DE19549257A1 - Frequenzselektive Oberfläche - Google Patents

Frequenzselektive Oberfläche

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DE19549257A1
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Germany
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frequency
recesses
conductive
selective surface
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Withdrawn
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DE19549257A
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Raymond Andrew Simpkin
Jannis Vardaxoglou
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Leonardo MW Ltd
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BAE Systems PLC
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)

Abstract

Eine frequenzselektive Oberfläche weist wenigstens eine frequenzselektive Schicht auf, die aus einem Feld elektrisch leitfähiger Elemente und aus wenigstens einer frequenzselektiven Schicht besteht, die ein Feld nicht leitfähiger Ausnehmungen besitzt und welche Schicht auf der Elementenschicht liegt, wobei eine dielektrische Schicht diese beiden Schichten trennt. Die Elementenschicht ist im Grundriß betrachtet komplementär zu der mit Ausnehmungen versehenen Schicht ausgebildet. Die Elementenschicht und die mit Ausnehmungen versehene Schicht sind relativ zueinander um 90 DEG verdreht und sie liegen im wesentlichen parallel zueinander, wobei das Elementenfeld und das Feld der Ausnehmungen die gleiche Periodizität aufweisen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine frequenzselektive Oberfläche, die insbesondere, aber nicht ausschließlich geeignet ist zur Benutzung als schmalbandiges, winkelstabiles, elektromagnetisches Fenster.
  • Eine herkömmliche, frequenzselektive Oberfläche besteht aus einem zweifach periodischen Feld identischer, leitfähiger Elemente oder Öffnungen in einem leitfähigen Schirm. Eine solche herkömmliche Oberfläche ist gewöhnlich eben und wird durch Ätzen des Feldaufbaus aus einem mit einem Metallüberzug versehenen, dielektrischen Substrat hergestellt. Diese herkömmlichen, frequenzselektiven Oberflächen verhalten sich wie Filter in bezug auf einfallende, elektromagnetische Wellen mit dem speziellen Frequenzansprechen, das von dem Feldelemententyp, der Periodizität des Feldes und den elektrischen Eigenschaften und der Geometrie der umgebenden, dielektrischen und/oder magnetischen Medien abhängt. Die Periodizität ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Elemente oder zwischen den Mittelpunkten benachbarter Öffnungen.
  • Eine derartige herkömmliche, frequenzselektive Oberfläche besitzt eine große Bandbreite, und es ist erwünscht, eine Oberfläche zur Verfügung zu haben, die eine kleinere Bandbreite besitzt und die eine bessere Selektivität besitzt und die eine relativ große Frequenztrennung zwischen dem Durchlaßband und dem Einsetzen der Gitterkeulen aufweist.
  • Es besteht ein Bedarf nach einer allgemein verbesserten frequenzselektiven Oberfläche.
  • Gemäß der Erfindung ist eine frequenzselektive Oberfläche vorgesehen, die wenigstens eine blattartige, frequenzselektive Schicht besitzt, die aus einem Feld von elektrisch leitfähigen Elementen besteht, die durch elektrisch nicht leitende Teile im Abstand angeordnet sind, wobei wenigstens eine elektrisch leitfähige blattartige, frequenzselektive Schicht ein Feld von im Abstand zueinander angeordneten, nicht leitfähigen Ausnehmungen besitzt, die über der Elementenschicht liegen, und es ist ein Blatt aus dielektrischem Material vorgesehen, das die wenigstens eine Elementenschicht und die wenigstens eine Ausnehmungsschicht trennt, wobei die Elementenschicht im Grundriß gesehen komplementär zu der mit Ausnehmungen versehenen Schicht angeordnet ist und die Elementenschicht und die mit Ausnehmungen versehene Schicht um 90° in der Ebene gegeneinander verdreht und im wesentlichen parallel zueinander sind, und wobei das Elementenfeld und das Ausnehmungsfeld die gleiche Periodizität aufweisen.
  • Vorzugsweise ist die wenigstens eine Leitelementenschicht quer zu der wenigstens einen Ausnehmungsschicht mit der halben Periodizität der Schichten angeordnet.
