
konzentrisch, streifenförmig
oder gitterförmig
sein, je nach Anwendung oder Grundform der Leiterelemente. Konzentrische
Anordnungen sind in speziellen Ausgestaltungen vorteilhaft, um konzentrische
Richtungssensitivität
zu erreichen. Streifenförmige
Anordnungen unterstützen
eine Richtungssensitivität
in einer Richtung. Schachbrettartige Anordnungen unterstützen eine
Richtungssensitivität
in zwei zueinander orthogonalen Richtungen.
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Die
PBG-Struktur kann zur Umrahmung eines einzelnen Strahlerelements
oder einer Strahlergruppe verwendet werden.
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Eine
weitere besondere Verwendung der Erfindung ist die Verwendung der
PBG-Struktur zur Trennung
von einzelnen Strahler- oder anderen Schaltungselementen.
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Der
Rand kann auch hier insbesondere durch eine elektrisch leitfähige Wand
bzw. einen elektrisch leitfähigen
Zaun gebildet sein. Mindestens ein Zaun bzw. eine Wand ist dann
insbesondere zu einem Strahler- oder Schaltungselement hin gerichtet.
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Der
Rand der PBG-Struktur kann zu mindestens einem Schaltungselement
einer HF-Schaltung hinweisen.
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Die
PBG-Struktur kann eine Vielzahl von Filterstrukturen aufweisen,
welche insbesondere ein Feld mit mindestens 4, insbesondere mit
mindestens 6, insbesondere mit mindestens 9, insbesondere mit mindestens
25, beispielsweise mit mindestens 64, Filterstrukturen bilden. Das
Verhältnis
der Anzahl der Filterstrukturen in einer ersten Richtung zu der
Anzahl von Filterstrukturen in einer zu der ersten Richtung senkrechten
zweiten Richtung kann mehr als 1:1.5, insbesondere mehr als 1:2,
beispielsweise mehr als 1:10, betragen.
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Vorteilhafterweise
weist die PBG-Struktur mindestens eine erste Filterstruktur und
mindestens eine zweite Filterstruktur auf, wobei die zweite Filterstruktur
im Wesentlichen durch Halbierung der ersten Filterstruktur hervorgeht.
Die zweite Filterstruktur ist insbesondere am Rand der PBG-Struktur
vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Antenne
zum Senden und/oder Empfangen einer elektromagnetischen Strahlung,
umfasst eine Bezugsmassenfläche,
mindestens ein über
der Bezugsmassenfläche
angeordnetes aktives Strahlerelement, und mindestens eine erfindungsgemäße PBG-Struktur,
wobei insbesondere die Antenne steuerbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Sende-
und/oder Empfangseinheit umfasst ein Hochfrequenzteil und die erfindungsgemäße PBG-Struktur
und/oder die erfindungsgemäße Antenne.
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Die
erfindungsgemäße HF-Schaltung
umfasst die erfindungsgemäße PBG-Struktur.
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Die
Antenne, die Sende- und/oder Empfangseinheit und die HF-Schaltung
profitieren von den besonderen Entkopplungseigenschaften der erfindungsgemäßen PBG-Struktur.
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Weitere
vorteilhafte Aspekte und spezielle Ausgestaltungen, welche jeweils
einzeln angewandt oder in geeigneter Weise beliebig miteinander
kombiniert werden können,
werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die Erfindung nicht
beschränken, sondern
lediglich exemplarisch illustrieren soll, näher erläutert.
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Es
zeigen schematisch:
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1 und 2 verschiedene
bekannte PBG-Strukturen in einer perspektivischen Schrägansicht;
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3 und 4 verschiedene
bekannte Antennenanordnungen mit PBG-Strukturen in einer perspektivischen
Schrägansicht;
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5 einen
Schnitt durch eine bekannte PBG-Struktur in einer Ebene senkrecht
zur Bezugsmassenfläche;
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6 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen PBG-Struktur in einer Ebene
senkrecht zur Bezugsmassenfläche;
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7 bis 11 verschiedene
Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Antenne in einer perspektivischen
Schrägansicht;
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12 eine
erfindungsgemäße Sende- und/oder
Empfangseinheit mit einer erfindungsgemäßen Antenne;
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13 bis 20 bekannte
PBG-Strukturen in der Draufsicht;
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21 bis 37 erfindungsgemäße PBG-Strukturen;
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38 eine
erfindungsgemäße HF-Schaltung;
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39 eine
erfindungsgemäße PBG-Struktur
im Querschnitt;
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40 bis 45 erfindungsgemäße PBG-Strukturen
im Querschnitt zur Passivierung von Bezugsmassenflächen bzw.
