DE4121245A1 - Frequenzselektive oberflaechenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine frequenzselektive Ober­ flächenstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für frequenzselektive Oberflächenstrukturen, die zur Filte­ rung von elektromagnetischen Wellen eine total reflektieren­ de, von Schlitzelementen in einem sich wiederholenden Muster durchsetzte Oberfläche aufweisen, sind aus dem Stand der Technik Schlitzkonfigurationen in zahlreichen Ausführungs­ formen bekannt, angefangen von einfachen Längs- oder Quer­ schlitzen (US-PS 43 14 255) über Jerusalem-Kreuzschlitze und H-förmige Schlitzelemente (DE-OS 37 26 309) bis hin zu geo­ metrisch komplexen tri- oder mehrpolaren Schlitzelementen (US-PS 39 75 738 und US-PS 41 26 866). Keines der bekannten Schlitzelemente genügt jedoch uneingeschränkt der Forderung nach qualitativ hochwertigen Bandpaßeigenschaften, sei es, daß die sich ergebende Oberflächenstruktur ein zu breitban­ diges Filterverhalten oder zu hohe Transmissionsverluste aufweist und/oder daß die Resonanzfrequenz stark einfallwin­ kel- oder polarisationsabhängig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit einem Schlitzmuster versehene frequenzselektive Oberflächenstruktur zu schaffen, bei der sich ein von dem Einfallwinkel und der Polarisation weitgehend unabhängiges, schmalbandiges Filterverhalten mit geringen Transmissionsverlusten erzielen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnete Oberflächenstruktur gelöst.

Erfindungsgemäß ist es durch die besondere geometrische Ge­ staltung einer H-förmigen Schlitzstruktur überraschenderwei­ se gelungen, den gegenseitigen Mittenabstand der Schlitzele­ mente und damit die Transmissionsverluste und die Abhängig­ keit vom Einfallwinkel sehr klein zu halten, ohne daß dies störende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitz­ elementen zur Folge hat, die das schmalbandige Resonanzver­ halten der Oberflächenstruktur negativ beeinflussen, mit dem zusätzlichen Effekt, daß sich die Schlitzelemente infolge ih­ rer orthogonalsymmetrischen, in X- und Y-Richtung im wesent­ lichen gleich langen Flächengeometrie ohne weiteres zum Zwec­ ke polarisationsunabhängiger Bandpaßeigenschaften in einem in der H- und der E-Ebene identischen Schlitzmuster anordnen lassen.

Wie gemäß Anspruch 2 bevorzugt, wird das polarisationsunab­ hängige Filterverhalten dadurch erreicht, daß benachbarte Schlitzelemente jeweils um 90° verdreht zueinander angeordnet sind.

Um den Transmissionsgrad und die Stabilität gegen Einfallwin­ keländerungen durch eine möglichst hohe Schlitzdichte der Oberflächenstruktur ohne störende Rückwirkungen auf die Fil­ terbandbreite weiter zu verbessern, sind die Schlitzelemente gemäß Anspruch 3 in besonders bevorzugter Weise sowohl in ho­ rizontaler als auch in vertikaler Richtung jeweils mit einem Mittelpunktabstand von etwa einer Drittelwellenlänge der zu selektierenden Wellenfrequenz positioniert.

Die Schlitzbreite der einzelnen Schlitzelemente wird nach Maßgabe der gewünschten Filterbandbreite gewählt und beträgt im Hinblick auf ein schmalbandiges Filterverhalten vorzugs­ weise etwa 1% der Betriebswellenlänge im Bereich der Verbin­ dungsbalken, während die Begrenzungsbalken gemäß Anspruch 4 etwa halb so breit wie die Verbindungsbalken ausgebildet sind.

Eine weitere, aus Gründen einer hohen Flankensteilheit des Filters besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung be­ steht gemäß Anspruch 5 darin, daß die Oberflächenstruktur als Sandwichbauteil mit zwei äußeren, jeweils von H-förmi­ gen Schlitzelementen durchbrochenen Deckschichten und einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus einem ver­ lustarmen Dielektrikum ausgebildet ist, dessen elektrische Schichtdicke einer viertel Betriebswellenlänge entspricht. Im Hinblick auf ein günstiges Transmissionsverhalten hat es sich dabei als zweckmäßig erwiesen, die H-förmigen Schlitzelemente gemäß Anspruch 6 in den beiden äußeren Deckschichten jeweils fluchtend zueinander anzuordnen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 die Schlitzkonfiguration eines einzelnen, H-förmigen Schlitzelements;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer frequenzselektiven Oberflächenstruktur mit einer periodischen Anordnung von H-förmigen Schlitzelementen gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt der Oberflächenstruktur gemäß Fig. 2 in Sandwichbauweise;

Fig. 4 die Transmissionskurven der Oberflächen­ struktur für verschiedene Einfallwinkel.

Fig. 1 zeigt ein H-förmiges Schlitzelement 2, bestehend aus einem Verbindungsbalken 4 und zwei sich jeweils endseitig an den Verbindungsbalken 4 unter einem rechten Winkel anschlie­ ßenden Begrenzungsbalken 6. Die Länge l des Verbindungsbal­ kens 4 ist gleich groß wie die Länge h jedes Querbalkens 6 und entspricht einem Viertel der Betriebswellenlänge λ, wo­ bei die Begrenzungsbalken 6 etwa in der Balkenmitte, also bei h/2, an den Verbindungsbalken 4 angeschlossen sind, d. h. das Schlitzelement 2 besitzt eine orthogonalsymmetrische Schlitz­ konfiguration.