  • Zweckmäßigerweise hat jedes leitfähige Element die Gestalt einer geschlossenen, drahtartigen Schleife, die vorzugsweise quadratisch im Grundriß ausgebildet ist, wobei jede Öffnung als geschlossener, drahtartiger Schlitz mit im Grundriß komplementärer Gestalt ausgebildet ist, und zwar vorzugsweise von quadratischer Gestalt.
  • Stattdessen kann jedes leitfähige Element im Grundriß die Gestalt eines dreiarmigen Tripols aufweisen, wobei drei drahtartige, im wesentlichen lineare Arme von einem zentralen Punkt im Winkelabstand von 180° zueinander radial nach außen verlaufen und jede Öffnung im Grundriß die Form eines dreiarmigen Tripolschlitzes besitzt mit drei im wesentlichen linearen, armartigen Schlitzen, die von einem zentralen Punkt im Winkelabstand von 120° zueinander verlaufen.
  • Stattdessen kann jedes Element im Grundriß die Gestalt einer vorzugsweise kreisförmigen Teilfläche aufweisen, und jede Öffnung ist in Grundrißansicht komplementär gestaltet.
  • Vorzugsweise besteht die wenigstens eine Leitelementenschicht und die wenigstens eine Lochschicht aus Kupferfolie, und das dielektrische Material ist Polyester.
  • Zweckmäßigerweise ist jede Schicht im wesentlichen eben ausgebildet.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein schmalbandiges, winkelmäßig stabiles, elektromagnetisches Fenster vorgesehen, welches eine Oberfläche aus einer frequenzselektiven Oberfläche besitzt oder aus dieser besteht, wie dies oben beschrieben wurde.
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1a ist eine schematische, auseinandergezogene Grundrißansicht eines Teils einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit quadratischen Schleifenelementen und quadratischen Schleifenausnehmungen,
  • Fig. 1b ist eine schematische, auseinandergezogene Grundrißansicht eines Teils einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit dreiarmigen Tripolelementen und dreiarmigen Tripolöffnungen,
  • Fig. 1c ist eine schematische, auseinandergezogene Grundrißansicht eines Teils einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit kreisförmigen Flecken oder kreisförmigen Teilflächenelementen und kreisrunden Löchern,
  • Fig. 2 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines Teils einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a,
  • Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsverluste in Abhängigkeit von der Frequenz für eine mit einer einzigen Öffnung versehenen, frequenzselektiven Schicht, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, im Vergleich zu einer frequenzselektiven Oberflächenschicht mit einem einzigen, leitfähigen Element komplementär zu der Lochschicht, wiederum nicht nach der Erfindung ausgebildet,
  • Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsverluste in Abhängigkeit von der Frequenz für eine frequenzselektive Oberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, aufgetragen zum Vergleich mit der Übertragungsverlustkurve für eine frequenzselektive Oberfläche mit einer einzigen Lochschicht,
  • Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Frequenz in Abhängigkeit von der relativen Dielektrizitätskonstante Er für eine frequenzselektive Oberfläche gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, wobei Tripolelemente und Tripolausnehmungen Anwendung finden, wobei als Parameter die Resonanzfrequenz für verschiedene Substratdicken angegeben ist,
  • Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsverluste in Abhängigkeit von der Frequenz für eine frequenzselektive Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einer frequenzselektiven Einschicht-Oberfläche für übliche, niedrigere Durchlaßfrequenzen,
  • Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Übertragungsverluste in Abhängigkeit von der Frequenz für verschiedene Einfallswinkel für eine typische, frequenzselektive Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, und
  • Fig. 8 zeigt eine schematische Grundrißansicht einer leitfähigen Schicht, versetzt in Querrichtung um eine halbe Periode gegenüber einer rückwärtig angeordneten Lochschicht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie aus Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich, besteht eine frequenzselektive Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlich aus wenigstens einer blattartigen, frequenzselektiven Schicht 1 mit einem Feld von elektrisch leitfähigen Elementen 2, die durch elektrisch nicht leitende Abschnitte voneinander getrennt sind, und weiter weist die frequenzselektive Oberfläche wenigstens eine elektrisch leitfähige blattartige, frequenzselektive Schicht 3 auf, die ein Feld von im Abstand zueinander liegenden, nicht leitfähigen Ausnehmungen 4 aufweist, wobei diese Schicht 3 über der Schicht 1 liegt und ein Blatt aus dielektrischem Material der Dicke d die Schichten 1 und 3 trennt. Die Elemente 2 sind in Ansicht den Ausnehmungen 4 komplementär, und die Schichten 1 und 3 stellen Babinet'sche Komplemente zueinander dar. Ein Babinet'sches Komplement wird dadurch hergestellt, daß die leitfähigen Bereiche eines jeden Elementes 2 durch Ausnehmungen 3 gleicher Gestalt ersetzt werden und durch Ersatz der nicht leitenden Bereiche durch leitfähiges Material der gleichen Form. Um die Babinet'sche Transformation zu vollenden, ist eine Drehung der Schicht 1 gegenüber der Schicht 3 um 90° um die Normalachse herum erforderlich. Dies ist speziell aus Fig. 1b ersichtlich.