Entkopplung zweier Leitungsstrukturen.
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1 zeigt
eine bekannte Anordnung einer photonischen Band-Gap-Struktur (PBG-Struktur) 18. Die
PBG-Struktur 18 wird durch eine Vielzahl von Filterstrukturen 4 gebildet,
welche oberhalb einer Bezugsmassenfläche 2 angeordnet sind.
Die Filterstrukturen 4 sind periodisch auf einem Gitter
mit einer Gitterkonstanten D (s. 7) angeordnet.
Die Filterstruktur 4 weist die Form eines Pilzes auf, da
das Leiterelement über
einen Fuß 22 mit
der Bezugsmassenfläche 2 elektrisch
verbunden ist. Die Filterstruktur 4 weist eine Strahlerfläche 10 auf,
welche im Wesentlichen parallel zur Bezugsmassenfläche 2 liegt. Die
Strahlerfläche 10 kann
als Leiterfläche
ausgebildet sein. Durch eine geeignete Dimensionierung der Strahlerfläche 10,
des Fußes 22 und
der verwendeten Materialien, insbesondere der in der Nähe befindlichen
Dielektrika, wird eine Oberflächenwelle 21 in ihrer
Ausbreitung in einer Richtung parallel zur Massenfläche 2 unterdrückt. Durch
die endliche Größe der bekannten
PBG-Struktur und die damit verbundene unzureichende Impedanzanpassung
entstehen nachteilige Reflexionen, Wellenausbreitung entlang des Überganges 29 bzw.
Reflexion und Strahlung an dem Übergang 29.
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2 zeigt
eine ähnliche
Situation wie in 1, jedoch sind die Filterstrukturen 4 als
Streifen ausgebildet, wodurch die Ausbreitung der Oberflächenwelle 21 nur
in Richtung der Periodizität
der Streifen unterdrückt
wird.
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3 und 4 zeigen
bekannte Antennenanordnungen mit PBG-Strukturen in einer perspektivischen
Schrägansicht,
wobei die PBG-Strukturen 18 zur Unterdrückung von Störstrahlung
durch Oberflächenwellen
auf der Massefläche
(3) oder zur Entkopplung von Strahlerelementen
(4) 3 eingesetzt werden. In 4 wird
die PBG-Struktur als schmales Feld bzw. Doppelzeile ausgebildet.
Die PBG-Strukturen 18 verhindern,
dass sich eine elektrische Welle von einem Strahlerelement 3 ausgehend parallel
zur Oberfläche
der Bezugsmassenfläche 2 ausbreitet.
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5 zeigt
die Funktionsweise einer PBG-Struktur, welche auf der periodischen
Fortsetzung basiert. Die Filterstrukturen 4 bilden im Zusammenspiel
mit ihren Nachbarn 4 Serienschwingkreise aus, welche durch
eine Kombination kapazitiver und induktiver Effekte wie ein Bandstopfilter
wirken. Die PBG-Struktur 18 wird durch mindestens zwei
gegenüberliegende
bzw. gepaarte Filterstrukturen 4 gebildet. Die Filterstrukturen 4 bilden
die Grundelemente, aus denen die PBG-Struktur aufgebaut ist. Ist
die Fläche
der PBG-Struktur wie in 5 dargestellt, räumlich begrenzt,
können
die Randelemente 24 aufgrund fehlender Nachbarn keinen
ausbalancierten Schwingkreis mehr bilden. In den Randbereichen rechts
und links ist eine Kapazität
C und eine Induktivität
L unkompensiert, so dass ein unkompensierter Übergang 29 mit einer
Randstrahlung 23 entsteht. Aufgrund der räumlichen
Begrenzung und fehlender Nachbarn können die Randelemente 24 keinen
Impedanz angepassten Abschluss des Serienschwingkreises bilden.
Die Schaltung ist somit an einer ungünstigen Stelle unterbrochen,
wodurch die am Übergang 29 liegende
Filterstruktur 24 die PBG-Struktur durch eine ungünstige Impedanz
belastet. Dieses hat eine Auswirkung auf die Gesamtfunktionalität der PBG-Struktur 18 und
kann zu Abstrahlungseffekten führen
sowie Verkopplungseffekte mit in der Nähe dieser Begrenzung liegenden
Schaltungselementen, beispielsweise Antennen, verursachen.
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6 zeigt
Filterstrukturen 4 einer erfindungsgemäßen PBG-Struktur 18 in
einer Schnittansicht, wobei die Schnittebene senkrecht zur Bezugsmassenfläche 2 ist.