Die Schlitzbreite d des Verbindungsbalkens 4 wird nach Maßga­ be der gewünschten Filterbandbreite gewählt und beträgt im Hinblick auf ein schmalbandiges Filterverhalten etwa 1% der Betriebswellenlänge λ, die Breite b der Begrenzungsbalken 6 ist etwa halb so groß.

In Fig. 2 ist eine frequenzselektive Oberflächenstruktur 8 gezeigt, deren Oberfläche aus einer dünnen metallischen Schicht besteht, deren Dicke sehr viel kleiner als die Be­ triebswellenlänge λ des Filters ist. Die Oberfläche ist von einem periodisch sich wiederholenden Muster H-förmiger Schlitzelemente 2 durchbrochen, wobei horizontal und vertikal benachbarte Schlitzelemente 2 jeweils um 90° verdreht zuein­ ander angeordnet sind. Die Mittelpunktsabstände p_x in hori­ zontaler und p_y in vertikaler Richtung sind gleich groß. Hierdurch ergeben sich gleiche Polarisationseigenschaften in orthogonalen Richtungen.

Um die Abhängigkeit der Filtereigenschaften vom Einfallwin­ kel und die Transmissionsverluste gering zu halten, muß der gegenseitige Mittelpunktsabstand und der Flächenbedarf der Schlitzelemente 2 klein gehalten werden, ohne daß sich stö­ rende Verkoppelungseffekte zwischen den einzelnen Schlitzele­ menten 2 ergeben. Dies wird mit der beschriebenen Schlitzgeo­ metrie dadurch erreicht, daß die Mittelpunktabstände p_x und p_y jeweils etwa ein Drittel der Betriebswellenlänge λ betra­ gen, d. h. auf einer quadratischen Teilfläche der Oberflä­ chenstruktur 8 mit der Kantenlänge λ lassen sich etwa neun Schlitzelemente 2 unterbringen und der gegenseitige Mittenab­ stand p der Schlitzelemente 2 ist wesentlich kleiner als die halbe Betriebswellenlänge λ.

In Fig. 3 ist die Sandwich-Bauweise der Oberflächenstruktur 8 dargestellt. Die metallischen Deckschichten 10, 12 sind von H-förmigen Schlitzmustern in der in Fig. 2 gezeigten Anordnung durchbrochen, wobei die Schlitzelemente 2 in der oberen und der unteren Deckschicht 10, 12 jeweils fluchtend zueinander ausgerichtet sind, und werden durch eine Zwischenschicht 14 aus einem verlustarmen Dielektrikum, dessen elektrische Schichtdicke einer viertel Betriebswellenlänge λ entspricht, auf Abstand gehalten. Durch eine solche Sandwich-Bauweise wird eine größere Flankensteilheit des Filters erreicht.

Fig. 4 zeigt die anhand eines Versuchsmusters gemessenen Transmissionskurven für unterschiedliche Einfallwinkel, wobei die Kurve a einem Einfallwinkel von 0°(senkrechter Einfall), die Kurve b einem Einfallwinkel von 20° und die Kurve c einem Einfallwinkel von 40° entspricht. Wie ersichtlich, ändert sich die Mittenfrequenz der Oberflächenstruktur mit zunehmen­ dem Einfallwinkel nur geringfügig, nämlich von 10,6 GHz bei 0° auf 10,25 GHz bei 40°, und auch die 3-dB-Bandbreite ist gleichbleibend gering und beträgt im gesamten Einfallwinkel­ bereich weniger als 800 MHz. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Transmissionsverluste im Resonanzbereich der Oberflächen­ struktur unabhängig vom Einfallwinkel nahezu bei Null liegen und daß die Oberflächenstruktur aufgrund der hohen Flanken­ steilheit der Transmissionskurven eine große Trennschärfe be­ sitzt.

Claims (6)

1. Frequenzselektive Oberflächenstruktur zur schmalbandigen Filterung von elektromagnetischen Wellen, mit einer to­ tal wellenreflektierenden Oberfläche, die von H-förmi­ gen, jeweils aus endseitigen Begrenzungsbalken und einem zu diesen querverlaufenden Verbindungsbalken bestehenden Schlitzelementen durchbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die endseitigen Begrenzungsbalken (6) der Schlitzelemen­ te (2) jeweils im wesentlichen gleich lang wie der Ver­ bindungsbalken (4) ausgebildet sind und eine Balkenlänge (h) von etwa einer viertel Wellenlänge (λ) der zu se­ lektierenden Wellenfrequenz besitzen.

2. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Schlitzelemente (2) jeweils um 90° zueinan­ der verdreht angeordnet sind.

3. Oberflächenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitzelemente (2) sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung jeweils mit einem Mittel­ punktsabstand (p_x, p_y) von etwa einer drittel Wellenlän­ ge (λ) der zu selektierenden Wellenfrequenz wiederho­ len.

4. Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbalken (4) jeweils eine etwa doppelt so große Schlitzbreite (d) wie die Begrenzungsbalken (6) besitzen.

5. Oberflächenstruktur nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch Ausbildung als Sandwich-Bauteil mit zwei äußeren, je­ weils von H-förmigen Schlitzelementen (2) durchbrochenen Deckschichten (12) und einer zwischen diesen angeordne­ ten Zwischenschicht (14) aus einem verlustarmen Dielek­ trikum, dessen elektrische Schichtdicke einer viertel Wellenlänge (λ) entspricht.

6. Oberflächenstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die H-förmigen Schlitzelemente (2) in den beiden äußeren Deckschichten (10, 12) jeweils fluchtend zueinander aus­ gerichtet sind.