  • Insbesondere aus den Fig. 1a, 1b und 1c sind drei verschiedene Typen von Elementen und Ausnehmungen ersichtlich, die bei einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß der Erfindung Anwendung finden können. In Fig. 1a, die der Fig. 2 entspricht, hat jedes Element 2 die Form einer geschlossenen, drahtartigen Schleife, die in Ansicht quadratisch ausgebildet ist, und jede Ausnehmung 4 besteht aus einem geschlossenen, drahtartigen Schlitz, der in Ansicht quadratisch ausgebildet ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b hat jedes Element 2a in Ansicht die Form eines dreiarmigen Tripols mit drei drahtartigen, im wesentlichen geradlinigen Armen, die von einem Mittelpunkt im Winkelabstand von 120° zueinander radial nach außen laufen, und jede Ausnehmung 4a besitzt in Ansicht die Form eines dreiarmigen Tripolschlitzes mit drei im wesentlichen linearen, armartigen Schlitzen, die von einem Mittelpunkt unter 120° zueinander nach außen verlaufen. Die 90°-Drehung zwischen den Elementen 2a und den Ausnehmungen 4a ist aus Fig. 1b ersichtlich.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1c hat jedes Element 2b die Form eines Vollkreises, und jede Ausnehmung 4b hat in Ansicht eine komplementäre Kreisgestalt.
  • Bei allen frequenzselektiven Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise mit quadratischen Elementen 2 gemäß Fig. 2 und mit zwei Schichten 1 und 3, sind die beiden Schichten Babinet'sche Komplemente und besitzen die gleiche Periodizität. So ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt zweier benachbarter Elemente und/oder Ausnehmungen jeweils der gleiche. Jede Schicht 1 liegt parallel zu der Schicht 3 und ist von dieser durch den Abstand d getrennt, und dies ist die Dicke einer Zwischenschicht aus dielektrischem Material, die aus Zweckmäßigkeitsgründen in Fig. 2 nicht dargestellt ist. Vorzugsweise bestehen die Schichten 1 und 3 aus Kupferfolie, die auf beiden Seiten eines Blattes aus dielektrischem Material, beispielsweise aus Polyester, aufgebracht sind. Die Elemente 2 und die Schlitze 4 werden zweckmäßigerweise durch Ätzen erzeugt.
  • Das Frequenzansprechen einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise der frequenzselektiven Oberfläche gemäß Fig. 2, die als komplementäre, frequenzselektive Oberfläche (CFSS) bezeichnet wird, hängt nicht nur von den Eigenschaften und der Geometrie der einzelnen Schichten 1 und 3 ab, sondern auch von dem sie trennenden Abstand d von der Dielektrizitätskonstanten und der Permeabilität der dielektrischen Materialschicht und den relativen Stellungen der beiden Schichten 1 und 3 in der Querebene.