Mehrere mit der Masse verbundene Filterstrukturen 4 bilden
ein Feld 12. Ein Feldrand 13 des Feldes 12 wird
durch den Rand 5 einer Filterstruktur 4 gebildet.
Der Rand 5 stellt den elektrischen Kurzschluss der Filterstruktur 4 mit
der elektrischen Bezugsmassenfläche 2 her.
Durch die besondere Wahl des Rands 5 als elektrische Verbindung mit
der elektrischen Bezugsmasse 2 werden die elektromagnetischen
Randbedingungen besonders günstig
gewählt
und die Periodizität
der Filterstrukturen 4 erscheint elektromagnetisch fortgesetzt.
Die Unterbrechung der PBG-Struktur bzw. die Berandung findet an
einer geeigneten Stelle statt, wodurch die Funktionalität der Filterwirkung
der PBG-Struktur 18 nicht verstimmt wird. Der Rand 5 bzw.
der Feldrand 13 kann als elektrisch leitfähige Wand 7 gebildet sein.
Die elektrisch leitfähige
Wand 7 verhindert einen Energiedurchfluss unter den Filterstrukturen 4. Hierdurch
werden Wechselwirkungen mit den in der Nähe befindlichen Schaltungselementen
weitestgehend unterbunden. Die elektrische Wand 7 kann
entweder durch eine tatsächlich
eingezogene Metallfläche
oder einen dichten Zaun 8 von Verbindungsleitungen 9 (siehe 10)
gebildet sein. Die Filterstrukturen 4, 24 am Rand 5 eines
Feldes 12 sind im Vergleich zu den Filterstrukturen 4 im
Inneren des Feldes 12 halbiert. Da durch den Rand 5 die
Filterstrukturen 4, 24 (nahezu) vorsprungsfrei
mit der Bezugsmassenfläche 2 verbunden
sind, entstehen keine Fehlanpassungen.
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7 bis 11 zeigen
verschiedene vorteilhafte erfindungsgemäße Filterstrukturen in Kombination
im Einsatz mit Strahlerelementen 3, welche von den Filterstrukturen 4 umrahmt
oder durch diese getrennt sind. Die Filterstrukturen 4 weisen
an ihrem Rand 5 zum Strahlerelement 3 hin eine
elektrisch leitfähige
Wand 7 auf, welche die Filterstrukturen 4 mit der
Bezugsmassenfläche 2 elektrisch
kontaktieren. Die Filterstrukturen 4 weisen eine Strahlerfläche 10 als
Pilzhut und einen Fuß 22 auf.
Die Filterstrukturen 4 liegen auf einem Gitter mit einer
Gitterkon stante D. In 8 bilden eine Vielzahl von Filterstrukturen 4 ein
ausgedehntes Feld 12 von Filterstrukturen 4. Das Feld 12 ist
an einer dem Strahlerelement 3 zugewandten Seite 15 durch
den Feldrand 13 begrenzt. Der Feldrand 13 bildet
einen Zaun 8, der mit der Bezugsmassenfläche elektrisch
verbunden ist. In 8 ist das Feld 12 außen durch
einen weiteren Zaun 25 begrenzt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Randes 5 als elektrische Verbindung mit der Bezugsmassenfläche 2 wird
ein besonders vorteilhaftes Impedanzverhalten der Filterstruktur 4 bewirkt.
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In 9 sind
zwei Strahlerelemente 3 durch eine PBG-Struktur voneinander
weitgehend entkoppelt. Der Abstand A der Mittelpunkte zweier benachbarter
Strahlerelemente 4 beträgt
hier zwischen einer halben Wellenlänge und einer Wellenlänge der
von der Antenne abgestrahlten bzw. empfangenden elektromagnetischen
Strahlung. Der Abstand A kann auch mehrere Wellenlängen betragen.
Die Wellenlänge
liegt beispielsweise zwischen 1 mm und 1 m. Die Breite eines Spaltes
zwischen zwei benachbarten Strahlerelementen 4 beträgt beispielsweise
weniger als ein Zehntel der Wellenlänge. Die PBG-Struktur wird
durch eine Vielzahl von Filterstrukturen 4 gebildet. Die
Filterstrukturen 4 bilden ein Feld 12 von Filterstrukturen.
Das Feld 12 ist an den jeweiligen den Strahlerelementen 3 zugewandten
Seiten 15 durch einen Feldrand 13 begrenzt. Der
Feldrand 13 wird durch eine Wand 7 gebildet, welche
die Filterstrukturen 4 mit der Bezugsmassenfläche 2 elektrisch
kurzschließt.
