DE19732569A1 - Quasioptisches Oberwellenfilter - Google Patents

Quasioptisches Oberwellenfilter

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Ralph Rashofer
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Description

Die Erzeugung hochfrequenter Signale ist wegen der nichtlinearen Dynamik der Oszillatoren zwangsläufig mit der Anregung von Oberwellen verbunden. Speziell bei Mikrowellen- und Millimeterwellenoszillatoren oberhalb von etwa 10 GHz ist die bei der ersten und oft auch noch der zweiten Oberwelle abgegebene Leistung nur unwesentlich geringer als die Leistung des Nutzsignals bei der Grundwelle. Um den sehr strengen gesetzlichen Bedingungen über die Aussendung von Nebenwellen zu genügen, ist daher regelmäßig ein Oberwellenfilter mit einer hohen Sperrdämpfung von typisch mehr als 30 dB notwendig.
Bekannte Lösungen sehen das Oberwellenfilter in dem die Signalquelle und die Sendeantenne verbindenden Wellenleiter vor. Die Filter basieren auf dem physikalischen Prinzip der periodischen Fehlanpassung der Oberwellen, wobei die periodische Fehlanpassung durch Inhomogenitäten des Wellenleiters erzielt wird. Die Inhomogenitäten des Wellenleiters beruhen entweder auf Änderungen der Wellenleitergeometrie (siehe z. B. H. S. Wa, M. Tsuji, "A Completely Theoretical Design Method of Dielectric Image Guide Gratings in the Bragg Reflection Region", IEEE Transactions on Microwave and Techniques, Band MTT-34, Nr. 4, April 1986) oder auf dem Einbringen dielektrischer Scheiben gleicher Dicke und gleicher relativer Permittivität in einen Hohlleiter (siehe J. J. Taub, J. Cohen, " Quasi-optical Waveguide Filter for Millimeter and Submillimeter Wavelengths", Proceedings of the IEEE, Band 54, Nr. 4, April 1966).
Diese bekannten Lösungen weisen folgende Nachteile auf: Bei den hohen betrachteten Frequenzen ist die Fertigung von Wellenleitern, die auch bei der ersten und möglicherweise zweiten Oberwelle einen einmodigen Betrieb ermöglichen, sehr schwierig und mit erhöhter Dämpfung für die Grundwelle verbunden oder - wie bei Hohlleitern - prinzipbedingt unmöglich. Daher müßte das Filter alle ausbreitungsfähigen Moden der Oberwellen zugleich sperren, was aber wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Moden unmöglich oder nur eingeschränkt möglich ist. Die Sperrdämpfung der Filter ist daher nur dann ausreichend, wenn die Anregung höherer Moden der Oberwellen durch aufwendige konstruktive Maßnahmen unterdrückt wird. Generell ist die offensichtliche Notwendigkeit einer Wellenleiterverbindung zwischen Signalquelle und Antenne nachteilig, denn aus Kostengründen werden heute Oszillatoren mit integrierten Planarantennen versehen, so daß nur noch eine externe Strahlformung, z. B. durch eine Hornantenne und/oder eine dielektrische Linse notwendig ist. Eine Wellenleiterverbindung existiert hier nicht, daher können diese Filter auch nicht eingesetzt werden.
Bei einer weiteren bekannten Lösung wird durch eine beidseitig mit periodischen, planaren, metallischen Streukörpern strukturiere, planparallele, dielektrische Scheibe ein quasioptischer Bandpaßfilter realisiert. Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip des in der Lasertechnik üblichen Fabry-Perrot Resonators, wobei die hohe Reflektivität an den Grenzflächen durch die metallischen Streukörper erzeugt wird. Das Filter kann direkt in den Strahlengang einer hochfrequenten Übertragungsstrecke außerhalb eines Wellenleiters eingebracht werden. (siehe z. B. P. G. Wannier, J. A. Arnaud. F. A. Pelow, A. A. M. Saleh, "Quasioptical band-rejection filter at 100 GHz", Rev. Sci. Instrum., Band 47, Nr. 1, Januar 1976).
Diese bekannte Lösung weist folgende Nachteile auf: Es können nur schmalbandige Filter mit einer verhältnismäßig hohen Einfügedämpfung von 2 dB bis 3 dB im Durchlaßbereich und einer für den oben genannten Anwendungszweck nicht ausreichenden Sperrdämpfung realisiert werden. Außerdem muß die Querschnittsfläche des Filters sehr groß und die Oberfläche der Scheibe aus Fertigungsgründen plan sein.