  • Die Resonanzfrequenz der komplementären, frequenzselektiven Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung ist abhängig von der Trennung d zwischen den Schichten 1 und 3. Um das Verständnis dieser Beziehung zu unterstützen, wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die das Frequenzansprechen einer frequenzselektiven Oberfläche mit einer einzigen Schicht zeigt. Der Übertragungsverlust (dB) ist hier in Abhängigkeit von der Frequenz (GHz) einer typischen, gelochten Schicht 3 aufgetragen, die auf einem 1,0 mm dicken Substrat aufgebracht ist, das eine Dielektrizitätskonstante von εr = 4 und eine Verlusttangente = 0 besitzt. Die hierfür gültige Kurve ist bei 5 dargestellt.
  • Der Einfallswinkel der einzigen Schicht verlief normal zur Oberfläche; die Periodizität betrug 5,0 mm unter Benutzung quadratischer Schleifenausnehmungen 4 mit einer Zeilenbreite von 0,3 mm und einer Spaltbreite von 0,3 mm.
  • Dieser Ansprechkurve 5 ist die Übertragungsverlustkurve 6 der frequenzselektiven Oberfläche mit dem Babinet'schen Komplement überlagert, wobei die Oberfläche auf dem gleichen dielektrischen Substrat angeordnet ist. Die komplementäre Gestalt des Frequenzansprechens ist deutlich ersichtlich. Die herkömmliche Einzelschicht von Ausnehmungen, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, besitzt ein Übertragungsdurchlaßband bei Resonanz, während die Babinet'sche Komplementkurve 6 ein Reflexionsansprechen bei fast der gleichen Frequenz (annähernd 11 GHz) hat. Bei Fehlen irgendeines dielektrischen Substrates wäre das Ansprechen genau komplementär zueinander. Die Kurve für das Babinet'sche Komplement ist bei 6 dargestellt.
  • Nunmehr werden die beiden komplementären Schichten zu einer zweilagigen, frequenzselektiven Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert, und zwar getrennt durch den Abstand d, und dann erhält man im typischen Fall zwei Transmissionsresonanzen auf jeder Seite der ursprünglichen Reflexionsresonanz des leitfähigen Feldes.
  • Fig. 4 zeigt den Übertragungsverlust für eine komplementäre, frequenzselektive Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar für den Fall, daß d = 1,0 mm und d = 0,05 mm. In diesem Fall ist die Übertragungsverlustkurve für d = 1,0 mm bei 7 dargestellt, und die Übertragungsverlustkurve für d = 0,5 mm ist bei 8 dargestellt. In Fig. 4 ist außerdem die Übertragungsansprechkurve 5 aus der vorherigen Fig. 3 für die Einzelschicht mit Ausnehmungen auf einem 1 mm dicken Substrat dargestellt. Alle drei Kurven gelten für senkrecht einfallende Strahlung. So ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß die Durchlaßfrequenz für die Einzelschicht, die bei 5 dargestellt ist, in der Nähe von 10 GHz liegt und nach unten auf 4,9 GHz verschoben wurde, wenn d = 1,0 mm beträgt, während die Durchlaßfrequenz auf 2,25 Ghz herabgesetzt wird, wenn d = 0,05 mm bei Einführung der komplementären Elementenschicht. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Ergebnisse von Fig. 4 die gleiche Größe und Gestalt der Elemente 2 für die drei dargestellten Kurven benutzen. Die Änderung im Frequenzansprechen ist eine Folge der erhöhten, elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Schichten 1 und 3 des komplementären, frequenzselektiven Oberflächenpaares.
  • Eine zweite Durchlaßbandresonanz wird durch die komplementäre, frequenzselektive Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt, die bei einer Frequenz liegt, die sehr viel höher ist als die vorher beschriebene, untere Durchlaßbandfrequenz. Die untere Durchlaßbandresonanz hat eine größere, praktische Bedeutung, da die obere Resonanz gewöhnlich in Teile der Frequenzdomäne übergreift, wo sich Floquet-Moden höherer Ordnung auszubreiten beginnen. Diese Moden werden oft als Gitterkeulen (grating lobes) bezeichnet. Gitterkeulen sind bei allen frequenzselektiven Oberflächen höchst unerwünscht, da sie jedes bemerkbare Durchlaßband zerstören und äußerst empfindlich auf den Einfallwinkel der Strahlung sind.