Im Inneren des Feldes 12 sind die Filterstrukturen 4 pilzförmig. Am
Feldrand 13 sind die Filterstrukturen 4 im Vergleich
zu denjenigen im Inneren des Feldes 12 halbiert.
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10 zeigt
eine Antenne 1 wie in 9, bei der
jedoch die Filterstrukturen 4 als Streifen ausgebildet
sind, die Wand 7 als Zaun 8 mit einer Vielzahl
von elektrischen Verbindungsleitungen 9 ausgebildet ist und
ein Strahlerelement 3 einen Kurzschlusspunkt 16 aufweist.
Der Kurschlusspunkt 16 verbindet das Strahlerelement 3 mit
der Bezugsmassenfläche 2 elektrisch.
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11 zeigt
einen besonders kompakten Aufbau einer Antenne 1 mit einem
Feld 17 von Strahlerelementen 3, welche jeweils
durch eine besonders kompakte PBG-Struktur voneinander entkoppelt sind.
Hierbei stehen sich in einer PBG-Struktur zwei Filterstrukturen 4 jeweils
gegenüber
und sind an ihren Seiten durch eine elektrisch leitfähige Wand 7 mit der
Bezugsmassenfläche 2 elektrisch
verbunden.
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12 zeigt
eine erfindungsgemäße Sende- und/oder
Empfangseinheit mit einem Hochfrequenzteil 19 und der damit
verbundenen erfindungsgemäßen Antenne 1.
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13 bis 20 zeigen
bekannte PBG-Strukturen 18 in der Draufsicht, wobei 13 eine
quadratische Grundfläche
der Filterstruktur 4 und 14 eine
rechteckige Grundfläche
der Filterstruktur 4 zeigt. Bei 15 variiert
die Breite B zwischen zwei benachbarten Filterstrukturen 4 und
der Gitterabstand D. 16 zeigt eine bekannte PBG-Struktur
mit Filterstrukturen 4, die eine sechseckige Grundfläche aufweisen
und auf einem Gitter liegen. 17 zeigt
eine bekannte PBG-Struktur mit sog. sich windenden Kreuz-Elementen
(„winding cross"). 18 zeigt
eine bekannte PBG-Struktur mit Filterstrukturen 4 mit quadratischer
Grundfläche,
welche Aussparungen 28 aufweisen. 19 zeigt
eine bekannte PBG-Struktur mit konzentrisch angeordneten Filterstrukturen 4. 20 zeigt
eine bekannte PBG-Struktur mit linienförmigen Filterstrukturen 4.
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21 bis 37 zeigen
verschiedene erfindungsgemäße PBG-Strukturen,
wobei die Berandung durch elektrisch leitfähige Wände 7 oder Zäune 8 gebildet
wird. Hierbei geht eine Filterstruktur 4 am Rand 5 durch
Halbierung aus einer Filterstruktur aus dem Inneren des Felds 17 hervor.
Die Filterstrukturen 4 liegen auf einem Gitter mit einer
Gitterkonstanten D, welche in etwa einer Viertelwellenlänge der
elektromagnetischen Welle entspricht.
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38 zeigt
eine erfindungsgemäße HF-Schaltung 27 mit
zwei Schaltungselementen 26, welche durch eine erfindungsgemäße PGB-Struktur 18 voneinander
entkoppelt sind.
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39 zeigt
eine kompakte Realisierung einer erfindungsgemäßen PGB-Struktur, bei der zwei sich
gegenüberliegende
Filterstrukturen 4 mit einander wechselwirken und an ihrer
jeweiligen Außenseite
durch eine elektrisch leitende Wand 7 abgeschlossen sind.
Zwischen den beiden Filterstrukturen 4 besteht eine kapazitive
Wechselwirkung C. Die einzelnen Filterstrukturen 4 bilden
aufgrund des auf ihnen ausbildenden Stromflusses eine Induktivität L.
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40 bis 45 zeigen
erfindungsgemäße PBG-Strukturen
im Querschnitt zur Passivierung von Bezugsmassenflächen 2 bzw.
zur Entkopplung zweier Schaltungselemente 26 einer HF-Schaltung 27 im
Querschnitt. 42 zeigt eine Viadurchführung 30 durch
die Bezugsmassenfläche 2 und
eine weitere Bezugsmassenfläche 31.
Hierdurch wird eine Ausbildung von Parallelplattenmoden verhindert.