Die erfindungsgemäße Lösung vermeidet die oben genannten Nachteile der bekannten Lösungen, vereint jedoch deren Vorteile. Sie basiert auf dem physikalischen Grundprinzip der periodischen Fehlanpassung, das durch eine geschichtete Filterplatte realisiert wird, wendet es jedoch auf sich frei ausbreitende, also nicht in einem Wellenleiter geführte Wellen an. Da alle sich frei ausbreitenden Wellen die gleiche Freiraumwellenzahl aufweisen, stellt sich das Problem der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten verschiedener Moden erst gar nicht. Eventuell in einem vorhergehenden Wellenleiter angeregte höhere Moden der Oberwellen äußern sich in einem vergrößerten Winkelspektrum der abgestrahlten Wellen. Da die Filterwirkung der Filterplatte innerhalb eines gewissen Bereichs des Einfallswinkel nicht wesentlich variiert, kann dieses vergrößerte Winkelspektrum vernachlässigt werden, solange die Divergenz des Wellenfelds nicht zu groß ist. Für eine ausreichend kleine Divergenz sollen die Querschnittsabmessungen w der Filterscheibe nicht zu klein sein. Die kleinsten Abmessungen kann sie aufweisen, wenn sie in der Taille eines Gaußschen Strahls angebracht wird, wobei w dann den Wert 4λ0 nicht unterschreiten sollte, wobei λ0 = c0/f die Freiraumwellenlänge, c0 die Vakuumlichtgeschwindigkeit und f die Frequenz der Grundwelle des Signals bezeichnet. Im übrigen sollte w so gewählt werden, daß das gesamte, sich frei ausbreitende Wellenfeld durch die Filterplatte hindurchtreten muß. Im Regelfall wird w also wesentlich größer als 4λ0 gewählt werden müssen. Die Form der Querschnittsfläche kann weitgehend den geometrischen Erfordernissen beim Einbau der Scheibe angepaßt werden (z. B. quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder elliptisch).
Die Filtercharakteristik kann durch die Wahl der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften, nämlich der relativen Permittivität εr und der relativen Permeabilität µr, sowie der Dicke der einzelnen Schichten (1) eingestellt werden. Eine maximale Sperrdämpfung wird erreicht, wenn die Dicke h jeder Scheibe gerade λ/4 beträgt, wobei λ = λ0/√εrµr die Wellenlänge im entsprechenden Material bei der gewünschten Sperrfrequenz ist. Durch kleine Abweichungen der Scheibendicken vom genannten Wert kann jedoch der Sperrbereich verbreitert oder die Welligkeit im Durchlaßbereich reduziert werden. Bei geeigneter Wahl der Schichten lassen sich die Mitte des Sperrbereichs und dessen Breite so einstellen, daß neben der ersten auch höhere Oberwellen noch in den Sperrbereich fallen.
Die Unteransprüche beziehen sich auf besonders günstige Ausführungsformen der Erfindung:
Die einfachste Ausführung ist der Aufbau der Filterplatte aus ebenen Schichten (Anspruch 2). die Filterplatte gekrümmten Wellenfronten optimal anpassen zu können, sind aber auch gekrümmte Formen wie Ausschnitte aus Kugelschalen (Anspruch 3) oder aus Ellipsoidenschalen (Anspruch 4) sinnvoll.
Für eine einfache Fertigung ist ein Aufbau der Filterplatte aus nur zwei unterschiedlichen, sich jeweils abwechselnden Schichten günstig (Anspruch 5). Für eine ausreichende Filterwirkung ist dabei ein möglichst großer Unterschied zwischen den relativen Permittivitäten und Permeabilitäten der beiden Materialen zu fordern.
Für die Realisierung von Schichten mit einer relativen Permittivität und Permeabilität von nahezu 1 bietet sich die Verwendung gasgefüllter Schichten (2) an, wobei die Schichtdicke durch Abstandshalter (3) festgelegt wird (Anspruch 6). Alternativ können derartige Schichten auch durch Kunststoffschäume realisiert werden, wobei eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit erreicht wird (Anspruch 7).
Bei Einbau der Filterscheibe am Ende einer Hornantenne dient diese zugleich als Deckel zum Schutz vor Umwelteinflüssen (Anspruch 8). Da statt oder zusätzlich zu einer Hornantenne häufig eine dielektrische Linse verwendet wird, bietet sich auch die Integration der Filterscheibe in diese Linse (4) an (Anspruch 9).
Wegen der periodischen Fehlanpassung der Oberwellen werden diese an der Filterplatte reflektiert. Bei Einbau einer ebenen Filterplatte in einer Weise, daß die Flächennormale der Plattenoberfläche mit der Hauptstrahlrichtung des Signals zusammenfällt, werden die Oberwellen in die Signalquelle zurückreflektiert. Dies ist häufig unerwünscht. Wird nun die Filterplatte so eingebaut, daß die Flächennormale der Plattenoberfläche mit der Hauptstrahlrichtung des Signals einen gewissen Winkel einschließt (technisch sinnvoll sind Winkel zwischen etwa 10° bis 60°) und wird in Reflexionsrichtung ein Absorber eingebracht (Anspruch 10), dann werden die Oberwellen nicht mehr in die Signalquelle zurückreflektiert, sondern absorbiert. Bei dieser Art des Einbaus sind die Dimensionierungsvorschriften für die Querschnittsabmessungen und die Scheibendicke so zu modifizieren, daß die jeweils bezüglich der Hauptstrahlrichtung projizierten Größen der Filterplatte den genannten Bedingungen genügen.