  • Fig. 5 zeigt, wie die untere Durchlaßbandfrequenz einer typischen komplementären, frequenzselektiven Oberfläche für eine Tripolform von Element und Ausnehmung gemäß Fig. 1b sich mit dem Abstand d zwischen den Schichten bei einem Bereich von Dielektrizitätskonstanten εr für spezielle, dielektrische Materialschichten ändert. In Fig. 5 bezieht sich die Kurve 9 auf d = 1 µm, die Kurve 10 auf d = 5 µm, die Kurve 11 auf d = 10 µm, die Kurve 12 auf d = 60 µm, die Kurve 13 auf d = 100 µm und die Kurve 14 bezieht sich auf d = 500 µm. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Durchlaßfrequenz in hohem Maße abhängig von dem Abstand d (der Dicke der dielektrischen Materialschicht). Eine größere Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz mit dem Abstand wird bei niedrigen Dielektrizitätskonstanten (im typischen Fall zwischen 1 und 5) erlangt.
  • Wenn man zu Fig. 4 zurückkehrt, wird klar, daß die komplementäre, frequenzselektive Oberfläche gemäß vorliegender Erfindung benutzt werden kann, um ein Durchlaßband bei einer Frequenz zu schaffen, die niedriger ist als die, die mit einer frequenzselektiven Oberfläche mit einer einzigen Schicht erreicht werden kann, die in Isolation benutzt wird. Diese Fähigkeit ist sehr erwünscht und kann mit einfachen, frequenzselektiven Oberflächen oder selbst mit in Kaskade geschalteten identischen, frequenzselektiven Oberflächenfeldern nicht erreicht werden, ohne ein unerwünschtes Gitterkeulen-Ansprechen bei höheren Frequenzen zu induzieren.
  • Zur Veranschaulichung dieser Fähigkeit wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Hier ist das Übertragungsansprechen einer einlagigen, frequenzselektiven Oberfläche als Kurve 15 dargestellt. Die einlagige, frequenzselektive Oberfläche ist auf einer 0,05 mm dicken, dielektrischen Schicht aufgetragen, die eine relative Dielektrizitätskonstante von εr = 4 und eine Verlusttangente von 0 besitzt. Die einlagige, frequenzselektive Oberfläche ist auf eine Resonanzfrequenz von 2,25 GHz durch Einstellung der Elementengröße und Periodizität eingestellt. Die Periodizität dieser einlagigen, frequenzselektiven Oberfläche betrug 19,0 mm in x- und y-Richtung (ein quadratisches Gitter), und es waren quadratische Schlitzausnehmungen, wie in Fig. 1a dargestellt, vorgesehen. Zusätzlich ist in Fig. 6 eine Kurve 16 für die gleiche Dicke d des dielektrischen Materials (d = 0,05 mm) dargestellt unter Benutzung der gleichen, selektiven Oberflächenelemente, aber mit einer zweilagigen komplementären, frequenzselektiven Oberfläche mit verminderter Elementengröße und Periodizität. Die Periodizität der Elemente der komplementären, frequenzselektiven Oberfläche betrug 5,0 mm.