In 43 wird eine Ausbreitung von höheren Moden bzw. Parallelplattenmoden
durch die Filterstrukturen 4 verhindert. 44 bzw. 45 zeigen
eine durch zwei Schaltungselemente 26 gebildete Zweidrahtleitung,
wobei eine Ausbreitung von Parallelplattenmoden sowie höhere Leitungsmoden
durch die Passivierung der unteren 2 und oberen 31 Bezugsmassenfläche unterbunden
wird.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
ist bei Antennen eine sehr gute Polarisationsreinheit und Symmetrie
des Strahlungsdiagramms erreichbar, da keine Oberflächenwellen
das Abstrahlungsverhalten der Antenne 1 beeinflussen können. Zudem
ist die Effizienz und der Wirkungsgrad der Antenne erhöht, da Energie nicht
in den Oberflächenwellen
verloren geht. HF-Schaltungen weisen verbesserte Interferenzeigenschaften,
d.h. ein vermindertes Übersprechen,
auf. Die Berandung stellt eine für
die PBG geeignete Randbedingung dar, wodurch eine Verstimmung des
frequenzselektiven Verhaltens durch endliche Ausdehnung der PBG
weitestgehend vermieden wird. Die Berandung kann Energieflüsse und
Energieeinstrahlung unterhalb der PBG Elemente, beispielsweise durch
in der Nähe
befindliche Antennen, verhindern. Damit werden unerwünschte Störungen unterbunden.
Die Verkopplung von in der Nähe
der PBG befindlichen Schaltungselementen (z. B. Antennen) mit den
PBG-Strukturen wird reduziert. Eine Restabstrahlung von Energie
am Rand einer endlich ausgedehnten PBG wird reduziert. Die Berandung
erweist sich vorteilhaft, unabhängig
von der Gesamtgröße (Anzahl
der Filterstrukturen 4) der PBG-Struktur. Die Berandung
ermöglicht
als kleinste Struktur den Einsatz von zwei gepaarten Filterstrukturen
in einer Raumrichtung.
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Die
Erfindung betrifft eine PBG-Struktur 18 umfassend eine
Bezugsmassenfläche 2,
und mindestens zwei über
der Bezugsmassenfläche 2 angeordnete,
miteinander wechselwirkende passive Filterstrukturen 4 zur
Unterdrückung
der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in mindestens einer Richtung 6 parallel
zur Bezugsmassenfläche;
sowie eine Antenne, eine Sende- und/oder Empfangseinheit und eine
HF-Schaltung, wobei die PBG-Struktur 18 in Bezug auf die
Richtung 6 parallel zur Bezugsmassenfläche 2 einen Rand 5 aufweist,
mit dem die PBG-Struktur 18 bzw.
die am Feldrand 13 der PBG-Struktur befindlichen Filterstrukturen 4 mit
der Bezugsmassenfläche 2 elektrisch
verbunden ist. Die Erfindung zeichnet sich durch die mit dem Rand 5 verbesserte
Impedanzanpassung der PBG-Struktur 18 aus,
wodurch die Eigenschaften der PBG, bzw. der Antenne, der Sende-
und Empfangseinheit und der HF-Schaltung verbessert werden.
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- 1
- Antenne
- 2
- Bezugsmassenfläche
- 3
- Strahlerelement
- 4
- Filterstruktur
- 5
- Rand
- 6
- Richtung
parallel zur Bezugsmassenfläche
- 7
- Wand
- 8
- Zaun
- 9
- Verbindungsleitungen
- 10
- Leiterfläche
- 11
- Richtung
senkrecht zur Bezugsmassenfläche
- 12
- Feld
von Filterstrukturen
- 13
- Feldrand
- 14
- abgewandte
Seite
- 15
- zugewandte
Seite
- 16
- Kurzschlusspunkt
- 17
- Feld
von Filterstrukturen
- 18
- PBG-Struktur
- 19
- Hochfrequenzteil
- 20
- Sende-
und/oder Empfangseinheit
- 21
- Ausbreitungsrichtungen
einer Oberflächenwelle
- 22
- Fuß
- 23
- Randstrahlung
- 24
- Randelemente
- 25
- weiterer
Zaun
- 26
- Schaltungselement
- 27
- HF-Schaltung
- 28
- Aussparung
- 29
- Übergang
- 30
- Viadurchführung
- 31
- weitere
Bezugsmassenfläche
- A
- Abstand
zweier Mittelpunkte benachbarter Strahlerelemente
- B
- Breite
zwischen zwei benachbarten Filterstrukturen 4
- D
- Gitterabstand
der Filterstrukturen