Claims (10)

1. Quasioptisches Oberwellenfilter,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - dünne Schichten isolierender oder halbleitender Materialien zu einer geschichteten Filterplatte zusammengesetzt sind, wobei sich die einzelnen Schichten hinsichtlich ihrer dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften voneinander unterscheiden,
  • - die Filterplatte in den Signalpfad einer hochfrequenten Übertragungsstrecke an einer Stelle eingebracht wird, an der das Hochfrequenzsignal nicht in einem Wellenleiter geführt wird,
  • - Dicke, Permittivität und Permeabilität der einzelnen Schichten so gewählt werden, daß die Grundwelle des Signals nahezu ungedämpft die Filterplatte passiert, während mindestens die erste Oberwelle, möglicherweise aber auch weitere Oberwellen reflektiert werden,
  • - die Abmessungen der Filterplatte mit Ausnahme der Dicke größer als vier Wellenlängen der Grundwelle des Signals bei Ausbreitung in Luft sind.
2. Quasioptisches Oberwellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der einzelnen Schichten der Filterplatte Ausschnitte paralleler Ebenen darstellen.
3. Quasioptisches Oberwellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der einzelnen Schichten der Filterplatte Ausschnitte der Oberflächen von Kugeln mit gemeinsamem Mittelpunkt darstellen.
4. Quasioptisches Oberwellenfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der einzelnen Schichten der Filterplatte Ausschnitte der Oberflächen von Ellipsoiden mit gemeinsamen Brennpunkten darstellen.
5. Quasioptisches Oberwellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Schichtenfolge der Filterplatte lediglich zwei verschiedene Materialien jeweils abwechseln, wobei die relative Permittivität der beiden Materialien einen großen Unterschied aufweist.
6. Quasioptisches Oberwellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einfügen von Abstandshaltern innenliegende gasgefüllte Schichten mit besonders niedriger relativer Permittivität eingebracht werden.
7. Quasioptisches Oberwellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einfügen von Kunststoffschäumen innenliegende Schichten mit besonders niedriger relativer Permittivität eingebracht werden.
8. Quasioptisches Oberwellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterplatte zugleich als Abdeckscheibe einer Hornantenne dient.
9. Quasioptisches Oberwellenfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterplatte in eine dielektrische Linse zur Strahlformung integriert ist.
10. Quasioptisches Oberwellenfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale der Oberfläche der Filterplatte mit der Hauptstrahlrichtung des Signals einen gewissen Winkel einschließt und in Reflexionsrichtung der Oberwellen ein Absorber eingebaut ist.
DE1997132569 1997-07-29 1997-07-29 Quasioptisches Oberwellenfilter Withdrawn DE19732569A1 (de)

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EP0903806A3 (de) 1999-03-31
EP0903806A2 (de) 1999-03-24

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