  • Wie aus Fig. 6 ersichtlich, markiert der Punkt 17 das Einsetzen eines Gitterkeulenbereichs bei einer einlagigen, frequenzselektiven Oberfläche. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß die komplementäre, frequenzselektive Oberfläche gemäß vorliegender Erfindung eine stark verminderte Durchlaßbandbreite im Vergleich mit einer einlagigen, frequenzselektiven Oberfläche besitzt. Dies bedeutet, daß die komplementäre, frequenzselektive Oberfläche gemäß vorliegender Erfindung in höherem Maß selektiv ist als die einlagige, frequenzselektive Oberfläche. Außerdem gewährleistet die verminderte Periodizität der komplementären, frequenzselektiven Oberfläche gemäß vorliegender Erfindung, daß eine erhebliche Frequenztrennung zwischen Durchlaßbandresonanz und dem Einsetzen der Gitterkeulen besteht. Bei der einschichtigen, frequenzselektiven Oberfläche gemäß Fig. 6 beginnt der Gitterkeulenbereich 17 im Übertragungsansprechen bei Frequenzen aufzutreten, die größer als 15,75 GHz sind. Bei der komplementären, frequenzselektiven Oberfläche gemäß vorliegender Erfindung werden diese Gitterkeulen nicht erzeugt, bevor die Frequenz 60 GHz überschreitet.
  • Bei der Auslegung der frequenzselektiven Oberflächenaufbauten ist es erwünscht, gut definierte Durchlaßbänder zu erhalten, die bei einer Frequenz liegen, die weitab von der Gitterkeulen- Einsatzfrequenz liegt. Gitterkeulen beginnen dann aufzutreten, wenn die Periodizität des frequenzselektiven Oberflächenfeldes vergleichbar wird mit der Wellenlänge der einfallenden Strahlung.
  • Es kann bei frequenzselektiven Oberflächenelementen als vorteilhaft definiert werden, wenn eine ausreichende Trennung zwischen der Gitterkeulen-Einsatzfrequenz und der Bandpaß- Resonanzfrequenz besteht. Das Verhältnis der Wellenlängen im freien Raum bei der Durchlaßfrequenz λo zur Feldperiodizität p ist ein nützliches Kennzeichen unter diesen Umständen. Ein großes Verhältnis setzt eine große Frequenztrennung zwischen Durchlaßfrequenz und Gitterkeulenbereich voraus.
  • Für die Ergebnisse gemäß Fig. 4, wo die benutzte Feldperiodizität 5,0 mm betrug, erhält man für die einlagige, frequenzselektive Oberfläche und die komplementäre, frequenzselektive Oberfläche (CFSS) der vorliegenden Erfindung:

    Einlagen-FSS: λo/p = 30/5 = 6
    CFSS für d = 1,00 mm: λo/p = 60/5 = 12
    CFSS für d = 0,05 mm: λo/p = 133/5 = 26.6
  • Die obigen Ergebnisse sind charakteristisch für den CFSS-Aufbau, und sie sind nicht beschränkt auf gerade jene Beispiele, die in den vorherigen Figuren dargestellt wurden. Verhältnisse von Resonanzwellenlänge zu Periodizität, die den vierfachen Wert von Einlagen-FSS überschreiten, sind mit CFSS-Aufbauten leicht zu erreichen.
  • Das große Verhältnis von Resonanzwellenlänge zu Periodizität, welches durch den CFSS-Aufbau erhalten wird, trägt auch dazu bei, die Stabilität der Durchlaß-Resonanzfrequenz gegenüber Veränderungen des Einfallwinkels der einfallenden Strahlung aufrecht zu erhalten.
  • Fig. 7 zeigt das Übertragungsansprechen einer typischen komplementären, frequenzselektiven Oberfläche (CFSS) der Erfindung für Einfallswinkel von 0, 45, 60 und 75° in quer verlaufenden, elektrischen (TE) und quer verlaufenden, magnetischen (TM) Einfallsebenen. Das bei den berechneten Ergebnissen gemäß Fig. 7 benutzte FSS-Element hat die gleiche Größe und Periodizität wie das bei der Erzeugung der Ergebnisse gemäß Fig. 4 benutzte, mit dem Unterschied, daß das Substrat 1,0 mm dick ist und eine Dielektrizitätskonstante von 3 und eine Verlusttangente von 0,015 besitzt.
  • Die Kurve 18 repräsentiert den normalen, senkrechten Einfall (0°); die Kurve 19 repräsentiert die transversale Magnetebene (TM) bei einem Einfall von 45°, die Kurve 20 repräsentiert TM 60° und die Kurve 21 repräsentiert TM 75°. Die Kurve 22 repräsentiert eine transversale, elektrische Ebene (TE) mit Einfallwinkel 45°; die Kurve 23 repräsentiert TE 60°, und die Kurve 24 repräsentiert TE 75°.
  • Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Durchlaßfrequenz von etwa 7,6 GHz unabhängig vom Einfallswinkel sowohl in der TE- als auch in der TM-Ebene bleibt. Die Bandbreite des Ansprechens wird in der TE-Ebene schmaler, wenn der Einfallswinkel ansteigt, und er wird breiter in der TM-Ebene, was der Fall für jede FSS oder dielektrische Tafel ist. Die Bandbreite des Durchlasses, die jedoch mit CFSS-Aufbauten erlangt wird, ist schmaler als jene, die mit einer einzigen FSS-Schicht erreicht werden kann, die bei der gleichen Frequenz in Resonanz ist.
  • Die relative Querversetzung zwischen den FSS-Schichten bei dem CFSS-Aufbau ist ein wichtiges Merkmal bei der elektromagnetischen Auslegung. Für Elemente, beispielsweise quadratische Schleifen (Fig. 1a) oder Tripole (Fig. 1b), wird die maximale Kopplung zwischen den FSS-Schichten erreicht, wenn man die FSS so positioniert, daß die einzelnen Arme einer FSS-Schicht rechtwinklig zu jenen der komplementären FSS- Schicht liegen, wenn man sie längs einer senkrecht stehenden Achse betrachtet. Diese Konfiguration ist in Fig. 8 für quadratische Schleifenelemente 2 dargestellt.
  • Eine maximale, elektromagnetische Kopplung zwischen den komplementären FSS-Schichten ist synchron mit der Erlangung der maximalen Empfindlichkeit im Frequenzansprechen in bezug auf die anderen Auslegungsparameter, beispielsweise den Abstand zwischen den FSS-Schichten und der Dielektrizitätskonstante des dazwischenliegenden Substrats.
  • Um die erforderliche Lage für eine maximale Kopplung im CFSS-Aufbau nach der Erfindung unter Benutzung der oben erwähnten Elementtypen zu erlangen, ist es daher erforderlich, daß eines der FSS-Felder in x- und y-Richtung um eine halbe Periode relativ zu der anderen FSS-Schicht versetzt wird. Dies geschieht zusätzlich zu der 90°-Drehung, die erforderlich ist, um eine Babinet'sche Transformation zu erhalten.
  • Für Elemente, die aus Ausnehmungen und Flecken (Fig. 1c), nämlich Quadraten oder Kreisen bestehen, wird eine maximale Kopplung erlangt, wenn keine relative Querversetzung eingeführt wird.
  • Komplementäre, frequenzselektive Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung haben die folgenden Vorteile:
    • 1. eine Durchlaßfrequenz mit ausgezeichneter Winkelstabilität,
    • 2. eine schmale Frequenzbandbreite für den Durchlaß,
    • 3. eine hohe Frequenztrennung zwischen der unteren Durchlaßfrequenz und dem Gitterkeulenbereich infolge des großen Verhältnisses von Wellenlänge zu Periodizität, und
    • 4. das Frequenzansprechen ist äußerst empfindlich gegenüber der Trennung zwischen den komplementären FSS-Schichten und der Dielektrizitätskonstanten des dazwischenliegenden Mediums.
  • Frequenzselektive Oberflächen können auf oder in dielektrischen Antennenkuppeln angebracht werden, um den Radarquerschnitt (RCS) der umschlossenen Antenne außerhalb des Bandes zu vermindern. Diese spezielle Anwendung ist außerordentlich wichtig im Hinblick auf das erwünschte Verhalten der FSS- Schicht oder der FSS-Schichten. Innerhalb des Radardurchlaßbandes muß eine FSS-Antennenkuppel niedrige Übertragungsverluste und eine Stabilität der Durchlaßresonanz über einen weiten Bereich von Einfallwinkeln besitzen (0 bis 70° ist für eine stromlinienförmige Radom-Kuppel typisch). Das Durchlaßband muß außerdem so schmal wie möglich sein, so daß bei außerhalb des Bandes liegenden Frequenzen die Antennenkuppel perfekt wirksam leitend gegenüber der einfallenden Strahlung über einen Frequenzbereich erscheint, der so groß wie möglich ist.
  • Stattdessen können frequenzselektive Oberflächen in einer Oberfläche eines schmalbandigen, winkelstabilen, elektromagnetischen Fensters eingebaut sein oder wenigstens einen Teil hiervon bilden.

Claims (11)

1. Frequenzselektive Oberfläche, welche wenigstens eine blattartige, frequenzselektive Schicht aufweist, die aus einem Feld elektrisch leitfähiger Elemente besteht, die durch elektrisch nicht leitende Abschnitte getrennt sind, wobei wenigstens eine elektrisch leitfähige, blattartige, frequenzselektive Schicht ein Feld von im Abstand zueinander liegenden, nicht leitfähigen Ausnehmungen aufweist, die auf der Elementenschicht aufgebracht sind, und wobei ein Blatt aus dielektrischem Material die wenigstens eine Elementenschicht und die wenigstens eine mit Ausnehmungen versehene Schicht trennt, und wobei die Elementenschicht in Ansicht komplementär zu der mit Ausnehmungen versehenen Schicht gestaltet ist, und wobei die Elementenschicht und die mit Ausnehmungen versehene Schicht in der Ebene um 90° gegeneinander verdreht sind und im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei das Elementenfeld und das aus Ausnehmungen bestehende Feld die gleiche Periodizität aufweisen.
2. Oberfläche nach Anspruch 1, bei welcher die wenigstens eine leitfähige Elementenschicht quer zu der wenigstens einen mit Ausnehmungen versehenen Schicht um die halbe Periodizität der Schichten versetzt ist.
3. Oberfläche nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher jedes leitfähige Element die Gestalt einer geschlossenen, drahtartigen Schleife in Grundrißansicht aufweist, und wobei jede Ausnehmung die Form eines geschlossenen, drahtartigen Schlitzes in Ansicht in komplementärer Gestalt aufweist.
4. Oberfläche nach Anspruch 3, bei welcher jede Schleife und jeder Schlitz in Ansicht quadratisch ausgebildet ist.
5. Oberfläche nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher jedes leitfähige Element im Grundriß betrachtet die Gestalt eines dreiarmigen Tripols aufweist, wobei die drei drahtartigen, im wesentlichen linear verlaufenden Arme von einem Mittelpunkt aus im Winkelabstand von 120° zueinander radial nach außen verlaufen, und wobei jede Ausnehmung im Grundriß betrachtet die Gestalt eines dreiarmigen Tripolschlitzes besitzt, wobei drei im wesentlichen linear verlaufende, armartige Schlitze von einem Mittelpunkt aus im Winkelabstand von 120° zueinander radial nach außen verlaufen.
6. Oberfläche nach Anspruch 1, bei welcher jedes Element im Grundriß betrachtet die Gestalt eines Fleckens aufweist, und wobei jede Ausnehmung eine im Grundriß betrachtete, komplementäre Gestalt besitzt.
7. Oberfläche nach Anspruch 6, bei welcher jeder Fleck und jede Ausnehmung im Grundriß betrachtet kreisförmig ist.
8. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher wenigstens eine leitfähige Elementenschicht und wenigstens eine mit Ausnehmungen versehene Schicht aus Kupferfolie bestehen, wobei das dielektrische Material Polyester ist.
9. Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher jede Schicht im wesentlichen eben ausgebildet ist.
10. Frequenzselektive Oberfläche, welche entsprechend den Fig. 1a, 1b, 1c und 2 bis 8 ausgebildet ist.
11. Schmalbandiges, winkelstabiles, elektromagnetisches Fenster mit einer Oberfläche, die aus einer frequenzselektiven Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 besteht oder eine solche Oberfläche aufweist.
DE19549257A 1994-06-22 1995-06-22 Frequenzselektive Oberfläche Withdrawn DE19549257A1 (de)

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